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新項目核準 雙碳目標下如何推動核電高質量發展?

2022.04.21 能源雜志 侯艷麗

  4月20日國務院常務會議指出,要在嚴監管、確保絕對安全前提下有序發展核電。對經全面評估審查、已納入國家規劃的浙江三門、山東海陽、廣東陸豐三個核電新建機組項目予以核準。這是自2021年4月以來,首次有新核電項目獲批。雙碳目標下,應如何推動核電高質量發展?

 。▉碓矗何⑿殴娞枴澳茉措s志”作者:侯艷麗 作者供職于中國建筑科學研究院)

  碳達峰、碳中和目標愿景的提出,為推動氣候環境治理和我國經濟社會可持續發展擘畫了宏偉藍圖,指明了道路方向。雙碳目標下中國實現深度脫碳路徑面臨著發展方式根本性轉變和科技創新支撐的需求。

  面對未來巨大的低碳能源缺口,核電由于能量密度大、清潔低碳、運行穩定、安全高效等優勢,正處于“史上最大的戰略機遇期”。我國將更加堅定地貫徹新發展理念,推進產業轉型升級,走綠色、低碳、循環的發展路徑,引導民眾低碳消費和生活方式轉變,實現高質量發展;也將引領全球在“后疫情時代”實現綠色、低碳復蘇,對推進全球應對氣候變化合作行動、構建人類命運共同體,具有非,F實和重要的意義。

  雙碳時代,核電發揮更大作用

  2020年9月22日,國家主席習近平在第七十五屆聯合國大會一般性辯論上鄭重提出:“應對氣候變化《巴黎協定》代表了全球綠色低碳轉型的大方向,是保護地球家園需要采取的最低限度行動,各國必須邁出決定性步伐。中國將提高國家自主貢獻力度,采取更加有力的政策和措施,二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值,努力爭取2060年前實現碳中和!

  中國實現深度脫碳路徑,需要發展方式根本性轉變和科技創新的支撐:提升能效、控制一次能源消費總量是最直接、最有效的能源碳減排方式;建立綠色發展產業體系和社會消費方式,以數字化和電氣化推進脫碳;建立清潔低碳高效安全的能源生產和消費體系,形成以新能源和可再生能源為主體的零碳排放能源體系;低碳循環推進支撐深度脫碳技術研發和產業化發展。

  核能可作為清潔低碳、安全高效的基荷電源。核電能量密度大,生產過程中幾乎不產生碳排放。同時,核電運行穩定、可靠、換料周期長,適用于電網基本負荷及必要的負荷跟蹤,是當前乃至未來一段時間內唯一可以大規模替代化石能源的基荷電源。

  核能的多用途利用將為高碳排放部門的脫碳提供技術方案。與化石燃料通過燃燒將化學能轉變為熱能的利用形式不同,核能通過核反應過程(包括裂變、聚變或衰變)獲得高品位熱能,可以滿足稠油熱采等工業生產過程的需求,還可以為新型工業園區、新型城鎮等清潔供暖,實現對化石能源的替代。核能制氫可以替代焦炭用作煉鋼過程的還原劑,優化生產工藝的原料投入,大幅降低生產過程的排放。此外,核能還可在制冷、海水淡化、同位素生產、空間電源、水下能源網、陸上移動電源、應急電源等多場景下應用。在“雙碳”背景下,通過與高碳排放行業耦合發展,核能的零碳價值將進一步凸顯。

  核電高質量發展的定義與機遇

  如《碳達峰碳中和工作意見》中提到“要積極安全有序發展核電”,核安全始終是核工業的生命線,把握此輪機遇,助力雙碳目標,核電高質量發展的積極探索需要關注如下事項:

  提高現有運行核電站的安全可靠性;提高核電的運行經濟性;不斷優化核電新機型設計,打造更具競爭力的核電堆型。提高公眾對核電的接受度;總之,對于核電的高質量發展,需要立足新發展階段、貫徹新發展理念、構建新發展格局;需要在宏觀上,生產、流通、分配和消費循環暢通;提升產業鏈水平,強化雙循環聯動,推動建設核強國。在國家打造高水平安全、創造高品質生活、推進高效能治理方面繼續發揮核電新的更大作用。

  面對未來巨大的低碳能源缺口,核電發展正處于“史上最大的戰略機遇期”。核電是一種優缺點都相當明顯的能源,其主要優點包括:能量密度大,碳排放量低;運行穩定,可靠性高;是目前唯一可以大規模替代化石能源的基核電源;核電具有幾乎不受氣候、晝夜等因素影響的特點,有著穩定的供應能力,可以與風光等可再生能源形成互補,有利于整個電網的安全和消納。

  2021年1-8月份,全國發電設備累計平均利用2560小時。其中,核電設備平均利用小時數為5219小時,作為對比,同為清潔能源的風電設備平均利用小時數只有1500小時。核能可以通過核反應過程產生高品質熱能,可以滿足一部分工業生產的需求,例如稠油熱采、余熱供暖;核能還可以用于制氫、制冷、海水淡化、同位素生產等應用場景,可以部分實現對化石能源的替代。核電的廣泛利用有助于核能科技創新,解決產業鏈中的各種“卡脖子”問題。

  核電建設的高質量發展

  核電一次性建設投入成本高,新代核電規;蛔,安全系統簡潔高效性還不充分,非標準化設備相對較多,模塊化設計和建造應用偏少,制造及日常運維成本偏高。核電安全標準絕遠高于其他電力行業,但歷史上核電行業的三次重大核安全事故造成了國際核電發展的停滯,國外不少擁核國家宣布放棄核電,轉而投向其他能源懷抱。雙碳目標下,確保核電安全穩定運行成為核電行業全體從業者的首要準則。

  首先,以工程設計優化為關鍵,全面提升核電工程建造經濟性。

  經濟性是決定核電未來市場競爭力的關鍵因素。隨著我國能源和電力市場化改革深化乃至未來全國“碳市場”的快速發展,核電不可避免地將面臨與其他低碳能源形式的競爭發展。當前我國核電發展已逐步完成向三代技術的全面轉型升級,要進一步進行設計優化降低建設成本,體現技術經濟優勢和規模效應。

  加強技術創新能力。以技術創新促進核電產業發展基于國內已有核電技術研發體系,整合相關資源。對自主三代核電機組通過不斷的設計改進和優化,形成型號系列,在確保安全的前提下,提升經濟性和市場競爭力,全力推動批量化系列化發展;積極推進高溫氣冷堆、快堆設計優化改進,適時開展商業化工程建設;依據市場需求,加強革新型小型模塊化先進堆技術的研發及商業化推廣。

  加強核電關鍵技術和共性技術研究,開展嚴重事故預防緩解技術研究,數字化反應堆技術研究,核電廠延壽技術研究;加快核電關鍵軟件、材料、元器件的自主研發和應用,逐步實現國產化替代。加快核能產業鏈關鍵設備、部件及原材料研發,實現核心技術自主可控,解決“卡脖子”問題。積極推進數字化技術與核能產業深度融合,加快智慧核電廠建設與發展,促進全產業鏈轉型升級,提高管理效率和全員勞動生產率,降低成本,提升核心競爭力。

  簡化安全系統和減少冗余。需要在保證足夠安全性的條件下簡化安全系統、非安全級系統、減少冗余,降低工程造價、增加經濟性。如:集團在組織“華龍優化”工作的過程中,中國核電提出取消廠址附加柴油機,可以減少投資1.5億元。在簡化安全系統和減少冗余這一方面,AP1000機型的經驗值得參考。

  采用模塊化設計和建造技術。模塊化設計與建造技術已經被工程實踐證明,是減少現場施工量,降低安全隱患、縮短建造工期和降低工程造價的有效方式。該技術已經不同程度的應用于國內外三代核電機型的建設中。

  壓水堆新型號要實現在安全性、經濟性上的領先,模塊化設計與建造技術是必須要突破的關鍵技術,其中,模塊劃分方法、步驟和原則以及模塊化對布置、結構和設備設計的影響識別又是模塊化設計和建造技術中最為關鍵的兩個方面,模塊化技術研發如何有效地完成經濟性評估、制造水平評估、施工可建造性評估是決定關鍵模塊設計技術研發的重點。

  建立運行核電廠向設計院的長效經驗反饋機制。目前,各運行核電廠都建立了經驗反饋體系,并用狀態報告系統進行流程管理和記錄。各運行核電廠之間在中國核電的管理和協調下也實現了共享和快速反饋機制。但在運行核電廠和設計院之間并未建立起經驗反饋機制,有些事件和問題在不同項目上重發。

  第二,以產品服務市場化為方向,大力降低材料設備采購成本。

  以系統化思維構建核電設備設計、選型的統一品牌體系。需在建設之初就做出合理規劃,保持同一核電基地設備的一致性或統一性,為核電基地的高質量發展創造基礎。

  鎖定關鍵設備資源,集約化采購管理。設備的成本、進度直接影響核電機組建設工期和經濟效益,進而關系到核電行業的發展大勢。核電設備制造周期長、技術要求高、管理難度大、供貨成本高,常規采購方式和流程已不能適應高質量發展的新要求。因此,需要與關鍵供應商展開長期合作,提前鎖定關鍵設備資源,在依法依規基礎上以“動軟不動硬”或“聯儲聯備”等方式提前采購長周期主設備和關鍵核級設備。

  進一步完善設備、設計相互工作邏輯,有機有序精益管理。核電廠的基本構成單元是單臺設備。在總體設計完成后,各系統、各設備的設計要求是設備采購的上游條件,同時各設備的詳細設計和參數也是電廠相關系統、土建布置、安裝工藝、施工圖紙等的資料輸入;設備、設計相互依存,緊密銜接,邏輯順序和計劃管控極為重要。應進一步細化項目三級、四級進度計劃,梳理形成設計、設備提資專項計劃或接口清單,以設計向建安、調試提供文件的進度和內容要求反推采購啟動和廠家設計,再結合正常所需采購周期進一步完善技術規格書、總圖、詳圖等商務采購技術文件出版計劃。

  第三,以管理能力精益化為抓手,聚力核電工程建設提質增效。

  一方面是加強數字化應用,打通數字化移交最后一公里。目前,核電領域信息化、數字化技術普遍受到關注。各核電業主、參建單位、監理單位均已建設有各自的工程管理信息系統,已經具備了一定的核電工程項目信息化管理技術基礎,但存在各自為政、標準不一、數據來源單一、彼此之間基礎性及結構化數據交互及共享度不高,也存在在不同信息平臺重復錄入信息的現象。這些信息化的投入,一方面能夠提升各方內部的管理效能,另一方面也造成了重復投入,從項目總體上看,推高了實際投入,也降低了各方之間的管理效能。因此,有必要對各個信息化應用進行整合,打通項目參與各方的最后一公里,使信息提供更高的價值。

  另一方面是采用BIM三維建模技術。通過采用BIM三位建模技術,在土建施工方面對于結構復雜部位,進行模擬施工,使得施工邏輯分析更加直觀。建模應用有利于在技術策劃過程中提前發現問題,解決問題,避免出現現場實施時才發現各種問題,再去解決,制約現場工期。

  推進核電運維安全、經濟發展

  核電機組運行高質量發展:堅持底線思維,筑牢核安全屏障。核安全永遠是核電機組運行最基本的原則,沒有核安全,一切經濟、高效發展都是空中樓閣,不能為了追求核電經濟、高效發展而犧牲或者在核安全層面讓步。

  核電機組運行堅持底線思維,就是牢牢把握安全生產底線。核電機組運行過程中尤其需要對涉及核安全、停堆、停機、三廢(廢氣、廢液、廢物)排放及環境敏感SSC做好切實有效的風險管控,在嚴格遵守技術規程書的前提下安全、經濟運行,牢牢守住核安全的屏障。

  堅持對標管理,推動電站高質量改革。借鑒國外績優核電企業經驗和管理,對標領域包括:生產流程、運行管理、大修管理、設備可靠性管理、安全質量管理、業績指標管理、培訓管理等領域。

  大力推動核電站生產組織機構人數改革,提高單位勞動力的產能、效率。使組織機構更加扁平化,切實發揮專業技術人員的職能才華,專業人的做專業的事,精益求精。

  新技術廣泛運用助推核電機組安全、經濟、高效運行。一方面是積極推進預防人因失誤工具的應用。目前核電站開展的人因管理的主要目的是預防人因失誤、減少和避免重大人因事件、保證機組的安全穩定運行。

  另一方面是積極推進計算機化規程、智慧巡檢、數字化改革。計算機化的規程,在構架時和電站的控制系統底層邏輯數據點相連接,在處理機組報警響應、異常響應、事故處理期間可以實現智能邏輯判定,減少事故工況下的人因失誤。

  維修高質量發展

  當前核電廠維修工作主要包括預防性維修和糾正性維修,其中預防性維修以時間為周期,通常在日;蛘叽笮奁陂g實施。大綱編制前期主要基于廠家的維修手冊,后期可結合運行經驗和故障模式分析調整或取消項目。糾正性維修以現場消缺為主,無固定周期,主要取決于設備的運行質量,設備可靠性越高,糾正性維修就越少。維修高質量發展主要體現在提高維修質量,減少維修數量,縮短大修工期,這三者都可以顯著提升運行核電廠的經濟性。

  加強維修高技能人才培養。目前各電廠大部分維修工作都外委檢修公司承擔,自身主要承擔檢修管理職責,長期的檢修業務外包導致培養的全國技術能手較少,高質量發展下需要進一步梳理維修人員的核心技能,加強核心技能的培訓,逐步做到核心設備自主維修,培養更多的國家級、省級技術能手。

  提高設備可靠性,減少糾正性維修。從技改和檢測著手。一方面,加快技改,替代等流程,避免設備老化。各電廠應加大技改的實施力度,將技改流程納入電廠生產計劃體系中,統籌設計、采購、施工、調試等各個環節,做到有機銜接提高技改項目的實施完成率。同時對技改項目進行更為精準的優先級排序,抓主要矛盾,優先實施影響機組安全穩定運行的項目,對于長期未實施的改造進行再評估,取消錦上添花的一些項目。

  另一方面,運用先進監測手段,防治“未”病。應繼續加強設備的狀態監測,提前發現設備故障的“小苗頭”,及早干預,避免釀成大的事故。優化預維大綱,避免過度維修。

  一要鞏固現有成果,調整預維項目。目前各運行電廠已基本實現RTM設備只做簡單維護,不做侵入性維修,通過該優化,大量的RTM設備侵入性維修工作被取消,節約了大量人力,物力。后續應繼續鞏固將該經驗并推廣至中國核電新建核電廠。

  二要創新分析方法,優化預維周期。當前對于NC設備的預維優化有一些基本的方法,如通過調整設備分級、結合預維模板對維修任務和周期進行優化,對NC設備的平均故障時間計算和分析,但具體的評估分析方法需要各電廠自行探索。

  三要從基于時間的維修(TBM)轉為基于狀態的維修(CBM)。下圖為典型設備性能隨時間變化的曲線。

  基于狀態的維修通過采集設備狀態數據,提前洞察設備性能劣化和預警設備故障,實現精準維修。開展狀態維修需要采用在線監測、預測性維修檢測技術(PdM)、巡檢、定期試驗、在役檢查等多種手段,目前國內核電廠應用較為成熟的PdM技術主要有熱成像、振動分析、油品分析、聲波探測、電機診斷、內窺鏡檢測等。

  四要利用維修規則延長預維周期。維修規則是美國核管會基于有效維修對核安全有重要影響的認知,是美國第一個風險指引和基于性能的強制性管理要求,適用于對安全相關和部分非安全相關SSCs的維修監管。美國核電站實施維修規則后在降低核電廠重大事件次數、提高核電廠平均能力因子、減少核電廠平均換料大修時間方面成效顯著。國內國家核安全局強制要求延壽核電廠必須在延壽前實施維修規則,其他核電推薦實施。

  持續強化核應急能力

  貫徹創新、協調、綠色、開放、共享發展理念,堅定不移推進核能事業發展,是中國的重要戰略選擇。發展核能事業的步伐不停止,加強核應急的步伐就不會停止。我國缺少應對重特大核事故的經驗,培訓和演習是檢驗應急準備水平和提升應急響應能力的主要手段。通過模擬實戰化的演習情景,定期組織區域性、專業類、模塊化、無腳本的核與輻射應急演習,以點帶面,以演代訓,互學互鑒,示范引領,檢驗和完善預案,全面鍛煉隊伍,促進應急裝備和信息化水平的升級換代,真正提高演習水平,檢驗實戰能力。

  福島事故以后,我國核電都開發了相應的“嚴重事故管理導則”,但是還不夠細化,事故后的恢復策略也還不夠完善。充分吸收國際上在事故后管理方面的經驗教訓,完善我國的核事故應急預案,提出核設施事故后管理策略的相關要素及其具體要求,促進應急響應向恢復階段的轉變,是核電高質量發展的最后防線,也是落實十九大報告的“統籌發展和安全”重要論述。

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