核蒸汽循环建设的成本动因

本文中，美国电力研究院(EPRI)的先进核技术(ANT)项目比较了核能、CCGT和集中太阳能发电(CSP)厂典型蒸汽循环的成本数据。

1、核电成本挑战

全世界对碳减排的兴趣继续攀升。作为对不断增加的可再生能源部署的补充，先进核能预计出现在2050年的净零电网建模中，它代表了稳定的电力生产，可以根据负荷需求灵活调整输出。

然而，这些预测受到了与传统核电建设相关的高成本挑战，其成本通常是现代联合循环燃气轮机(CCGT)厂的两倍多。

虽然多种因素促成了电力成本的平准化计算，但核能价值的80%左右来自高资本成本。

大部分成本可能与核岛(反应堆、管道、泵和相关结构，包括蒸汽发生器)的建设以及相关的质量要求有关。

对于蒸汽循环(涡轮机、管道、泵、冷凝器和不包括蒸汽发生器的相关设备)，化石燃料和核燃料之间有许多相似之处，但核蒸汽循环的成本超过了CCGT电厂的成本。

2、技术概述

本研究中考虑的核电站包括：压水堆(根据橡树岭国家实验室的数据)，三种先进堆技术：高温气冷反应堆(HTGR)、钠冷快堆(SFR)和固体燃料熔盐反应堆(MSR)。

CCGT厂是第二个专门考虑的技术类别，该电厂包含两台燃气轮机、两台热回收蒸汽发生器和一台蒸汽轮机。

最后考虑的是CSP工厂，虽然CSP工厂有几种不同配置，但它们都是将反射镜聚焦到一条直线或一个点上，集中太阳反射的能量。

下表显示了这些技术的属性，这是2021 EPRI ANT项目报告表4-1。

各发电技术蒸汽发生器一回路温度。

3、核蒸汽循环的成本驱动因素

在本研究中，使用了代表性数据，并将其换算为美元。支持代表性压水堆分析的数据来自1987年能源经济数据库(EEDB)第九阶段更新报告。

在之前对该数据集的分析中，EPRI的ANT计划评估了核建设可以实现显著成本节约的潜在领域。

核能建设成本的最显著降低，来自缩短建设工期的变革，因为超过一半的隔夜建设成本来自劳动力，其中三分之二与间接成本有关。

在本分析中，仅考虑了三种发电技术蒸汽循环之间具有可比性的系统、结构和部件(SSC)。

EEDB成本数据与CCGT电厂和CSP电厂的数据进行了比较，这些数据来自国家可再生能源管理局能源实验室研究。

在考虑直接成本时，所有发电源似乎都具有可比性。

CSP成本的直接成本中包含了更昂贵的风冷冷凝器和应急柴油备用电源系统，CCGT和压水堆包括水冷系统。

在考虑间接成本之前，压水堆和CCGT电厂之间的主要差异并不明显。压水堆差异的主要成本驱动因素将单独讨论。

施工工期是这三种技术的关键区别之一。

CCGT电厂的建设时间为两年和四年，CSP电厂的建设时间预计为三年，而历史上，压水堆的建设时间平均为七年。

研究表明，施工工期增加10%会导致隔夜成本增加18%至22%。与直接成本(通常不会随着延迟而增加)不同，随着进度超支，办公室工程或质量控制等间接成本将随着延迟成比例增加，对成本的影响不成比例。

每种技术的质量要求都不同。

虽然核电站的整个蒸汽循环与安全无关，但核监管机构强加的质量要求，往往导致业主选择在不严格要求的系统中使用更昂贵的部件。

这会以多种方式推高成本。其中一个更容易理解的是“质量蠕变”，即采购安全相关部件，如高强度钢筋，用于电厂的安全和非安全相关部件，以避免在安全相关区域意外使用质量较低的部件。

施工经验被确定为蒸汽循环的最终主要成本驱动因素。

20世纪80年代希隆哈里斯(Shearon Harris)核电站建成后，直到25年后才开始新的核电站建设，包括V.C.Summer 核电站2号和3号机组以及Vogtle 核电站3号和4号机组。

几乎所有运营电厂队伍中经验丰富的员工都已退休，随之带走了许多未经记录的知识。

4、降低成本的机会

基于确定的成本驱动因素的交集，存在几种策略来降低核蒸汽循环的成本。

通过标准化和简化等技术，可以减少施工工期和适当的尺寸质量要求。

标准化，或设计的大量重复利用，是许多行业能够快速部署设施的原因。

CCGT市场在多个方面应用了大规模的重复设计方案，以便在短时间内设计和部署工厂。在成功将施工时间缩短到三年的过程中，重复设计起到了关键作用。

1966年至2002年期间，世界各地成功部署了各种核电站，这些地区采用了标准化做法，从而缩短了建设周期和隔夜资本成本。

与核电厂相比，简化是CSP和CCGT电厂成本降低的一个原因。

虽然水冷反应堆不能利用过热蒸汽循环允许的简化，但给水加热复杂性的降低，在未来的设计中可能允许的。

在较高温度下运行的非水冷反应堆，也可以使用与CCGT电厂类似的蒸汽循环设计，移除水分分离设备，采用简单的再热机制。

EPRI提出了分离核岛的概念，以解决其中几个成本驱动因素。

通过开发核岛去耦(分离事物)的技术基础，可以证明核电站的平衡与安全无关。

这种方法可以使工厂的每一“侧”都有单独的施工和运行实践。

有CCGT电厂平衡经验的施工人员可以被雇来建造该部分电厂，他们拥有几十年和几十个项目的所有经验，允许核安全文化具体应用于与安全相关的核岛。这不仅可以缩短施工工期，还可以降低质量蠕变带来的成本。

5、结论

非水冷反应堆标准化工艺流程图，HP=高压;IP=中间压力;LP=低压。

考虑到所有讨论的成本降低策略，有可能应用一定程度的标准化，使项目具有灵活性，这种思路显然比较靠谱。

为此，EPRI正在研究一个非水冷反应堆电厂典型平衡的提议概念，这种概念简化了运行所需的SSC，并允许有CCGT部署有经验的团队进行详细设计和施工。

上图是高级工艺流程图，显示了提议的典型系统，改编自2021 EPRI报告。

尽管高温先进堆的出口温度存在差异，但它们都满足了熔盐中间回路所需的最低温度，熔盐中间回路既可以提供蓄热，也有助于核岛的去耦。

通过消除昂贵的水分分离系统(类似于CCGT或CSP工厂中的水分分离系统)，简化高温功能设备。对一组更典型的SSC进行优化，可以使施工人员的开发更加精简。

将这一概念与非耦合核岛的概念联系起来，可以提供一个蓝图，在不给核岛造成安全影响的情况下减少施工工期和成本。

这些是解决核电站蒸汽循环隔夜成本较高主要成本驱动因素的可能方法。

任何能够充分缩短施工工期、在不发生事故的情况下满足适当质量要求，并为设计师和施工人员开发专业知识的解决方案，都可能对世界各地核能的部署产生影响。