近日，一声令下，在江苏连云港徐圩新区田湾核电基地，工业蒸汽不断地涌向连云港石化基地能源中枢——虹洋热电，标志着我国首个工业用途核能供汽项目——“和气一号”项目在该基地正式建成投产，也意味着我国核能综合利用从单一发电、民用供暖等，拓展进入到工业供汽领域。
远眺田湾核电基地。江苏核电 供图
在绿色能源和低碳发展的浪潮中，核能作为一种安全、经济、高效、可靠的清洁能源，备受关注。近些年，我国出台《“十四五”现代能源体系规划》《2024—2025年节能降碳行动方案》《2030年前碳达峰行动方案》等一系列政策，推动核能综合利用。
作为国家首批“绿色低碳先进技术示范工程项目”，“和气一号”为国内石化基地能源供应的绿色升级提供了新方案。核能如何输“汽”？核能与石化联手又将产生怎样的化学反应？
绿色：核能“烧开水”，为石化行业提供零碳蒸汽
“和气一号”承载了核电人的美好期许，从项目的命名就能体会到：“和气”取“核汽”谐音，既富行业特色，又寓意和和气气、和气生财。“一号”则体现了作为全国首家核能供汽项目的尝试，打破了石化行业的高温高压蒸汽主要使用煤炭作为热源的“垄断”。
蒸汽是石化行业不可或缺的生产要素，它可作为热源用于加热物料、反应器以及设备；在原油提炼、化学品分离过程中，对物质纯化也起到重要作用。每年，徐圩新区需要制备大量的蒸汽满足园区生产生活需求，采用核能供汽将有效降低能耗、减少碳排放。
核能如何生“汽”？就像在家“烧开水”一样。
热源和水是产生蒸汽的两个必备条件。“田湾核电3、4号机组内的核燃料发生核裂变产生的能量，加热二回路的水，产生高温高压的蒸汽，成为‘和气一号’的热源。”江苏核电二厂厂长、正高级工程师张祥贵说，这一步产生的蒸汽能够驱动汽轮发电机发电，这也是核能发电的原理。若要实现供“汽”，则要从中抽取一部分蒸汽在能源站中加热海水淡化厂生产的除盐水，使除盐水成为符合工业标准的蒸汽，符合工业标准的蒸汽再经过三回路管网传送到用汽端。
“和气一号”项目的受汽端——连云港石化基地。江苏核电 供图
据了解，工业蒸汽需达到1.8兆帕、248摄氏度的标准，且要在严格的工艺参数下进行控制，以确保产品质量。张祥贵补充解释道，“进入汽轮发电机做功发电的核能蒸汽热效率一般不超过40%，这意味着剩余的热量将通过凝聚器外排。通过‘多级换热’技术，热量可更充分地转化为工业蒸汽，使机组实际热效率得以提高。”
建设美丽中国，持续改善生态环境质量，根本在于加快推动发展方式绿色低碳转型。“不同于石化基地传统燃煤机组生产蒸汽，‘和气一号’将清洁核能升级替代传统化石能源，大大降低了蒸汽生产中的碳排放。”张祥贵算了一笔生态账，这意味着“和气一号”的实施，不仅能满足石化产业的用汽需求，更能为降低综合能耗和消除环境污染等方面提供有益助力。
据测算，项目的建成投产，每年可为连云港石化产业基地提供480万吨工业蒸汽，相当于每年减少燃烧标准煤40万吨，等效减排二氧化碳107万吨、二氧化硫184吨、氮氧化物263吨，相当于新增植树造林面积2900公顷。同时，随着“碳核算”的逐步展开，每年可为石化基地节省70多万吨碳排放指标，为地方打造万亿级石化产业集群、实施制造业重点产业链高质量发展提供有力支撑。
破局：创新超长距离供热技术，实现核能供汽自主化
“和气一号”作为核能供汽的“破局者”，国内外都无先例可循，这意味着项目从设计建设之初就要做探路者。
“探索、调试、磨合几乎成了家常便饭。”张祥贵表示，在初步设计阶段审查技术规格书、图纸、专篇等设计文件150余份，提出设计审查意见1000余条。而在运行机组方面，两台机组虽已实现汽轮机、发电机到常规岛的完全国产化，但其改造工程量之大，堪比建造一座百万千瓦级核电机组的常规岛。不过，令他印象深刻的还是蒸汽调试。
在蒸汽输送之初，蒸汽参数不达标问题曾让研发人员犯愁。“现在看来，只需调整蒸汽发生器参数和液位就能解决的问题，当时‘困’了大家好几个月。唯有逐个设备调整试验，尝试寻找‘症结’所在。”张祥贵说，纵有千难万阻，好在“和气一号”最终“闯关”成功，为核能综合利用技术国产化提供了样本，进行了开创性实践。
在田湾核电站内，核电站生产的工业蒸汽由一条银色管道输送到连云港石化基地。这条管道全长23.36公里，根据用汽需求，管道外直径设计为0.92米，是国内第一条超大口径、超长距离核能供热蒸汽管网。
“和气一号”项目的输汽管道（局部）。江苏核电 供图
长距离输送，如何降低蒸汽的热量损失？“和气一号”为此下足了功夫。据了解，在“控温”方面，该项目创新性采用了国内单套容量最大的双侧相变式蒸汽转换技术，可以实现冷热介质的逆向对流高效换热，确保出口蒸汽温度控制在260摄氏度左右。在“保温”防护上，管网材质方面也格外考究，采用了预制架空保温管，并以三重复合保温结构技术为核心，在工作管外层包裹了7层分别用纳米气凝胶、微孔硅酸钙瓦、聚氨酯等材质制成的高温层。经测试，“重重包裹”下的蒸汽可实现每公里温度下降不超过1摄氏度。同时，管网每隔一公里就设置温度、压力测点，精确感知管网输送介质情况。
在一般情况下，当正常室温遇到高温蒸汽，管网内外的巨大温差会使管道发生轻微膨胀变形出现位移。“为最大程度减少位移对管网输送的影响，我们每隔一段距离就在管道加设‘U’型弯，以吸收膨胀产生的位移量，确保管网走向、位置准确。”张祥贵说。
输送高温蒸汽的管网犹如一条在海岸线蜿蜒的银色“巨龙”，格外显眼。据了解，在核电站内部，还有不少技术和设计创新，为源源不断地供汽送汽保驾护航。
“和气一号”设置了4套蒸汽转换装置，每套装置包括一台一级预热、一台二级预热、一台蒸发器和一台过热器，蒸汽的“多级换热”就是在其中完成的。“不同于核能生电，这套设备要在蒸发器两侧同时完成‘水-汽’和‘汽-水’两种介质的转换，这是该项目的难点所在。”张祥贵解释道，为解决这一难题，蒸发器采用管壳式、集成化设计理念，创新性地将管内凝结和管内过冷两组管束设置在同一蒸发器壳体内，让管侧（汽变水）和壳式（水变汽）的介质均发生相变传热。同时，这种设计设备体积小，能够节约占地空间。
此外，“和气一号”还解决了压水堆核电厂大规模工业供汽热电联产堆机热匹配技术。该项目配套的海水淡化项目是目前江苏省内最大，也是中国核电领域最大项目。据了解，项目平时采用海水直接淡化，冬季则可以利用3、4号机组海水排水隧道内的温排水，减少能耗，这为核电厂温排水的大规模综合利用提供了范例。
安心：设置多重安全屏障，确保稳定高效运行
“和气一号”以绿色安全、稳定高效作为项目定位。核电、石化对安全要求极高，对于大家所关心的核能供汽安全问题，张祥贵细述了项目的几道安全屏障。
“和气一号”能源站中控室。江苏核电 供图
首先，通过多重隔绝技术，确保核电厂一回路、二回路，及工业蒸汽回路系统各自独立运作、彼此隔离。这意味着在核能供汽过程中，只涉及热量交换，没有任何水或者蒸汽的物质交换，从而最大程度保证工业蒸汽的安全性。
其次，创新性加设辐射监测仪表和快关阀。“和气一号”在主蒸汽取汽管道和工业蒸汽管道上增加了辐射监测仪表，当仪表出现异常超过临界值时，快关阀可在5秒内快速关闭，来自3、4号机组热源的加热蒸汽被迅速隔离，确保放射性“安检”不合格的蒸汽绝不会流向用汽端。
“根据调试测算的阀门关闭时间，我们为汽源切除等极端情况的发生制定应急预案。”张祥贵介绍，他们每年还要对相关操作人员开展至少80学时的复训和模拟演练，定期进行考核。
保障了绿色、安全，核能供汽稳定高效的优势才能够更好地发挥。
近年来，煤炭、石油、天然气等大宗化石能源的价格波动明显，供应稳定性受到挑战。在业内人士看来，核能综合利用与高耗能行业耦合发展将进一步凸显核能的零碳价值，可以满足高耗能行业多样化的用能需求。
据了解，目前田湾核电站可实现核电机组连续运行18个月不中断，为石化行业提供稳定的蒸汽供应。“在设计上，我们对3、4号机组的加热汽源进行调整，采用单机组供汽或两台机组联合供汽两种方式。如此一来，即使是遇到机组换料大修，也能实现每小时600吨额定负荷无扰切换连续供汽，从而保证每年8000小时蒸汽连续供应。”张祥贵说。
“和气一号”不仅拓展了核能的应用场景，为核能工业供汽提供了成功经验，也推动了核能综合利用和多元发展的探索。据了解，当前江苏还在探索海上光伏、工业制氢、抽水蓄能等项目。全部建成后，田湾基地将成为超1200万千瓦的大型清洁能源基地。
