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核电厂长期运行(LTO)——核电经济性的最优选择
时间:2020年08月18日 来源:中核智库 作者:李颖涵 戴 定 编译 点击量:1740 分享:

世界核太阳集团(WNA)2020年6月发布《核能资产的持久价值》报告。报告介绍了核电厂长期运行(LTO)的优势,指出LTO是能源经济性最优的选择,分析当前核电机组提前关停原因,并提出确保核电厂LTO需要开展的工作。

1 在运核电机组具备长期运行的能力

LTO的目的是将核电厂运行寿期延长至超过原许可证寿期或设计运行寿期,使其能够在更长时间内以可靠、低成本且低碳排放的方式生产电力,从而实现价值最大化。大多数在运核电机组最初的设计运行寿期为30至40年,但这并非由于技术限制。如今,在满足法规、安全性和经济性要求后,核电厂延寿已成为一种常见做法。

2019年,一批核电机组运行期满50年,这是一个重要的里程碑。印度塔拉普尔(Tarapur)1号机组率先实现,其次是塔拉普尔2号机组、瑞士贝兹瑙(Beznau)1号机组、美国九英里峰(Nine Mile Point)1号机组和京纳(Ginna)机组。这些机组将在比最初预期更长的时间里,继续生产清洁可靠的电力。

核电厂LTO已有成功示范的先例。美国拥有全球役龄最长的核电机组,其中大多数机组的运行许可证已在40年期限的基础上延长20年。尽管年代久远,这些电厂的业绩仍然十分卓越,负荷因子超过90%。许多运营商甚至希望再次延寿至80年。2019年12月,佛罗里达州土耳其角(Turkey Point)成为全球第一座获准延寿至80年的核电厂。

谈到核电厂老化问题,各国面临诸多挑战,并非所有核电技术都能实现延寿。例如,由于石墨组件寿命有限且无法替换,英国先进气冷堆(AGR)将在未来10年内全部关停,平均运行寿期为40至50年。俄罗斯大功率沸腾管式堆(RBMK)也面临类似问题,日益老化的石墨装置降低了机组运行性能,并将其寿命限制在45年左右。但这类技术只占世界核电厂的小部分,大多核电机组数均采用压水堆(PWR)、沸水堆(BWR)和加压重水堆(PHWR)技术,没有寿命方面的特殊限制。此外,关于老化问题的技术研究也在不断发展,甚至有望找到石墨堆延寿的解决方案,并可能具有更高的负荷因子。

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图1 截至2020年1月,目前反应堆的在运时间(资料来源:太阳app原子能机构PRIS数据库)

1.1 部分核电机组提前关停原因

大多数核电机组关停并不是由于设备老化问题,而是受市场、经济条件或政府法令影响的结果。在许多核电厂,何时关停机组的决定权由政府掌握。即使运营商有选择权,政府也可通过引入新的税收政策及市场改革,或者推动监管机构制定新的投资标准,迫使核电厂提前关停。若政府能给予支持,美国多台机组应能避免提前关停。事实上,关于是否建设以及如何维持并监管核电厂,从根本上讲仍是一个政治问题。

水力压裂技术的成熟,使低价页岩气大批出现,导致电力市场价格下降,间接促使美国多台核电机组因经济因素提前关停,但起决定性作用的仍然是市场结构。由于政府对核电厂征税,瑞典和西班牙最近也有部分核电厂关停。

此外,还有政治因素导致的关停。例如德国、韩国因其国内的弃核政策关停了部分机组。斯洛伐克等中、东欧国家因欧盟入盟要求而关停老旧机组。

政策、法规、维护成本和市场等因素的共同作用是导致核电机组关停的主要原因。2011年3月福岛核事故只涉及四台机组,但之后日本各地的电力公司一直无法从地方政府获得重启核电机组的许可。新安全标准出台后,多家公司因成本原因放弃对旧机组升级改造,导致十余台机组选择关停。

1.2 LTO的价值

作为低碳战略的一部分,核电厂LTO不仅能够降低消费者的能源支出,还有助于保护环境。由于电厂层面的经济、政治原因,核电机组提前关停的趋势已引发社会各界关注。越来越多的公民团体和太阳app组织呼吁将核能视为改善气候变化的优先选择,并向各国政府施压,要求阻止核电厂过早关闭。

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图2 2000年至2020年1月,因不同原因关停的反应堆数量

在大多数能源市场,如果以平准化成本(LCOE)计算,LTO是最经济的选择,这种状态预计将保持几十年。在大多数发展中国家,新建核能仍然是最便宜的低碳技术之一。在美国等发达国家,建造一座同类型核电厂的成本是延长现有核电厂寿命的两倍之多(图3)。此外,核电厂LCOE包含了包括废物管理在内的所有成本。相比之下,化石燃料电厂LCOE未包含相关碳成本,可再生能源的LCOE未包含电网调频等成本,这些成本最终均需由消费者承担。

此外,核能远不止发电这一项能力。政府在确定市场框架时是否承认并鼓励以下这些优势,是影响核电未来前景的关键因素之一。

核能的优势:

• 低碳、排放量少。

• 与其他能源相比,土地和资源占用量较小。

• 有效避免了氮氧化物、硫氧化物、重金属和颗粒物等污染。

• 提供持续电力,并可根据用电需求调峰运行。

• 通过减少对极端天气现象和外部威胁的脆弱性,提高能源弹性。

• 提供有助于稳定电网和调节频率的转动惯量。

• 能够储存燃料,提高了能源供应安全性。

• 主要位于非城市地区,为当地提供了高级工作岗位和经济活动。

• 可为研究、医学、工业和农业提供同位素和支持。

• 有助于供热、工业和运输部门的脱碳。

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图3 中国和美国不同发电技术的能源平准化成本(LCOE)(数据来源:WEO2019, IEA)

在政府间气候变化专门委员会(IPCC)发布《全球升温1.5℃特别报告》后,社会团体和机构紧迫感与日俱增,核能逐渐被认为是应对气候变化的关键技术。太阳app能源署(IEA)署长法提赫·比罗尔(Fatih Birol)表示:“延长核电厂的寿命不仅是一种经济有效的解决方案,还能让我们的气候目标保持活力。这是当今最紧迫的政策挑战。”

淘汰可靠的低碳能源发电设施而不是化石燃料电厂的做法无法帮助各国实现减排目标。例如,尽管在许多人看来德国是环境保护的倡导者,但据统计,从绝对值来看,德国的二氧化碳排放量位于所有欧洲国家之首。鉴于其核电淘汰政策,德国未来似乎将主要依赖于化石燃料。最近发布的煤炭淘汰时间表证实了这一情况。根据时间表,德国将于2038年淘汰煤炭,并在之后保持对天然气的依赖。

从运营商的角度来看,核电厂LTO也具有重要意义。运营商拥有技术、经验、必要人力资源以及基础设施,LTO取证过程将比建造新核电厂更低价、更容易,而且还延长了建造废物管理设施和充实退役资金的时间。当地社区也将受益于此。关停一座核电厂将造成很大程度的社会动荡,美国佛蒙特州的佛扬基核电厂(Vermont Yankee)2014年退役时,当地经济损失达6000多万美元,税收至少损失1200万美元,大量人员失业。

美国和欧洲的新核电厂建设项目最近在时间和预算上都出现了巨大超支,间接提升了LTO的吸引力。然而,由于现有核电厂终将关停,不能将LTO视作是新建核电厂的替代方案。LTO从根本上说只是一种投资较低的权宜之计,建设新核电厂对于核工业的长期发展和实现气候目标都不可或缺。LTO应为新建项目起到桥梁的作用,并帮助在积累项目经验的同时保持核心太阳集团app竞争力,进一步降低未来新建项目成本。

2 确保LTO顺利实施的关键要素

LTO的顺利实施需确保LTO在具有成本效益的同时,使核电厂保持高性能水平运行,涉及太阳集团app(包括运营商和供应链)、监管机构和政策制定者。

2.1 运营商

对于核电运营商而言,应尽早在项目的设计初期研究LTO方案。LTO的准备工作受监管完善情况、装机规模等因素以及相关经验水平等影响,若不及早进行准备工作,可能会增加项目成本和风险。

建立核电厂寿命管理体系(PLiM)同样重要。PLiM的目的是确定电厂整个生命周期内所有需求和影响因素,保持高安全性并优化电厂性能。PLiM将综合考虑老化监测与经济规划,从而解决设备老化、维修排序、定期安全审查、教育培训等一系列延寿问题。

作为PLiM的一部分,运营商应采用停运和检修优化技术,尽可能采用改进的状态检修方法(comdition-based maintenance),选择最优的长期资产管理计划。LTO的成功实施还取决于是否有适当的设计变更和知识管理方案,这对于维护标准化核电机组尤为重要。如果改造升级缺乏完整记录,将使得升级和更换系统组件的过程更具挑战性。

LTO升级和取证活动开始前,运营商还应对未来几十年中可能出现的机会和风险进行分析预测。这意味着要将新兴技术考虑在内,例如可再生能源、智能电表和电动汽车等。同时还应考虑是否需引入负荷跟踪或热电联产(如氢气生产、区域供热等)等运行模式,确保经济可行性。

在LTO取证之前,还需解决部分经济和法律层面的问题,例如:

● 所有权:部分在运核电厂的所有权结构复杂,多个所有者可能无法就LTO达成统一意见。若电厂想要在原寿期基础上继续运营,可能需要改变所有权结构。

● 土地租赁:可能需重新协商土地使用情况。

● 市场情况:包括能否在新寿期内获得LTO投资的回报,例如长期的购电协议等。

● 退役和废物管理资金:因运营期延长及未来废物量变化的影响,用于退役和废物管理的资金数额也应调整。

在LTO全过程中,也需注意人力资源保障。核电厂60年的运行寿期已超过人均工作年限,这就意味着在电厂运营后期,需要注入数轮新鲜血液以接替经验丰富的老员工。员工的期望在不断变化,包括更加偏向于灵活的工作条件、数字化工作模式、以及“自下而上”的管理体系。因此,运营商应及时采取措施调整企业文化和就业福利,确保能够继续吸引合格的劳动力。

2.2 供应链

维持健康的供应链是LTO面临的更棘手挑战。核电设施寿命长,部件更换频率低,订单数量相对较少,使得供应商不得不权衡是否有必要保持昂贵的核电认证,这将导致合格供应商较少,成本更高。因此,运营商和供应商需共同努力,保障消耗性部件在整个运营寿期内均能有效供应。

为不断提升安全性与经济性,核能领域具有强烈的创新动力。但对于LTO而言,创新往往意味着淘汰,技术革新可能使得核电厂无法从供应链中获得老旧设备。而且,核工业标准通常禁止直接使用太阳集团app外的现成产品(OTS),同时要求将各种冗余系统作为纵深防御的一部分进行维护,这意味着必须将旧系统作为新系统的备份或替代品,一个经典的例子就是目前还有很多核电厂仍在使用手摇电话。此外,从LTO的角度来看,创新还包含着协调太阳app规范和标准,并实施“商业级认证流程”,使更多普通商业级产品有资格在核电部门中使用。

新技术也可发挥重要作用。实现LTO的关键技术包括:

● 数字化/数字孪生技术有助于进行设计变更和知识管理活动。

● 增材制造技术确保特殊组件在供应商停止供应后的可用性。

● 自动化和传感器技术将促进系统健康监测和维护,延长关键部件的使用寿命。

● 人工智能技术有助于改进项目进度规划,从而降低停堆和改造期间的成本、时间和风险。

● 机器人技术在难以靠近和高辐射的环境中应用越来越广,并可远程执行维修任务。

● 新型燃料设计可提高安全性,降低事故风险和影响,同时促进运营灵活性和功率的提升。

2.3 政府、监管机构和利益相关方

政府应继续积极支持核能,确保政策连续性。对于政府来说,仅允许LTO是不够的,还需要积极进行投资,即:

● 加大基础教育投入,确保拥有熟练的工人队伍。

● 制定产业战略,维持供应链健康。

● 改革市场结构,重视核能的非电力应用。

● 在部分国家,LTO必须有公众参与,因此当地政府应确保这一过程的透明度,并向利益相关方提供基于事实的太阳集团,除安全和环境风险外,还应包含社会、经济效益的内容。

由于企业和金融机构需将政策风险考虑在内,因此任何形式的弃核政策都会扰乱核电厂LTO的进程,并导致成本增加,使得国家气候目标更加难以实现。

在整个核电厂运营期间,监管机构的组织架构和人员的变化都将影响LTO的实施,因此,监管机构也需要制定一个长期方案。同时,监管机构应具备足够的法律权威、技术和管理能力以及人力和财政资源,确保现有的监管框架应与需要明确界定的LTO的要求相一致。此外,监管机构还应加强太阳app合作,共享类似电厂的运营历史并从其他项目中吸取经验,促进LTO的顺利实施。

除运营商、政府和监管机构之间的关系外,其他利益相关方(如当地社区)的认同和参与也是LTO的重要组成部分。某些过去的参与和沟通方法现在可能已经失效,因此需重新评估现有利益相关方的参与和沟通工作,确定其在LTO的目标和特定挑战方面的有效性。

3 小结

核电厂LTO已得到成功示范,现已成为标准化的工作模式。当今全球在运的绝大多数核电机组在技术上能够运行60年甚至更长时间,80年正成为新的基准。LTO意味着现有核电厂可以继续大量生产可靠、低碳电力,大幅增加了这些发电资产的价值。

最近有多台核电机组因政治而非技术因素提前关停,大多归因于经济原因的关停也受到政治影响。例如,在2011年3月福岛事故后,日本电力公司无法满足监管机构提出的昂贵重启条件。其他因经济关停的电厂也并非缺乏竞争力,而是受到市场失灵的影响。如果各国认真研判世界低碳发展形势并保留这些核电厂带来的众多益处,那么出于政治和经济因素关停核电机组的情况将大大减少。

虽然LTO是一个紧迫的全球优先事项,但它不应阻止现有的核电国家建设新核电机组。核电厂最终都将退役,LTO可以通过保留其关键技术能力,为未来新建核电厂奠定基础。LTO和新建核电方案应同时开展,共同实现减排目标。

业界、政府和监管机构迫切需要采取行动,最大限度地提高现有核电厂的产能。运营商应:

● 在初期阶段就引入电厂寿命管理和设计变更管理计划。

● 在取证及现代化改造之前,对政治、经济、社会、技术、法律和环境方面可能存在的威胁和机会进行评估。

● 加强企业文化建设,加大电厂现代化改造方面投入,确保具备必要的内外部人力资源。

此外,在核电厂越来越长的运行过程中,运营商和供应商还应确保其部件可正常使用。LTO意义上的创新应包括协调太阳app规范和标准,并实施“商业级认证流程”。数字化、增材制造、机器人技术、人工智能、自动化和先进核燃料等新技术也将发挥关键作用。

各国政府不仅应允许核电厂的LTO,还需积极支持核能,并确保相关政策的连续性。作为工业战略的一部分,政府还应为必要的基础架构建设提供教育培训资源,并承认核电的优势,重新规划能源市场,以认识到核能带来的诸多好处。在此帮助下,现有核电厂将在节能减排及发电方面发挥出比预想更大的价值。






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