核电厂温排水余热利用方案设计的方法学研究

核电厂温排水余热利用方案设计的方法学研究

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0 引言

随着科技和工农业生产的迅速发展，热污染问题已成为一个日益严重的环境问题。热污染的主要来源是电力工业冷却水，尤其是采用直流冷却方式的核电厂。现代大型核电厂的热排放问题，就经常性的环境影响而言，远较放射性排放为严重。一台1000MWe的核电机组（轻水堆）有2000MWt的热量散失到环境中（常规火电厂的废热量较小，且有10%~15%废热从烟囱排入大气，实际传给环境水体的热量为轻水堆核电厂的70%左右）。如果采用直流冷却方式，绝大部分的热能由循环冷却水携带而进入自然水体（一台1000MWe的核电机组，采用直流冷却方式的温排水流量约为50 m3/s，同一厂址在四台机组同时运行时，将有流量为200 m3/s的高于环境受纳水体温度6~11℃的温排水排至受纳水体）。

这些采用直流冷却方式的电厂排出的大量废热，使自然水体水温迅速升高。而水温作为重要的水质和水域生态环境要素，几乎影响水的各种物理、化学和生物化学性质，从而间接影响到各类水生物的生长和繁殖活动。同时，如果热废水的升温作用使受纳水体的水温超过生物的适宜温度，也将直接导致生物的生长受到抑制甚至死亡，对生态环境造成严重影响。

采用冷却塔或其它循环冷却方式代替直流冷却方式，将循环冷却水的部分热量排入大气，可以有效减轻或避免对自然水体的热污染。但冷却塔体型庞大（如为1000MWe核电机组需建造高150m，底部直径120m的自然通风冷却塔），提高了电厂造价和发电成本（估计增加发电成本5%~7%），于经济性不利；又冷却塔蒸发散热加以风吹影响，使大量热量和水滴进入大气环境，会使空气局部温度、湿度升高。电厂长期运行，失散的热量和水滴会对局部小气候产生影响，甚至会带来其它的环境问题（如盐沉积、噪声等）。因此，这并不是解决核电站热污染问题的最佳途径，要在合理利用热源的基础上，考虑改进冷却方式。借鉴各国余热利用的经验，找出适合我国国情的余热综合利用途径，是目前解决电厂循

环冷却水余热这个电力建设及环境保护中的棘手问题的根本方法。

1 温排水余热利用方案设计的总体思路

将温排水余热利用的方案设计工作主要分为两大部分：一是确定温排水余热的优选利用途径；二是围绕优选利用途径，结合生态设计理念，完成余热综合利用方案的设计。

其中，关于确定温排水余热的优选利用途径的研究，主要是通过较为广泛的初步调研确定余热的潜在利用途径，然后通过对这些潜在利用途径的分析，筛选出候选利用途径。再结合具体的核电厂址特性，通过对候选利用途径的比较和排列优劣次序，选出最终的优选利用途径。

温排水余热优选利用途径确定过程见图1。后面的生态设计将针对最终选定的“优选利用途径”展开。

图1 温排水余热优选利用途径确定过程示意图

2 温排水余热的潜在利用途径及其可行性分析

2.1 温排水余热的潜在利用途径分析

据调研，电站温排水余热的潜在利用途径主要包括以下几个方面：

（1）农业利用

农业利用项目包括室外土壤增温、灌溉、温室加热和制冷、农作物干燥、家畜粪便处理以及家畜庇护场所的环境温度调节等。

（2）水产养殖业利用

水产养殖包括各种海产品及淡水生物的养殖。

（3）工业及居所供暖等余热利用工程

通过利用热泵技术，可以提高循环冷却水的热品位，提升其利用价值。需要

77~110℃之间的热能的工业过程主要有：工业空间供热；食品加工、洗涤、去皮、消毒和清洁等行业；金属去污和处理；石油化学工业和食品工业的蒸馏作用；谷物、木材及各类海产品或水产品干燥，等等。

通过调研及多方面了解相关信息，列出各种可能的利用途径，并根据这些利用途径的特点进行分析和筛选，拟考虑的因素见表1。

表1 温排水余热利用途径筛选表

（4）对水质的要求

pH DO BOD5COD 电导率NH3-N 其它

（5）对土地资源的要求

占地面积土壤质量与热源的邻近程度

（6）关于投资

*：电站余热利用的经济性主要取决于余热的利用率，一般来说，余热利用率与经济效益成正比。如果热用户对低温余热的利用量占其工艺过程总能耗的比例甚微，则不如将这部分余热尽量在厂内回收利用，其经济性与输出废热的经济性相当，对大型工业用户（如石油精炼、化工产业等）尤其如此。

2.2 温排水余热利用途径的可行性分析

国内、外（火电厂或核电厂）温排水余热利用的实践表明，在电厂附近建温室、大棚等的农业利用方式以及水产品/海产品养殖利用方式确实有良好的经济

效益。利用温排水这种免费余热替代通过燃烧昂贵的不可再生的化石燃料获取热量，其经济上的可行性是毋庸置疑的。因此，本节主要从各种潜在的余热利用途径的实施对核电厂温排水热污染控制的可行性角度进行分析。

温排水余热的利用量越多，对核电厂温排水的热污染控制就越有利，这一点是显而易见的。因此，需要关注各种利用途径的余热利用量。如果能够在核电站附近建一个规模较大的温室或者水产养殖场，即将这些余热利用设施看作核电厂温排水的冷却设施，来代替建冷却塔或其他的闭式循环冷却方式，充分利用全部或大部分的温排水余热量，则不存在温排水对受纳水体的生态影响问题，产生巨大环境效益的同时，也会相应地产生巨大的经济效益。

然而，有文献指出，若使核电站排出的全部大量废热得到稀释扩散，将需要一个极大的温室。例如，位于亚拉巴马州的Browns Ferry 核电站，在满功率运行时，温排水的流量为113.4m3/s，据TV A（密西西比河流域管理委员会）利用Browns Ferry的水温进行的模拟试点研究，如此大量的废热，可以满足冬季1200ha的温室供热需求。在夏季，将需要建3600ha的温室用来消散这部分热量。这个面积几乎等同于全美国的温室面积（1978）。

而实践中，温室的面积一般仅为几至几十公顷(4~40ha)。因此，仍有相当大量的热量没有得到利用。总体的能量利用效率并不高。以Browns Ferry核电站建一座40ha的温室计算，也仅利用了3.3%（=40/1200× 100%）的温排水余热，加上转换为电能的那部分有效利用的能量，系统总能量利用效率为35.5%（系统总能量利用效率ηt=33.3% + 3.3%× 66.7% = 35.5%）。因此，采用单一的余热温室农业利用方式，总体的能量利用效率并不高，对水产养殖业也是如此。

美国EPRI“热电联产的技术和经济评价”报告(2003)指出：“一般来说，普通电站系统的能量利用效率平均值在33%左右。但设在商业和工业区的热电联产（Combined Heat and Power，CHP）技术，通过对废热的回收再利用，可将总的能量利用效率提升至85%。”但这里倡导的小型热电联产的技术路线并不适合核电产业，尤其是考虑到核电选址需要避开人口集中区。

综上所述，尽管水产养殖和农业利用（温室、大棚等）确实有明显的经济效益，但其余热利用量较小，仅占电厂温排水总余热量的极小一部分。而区域供暖和工业利用等的热量需求大，能够利用电厂大部分的余热。所以从热污染控制的