劉永葉，劉森林，陳曉秋

(1.環(huán)境保護(hù)部核與輻射安全中心，北京100082;2.中國原子能科學(xué)研究院，北京102413)

基于生態(tài)工程理論的典型南方電廠溫排水余熱綜合利用研究

劉永葉1，劉森林2，陳曉秋1

(1.環(huán)境保護(hù)部核與輻射安全中心，北京100082;2.中國原子能科學(xué)研究院，北京102413)

基于國內(nèi)溫排水余熱利用形式單一、總體利用效率不高的現(xiàn)狀，對中國南方某電廠溫排水(循環(huán)冷卻水)余熱的綜合利用進(jìn)行了初步研究。結(jié)合生態(tài)工程理論及生態(tài)設(shè)計(jì)的理念，根據(jù)中國南方某典型電廠的廠址環(huán)境特征及其所在區(qū)域的環(huán)境條件、環(huán)境規(guī)劃和工業(yè)企業(yè)現(xiàn)狀及發(fā)展規(guī)劃，初步選定相應(yīng)的“優(yōu)選利用途徑”為“海水淡化(低溫多效蒸餾法)”，并以“海產(chǎn)品干燥及其他農(nóng)副產(chǎn)品干燥和加工”為第二位的“優(yōu)選利用途徑”。在此基礎(chǔ)上，完成了該典型南方電廠余熱綜合利用方案的生態(tài)設(shè)計(jì)及方案評價(jià)，并對南、北方電廠溫排水余熱綜合利用方案進(jìn)行了對比分析。

生態(tài)工程;南方電廠;溫排水;余熱綜合利用;生態(tài)設(shè)計(jì)

0 引言

電力工業(yè)冷卻水(溫排水)是目前水體熱污染的主要來源?；趪鴥?nèi)溫排水余熱利用形式單一、總體利用效率不高［1］的現(xiàn)狀，劉永葉等［2－3］開展了基于生態(tài)工程理論的溫排水余熱綜合利用研究方案設(shè)計(jì)研究。電廠循環(huán)冷卻水(溫排水)余熱的綜合利用，可以從源頭上減量排放廢熱，是減輕溫排水負(fù)面熱影響的根本性措施［4］。由于近年來我國熱泵技術(shù)的快速發(fā)展和取得的巨大進(jìn)步，使得國內(nèi)電廠溫排水余熱的多種潛在利用途徑的實(shí)現(xiàn)成為可能。下面以中國某典型南方電廠(以下稱SPP)為例，結(jié)合該南方電廠的廠址環(huán)境特征及其所在區(qū)域的環(huán)境條件、環(huán)境規(guī)劃和工業(yè)企業(yè)現(xiàn)狀及發(fā)展規(guī)劃，進(jìn)行溫排水余熱綜合利用的方案設(shè)計(jì)及初步評價(jià)研究。

1 典型南方電廠溫排水余熱綜合利用方案的生態(tài)設(shè)計(jì)

1.1 與余熱利用方案設(shè)計(jì)相關(guān)的廠址概況

SPP是一座濱海核電站，地處沿海丘陵地區(qū)，廠址東面臨海，其余三面環(huán)山。廠址半徑5km范圍內(nèi)，均為山地丘陵和海濱灘涂，沒有其他工業(yè)企業(yè)分布。廠址半徑15km范圍內(nèi)，除了有一座火力發(fā)電廠外，無其他大型的工礦企業(yè)。有規(guī)模相對較大的中小型企業(yè)共14個，其中小型水電廠3個，其余企業(yè)主要從事五金、塑膠原料、環(huán)保建材、鐘表、玩具制造和食品加工等生產(chǎn)活動，這些企業(yè)主要分布在廠址NW方位約11km附近。距SPP廠址WNW方位約11km處有一工業(yè)園，目前該工業(yè)園已引進(jìn)紙品廠、五金廠和松寶木鐘廠等企業(yè)。廠址附近海域共有水產(chǎn)養(yǎng)殖區(qū)9個，面積3640.3hm2，增殖區(qū)3個，面積1424.8hm2。這些養(yǎng)殖區(qū)均分布在廠址東側(cè)，距離在6km以上。

SPP一、二期工程(1～4號機(jī)組)同時運(yùn)行時的設(shè)計(jì)取排水流量為400m3/s，電廠循環(huán)冷卻水排放口的設(shè)計(jì)溫升為7.5℃。電廠循環(huán)冷卻水的溫度變化范圍為16.8～42.5℃，年平均值為31.2℃。

1.2 余熱綜合利用的初步方案

根據(jù)SPP的廠址環(huán)境特征及其所在區(qū)域的環(huán)境條件、環(huán)境規(guī)劃和工業(yè)企業(yè)現(xiàn)狀及發(fā)展規(guī)劃，初步選定“海水淡化(低溫多效蒸餾法)”工藝過程為余熱綜合利用的首要“優(yōu)選利用途徑”，以“海產(chǎn)品干燥及其他農(nóng)副產(chǎn)品干燥和加工”為第二位的“優(yōu)選利用途徑”，結(jié)合生態(tài)設(shè)計(jì)的理念，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)完成的余熱綜合利用初步方案見圖1。

圖1 所示方案具體為:

冷卻水或冷卻水余熱(1):根據(jù)海水淡化工藝對取水水質(zhì)的具體要求及其與溫排水排放口的相對位置，可以選擇將溫排水直接引入海水淡化系統(tǒng)或僅利用其中賦存的熱量。

海水淡化(低溫多效蒸餾法)(2):從原理上來說，海水淡化工藝有:利用熱能的蒸餾法海水淡化，如多級閃蒸、多效蒸餾等;利用電能進(jìn)行的海水淡化，如反滲透和電解析法等。其中，低溫多效蒸餾技術(shù)的鹽水最高沸騰蒸發(fā)溫度不超過70℃，可以大大減緩設(shè)備的腐蝕;且由于鹽水蒸發(fā)溫度低，可以使用廉價(jià)傳熱材料，投資規(guī)模效益更好［5］。

濃鹽水(3):將海水淡化過程的副產(chǎn)物——濃鹽水用于制鹽，不僅可以避免濃鹽水排放對周圍海洋生物的不利影響，而且由于進(jìn)入鹽田的海水含鹽濃度高，可以實(shí)現(xiàn)工業(yè)化制鹽，使制鹽成本得以大幅度降低。

化工產(chǎn)品生產(chǎn)(4):此處的“化工產(chǎn)品生產(chǎn)”主要指利用制鹽母液或濃鹽水生產(chǎn)溴素、氯化鉀、氯化鎂、硫酸鎂等產(chǎn)品。對海水淡化后的副產(chǎn)品加以充分利用，是攤薄海水淡化成本的有效途徑［6］。

熱泵技術(shù)(5):當(dāng)溫排水需要提升熱品位才能滿足各種利用途徑對水溫的需求時，可利用熱泵技術(shù)，通過消耗1份的驅(qū)動能(電能)，最終獲取3～5倍于驅(qū)動能的熱量輸出。

工作區(qū)及生活區(qū)的生活熱水(6):該廠址位于我國南方地區(qū)，基本上沒有室內(nèi)供暖需求。但可結(jié)合熱泵技術(shù)，利用冷卻水余熱制取生活熱水，以用于該廠址工作區(qū)及生活區(qū)用水。

冬季海產(chǎn)品養(yǎng)殖(7):海產(chǎn)品養(yǎng)殖是目前溫排水余熱利用實(shí)踐中的主流利用方式之一，國內(nèi)外都有大量相關(guān)利用的報(bào)道。

熱泵干燥技術(shù)(8):熱泵干燥是利用熱泵從低溫?zé)嵩粗形諢崃?，將其在較高溫度下釋放從而對物料進(jìn)行干燥的方法。相較于傳統(tǒng)干燥方法(如日光干燥、熱風(fēng)干燥、冷凍升華干燥等)，熱泵干燥具有諸多優(yōu)點(diǎn)，可應(yīng)用于木材干燥、食品干燥、農(nóng)副產(chǎn)品加工等領(lǐng)域，一些藥材、陶瓷坯料及一些化工、輕工產(chǎn)品也可以采用低溫的熱泵干燥法進(jìn)行干燥［7］。

圖1中(9)～(12)為海產(chǎn)品干燥及其加工、其他農(nóng)副產(chǎn)品及外來干燥及加工、食品加工等、冬季土壤增溫等。

有機(jī)廢水處理系統(tǒng)(13):有機(jī)廢水處理系統(tǒng)主要處理來自于海產(chǎn)品養(yǎng)殖，海產(chǎn)品、農(nóng)副產(chǎn)品加工及食品加工過程的有機(jī)廢水。該系統(tǒng)產(chǎn)生的有機(jī)污泥可作為肥料直接施用于熱帶果蔬等的種植區(qū)，也可經(jīng)處理后制成有機(jī)肥再施用或出售。

2 余熱綜合利用方案評價(jià)

鑒于本余熱綜合利用方案僅是結(jié)合典型南方電廠廠址環(huán)境特征并基于生態(tài)工程理論的初步嘗試，其中涉及的各余熱利用途徑的具體設(shè)備選型、生產(chǎn)工藝的特征參數(shù)等尚無法確定，目前還無法按照參考文獻(xiàn)［3］中建立的“溫排水余熱利用方案的評價(jià)指標(biāo)”進(jìn)行評價(jià)。下面將從熱污染控制的角度，推算該廠址溫排水混合區(qū)范圍可接受［8］時的冷卻水中賦存熱量的最低削減量，據(jù)此估算當(dāng)以低溫多效蒸餾法海水淡化(LT－MED)作為唯一的余熱利用途徑時，其必須的利用規(guī)模(日產(chǎn)淡水量)。進(jìn)而估算余熱綜合利用系統(tǒng)的生態(tài)效益及其節(jié)能減排量。

(1)海水淡化(LT－MED)規(guī)模的估算

根據(jù)文獻(xiàn)［8］中的秋季聚類結(jié)果，計(jì)算出的與混合區(qū)同類區(qū)域的面積為53.29km2，若以30%的生態(tài)功能減弱程度為可接受的上限值，在混合區(qū)邊緣溫升為3℃的約束條件下，則3℃溫升的最大允許包絡(luò)面積Smax=53.29×30%≈16.0km2。

通過針對該廠址的溫排水?dāng)?shù)值模擬試算，得到夏季中潮(不利潮型)情景下，3℃溫升的最大包絡(luò)面積為16.0km2時對應(yīng)的SPP的溫排水流量約為230m3/s。即循環(huán)冷卻水在不利潮型下的最大允許入海量為230m3/s，相應(yīng)地溫排水余熱總利用率應(yīng)大于42.5%。

當(dāng)使用電廠循環(huán)冷卻水作為熱泵熱源時，熱泵效率較高。循環(huán)冷卻水溫度為20～35℃時，熱泵能效比一般為4.9～5.5，此處取值為5。SPP廠址海域年平均表層水溫23.7℃，取排水溫升為7.5℃，設(shè)海水淡化(LT－MED)工藝的操作溫度為70℃，據(jù)文獻(xiàn)［9］，LT－MED蒸餾法的造水比(蒸發(fā)裝置淡水總產(chǎn)量與鹽水加熱器所消耗的蒸汽量之比)取8.5;據(jù)文獻(xiàn)［3］擬合的LT－MED法30～80℃水的汽化潛熱公式，70℃時的汽化潛熱為2332.42kJ/kg。

不考慮熱傳輸及其他損失，令170m3/s流量的溫排水中賦存的熱量全部得到利用時的海水淡化規(guī)模為210萬m3/d。

據(jù)報(bào)道，目前世界上最大的海水淡化裝置的日淡水產(chǎn)量為103萬m3［11］。因此，將海水淡化(LTMED)作為唯一的余熱利用途徑是不太現(xiàn)實(shí)的，需要開辟更多的有效途徑對溫排水中賦存的巨量余熱加以利用。

(2)余熱綜合利用系統(tǒng)的生態(tài)效益估算

余熱的綜合利用可以避免和減少溫排水對廠址海域生態(tài)系統(tǒng)的擾動和破壞，因此，電廠廠址海域生態(tài)系統(tǒng)的環(huán)境價(jià)值即為余熱綜合利用系統(tǒng)獲取的生態(tài)效益。而廠址海域生態(tài)系統(tǒng)的環(huán)境價(jià)值一般難以直接量化，擬采用影子工程法估算其價(jià)值。即以采取建海水冷卻塔這一工程措施的代價(jià)來衡量其環(huán)境價(jià)值。

SPP電廠明渠+隧洞直流方案和海水冷卻塔二次循環(huán)方案經(jīng)濟(jì)比較詳見表1。

從表1可知，在SPP的60年使用壽期內(nèi)，作為二期工程建海水冷卻塔的替代措施，余熱綜合利用系統(tǒng)的生態(tài)效益約為64.83億。

表1 SPP二期冷卻水一次直排及冷卻塔方案的經(jīng)濟(jì)性比較

(3)余熱利用系統(tǒng)的節(jié)能減排量估算

設(shè)SPP二期工程(3、4號機(jī)組)循環(huán)冷卻水(溫排水)的余熱全部得到利用，按二期工程溫排水流量200m3/s，取排水溫差7.5℃計(jì)，則回收利用的熱量為1.98×1014kJ/a。

假設(shè)這部分熱量由燃燒標(biāo)準(zhǔn)煤取得，據(jù)環(huán)保部門估算，減少1t標(biāo)準(zhǔn)煤的燃燒，便可少排放CO22620kg、SO220kg、煙塵15kg、灰渣260kg。按標(biāo)準(zhǔn)煤燃燒值2.9×104kJ/kg計(jì)，則這部分回收的熱量相應(yīng)的節(jié)能減排量為:節(jié)約標(biāo)煤量約675.8萬t/a;減少CO2排放量約1770.6萬t/a;減少SO2排放量約13.5萬t/a;減少煙塵約10.1萬t/a;減少灰渣約175.7萬t/a。

3 南、北方電廠溫排水余熱綜合利用對比

(1)針對南、北方典型電廠環(huán)境特征及其所在區(qū)域的環(huán)境條件、環(huán)境規(guī)劃和工業(yè)企業(yè)現(xiàn)狀及發(fā)展規(guī)劃，形成的溫排水余熱綜合利用方案以及對該設(shè)計(jì)方案的初步評價(jià)與分析表明，電廠溫排水余熱量巨大，綜合各類利用途徑，可取得巨大的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益。

(2)北方典型廠址的余熱利用方案中，經(jīng)初步篩選出的“優(yōu)選利用途徑”為“海水淡化(反滲透膜法)”;對南方典型廠址的余熱利用方案，初步選定“海水淡化(低溫多效蒸餾法)”工藝過程為余熱綜合利用的首要“優(yōu)選利用途徑”，以“海產(chǎn)品干燥及其他農(nóng)副產(chǎn)品干燥和加工”為第二位的“優(yōu)選利用途徑”。兩者均選擇了海水淡化作為優(yōu)選利用途徑，但根據(jù)各自溫排水的溫度范圍，分別選擇了不同的海水淡化工藝。

(3)南、北方電廠由于其環(huán)境特性，形成了溫排水余熱利用明顯的地域性特點(diǎn)。與南方廠址相比，北方地區(qū)由于氣候寒冷，冬季較長，對熱能資源利用的要求較為迫切，對反季節(jié)產(chǎn)品的市場需求量較大，再加上北方地區(qū)水資源缺乏，而電廠是用水大戶，特別是電廠運(yùn)行過程中也需要消耗大量的淡水資源。北方電廠通常會出于自身的需要，自發(fā)地進(jìn)行溫排水余熱利用的實(shí)踐。如文獻(xiàn)［2］中的北方電廠，在設(shè)計(jì)階段已經(jīng)考慮冷季時回用部分循環(huán)冷卻水，以向海水淡化系統(tǒng)提供高溫水，以及電廠正常運(yùn)行后的廠區(qū)通過抽取廢熱蒸汽進(jìn)行供暖等余熱利用方式。相比之下，南方廠址通常淡水資源較豐富，冬季相對較暖，一般沒有供暖需求，一些余熱利用方式，如海水淡化等，對電廠本身來說不是必需的(此處僅指一般情況，不排除某些南方海島地區(qū)建電站時缺乏淡水資源的特殊案例)，通常利用的主動性不高，因此需要管理部門和相關(guān)部門的大力支持及相關(guān)優(yōu)惠政策的刺激。

［1］賀益英，趙懿珺.電廠循環(huán)冷卻水余熱高效利用的關(guān)鍵問題［J］.能源與環(huán)境，2007(6):27－29.

［2］劉永葉，劉森林，陳曉秋.基于生態(tài)工程理論的北方電廠溫排水余熱綜合利用研究［J］.科技導(dǎo)報(bào)，2015，33(13):22－26.

［3］劉永葉，劉森林，陳曉秋.核電廠溫排水余熱綜合利用方案設(shè)計(jì)的初步研究［J］.電力科技與環(huán)保，2012，28(2):48－51.

［4］劉永葉，劉森林，陳曉秋.核電站溫排水的熱污染控制對策［J］.原子能科學(xué)技術(shù)，2009，43(增1):191－196.

［5］中國金屬學(xué)會海水淡化及廢水回用技術(shù)考察團(tuán).海水淡化及廢水回用技術(shù)考察報(bào)告［J］.中國冶金，2008，18(4):54－59.

［6］張寧，蘇營營，蘇華，等.海水淡化中濃海水的綜合利用研究［J］.海洋科學(xué)，2008，32(6):85－88.

［7］劉貴珊，何建國，韓小珍，等.熱泵干燥技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展展望［J］.農(nóng)業(yè)科學(xué)研究，2006，27(1):46－49.

［8］劉永葉，楊陽，王亮，等.核動力廠溫排水混合區(qū)范圍的可接受性論證的初步研究［J］.原子能科學(xué)技術(shù)，2012，46(11):1402－1408.

［9］劉萬琨.海水淡化和電廠水電熱聯(lián)產(chǎn)［J］.東方電氣評論，2007，21(2):1－13，17.

［10］王永青.低溫多效蒸發(fā)海水淡化系統(tǒng)性能估算方法及公式［J］.化工學(xué)報(bào)，2009，60(8):1889－1893.

［11］王靜，劉淑靜，侯純揚(yáng)，等.我國海水淡化產(chǎn)業(yè)發(fā)展模式建議研究［J］.中國軟科學(xué)，2013(12):24－31.

［12］鞠奔，徐世凱，王勇，等.上海石洞口第一電廠改造工程溫排水物理模型研究［J］.電力科技與環(huán)保，2015，31(6):8－11.

［13］彭溢，張舒.電廠溫排水三維模擬及特征分析［J］.電力科技與環(huán)保，2013，29(1):7－9.

Study on the comprehensive utilization of waste heat from thermal discharge of a typical southern power plant based on ecological engineering theory

Based on the situation that the approach of waste heat utilization is single and inefficient，a preliminary study on comprehensive utilization of waste heat from thermal discharge of a typical southern power plant was conducted in this paper.According to the environmental characteristics，environmental planning，industry status and development planning of a typical nuclear power plant in southern China，the“Seawater Desalination(low－temperature multi－effect evaporation seawater desalination)”was selected as the first“optimal utilization way”，and with“seafood and other agricultural and sideline products drying and processing”for the second“optimizing utilization way”.Combined with the concept of eco－design，the conceptual design of waste heat utilization scheme was completed，and the energy saving potential was estimated for the typical site when taking full advantage of thermal discharge waste heat.Also，the comprehensive utilization schemes of waste heat from the typical southern and northern power plants were comparative analyzed.

ecological engineering;southern power plant;thermal discharge;comprehensive utilization of waste heat;eco－design

X57

B

1674－8069(2016)03－001－04

2016-02-18;

2016-03-05

劉永葉(1984-)，女，河南信陽人，高級工程師，博士，主要研究方向?yàn)槟茉磁c環(huán)境。E－mail:liuyongye1957827@sina.com

國家科技重大專項(xiàng)“CAP1400安全審評關(guān)鍵技術(shù)研究”(2013ZX06002001)