核电厂温排水余热综合利用分析

  核电厂温排水余热综合利用分析  程利江，高华喜（浙江医药高等专科学校，浙江宁波315100）Summary：核电厂的温排水直接排放于环境，不仅大量的余热得不到有效利用，还会引起局部的热污染。鉴于此，在国内外温排水余热利用的参考基础上，提出温排水的余热综合利用模式，主要包括余热养殖、工业及居所供暖、温室大棚供热和海水淡化等模块。文中引入了引水量、散热量等计算模型，对于温排水的有效利用提供了理论依据。Keys：核电厂；温排水；余热利用[TL48]：A：1674-9324（2015）06-0072-03作者简介：程利江（1989-），男（汉），浙江诸暨，硕士，教师，研究方向：主要从事环境保护工作。指导教师：高华喜（1976-），男，江西九江，博士，副教授，研究方向：主要从事地质自然灾害预测。一、引言近十多年来，中国经济快速发展，对电力的需求量大幅度增加。火电站消耗的资源量大，环境影响大。为了缓解能源矛盾，促进节能减排的目标，以核电为中心的清洁、经济、高效的新一代可持续电力产业正在崛起。图1是近十年中国的核电装机容量变化，从2001年的243万KW到2011年的1257万KW，翻了近五翻[1]。文献[2]中预计2020年可达7000万KW，2030年达2亿KW，2050年可达4亿KW，核电产业迅猛发展。然而核电厂仅有33%热能转化为电能，如果不加利用，随温排水排放，则每百万核电机组每年排入环境水体的余热可折合煤约70~150万t/年[3-4]。因此，充分利用核电厂的余热，对于避免类似文献[5-8]中的热污染，保护环境，节约能源具有重大的社会意义和经济效益。二、核电厂余热综合利用核电厂温排水余热温度在50℃以下，属于低品位热能。核电站温排水余热利用可分为直接利用和非直接利用，余热直接利用的主要领域有种植业和养殖业[9]。利用热泵技术把温排水提高温度后可充当加热油田的拌热水[10]、集中供暖、海水淡化等。国内外温排水余热利用实践主要集中于水产养殖、大棚温室[11-12]，还有集中供暖[13]，海水淡化[14]。余热综合利用是余热研究的发展趋势。图2是核电站温排水余热综合利用模块示意图。在余热综合利用系统中，可以把非直接利用部分根据模块图进行再利用。此余热综合利用系统，涉及到了农业、水产养殖业、工业及居所供暖以及海水淡化，突破了以往以美国学者Bread为代的单一行业余热综合利用方式，把余热利用量较大的工业以及海水淡化结合起来，提高核电厂温排水的余热利用率，从而有效控制热污染。（一）温水养殖模块利用电站温排水养鱼，主要是为了减轻或避免电站温排水夹带大量的余热排入环境中，引起热污染，造成对周围生态环境的破坏。20世纪60年代开始，苏联、日本、美国、法国、德国、丹麦、以色列、匈牙利、波兰等很多国家都利用电厂温排水进行鱼类、贝类、虾类等水产品养殖。我国在70年代初，黑龙江省开始尝试温水养鱼，因效果显著，后开始在全国各地陆续推广。适用温水养殖的种类有牡砺、罗非鱼、胡子鲶、淡水白鲳、鲤鱼、鲫鱼、草鱼、淡水鲨鱼、对虾、鳗鲡、鲈鱼等。进行温水养殖时，应该充分考虑水温对水质的影响，严格控制温排水引水量。温排水引水量计算公式：式中Q1———鱼池水面散发热量；Q2———鱼池表面蒸发水汽潜热量；RB———鲍恩比率；C———经验蒸发系数；W———风速；P———风速；Ts———水面温度；Ta———近水面温度；es———Ts的饱和水汽压；ea———Ta的饱和水汽压；c———水的比热；Δt———鱼池水和温排水的温度差。为准确控制水温等重要水质参数，保障温水养殖顺利进行，在引水量理论计算的基础上，应在养殖水域安装智能水质传感器，在线检测水质的温度变化、溶解氧等重要水质因子，图3是溶解氧随温度变化曲线。如图所示，溶解氧随着水温的升高而减小。（二）工业及居所供暖和温室大棚供热模块工业及居所供暖的热量需求大，能充分利用核电厂的余热。因核电厂供热与工业及居所供暖所需温度有差异，直接利用价值不高，一般通过利用热泵技术先提高温排水的温度，从而达到利用所需温度。经过热泵的转换后，除了给小区供暖，可应用的工业领域有：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。热泵工作效率COP大于1，持续不断地吸取温排水的低品位热能，相比于直接用锅炉加热热源，利用温排水为工业及居所供暖具有节约煤炭资源，减少燃煤引起的大气污染等功效。一般蔬菜的适宜生长温度在18℃~35℃，而单一的日光大棚很难保证蔬菜生长所需温度，并且不稳定。文献[15]表明，温室土壤加热对农作物还具有增产作用。正如图4所示，在土壤下埋设供热管后，土壤温度增加，土壤容重减小，有机质分解加速，速效磷、速效氮等矿物质的可利用含量增加。利用温排大棚可以生产蒜苗、芹菜、韭菜、菠菜、香菜、黄瓜、辣椒等蔬菜。温室大棚利用温排水来供热有热源稳定、可靠、节能、环保的优越性。文献[16]中的喷水浇灌供热方式，可以快速有效提升温室内的空气温度，但是容易引起植物病变，产生渍害。采用埋地管道可以均匀布热，并且直接作用于土壤层，调节蔬菜等农作物的生长环境。若单一的埋地管道供热量不够，可以借鉴文献[17]地下管道式和吊管式供热协调供热，从而保证大棚温室足够所需热量，此时大棚温室内的总热量为埋地管道的放热量Q1和悬吊管道放热量Q2之和。单位时间内利用管道总的散热量可以供热的面积为S：由（4）-（9）式可得S：式中D———管道的外径；d———管道的内径；l———散热区管道总长度；αn———散热管内壁的换热系数；αw———散热管外壁的换热系数；λ———散热管道管壁导热系数；ρ———温室内空气密度；cp———温室内空气的定压比热容；t1———设计供水温度；t2———埋地管道回水温度；t3———吊管式管道回水温度；t4———使用区所需温度；ta———使用区内的基础平均温度；h———温室高度；Q———管道在温室内总放热量；Q´———温室内每立方米空间需要提供的热量。（三）海水淡化模块核电厂温排水属于低品位热能，一般的反渗透法和蒸馏法利用低品位热能不够经济，效率较低。沿海核电厂一般用海水进行冷却，现将温排水制取淡水，不仅可以充分利用温排水的余热，消除了热污染，而且还能节省海水淡化厂自行抽取海水、过滤海水的前期处理，大幅度降低淡水生产成本，为周边地区提供廉价的生活用水，发挥巨大的社会效益和经济效益。露点蒸发技术是一种新型的海水淡化方法，它的运行原理如图5，能够高效利用低品位热能。三、小结与展望温排水余热综合利用的模式是由余热养殖、工业及居所供暖、温室大棚供热和海水淡化等模块组成。温度的控制是每一个利用模块的关键，根据引水量、散热量等计算模型，结合温度对水质、土壤等作用对象的影响变化趋势，严格控制温度，调节温排水流量，以便高效利用温排水的余热，从而避免引起热污染。对于未来，一方面应加速发展新一代的核电机组，从源头上减少温排水的排放量；另一方面，应提高温排水的余热利用率，开发新的余热利用方式，完善余热的综合利用方式，不仅可以有效控制热污染，保护环境，还可以变废为宝，节约能源。Reference：[1]国家电力监管委员会.电力监管年度(2011)[R].国家电力监管委员会，2011.[2]林宗虎.核电站的发展历程及应用前景[J].自然杂志，2012，34（2）：63-68.[3]袁珏，赵懿珺，王鹏，等.火核电厂温排水余热量分析及应用前景展望[J].水利水电技术，2012，43（2）：82-85.[4]边世凯.电厂温排水余热利用分析[J].东北电力技术，2011，（6）：42-44.[5]Yi-LiChuang,Hsiao-HuiYang,Hsing-JuhLin.Effectsofathermaldischargefromanuclearpowerplantonphytoplanktonandperiphytoninsubtropicalcoastalwaters[J].JournalofSeaResearch,2009,(61)：197–205.[6]Teixeira,TatianaPires,Neves,LeonardoMitrano,Araújo,FranciscoGerson.EffectsofanuclearpowerplantthermaldischargeonhabitatcomplexityandfishcommunitystructureinIlhaGrandeBay,Brazil[J].MarineEnvironmentalResearch,2009,68(4)：188–195.[7]JanRQ,ChenJP,LinCY.Long-termmonitoringofthecoralreeffishescommunitiesaroundanuclearpowerplant[J].AquaticEcology，2001,(35)：233-243.[8]邢静芳，贾利青，张宗坤，等.核电厂温排水对生态环境的影响及对策[J].科学之友，2010，（29）：149-151.[9]赵懿，王君.火(核)电厂温排水热污染防控体系研究概述[J].水利水电科技进展，2012，32（1）：74-78.[10]赵海谦，王忠华，刘晓燕，等.电厂冷却水余热在油田伴热中的应用[J].油气田地面工程，2009，28（12）：54-55.[11]GarrettRE.Usesofwarmedwaterinagriculture[R].Davis：UniversityofCaliforniaDepartmentofAgriculturalEngineering,1978.[12]Bennett,WG.Useofwasteheatfromanuclear-powerplanttooperateagreenhouse[J].AbstractsofpaperoftheAmericanchemicalsociety,1984,188(8)：26.[13]王讲义，王刚.某电厂余热回收制热水的工程实践[J].节能，2011，（7）：79-80.[14]鲁海军，温高.电站余热淡化海水研究[J].绿色科技，2011，（12）：206-209.[15]李平衡.火电厂废热排放对水域环境的影响[J].水利学报，1983，（12）：29-39.[16]朱文见，杨文丽，张天柱.室供暖热源散热器布置[J].温室园艺，2005，（1）：24-26.[17]蔡龙俊，蔡志红，鲁雅萍.农业温室供热系统的研究和设计[J].能源研究与信息，2000，16（4）：15-22. -全文完-