劉永葉，劉森林，陳曉秋

(1環(huán)境保護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)

核電廠溫排水余熱綜合利用方案設(shè)計的初步研究

劉永葉1，劉森林2，陳曉秋1

(1環(huán)境保護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)

核電廠溫排水(循環(huán)冷卻水)余熱的充分利用，可以使原本要排放到大氣或水域中的熱量大大減少，甚至能實現(xiàn)電廠余熱的“零排放”，在節(jié)約能源、產(chǎn)生巨大經(jīng)濟效益的同時，也達(dá)到了保護電廠溫排水受納水體免遭熱污染的目的。在國內(nèi)外溫排水余熱利用途徑調(diào)研的基礎(chǔ)上，運用生態(tài)工程理論和生態(tài)設(shè)計的理念，進(jìn)行溫排水余熱綜合利用方案設(shè)計的初步研究。

核電廠;溫排水;余熱綜合利用;生態(tài)設(shè)計

0 引言

隨著科技和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的迅速發(fā)展，熱污染問題已成為一個日益嚴(yán)重的環(huán)境問題。熱污染的主要來源是電力工業(yè)冷卻水，尤其是采用直流冷卻方式的核電廠［1］?，F(xiàn)代大型核電廠的熱排放問題，就經(jīng)常性的環(huán)境影響而言，遠(yuǎn)較放射性排放嚴(yán)重［2］。一臺1000MWe的核電機組(輕水堆)有2000MWt的熱量散失到環(huán)境中。如果采用直流冷卻方式，絕大部分的熱能由循環(huán)冷卻水?dāng)y帶而進(jìn)入自然水體。

這些采用直流冷卻方式的電廠排出的大量廢熱，使自然水體水溫迅速升高。而水溫作為重要的水質(zhì)和水域生態(tài)環(huán)境要素，幾乎影響水的各種物理、化學(xué)和生物化學(xué)性質(zhì)，從而間接影響到各類水生物的生長和繁殖活動［1］。同時，如果熱廢水的升溫作用使受納水體的水溫超過生物的適宜溫度，也將直接導(dǎo)致生物的生長受到抑制甚至死亡，對生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重影響［3－7］。

采用冷卻塔或其它閉式循環(huán)冷卻方式代替直流冷卻方式，將循環(huán)冷卻水的部分熱量排入大氣，可以有效減輕或避免對自然水體的熱污染。但冷卻塔體型龐大(如為1000MWe核電機組需建造高150m，底部直徑120m的自然通風(fēng)冷卻塔)，提高了電廠造價和發(fā)電成本(估計增加發(fā)電成本5%～7%)［2］，于經(jīng)濟性不利;又冷卻塔蒸發(fā)散熱加以風(fēng)吹影響，使大量熱量和水滴進(jìn)入大氣環(huán)境，會使空氣局部溫度、濕度升高。電廠長期運行，失散的熱量和水滴會對局部小氣候產(chǎn)生影響，甚至?xí)砥渌沫h(huán)境問題(如鹽沉積、蔭屏效應(yīng)及噪聲等)。因此，這并不是解決核電站熱污染問題的最佳途徑，要在合理利用熱源的基礎(chǔ)上，考慮改進(jìn)冷卻方式［8－11］。借鑒各國余熱利用的經(jīng)驗，找出適合我國國情的余熱綜合利用途徑，是目前解決電廠循環(huán)冷卻水余熱這個電力建設(shè)及環(huán)境保護中的棘手問題的根本方法。

1 溫排水余熱綜合利用方案設(shè)計總體思路

將溫排水余熱利用的方案設(shè)計工作主要分為兩大部分:一是確定溫排水余熱的優(yōu)選利用途徑;二是圍繞優(yōu)選利用途徑，結(jié)合生態(tài)設(shè)計理念，完成余熱綜合利用方案的設(shè)計。

其中，關(guān)于確定溫排水余熱的優(yōu)選利用途徑的研究，主要是通過較為廣泛的初步調(diào)研確定余熱的潛在利用途徑，然后通過對這些潛在利用途徑的分析，篩選出候選利用途徑。再結(jié)合具體的核電廠址特性，通過對候選利用途徑的比較和排列優(yōu)劣次序，選出最終的優(yōu)選利用途徑。

溫排水余熱優(yōu)選利用途徑確定過程見圖1。后面的生態(tài)設(shè)計將針對最終選定的“優(yōu)選利用途徑”展開。

圖1 溫排水余熱優(yōu)選利用途徑確定過程示意

2 溫排水余熱潛在利用途徑及可行性分析

2.1 溫排水余熱的潛在利用途徑分析

據(jù)調(diào)研，電站溫排水余熱的潛在利用途徑主要包括以下幾個方面［12－20］:

(1)農(nóng)業(yè)利用。農(nóng)業(yè)利用項目包括室外土壤增溫、灌溉、溫室加熱和制冷、農(nóng)作物干燥、家畜糞便處理以及家畜庇護場所的環(huán)境溫度調(diào)節(jié)等;

(2)水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)利用。水產(chǎn)養(yǎng)殖包括各種海產(chǎn)品及淡水生物的養(yǎng)殖;

(3)工業(yè)及居所供暖等余熱利用工程。通過利用熱泵技術(shù)，可以提高循環(huán)冷卻水的熱品位，提升其利用價值［18］。需要77～110℃之間熱能的工業(yè)過程主要有:工業(yè)空間供熱;食品加工、洗滌、去皮、消毒和清潔等行業(yè);金屬去污和處理;石油化學(xué)工業(yè)和食品工業(yè)的蒸餾作用;谷物、木材及各類海產(chǎn)品或水產(chǎn)品干燥等［19］。

通過調(diào)研及多方面了解相關(guān)信息，列出各種可能的利用途徑，并根據(jù)這些利用途徑的特點進(jìn)行分析和篩選，擬考慮的因素主要是:利用途徑/工藝過程需要的溫度、利用途徑/工藝過程的余熱利用量、利用的時段/周期、對水質(zhì)的要求(pH、DO、BOD5、COD、電導(dǎo)率、NH3－N、其他)、對土地資源的要求(占地面積、土壤質(zhì)量、與熱源的鄰近程度)、關(guān)于投資(投資額度、產(chǎn)品的市場敏感性)、技術(shù)要求(技術(shù)是否成熟)、與當(dāng)?shù)禺a(chǎn)業(yè)規(guī)劃、產(chǎn)業(yè)政策的一致性、是否造成嚴(yán)重的二次污染、余熱利用量占工藝過程總能耗的比例。

電站余熱利用的經(jīng)濟性主要取決于余熱的利用率，一般來說，余熱利用率與經(jīng)濟效益成正比。如果熱用戶對低溫余熱的利用量占其工藝過程總能耗的比例甚微，則不如將這部分余熱盡量在廠內(nèi)回收利用，其經(jīng)濟性與輸出廢熱的經(jīng)濟性相當(dāng)，對大型工業(yè)用戶(如石油精煉、化工產(chǎn)業(yè)等)尤其如此［18］。

2.2 溫排水余熱利用途徑的可行性分析

國內(nèi)、外(火電廠或核電廠)溫排水余熱利用的實踐表明，在電廠附近建溫室、大棚等的農(nóng)業(yè)利用方式以及水產(chǎn)品/海產(chǎn)品養(yǎng)殖利用方式確實有良好的經(jīng)濟效益［13－14，16］。利用溫排水這種免費余熱替代通過燃燒昂貴的不可再生的化石燃料獲取熱量，其經(jīng)濟上的可行性是毋庸置疑的。因此，本節(jié)主要從各種潛在的余熱利用途徑的實施對核電廠溫排水熱污染控制的可行性角度進(jìn)行分析。

溫排水余熱的利用量越多，對核電廠溫排水的熱污染控制就越有利，這一點是顯而易見的。因此，需要關(guān)注各種利用途徑的余熱利用量。如果能夠在核電站附近建一個規(guī)模較大的溫室或者水產(chǎn)養(yǎng)殖場，即將這些余熱利用設(shè)施看作核電廠溫排水的冷卻設(shè)施，來代替建冷卻塔或其他的閉式循環(huán)冷卻方式，充分利用全部或大部分的溫排水余熱量，則不存在溫排水對受納水體的生態(tài)影響問題，產(chǎn)生巨大環(huán)境效益的同時，也會相應(yīng)地產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟效益。

然而，有研究指出，若使核電站排出的全部大量廢熱得到稀釋擴散，將需要一個極大的溫室［18］。例如，位于亞拉巴馬州的Browns Ferry核電站，在滿功率運行時，溫排水的流量為113.4m3/s，據(jù)TVA(密西西比河流域管理委員會)利用Browns Ferry的水溫進(jìn)行的模擬試點研究，如此大量的廢熱，可以滿足冬季1.2km2的溫室供熱需求。在夏季，將需要建3600ha的溫室用來消散這部分熱量。這個面積幾乎等同于全美國的溫室面積(1978)［18］。

而實踐中，溫室的面積一般僅為幾至幾十公頃。因此，仍有相當(dāng)大量的熱量沒有得到利用?？傮w的能量利用效率并不高。以Browns Ferry核電站建一座0.4km2的溫室計算，也僅利用了3.3%的溫排水余熱，加上轉(zhuǎn)換為電能的那部分有效利用的能量，系統(tǒng)總能量利用效率為35.5%。因此，采用單一的余熱溫室農(nóng)業(yè)利用方式，總體的能量利用效率并不高，對水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)也是如此。

綜上所述，盡管水產(chǎn)養(yǎng)殖和農(nóng)業(yè)利用確實有明顯的經(jīng)濟效益，但其余熱利用量較小，僅占電廠溫排水總余熱量的極小一部分。而區(qū)域供暖和工業(yè)利用等的熱量需求大，能夠利用電廠大部分的余熱。所以從熱污染控制的角度來看，溫排水余熱的工業(yè)利用及區(qū)域供暖等環(huán)境效益和經(jīng)濟效益更好。因此，在進(jìn)行余熱綜合利用方案設(shè)計時，應(yīng)優(yōu)先考慮這一類利用途徑。以便于在獲得經(jīng)濟效益的同時，達(dá)到熱污染防治的目的，從而獲取更大的環(huán)境效益。

3 溫排水余熱綜合利用方案的生態(tài)設(shè)計

生態(tài)設(shè)計是將經(jīng)濟、社會、環(huán)境融合到一起的過程，生態(tài)設(shè)計并不是要完全地改變每個行業(yè)所特有的設(shè)計模式、設(shè)計方法、設(shè)計經(jīng)驗，而是要結(jié)合各個行業(yè)自身特點注入生態(tài)的理念和思想。盡管長期以來很多人一直希望能夠建立適合于各個領(lǐng)域、各個專業(yè)的生態(tài)設(shè)計框架，但由于生態(tài)設(shè)計涉及各個領(lǐng)域，各個行業(yè)，不可能存在全面適用的技術(shù)框架［21］。因此，核電站溫排水余熱利用的生態(tài)設(shè)計過程是結(jié)合具體廠址區(qū)域的經(jīng)濟、社會和環(huán)境特征，以及核電站溫排水的物理化學(xué)性質(zhì)，在現(xiàn)有利用實踐的基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計，并根據(jù)技術(shù)可達(dá)性，進(jìn)行不斷修改和完善的過程。

美國學(xué)者Bread(1973)提出了綜合利用大型發(fā)電廠溫排水余熱的方法［1］。它是根據(jù)生態(tài)工程原理設(shè)計的溫排水余熱綜合利用的方案，它打破了以往“單一利用為主”的余熱利用方式，使整個系統(tǒng)在利用過程中做到了盡量不增加或少增加環(huán)境負(fù)擔(dān)，使系統(tǒng)中的廢物資源化，同時避免引入生產(chǎn)環(huán)節(jié)產(chǎn)生二次污染，在各環(huán)節(jié)間建立了良好的共生關(guān)系，是一種值得我們借鑒的利用模式。不過，這種偏生態(tài)農(nóng)業(yè)類型的余熱利用工程，盡管都有一定的經(jīng)濟效益，但從熱污染控制的角度來看，其效用并不高，仍然需要排放大量溫排水的核電廠配套建設(shè)冷卻塔或采取其他閉式冷卻方式。因此，應(yīng)該優(yōu)先考慮余熱利用量較大的工業(yè)途徑作為“優(yōu)選利用途徑”。必要時，利用熱泵技術(shù)提升余熱品位，拓展應(yīng)用領(lǐng)域，提升其使用價值。

目前，我國在生態(tài)設(shè)計理念指導(dǎo)下的各類生態(tài)工業(yè)園的規(guī)劃、設(shè)計和建設(shè)工作正方興未艾。為了指導(dǎo)國家生態(tài)工業(yè)示范園區(qū)建設(shè)規(guī)劃編制工作，國家環(huán)境保護總局發(fā)布了《生態(tài)工業(yè)園區(qū)建設(shè)規(guī)劃編制指南》［22］(以下簡稱《指南》)。該《指南》根據(jù)園區(qū)的產(chǎn)業(yè)和行業(yè)結(jié)構(gòu)特點，將生態(tài)工業(yè)園區(qū)分為行業(yè)類生態(tài)工業(yè)園區(qū)、綜合類生態(tài)工業(yè)園區(qū)和靜脈產(chǎn)業(yè)類生態(tài)工業(yè)園區(qū)三種類型［22－25］。

核電廠溫排水余熱利用生態(tài)設(shè)計的最終成果形式就是建立一個以核電廠及其最終選定的“優(yōu)選利用途徑”為核心，以利用溫排水余熱、保護環(huán)境為目的，運用先進(jìn)的技術(shù)，通過物質(zhì)和能量的集成，在更多同類的熱用戶和相關(guān)熱用戶間建立共生關(guān)系，在有限的空間內(nèi)實現(xiàn)溫排水余熱的最大利用率，同時實現(xiàn)各個熱用戶產(chǎn)生的二次廢物的再利用和資源化的生態(tài)(工業(yè))園。按《指南》中對各類生態(tài)工業(yè)園的定義，它應(yīng)該是一種以利用溫排水余熱為主要目的的靜脈產(chǎn)業(yè)類生態(tài)(工業(yè))園，同時也是以核電廠及“優(yōu)選利用途徑”為核心的行業(yè)類生態(tài)(工業(yè))園。因此，可借鑒《行業(yè)類生態(tài)工業(yè)園區(qū)標(biāo)準(zhǔn)》(試行)［23］和《靜脈產(chǎn)業(yè)類生態(tài)工業(yè)園區(qū)標(biāo)準(zhǔn)》(試行)［24］中對相應(yīng)類型生態(tài)工業(yè)園區(qū)的建設(shè)、管理和驗收的指標(biāo)體系，建立溫排水余熱綜合利用方案的評價指標(biāo)體系。

4 溫排水余熱綜合利用方案的評價指標(biāo)

溫排水余熱的利用量越多，對核電廠溫排水的熱污染控制就越有利，同時也意味著更大的經(jīng)濟效益、生態(tài)環(huán)境效益和社會效益。因此，核電廠余熱綜合利用方案評價的主要依據(jù)是溫排水余熱的總利用率以及相應(yīng)類型生態(tài)工業(yè)園區(qū)的建設(shè)、管理和驗收的指標(biāo)體系見表1。表中單位產(chǎn)值的廢水產(chǎn)量數(shù)據(jù)參考《靜脈產(chǎn)業(yè)類生態(tài)工業(yè)園區(qū)標(biāo)準(zhǔn)》(試行)中對該指標(biāo)的取值［24］。

表1 溫排水余熱利用方案的評價指標(biāo)

5 結(jié)語

(1)溫排水余熱綜合利用方案設(shè)計的總體思路是:先確定溫排水余熱的優(yōu)選利用途徑;然后以優(yōu)選利用途徑為核心，結(jié)合生態(tài)設(shè)計理念，完成余熱綜合利用方案的設(shè)計。

(2)對溫排水余熱的潛在利用途徑調(diào)研及其可行性分析表明，從熱污染控制的角度來看，溫排水余熱的工業(yè)利用及區(qū)域供暖等環(huán)境效益和經(jīng)濟效益更好。因此，在進(jìn)行余熱綜合利用方案設(shè)計時，應(yīng)優(yōu)先考慮這一類利用途徑。

(3)根據(jù)本文對核電廠余熱綜合利用方案設(shè)計成果形式和設(shè)計目標(biāo)的定位，建立了溫排水余熱綜合利用方案的評價指標(biāo)。其中，溫排水余熱的總利用率是評價余熱綜合利用方案優(yōu)劣的最重要指標(biāo)，對該指標(biāo)值的要求是能達(dá)到控制熱污染目的的利用率水平(對每個具體廠址的利用率底線值不同)。上述的溫排水余熱綜合利用方案設(shè)計過程及其評價指標(biāo)，同樣適用于火電廠及其他行業(yè)。

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Preliminary study on the design of comprehensive utilization scheme of waste heat in thermal discharge of nuclear power plant

The waste heat emitted into the atmosphere or water can be greatly reduced or even to achieve zero emissions by the full utilization of which in thermal discharge(cooling water)of nuclear power plant，which can also be resulting in conservation of energy，huge economic benefits and protection of the thermal discharge receiving water from thermal pollution.Based on the research work on potential using approaches of waste heat from cooling water，the preliminary study on the design of comprehensive utilization scheme of waste heat was carried out，with the application of ecological engineering theory and philosophy of eco－design.

nuclear power plant;thermal discharge;comprehensive utilization of waste heat;eco－design

X57

B

1674－8069(2012)02－048－04

2011-12-15;

2012-03-12

劉永葉(1984-)，女，河南信陽人，工程師，博士，主要從事核動力廠輻射防護與環(huán)境保護相關(guān)的科研工作。E－mail:liuyongye1957827@sina.com