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摘要：核電廠的溫排水直接排放于環(huán)境，不僅大量的余熱得不到有效利用，還會引起局部的熱污染。鑒于此，在國內(nèi)外溫排水余熱利用的參考基礎(chǔ)上，提出溫排水的余熱綜合利用模式，主要包括余熱養(yǎng)殖、工業(yè)及居所供暖、溫室大棚供熱和海水淡化等模塊。文中引入了引水量、散熱量等計算模型，對于溫排水的有效利用提供了理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：核電廠；溫排水；余熱利用

中圖分類號：[TL48] 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2015）06-0072-03z

一、引言

近十多年來，中國經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，對電力的需求量大幅度增加。火電站消耗的資源量大，環(huán)境影響大。為了緩解能源矛盾，促進(jìn)節(jié)能減排的目標(biāo)，以核電為中心的清潔、經(jīng)濟(jì)、高效的新一代可持續(xù)電力產(chǎn)業(yè)正在崛起。圖1是近十年中國的核電裝機(jī)容量變化，從2001年的243萬KW到2011年的1257萬KW，翻了近五翻[1]。

文獻(xiàn)[2]中預(yù)計2020年可達(dá)7000萬KW，2030年達(dá)2億KW，2050年可達(dá)4億KW，核電產(chǎn)業(yè)迅猛發(fā)展。然而核電廠僅有33%熱能轉(zhuǎn)化為電能，如果不加利用，隨溫排水排放，則每百萬核電機(jī)組每年排入環(huán)境水體的余熱可折合標(biāo)準(zhǔn)煤約70～150萬t/年[3-4]。因此，充分利用核電廠的余熱，對于避免類似文獻(xiàn)[5-8]中的熱污染，保護(hù)環(huán)境，節(jié)約能源具有重大的社會意義和經(jīng)濟(jì)效益。

二、核電廠余熱綜合利用

核電廠溫排水余熱溫度在50℃以下，屬于低品位熱能。核電站溫排水余熱利用可分為直接利用和非直接利用，余熱直接利用的主要領(lǐng)域有種植業(yè)和養(yǎng)殖業(yè)[9]。利用熱泵技術(shù)把溫排水提高溫度后可充當(dāng)加熱油田的拌熱水[10]、集中供暖、海水淡化等。國內(nèi)外溫排水余熱利用實踐主要集中于水產(chǎn)養(yǎng)殖、大棚溫室[11-12]，還有集中供暖[13]，海水淡化[14]。余熱綜合利用是余熱研究的發(fā)展趨勢。圖2是核電站溫排水余熱綜合利用模塊示意圖。在余熱綜合利用系統(tǒng)中，可以把非直接利用部分根據(jù)模塊圖進(jìn)行再利用。此余熱綜合利用系統(tǒng)，涉及到了農(nóng)業(yè)、水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)、工業(yè)及居所供暖以及海水淡化，突破了以往以美國學(xué)者Bread為代表的單一行業(yè)余熱綜合利用方式，把余熱利用量較大的工業(yè)以及海水淡化結(jié)合起來，提高核電廠溫排水的余熱利用率，從而有效控制熱污染。

（一）溫水養(yǎng)殖模塊

利用電站溫排水養(yǎng)魚，主要是為了減輕或避免電站溫排水夾帶大量的余熱排入環(huán)境中，引起熱污染，造成對周圍生態(tài)環(huán)境的破壞。20世紀(jì)60年代開始，蘇聯(lián)、日本、美國、法國、德國、丹麥、以色列、匈牙利、波蘭等很多國家都利用電廠溫排水進(jìn)行魚類、貝類、蝦類等水產(chǎn)品養(yǎng)殖。我國在70年代初，黑龍江省開始嘗試溫水養(yǎng)魚，因效果顯著，后開始在全國各地陸續(xù)推廣。適用溫水養(yǎng)殖的種類有牡礪、羅非魚、胡子鯰、淡水白鯧、鯉魚、鯽魚、草魚、淡水鯊魚、對蝦、鰻鱺、鱸魚等。進(jìn)行溫水養(yǎng)殖時，應(yīng)該充分考慮水溫對水質(zhì)的影響，嚴(yán)格控制溫排水引水量。溫排水引水量計算公式：

G=■ （1）

RB=■=6.1×10-4P■ （2）

Q2=CW（es-ea） （3）

由（1）-（3）式可得G：

G=■

式中 Q1——魚池水面散發(fā)熱量；Q2——魚池表面蒸發(fā)水汽潛熱量；RB——鮑恩比率；C——經(jīng)驗蒸發(fā)系數(shù)；W——風(fēng)速；P——風(fēng)速；Ts——水面溫度；Ta——近水面溫度；es——Ts的飽和水汽壓；ea——Ta的飽和水汽壓；c——水的比熱；Δt——魚池水和溫排水的溫度差。

為準(zhǔn)確控制水溫等重要水質(zhì)參數(shù)，保障溫水養(yǎng)殖順利進(jìn)行，在引水量理論計算的基礎(chǔ)上，應(yīng)在養(yǎng)殖水域安裝智能水質(zhì)傳感器，在線檢測水質(zhì)的溫度變化、溶解氧等重要水質(zhì)因子，圖3是溶解氧隨溫度變化曲線。如圖所示，溶解氧隨著水溫的升高而減小。

（二）工業(yè)及居所供暖和溫室大棚供熱模塊

工業(yè)及居所供暖的熱量需求大，能充分利用核電廠的余熱。因核電廠供熱與工業(yè)及居所供暖所需溫度有差異，直接利用價值不高，一般通過利用熱泵技術(shù)先提高溫排水的溫度，從而達(dá)到利用所需溫度。經(jīng)過熱泵的轉(zhuǎn)換后，除了給小區(qū)供暖，可應(yīng)用的工業(yè)領(lǐng)域有：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。熱泵工作效率COP大于1，持續(xù)不斷地吸取溫排水的低品位熱能，相比于直接用鍋爐加熱熱源，利用溫排水為工業(yè)及居所供暖具有節(jié)約煤炭資源，減少燃煤引起的大氣污染等功效。

一般蔬菜的適宜生長溫度在18℃～35℃，而單一的日光大棚很難保證蔬菜生長所需溫度，并且不穩(wěn)定。文獻(xiàn)[15]表明，溫室土壤加熱對農(nóng)作物還具有增產(chǎn)作用。正如圖4所示，在土壤下埋設(shè)供熱管后，土壤溫度增加，土壤容重減小，有機(jī)質(zhì)分解加速，速效磷、速效氮等礦物質(zhì)的可利用含量增加。

利用溫排大棚可以生產(chǎn)蒜苗、芹菜、韭菜、菠菜、香菜、黃瓜、辣椒等蔬菜。溫室大棚利用溫排水來供熱有熱源穩(wěn)定、可靠、節(jié)能、環(huán)保的優(yōu)越性。文獻(xiàn)[16]中的噴水澆灌供熱方式，可以快速有效提升溫室內(nèi)的空氣溫度，但是容易引起植物病變，產(chǎn)生漬害。采用埋地管道可以均勻布熱，并且直接作用于土壤層，調(diào)節(jié)蔬菜等農(nóng)作物的生長環(huán)境。若單一的埋地管道供熱量不夠，可以借鑒文獻(xiàn)[17]地下管道式和吊管式供熱協(xié)調(diào)供熱，從而保證大棚溫室足夠所需熱量，此時大棚溫室內(nèi)的總熱量為埋地管道的放熱量Q1和懸吊管道放熱量Q2之和。單位時間內(nèi)利用管道總的散熱量可以供熱的面積為S：

S=■=■ （4）

設(shè)管道長度Δx的微分段內(nèi)流體的溫降為-Δt，則埋地管道的放熱量Q1：

Q1=cρvΔt （5）

其中Δt=t1-t2

■dx=cρv（-dt）

■■=■■endprint

得ln■=■

則t2=（t1-t'）·e■+t'

Δt=t1-（t1-t'）·e■-t'=（t1-t'）1-e■

Q1=cρv[t1-t'-（t1-t'）·e■]=cρv（t1-t'）1-e■（6）

Q2=AKΔt' （7）

其中A=πdl

K=■

Δt'=■-t4

Q2=■■-t4（8）

Q'=ρcρ（t4-ta）（9）

由（4）-（9）式可得S：

式中D——管道的外徑；d——管道的內(nèi)徑； l——散熱區(qū)管道總長度；αn——散熱管內(nèi)壁的換熱系數(shù)；αw——散熱管外壁的換熱系數(shù)；λ——散熱管道管壁導(dǎo)熱系數(shù)；ρ——溫室內(nèi)空氣密度；cp——溫室內(nèi)空氣的定壓比熱容；t1——設(shè)計供水溫度；t2——埋地管道回水溫度；t3——吊管式管道回水溫度；t4——使用區(qū)所需溫度；ta——使用區(qū)內(nèi)的基礎(chǔ)平均溫度；h——溫室高度；Q——管道在溫室內(nèi)總放熱量； Q'——溫室內(nèi)每立方米空間需要提供的熱量。

（三）海水淡化模塊

核電廠溫排水屬于低品位熱能，一般的反滲透法和蒸餾法利用低品位熱能不夠經(jīng)濟(jì)，效率較低。沿海核電廠一般用海水進(jìn)行冷卻，現(xiàn)將溫排水制取淡水，不僅可以充分利用溫排水的余熱，消除了熱污染，而且還能節(jié)省海水淡化廠自行抽取海水、過濾海水的前期處理，大幅度降低淡水生產(chǎn)成本，為周邊地區(qū)提供廉價的生活用水，發(fā)揮巨大的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。露點蒸發(fā)技術(shù)是一種新型的海水淡化方法，它的運(yùn)行原理如圖5，能夠高效利用低品位熱能。

三、小結(jié)與展望

溫排水余熱綜合利用的模式是由余熱養(yǎng)殖、工業(yè)及居所供暖、溫室大棚供熱和海水淡化等模塊組成。溫度的控制是每一個利用模塊的關(guān)鍵，根據(jù)引水量、散熱量等計算模型，結(jié)合溫度對水質(zhì)、土壤等作用對象的影響變化趨勢，嚴(yán)格控制溫度，調(diào)節(jié)溫排水流量，以便高效利用溫排水的余熱，從而避免引起熱污染。對于未來，一方面應(yīng)加速發(fā)展新一代的核電機(jī)組，從源頭上減少溫排水的排放量；另一方面，應(yīng)提高溫排水的余熱利用率，開發(fā)新的余熱利用方式，完善余熱的綜合利用方式，不僅可以有效控制熱污染，保護(hù)環(huán)境，還可以變廢為寶，節(jié)約能源。

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