核电厂循环冷却水

核电厂循环冷却水利用作者：姜春霞、徐婷、谢剑、李玉章、施天行、夏堃指导教师：李惊涛摘要：随着世界经济的迅速发展与人口的剧增,水资源的短缺和水环境的恶化日益突出,水资源的短缺给经济发展和人们生活带来了严重影响。而电力行业一直是我国的耗水大户，2×600MW的发电机组耗水量约为8×104m3/d,相当于一个中小城市的居民用水量,其中循环冷却水占总耗水量的2/3以上关键词：核电厂循环冷却水余热利用热泵节能一、引言21世纪我国随着经济建设的快速发展，电力行业也将进入一个高速发展期，至2009年，我国火电全国总装机容量达到65205万kW，核电也达到了908万kW（如表1所示）。进入21世纪以来，国家环境保护及低碳经济的要求越发增强，核电作为清洁能源，也取得了很大的发展。《国家核电发展专题规划（2005—2020年）》明确指出：加强沿海核电发展，科学规划内陆地区核电建设，力争2020年核电运行装机容量达到7000万kW，核电占电力总装机的比例达到5%以上[1]。目前，我国核电站规模不断扩大、场地日趋集中（见图1所示），而电力生产历来是国家废弃物排放量最大的行业之一。在核电厂循环冷却水方面主要面临的问题如下：（1）能源耗费大我国的资源特点已决定了我国的电力结构以火电为主，至2009年底上半年，我国发电总装机容量中，火电占83%，核电占1.9%。在火电厂中，只有40%左右的热能转化为电能，近50%的热能主要经汽轮机凝汽器的循环冷却水失散到环境中；核电厂利用率更低，排热量也更大。一台1000MWe的核电机组，采用直流冷却方式的排水量约为50m3/s，同一厂址若四台机组同时运行，将有流量200m3/s的高于环境水体温度7~10℃的温排水排至受纳水体。据统计，一座现代火、核电厂的装机容量多在2000～6000MW,排出的冷却水量相当于2（2）环境保护要求严格随着环境保护要求的提高,自然水域的温升强度和范围都将严格规定。虽然我国《地表水环境质量标准(JB383822002)》中,对水温的要求尚未有具体的混合区影响范围的限制,但在影响强度上规定了人为造成的环境水温变化:周平均最大温升≤1℃;周平均最大温降≤2℃[2]。可以相信在不久的将来，（3）核电厂循环水利用易忽视由于我国的核电厂大多建在海滨城市，取水方便，且循环水的排出温度往往只比环境高出10℃左右，品质不高，故人们对其的利用不够重视，甚至视而不见，直接排入大海或河流。再者，国内外在核电厂循环冷却水的应用实例较少，主要集中于火电厂，或只是停留在因此，在我国大力发展核电的背景下，对核电厂的循环冷却水的深层应用展开研究和分析具有重大的意义，也是“低碳经济”发展国策之要求。全国装机容量结构火电水电核电风电200125314.008301.00210.0040.00200226555.008607.00446.8047.00200328977.099489.62618.6057.00200432948.3010524.16683.6082.00200539137.5611738.79683.60105.60200648382.2013039.20684.60187.00200755441.7114525.86885.00403.00200860132.0017152.00885.00894.00200965205.0019679.00908.001613.00表1我国电厂装机容量图1我国核电厂分布图二、核电厂循环冷却水2.1循环冷却水简介在核电厂中，用于冷却汽轮机的排汽的水，称为冷却水。在电厂用水量中，冷却用水占了绝大部分。长江以南，绝大部分采用直流冷却系统，以河水和水库为水源，部分采用开式循环冷却系统；黄河以北，多采用闭式循环；海滨电厂均以海水为冷却水源，采用直流冷却系统。2.2循环冷却水的来源循环冷却水有两个来源:一是取至自然水域;二是来自电厂的冷却塔。吸收乏汽余热的冷却水排放至江、河、湖、海等自然水域,经与环境水体的掺混和对大气的散热,将大量的余热弃置水域(排水问题),自身得以冷却;发电厂再自水域中尽可能少受该余热影响的水区抽取新的、低温循环冷却水(取水问题),以保障凝汽器的冷却效果,这即是所谓的“水面冷却”,或称“一次循环冷却”问题。如电厂所处地域水源匮乏,则必须采用冷却塔来冷却循环水,冷却水携带的余热经冷却塔释放到大气,冷却后的循环水再送入凝汽器冷却乏汽,这是所谓的“冷却塔冷却”,或称“二次循环冷却”问题。2.3循环冷却水系统分类根据冷却水的来源不同，也有不同的冷却系统和冷却方式，见表2系统冷却方式说明使用地方直流冷却水系统湿式冷却冷却水只利用一次长江以南及海滨电厂开式循环冷却水系统湿式冷却经冷却设备冷却后重复利用我国北方和缺水地区闭式循环冷却水系统干式冷却利用空气冷却缺水地区（我国较少）表2循环冷却水系统三、国内外核电厂循环冷却水利用状况近十年来，核电建设的快速、稳健发展成为新世纪电力建设的一大亮点，与此同时，环境保护对核电厂的约束益发增强。核电厂温排水的利用这一课题已在研究中。2009年全国内陆核电站核与辐射安全学术研讨会已将这一课题列入会议重点内容；核工业部及核安全中心也对该课题拟定了初步研究规划的建议。对国内外在电厂循环水利用上，多见于农业、养殖业，美国的相关机构也开展了借助热泵技术，使循环冷却水的利用范围得以扩大的相关研究。现将就其三个方面进行总结和案例分析。3.1循环水水源热泵集中供热（冷）热泵技术简介热泵是一种把低温位的热能输送至高温位的机械。其工作原理是：热泵利用该余热源作为低温热源，以热泵系统中的工质作为热的载体。按热力学第2定律，热量不会自发地从低温区向高温区传递，因此热泵工作时必消耗一定的有用能量（如：电能和热能）驱动工质，在热泵系统内以相变热（汽化潜热或凝结热）形式自低温热源带走热量并输送至高温热源。热泵工作效率用性能系数COP（CoefficientofPerformance）或供热系数来衡量，图2热泵原理图COP=Q1/E，则COP=Q1/E=Q0/E+1=ε+1，ε=Q0/E，称为制冷系数。可见COP恒大于1，热泵的该值一般为1.5～4，说明热泵消耗少量的有用能可获得数倍的热能，这正是从低温热源提取的热量[3]（原理图2）热泵技术用于核电站余热回收利用的关键问题核电站循环冷却水有相对清洁的水质、相对稳定的流量和温度；电站又有充沛、廉价的电力、热力，尤其有可驱动热泵的中温、中压废热源。经热泵提升温度后的循环冷却水的热量，不仅可用于空调、生活热水、轻工业生产，也可返回电站回热系统，加热给水，提高电站热效率。（1）单个建筑大厦供热制冷：在利用余热采暖方面，常见于单个建筑大厦利用其作为暖、冷空调的低温热源，与利用河水、海水为建筑空调提供热源一样。大面积建筑群集中供暖、供冷的情况极少见到。（2）城市供热：在冬季在北方地区将其升温至供热温度对电厂凝汽器与循环水管网的连接方式、热泵的设置位置、形式及容量选择、循环水管网和热水管网的连接方式、系统调峰方式及调峰容量等关键问题进行了较为全面的研究分析。在上述研究的基础上，承担单位提出了一种“基于吸收式换热的热电联产集中供热方法”，该方法在不改变目前城市热网基本架构的前提下，使管网的供回水温度由目前的130/70℃改变为130/20℃左右，从而使管网的热量输送能力提高约80％；在基本不改变目前热电厂热电机组运行工况的前提下，利用热网低温回水直接回收与热泵回收相结合的方式回收循环水余热，使热电厂向城市热网提供的热量提高约50％（3）根据循环冷却水系统图的不同也可采用不同的方式，见图3，图4循环泵房循环水排水口循环水取水口凝汽器热泵换热器循环泵房循环水排水口循环水取水口凝汽器热泵换热器（蒸发器）热泵供热汽轮机热热泵汽轮机凝汽器冷却塔热泵换热器（蒸发器）供热图4一次循环的水面冷却模式回收方案[4]3.2海水淡化3.2.1海水淡化分类及各个原理（1）RO膜法：膜元件（组件）标明的透水量一般是在25℃的情况下的，冬季海水温度偏低将导致反渗透产量下降或者无法运行（温度降低一度产量下降3%）；而适当提高进水温度，可以降低水的粘度，提高膜的透水量。尤其是在冰冷的北方，对给水进行加热是必要的。在温度高于20℃时运行，温度升高1℃，透水量约增加3%。（2）MED技术：指盐最高温度低于70℃的淡化技术，是20世纪80年代成熟的高效淡化技术。低温多效法，采用汽机低压抽汽（一般为压力0.5Mp）做加热源，使各效中水平管喷淋降膜的待淡化海水升温至70℃，在负压下汽化，收集后凝结成蒸馏水。如改用热泵技术，提升循环水使海水水温至该蒸馏温度，便可节省大量抽汽。对低温多效（LT-MED）而言，循环冷却水水源热泵提升海水至所需的蒸馏的温度（3.2.2应用案例北方典型厂址（辽宁红沿河一期工程）的余热利用方案中，经初步筛选出的“优选利用途径”为“海水淡化（反渗透膜法）”；对南方典型厂址（广东台山核电一期）的余热利用方案，初步选定“海水淡化（低温多效蒸馏法）”工艺过程为余热综合利用的首要“优选利用途径”，以“海产品干燥及其他农副产品干燥和加工”为第二位的“优选利用途径”。3.3余热利用生态循环3.3.1分类及原理（1）农业（主要是温室蔬菜的种植）（2）水产养殖（包括海产品养殖等）3.3.2应用案例（1）案例一：开封市水产科学研究所在开封电厂4号横流塔（4000m2）内，利用塔间中心场地安装了1个独特的环道式简易流水养鱼池（面积2655.6m2）。1981年6月放养莫桑比克罗非鱼（0.6g/头）4万尾，7月放养福寿鱼（0.6g/头）15万尾，10月放养莫桑比克罗非越冬种苗（0.6（2）案例二：上海的石洞口发电厂于1993年6月，利用220kV高压线下的废地及电厂的余热，建造了9999m2的大棚温室。室内建有全日照喷雾扦插床，1次可生产10万支花苗，还有1300m2的观叶植物种植场地。目前，依托电力资源、科技优势，大力发展冬季花卉生产，每年为上海提供30万支鲜花，（3）案例三:美国学者Bread（1973）提出了综合利用大型发电厂温排水余热的方法（理论模型），如图5所示（4)案例四：电厂循环水利用方案（如图6所示）图5Bread电厂温排水综合利用生态系统图厂区厂区淡水供应或封装出售电厂循环冷却水冷却水余热工作区及生活区的采暖及生活热水(6)+热泵技术(5)海水淡化（低温多效蒸馏法或RO膜法）(2)制盐化工产品生产(4)浓盐水(3)制盐母液冷却水或冷却水余热(1)淡水供应冷却水余热+热泵技术(5)+热泵干燥技术(8)+热泵技术(5)冬季水产品养殖、温室大棚(7)干燥工艺及其它轻工业加工过程冷却水或冷却水余热冷却水余热冬季土壤增温（热带果蔬、绿植、药材、花卉等）(12)冷却水余热有机废水处理系统(13)有机废水有机废水需干燥和加工的药材、果蔬等有机沉淀物及污泥等+热泵技术(5)寒区取水口防冻、港口防冻冷却水余热图6电厂循环水利用方案案例分析（结合我国的红沿河核电厂和台山核电厂进行比较分析）4.1.选用这两个电厂的原因由于我国地域辽阔，核电厂又多集中于沿海地区，从南到北的气候条件差异大，在循环冷却水的利用上，应结合当地的实际状况和我国现有的技术与条件对循环水进行合理的利用。因此，我们选择了北方的辽宁红沿河核电厂和南方的广东台山核电厂进行比较分析。现将两电厂的一些情况进行比较，见表3表3辽宁红沿河核电厂和广东台山核电厂比较项目红沿河核电厂（北方）台山核电厂（南方）地理位置辽宁省红沿河镇广东省台山市循环冷却水排放方式直流循环冷却方式直流循环冷却方式循环水取、排水温差冬季最高可达到10~13夏季最高可达到4~6冬季最高可达到7~9夏季最高可达到4~6说明是东北地区第一个核电站，若其4台机组全部投入商业运营，年发电量将达到约290亿千瓦时。一期工程建设两台EPR三代核电机组，单机容量为175万千瓦，是目前世界上单机容量最大的核电机组4.2.红沿河核电厂4.2.1红沿河核电厂概况（1）具体位置辽宁红沿河核电厂厂址位于辽宁省瓦房店市红沿河镇东岗村。厂址地处渤海辽东湾东海岸，北、西、南三面临海，东侧与陆地接壤。厂址ESE方位距东岗镇7km，距复州城22km，距瓦房店市49km；南距大连港110km，北距沈阳270km（如图7所示）。（2）周边工厂图7红沿河核电厂地域图除了瓦房店市东岗盐场和大连东岗风力发电厂外没有其他工矿企业。厂址半径15km范围内的少量工矿企业主要分布在红沿河镇、仙浴湾镇和驼山乡的乡镇政府所在地，主要为小型建材业、加工业和制造业。（3）周边农业及养殖业厂址区域农业生产主要为水稻、薯类、小麦和玉米等粮食生产为主，家畜饲养种类主要有大牲畜、猪、羊、家禽和少量的兔。主要捕捞品种包括小黄鱼、马鲛、鲳鱼、梭鱼等鱼类；对虾、毛虾、梭子蟹等虾蟹类；牡蛎、扇贝、海螺等贝类以及海蜇。辽宁红沿河核电厂厂址地处辽东湾东岸中部地带。厂址附近海域多为初级生产力水平高值区。（4）循环水排水方案以辽宁红沿河核电厂五、六号机组为例，它采用直流冷却方式，取排水量为115.2m3/s。产生的低放射性废水采用槽式排放，贮存在贮存槽中的放射性废液经处理、监测达到排放规定后，与电厂的循环冷却水混合后通过构筑物最终排入大海。另外，在其排水方案中还有一个采用排水冷却塔的方案，拟建淋水面积13000㎡,塔高170m的大型冷却塔（建塔费用1.3亿），其目的是使排放水降低2.71℃（5）循环水排水方案存在问题：1)电厂温排水将造成当地海域海水温度出现超标现象，但由于在取排水工程中考虑了相关的环境保护要求，使得超标范围仅局限在电厂排水口附近的局部区域。2)根据厂址附近海域渔业资源调查结果以及相关海洋生物适温性研究结果表明，秋、冬、春三季核电厂温排水引起的温升仍保持在当地海洋生物的适温范围内。在夏季高温季节，由于当地海水的基础温度较高，如果温排水引起环境水温上升4℃3)海水温度的升高将造成海域内浮冰融化，从而在一定程度上可能减小斑海豹的活动范围。4)为使排水温度不致违反相关的海规定，如《海水水质标准》（GB3097-1997），动用巨资建冷却塔或是花费大量人力物力进行相关的冷却处理，使得收益有所减少。红沿河核电厂循环水的利用构想（1）由于其临近海洋，且附近海域有渔业的基础以及海产资源，利用升了温的循环水进行水产养殖的可能性很大；尤其是利用其不高的温度进行温室蔬果的培养，应是大有成效的，在这方面，可以借鉴国外的技术和经验。（2）由于其地处为我国的东北地区，临近多个大城市，在利用合适的热泵为其周边城市的集中供暖和供冷方面也有巨大的应用潜力。（3）红沿河地区是我国的老工业区，也是重要的农业生产基地，结合Bread的生态图（图5）对正在建设中的红沿河核电厂进行循环水的深度应用研究是很有必要的，既可以解决北方淡水资源的短缺，又可以节能减排，也可以获得良好的经济效益。（4）在海水淡化方面，也大有前景。在辽宁红沿河一期工程的余热利用方案中，经初步筛选出的“优选利用途径”为“海水淡化（反渗透膜法）”。4.3.台山核电厂4.3.1台山核电厂概况(1)具体位置广东省台山核电厂位于广东省台山市赤溪镇腰古村东北方约1.2km处，厂址处沿海山区，三面环山，东南面临海。厂址西方距阳江市直线距离约80km,西北方位距台山市区直线距离约44km，东北方位距珠海市直线距离约73km，北方位距江门市区约75km（如图8所示）。(2)周边工厂图8台山核电厂地域图除国华台山电厂以外，厂址15km范围内没有大型企业，一些中小型工业企业主要集中在各乡镇的政府所在地。(3)周边农业及养殖业

农业和副业：厂址所在地台山市粮食耕作为一年三熟，蔬菜常年生产、水果季节性较强，粮食耕种以水稻为主；畜牧饲养种类主要是猪、牛、羊、家禽（鸡、鸭、鹅）和少数的兔。

渔业：厂址属沿海厂址，厂址附近有部分围堤养殖，但处于厂区征地范围内，另外还有部分海洋捕捞作业。（4）循环水排水方案：采用直流冷却方式，温排水总量约为400m3/s，由海水进行冷却。在台山工地现场，由于岸边海水较浅，为满足冷凝器所需的大量海水，需要在电厂与离岸4公里外的小岛间建造一条大型海底管道。海水取自小岛以外较深的海水，然后输送到一个能容纳1百万立方米海水的蓄水池。阿尔斯通提供了4组混凝土蜗壳泵组用以将蓄水池中的海水抽到凝汽器，并最后排回到海里。(5)循环水排水方案存在问题：1）由于其临近海洋，且广东的大部分电厂分布于沿海地区，对这片海域的热污染相对严重，所以直接排放高于常温海水的循环水会在一定程度上影响海洋生物的多样性。2）与前部分分析的红沿河核电厂类似，为了达到相应的环境要求，不惜动用巨资降低温排水温度，使之达标后排放，得不偿失。台山核电厂循环水的利用构想“海水淡化（低温多效蒸馏法）”工艺过程为余热综合利用的首要“优选利用途径”，以“海产品干燥及其他农副产品干燥和加工”为第二位的“优选利用途径”。（2）利用其临近珠三角工业区的优势，对循环水进行适当处理后，为临近的工厂城镇提供工业用水，也可进行花卉浇灌等，以响应低碳经济之国策可行性和必要性分析从可行性来看，对两核电厂循环水利用的构想是建立在理论和实践经验相结合的基