电厂温排水余热利用分析

边世凯

（衡丰发电有限责任公司，河北衡水 053000）

1 电厂余热利用简述

随着经济的不断发展，电力需求逐渐增加，火（核）电机组容量也越建越大，电厂的冷却水量也随之增多，对于开式循环冷却水，受纳水体影响受到的热污染也越来越明显。在火电厂中约有40%的热能转变为电能，60%以上的热能主要通过锅炉烟囱和汽轮机凝汽器的循环冷却水释散到环境中，其中循环冷却水携带走的废热量占绝大部分。而核电站仅有33%热能转化为电能，其余的均变为废热。对1 000 MW机组，循环冷却水量约35～45 m3/s，接近于目前排入日本东京市区10个污水处理厂的污水总量5×10 m3/d［1］，温升8～10℃，温升所对应的热量约1.5×106～1.9×106kJ/s，约合标准煤150万t/a。若采用表面直流冷却方式，将有大量废热通过冷却水排入附近水域，造成生态环境的破坏［2］。因此，如何能够有效地利用这些废热，变废为宝，减少温排水对周围生态环境的危害具有重大的现实意义。

随着人民生活水平的提高，城市生活及轻工业生产中对中、低温热能的消费越来越多，如许多工业生产过程都需要70～110℃范围的热能，目前这些热能大都是通过电力或石油、天然气和煤炭等燃料的燃烧来获得。这是降低“燃料”非再生能源的高品位能为低品位能的使用，属不合理的能源分配。而热泵技术即是将低品位的电厂余热提高品位向工业供热，可节约大量的燃料。利用余热养殖，大力引进喜温水生动植物，可促进渔业发展。

2 热泵技术

2.1 研究现状

世界上第一台热泵机组生产于20世纪30年代的欧洲，它以河水作为低温热源，向市政厅冬季供热，夏季供冷，输出的热水温度可达60℃，达到了一机两用的效果［3］。20世纪70年代初是热泵技术发展史上的一个转折点。石油危机导致能源价格大幅度上涨，为降低单位产值能耗，人们开始注意到热泵技术可以节约大量能源这一事实，于是各国竞相研制、开发，使热泵技术得到迅猛发展。我国的热泵工业相对于发达国家明显滞后，从20世纪80年代起，改革开放政策所带来的经济飞速发展，大大促进了热泵工业的发展。1999年“火电厂余热综合利用研究评价——全国火电厂余热利用情况调查报告”指出:限于电厂循环冷却水排水余热温度在50℃以下，属于低品位热能，直接利用范围狭窄。目前国内开展余热利用的电厂很少，仅占火电厂总数的16%。其中87%的电厂主要利用方式是水产品养殖，利用量小、效率低。因此应集中重点方向开展高效率余热利用技术的研究、实验和试点工作。即在电厂循环水余热利用中有效采用热泵、热管等技术含量高并已相当成熟的技术，组织攻关，建立示范工程，推广技术。

2.2 原理及特点

靠补偿或消耗机械功，迫使热量从低温物体流向高温物体的机械装置，称为“热泵”。对低位热源供热，从而有效地把难以直接应用的低品位热能利用起来，达到节能的目的。所以热泵是一种充分利用低品位能的高效节能装置。

如果不考虑热泵运行时的各种能量损失，理论上有;

即热泵输出的高温位热量QH等于输入能量W与由低温热能获得的热量QL之和，显然QL即为“变废为宝”的部分，也就是热泵装置回收的废热。在热泵理论中通常以比值QH/W表示热泵节能效果，并称其为热泵供热系数。影响供热系数值的相关因素较多，如热泵形式、热原温度及用热温度等，但对于最常用的压缩式热泵来说，一般该值可达3.5以上。

不同类型的热泵工作机理有所不同，而压缩式热泵和吸收式热泵是目前比较常用的类型。

a．压缩式热泵

压缩式热泵的热平衡模型如图1所示。该系统可将低温位余热提高50～60℃。用于回收高温位余热和工艺过程余热，并可将其温度提高到150℃左右，甚至更高。

图1 压缩式热泵热平衡模型

式（1）为压缩式热泵工作热平衡式。其经济性指标用制热系数Ψ来表示:

有效制热系数为

式中:η为热泵有效系数，与热泵温差等有关，通常为0.4～0.75（计算时取η=0.6）。

b．吸收式热泵

吸收式热泵的热平衡模型如图2所示。

图2 吸收式热泵的热平衡模型

吸收式热泵以高温位热量QH为推动功，同时也消耗少量电能。吸收式热泵的制热系数为

吸收式热泵的热量平衡式为

吸收式和压缩式热泵制热系数关系为

由式（6）可见，压缩式热泵的制热系数要高于吸收式热泵的制热系数，目前应用较多的是蒸汽压缩式热泵。

蒸汽压缩式热泵是低温蒸汽通过压缩机吸收外功后，提高高温热源温位。低沸点工质流经蒸发器时蒸发成蒸汽，此时从低温位处吸收热量，来自蒸发器的低温低压蒸汽，经过压缩机压缩后升温升压，达到所需温度和压力的蒸汽流入冷凝器，在冷凝器中，将从蒸发器中吸取的热量和压缩机耗功所提升出来的那部分热量排出。放出的热量就传递给高温热能，使其温位提高。蒸汽冷凝降温后变成液相，流经节流阀膨胀后，压力继续下降，低压液相工质流入蒸发器，由于沸点低，因而很容易从周围环境吸收热量而再次蒸发，又形成低温低压蒸汽，依次不断地进行循环，其工作原理如图3所示。

图3 蒸汽压缩式热泵原理图

凝汽器的循环冷却水散失到环境中的热量即冷端损失，这部分冷却水温度只有35℃左右，品位低，直接利用范围狭窄，直接作为冷热源的驱动能源温度太低，综合考虑余热回收利用与空调冷热源利用要求，利用热泵空调系统最为适宜。

水耗源热泵空调系统利用了热泵原理，它在制热时以水为热源，而在制冷时以水为排热源。热泵空调冬季利用电厂循环水供暖，而夏季制冷。水源热泵系统对水源系统的要求是:水源充足，水温适宜，水质适宜，供水稳定。即水源的水量应充足，能满足用户制热负荷或制冷负荷要求;水源的水温适度，适合机组运行工况要求，根据美国制冷学会ARI320标准，水源热泵系统对水温的要求是5～38℃，在水温10～22℃运行时能效比较高［4］。

3 余热养殖

根据电站的生产特点利用其余热资源。日本利用核电站的温排水进行工业化养殖，使养殖业迅速发展，他们将核电站的冷却水引入丹生湾，使那里的渔产量得到明显增加［5］。冷却水的急速流动带来了丰富的溶解氧和悬浮营养盐，使某些鱼种类得以很好的生长，甚至成为优势种。英国曾用蝶鱼做过试验，18个月即可达到市场出售标准，而在正常海水中饲养蝶鱼要4～5年才能达到同一个标准。Chiba等在80年代中期，利用核电站温排水进行海洋动物养殖，将温排水抽入黑绸、对虾、蟹及鲍鱼等的养殖网箱中，加速其生长成熟，并使其繁殖季节提早。中国山东省利用电厂余热水养殖罗非鱼，4个月内增产3倍，经济效益十分可观。

3.1 热带鱼养殖

近十几年来，我国相继从国外引进了多品种热带鱼，大都具有生长速度快、食性广、疾病少、群体产量高等特点。但有一个致命的弱点即不耐低温。绝大部分属于狭温性品种，严重制约了在北方的推广养殖［6］。而电厂温排水周围水域却能够克服这样的缺点，有利于热带鱼类的繁殖生长。特别是北方电厂，今年来先后从国外引进了罗飞鱼、胡子鲶、淡水白鲳等十几个品种。利用金属网箱，投入到电厂排水附近水温适宜且稳定的水域来养殖，对于不同种类的热带鱼，所需最适宜生长温度也不同，合理的安排每种热带鱼的温度区域，从而得到良好的经济效益。

3.2 孵化鱼苗

利用电厂余热放养鲤鱼、鲫鱼、草鱼等，温度常年保持在20℃左右，能够在较短时间内达到商品鱼规格。特别是寒冷地区，引入电厂温排水，保持温度稳定，科学喂养，可使鲤鱼、草鱼等提早几十天成熟，并且孵化出来的鱼种个体要大于没引进温排水的鱼种。我国东北地区（如哈尔滨、齐齐哈尔等城市）在70年代就开始用温排水培育草鱼，对促进寒冷地区养鱼业起到重要作用。

3.3 淡水鲨鱼养殖

淡水鲨鱼是我国1998年引进的，因肉味鲜美可口、无肌间刺且氨基酸含量丰富，市场稳定，成为我国优良淡水养殖品种。利用电厂余热水进行淡水鲨鱼的养殖是一项低成本、高产出、经济效益好的项目，前景十分广阔。

淡水鲨鱼养殖需要一定的设备条件和水质条件。利用电厂周围空闲地建造流水池，实施工厂化或半工厂化淡水鲨鱼的养殖，从排水口附近引入到电厂周围的空闲养殖流水池，温排水从池子的上部流入或散状喷入，从底部加滤网的排污渠道排出，配套设施要求配备有调温池和电子控温设备。淡水鲨鱼的适合温度范围为20～33℃，最低温度不低于18℃。通常情况下水质指标要求:溶解氧≥14 mg/L，pH值6.5～8，透明度≥30 cm［7］。日常管理时注意水温、水质控制，定期投饵和排污，科学养殖。

4 结论

电厂循环冷却水因有清洁的水质，稳定的流量和温度，尤其有可驱动热泵的中温、中压热耗。经热泵提升温度后的循环冷却水的热量，可用于空调、生活热水、轻工业生产，也可返回电厂回热系统加热给水，提高电厂热效率。不仅能够使电厂循环冷却水所蕴含的巨大热量得以再利用;还能降低取水温升，保证电厂安全经济运行。同时改进和完善电厂余热养殖技术，实现环境保护和经济效益的双丰收。

［1］尹军．城市污水的资源再生及热能回收利用［M］．北京:化学工业出版社，2003．

［2］贺益英．关于火、核电厂循环冷却水的余热利用问题［J］．中国水利水电科学研究院学报，2004，2（4）:315－320．

［3］高大中．浅析热泵［J］．山西建筑，2001，27（4）:136－137．

［4］郑体宽．热力发电厂［M］．北京:中国电力出版社，1997．

［5］Rohlwing T．Palm H．W．Rosenthal H．Diseases of Aquatic Organisms［J］．1998，32（3）;233－236

［6］郭旭升，汪利．利用发电厂余热养殖热带鱼技术［J］．淡水渔业，2000，30（12）:12－13．

［7］刘伟成，李明云，王莉．利用电厂余热养殖淡水鲨鱼技术及疾病预防［J］．黑龙江水产，2005，4（6）:11－13．