核电厂温排水余热综合利用方案设计的初步研究

刘永叶，刘森林，陈晓秋

(1环境保护部核与辐射安全中心，北京 100082;2.中国原子能科学研究院，北京 102413)

核电厂温排水余热综合利用方案设计的初步研究

刘永叶1，刘森林2，陈晓秋1

(1环境保护部核与辐射安全中心，北京 100082;2.中国原子能科学研究院，北京 102413)

核电厂温排水(循环冷却水)余热的充分利用，可以使原本要排放到大气或水域中的热量大大减少，甚至能实现电厂余热的“零排放”，在节约能源、产生巨大经济效益的同时，也达到了保护电厂温排水受纳水体免遭热污染的目的。在国内外温排水余热利用途径调研的基础上，运用生态工程理论和生态设计的理念，进行温排水余热综合利用方案设计的初步研究。

核电厂;温排水;余热综合利用;生态设计

0 引言

随着科技和工农业生产的迅速发展，热污染问题已成为一个日益严重的环境问题。热污染的主要来源是电力工业冷却水，尤其是采用直流冷却方式的核电厂［1］。现代大型核电厂的热排放问题，就经常性的环境影响而言，远较放射性排放严重［2］。一台1000MWe的核电机组(轻水堆)有2000MWt的热量散失到环境中。如果采用直流冷却方式，绝大部分的热能由循环冷却水携带而进入自然水体。

这些采用直流冷却方式的电厂排出的大量废热，使自然水体水温迅速升高。而水温作为重要的水质和水域生态环境要素，几乎影响水的各种物理、化学和生物化学性质，从而间接影响到各类水生物的生长和繁殖活动［1］。同时，如果热废水的升温作用使受纳水体的水温超过生物的适宜温度，也将直接导致生物的生长受到抑制甚至死亡，对生态环境造成严重影响［3－7］。

采用冷却塔或其它闭式循环冷却方式代替直流冷却方式，将循环冷却水的部分热量排入大气，可以有效减轻或避免对自然水体的热污染。但冷却塔体型庞大(如为1000MWe核电机组需建造高150m，底部直径120m的自然通风冷却塔)，提高了电厂造价和发电成本(估计增加发电成本5%～7%)［2］，于经济性不利;又冷却塔蒸发散热加以风吹影响，使大量热量和水滴进入大气环境，会使空气局部温度、湿度升高。电厂长期运行，失散的热量和水滴会对局部小气候产生影响，甚至会带来其他的环境问题(如盐沉积、荫屏效应及噪声等)。因此，这并不是解决核电站热污染问题的最佳途径，要在合理利用热源的基础上，考虑改进冷却方式［8－11］。借鉴各国余热利用的经验，找出适合我国国情的余热综合利用途径，是目前解决电厂循环冷却水余热这个电力建设及环境保护中的棘手问题的根本方法。

1 温排水余热综合利用方案设计总体思路

将温排水余热利用的方案设计工作主要分为两大部分:一是确定温排水余热的优选利用途径;二是围绕优选利用途径，结合生态设计理念，完成余热综合利用方案的设计。

其中，关于确定温排水余热的优选利用途径的研究，主要是通过较为广泛的初步调研确定余热的潜在利用途径，然后通过对这些潜在利用途径的分析，筛选出候选利用途径。再结合具体的核电厂址特性，通过对候选利用途径的比较和排列优劣次序，选出最终的优选利用途径。

温排水余热优选利用途径确定过程见图1。后面的生态设计将针对最终选定的“优选利用途径”展开。

图1 温排水余热优选利用途径确定过程示意

2 温排水余热潜在利用途径及可行性分析

2.1 温排水余热的潜在利用途径分析

据调研，电站温排水余热的潜在利用途径主要包括以下几个方面［12－20］:

(1)农业利用。农业利用项目包括室外土壤增温、灌溉、温室加热和制冷、农作物干燥、家畜粪便处理以及家畜庇护场所的环境温度调节等;

(2)水产养殖业利用。水产养殖包括各种海产品及淡水生物的养殖;

(3)工业及居所供暖等余热利用工程。通过利用热泵技术，可以提高循环冷却水的热品位，提升其利用价值［18］。需要77～110℃之间热能的工业过程主要有: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［19］。

通过调研及多方面了解相关信息，列出各种可能的利用途径，并根据这些利用途径的特点进行分析和筛选，拟考虑的因素主要是:利用途径/工艺过程需要的温度、利用途径/工艺过程的余热利用量、利用的时段/周期、对水质的要求(pH、DO、BOD5、COD、电导率、NH3－N、其他)、对土地资源的要求(占地面积、土壤质量、与热源的邻近程度)、关于投资(投资额度、产品的市场敏感性)、技术要求(技术是否成熟)、与当地产业规划、产业政策的一致性、是否造成严重的二次污染、余热利用量占工艺过程总能耗的比例。

电站余热利用的经济性主要取决于余热的利用率，一般来说，余热利用率与经济效益成正比。如果热用户对低温余热的利用量占其工艺过程总能耗的比例甚微，则不如将这部分余热尽量在厂内回收利用，其经济性与输出废热的经济性相当，对大型工业用户(如石油精炼、化工产业等)尤其如此［18］。

2.2 温排水余热利用途径的可行性分析

国内、外(火电厂或核电厂)温排水余热利用的实践表明，在电厂附近建温室、大棚等的农业利用方式以及水产品/海产品养殖利用方式确实有良好的经济效益［13－14，16］。利用温排水这种免费余热替代通过燃烧昂贵的不可再生的化石燃料获取热量，其经济上的可行性是毋庸置疑的。因此，本节主要从各种潜在的余热利用途径的实施对核电厂温排水热污染控制的可行性角度进行分析。

温排水余热的利用量越多，对核电厂温排水的热污染控制就越有利，这一点是显而易见的。因此，需要关注各种利用途径的余热利用量。如果能够在核电站附近建一个规模较大的温室或者水产养殖场，即将这些余热利用设施看作核电厂温排水的冷却设施，来代替建冷却塔或其他的闭式循环冷却方式，充分利用全部或大部分的温排水余热量，则不存在温排水对受纳水体的生态影响问题，产生巨大环境效益的同时，也会相应地产生巨大的经济效益。

然而，有研究指出，若使核电站排出的全部大量废热得到稀释扩散，将需要一个极大的温室［18］。例如，位于亚拉巴马州的Browns Ferry核电站，在满功率运行时，温排水的流量为113.4m3/s，据TVA(密西西比河流域管理委员会)利用Browns Ferry的水温进行的模拟试点研究，如此大量的废热，可以满足冬季1.2km2的温室供热需求。在夏季，将需要建3600ha的温室用来消散这部分热量。这个面积几乎等同于全美国的温室面积(1978)［18］。

而实践中，温室的面积一般仅为几至几十公顷。因此，仍有相当大量的热量没有得到利用。总体的能量利用效率并不高。以Browns Ferry核电站建一座0.4km2的温室计算，也仅利用了3.3%的温排水余热，加上转换为电能的那部分有效利用的能量，系统总能量利用效率为35.5%。因此，采用单一的余热温室农业利用方式，总体的能量利用效率并不高，对水产养殖业也是如此。

综上所述，尽管水产养殖和农业利用确实有明显的经济效益，但其余热利用量较小，仅占电厂温排水总余热量的极小一部分。而区域供暖和工业利用等的热量需求大，能够利用电厂大部分的余热。所以从热污染控制的角度来看，温排水余热的工业利用及区域供暖等环境效益和经济效益更好。因此，在进行余热综合利用方案设计时，应优先考虑这一类利用途径。以便于在获得经济效益的同时，达到热污染防治的目的，从而获取更大的环境效益。

3 温排水余热综合利用方案的生态设计

生态设计是将经济、社会、环境融合到一起的过程，生态设计并不是要完全地改变每个行业所特有的设计模式、设计方法、设计经验，而是要结合各个行业自身特点注入生态的理念和思想。尽管长期以来很多人一直希望能够建立适合于各个领域、各个专业的生态设计框架，但由于生态设计涉及各个领域，各个行业，不可能存在全面适用的技术框架［21］。因此，核电站温排水余热利用的生态设计过程是结合具体厂址区域的经济、社会和环境特征，以及核电站温排水的物理化学性质，在现有利用实践的基础上进行设计，并根据技术可达性，进行不断修改和完善的过程。

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［1］。它是根据生态工程原理设计的温排水余热综合利用的方案，它打破了以往“单一利用为主”的余热利用方式，使整个系统在利用过程中做到了尽量不增加或少增加环境负担，使系统中的废物资源化，同时避免引入生产环节产生二次污染，在各环节间建立了良好的共生关系，是一种值得我们借鉴的利用模式。不过，这种偏生态农业类型的余热利用工程，尽管都有一定的经济效益，但从热污染控制的角度来看，其效用并不高，仍然需要排放大量温排水的核电厂配套建设冷却塔或采取其他闭式冷却方式。因此，应该优先考虑余热利用量较大的工业途径作为“优选利用途径”。必要时，利用热泵技术提升余热品位，拓展应用领域，提升其使用价值。

目前，我国在生态设计理念指导下的各类生态工业园的规划、设计和建设工作正方兴未艾。为了指导国家生态工业示范园区建设规划编制工作，国家环境保护总局发布了《生态工业园区建设规划编制指南》［22］(以下简称《指南》)。该《指南》根据园区的产业和行业结构特点，将生态工业园区分为行业类生态工业园区、综合类生态工业园区和静脉产业类生态工业园区三种类型［22－25］。

核电厂温排水余热利用生态设计的最终成果形式就是建立一个以核电厂及其最终选定的“优选利用途径”为核心，以利用温排水余热、保护环境为目的，运用先进的技术，通过物质和能量的集成，在更多同类的热用户和相关热用户间建立共生关系，在有限的空间内实现温排水余热的最大利用率，同时实现各个热用户产生的二次废物的再利用和资源化的生态(工业)园。按《指南》中对各类生态工业园的定义，它应该是一种以利用温排水余热为主要目的的静脉产业类生态(工业)园，同时也是以核电厂及“优选利用途径”为核心的行业类生态(工业)园。因此，可借鉴《行业类生态工业园区标准》(试行)［23］和《静脉产业类生态工业园区标准》(试行)［24］中对相应类型生态工业园区的建设、管理和验收的指标体系，建立温排水余热综合利用方案的评价指标体系。

4 温排水余热综合利用方案的评价指标

温排水余热的利用量越多，对核电厂温排水的热污染控制就越有利，同时也意味着更大的经济效益、生态环境效益和社会效益。因此，核电厂余热综合利用方案评价的主要依据是温排水余热的总利用率以及相应类型生态工业园区的建设、管理和验收的指标体系见表1。表中单位产值的废水产量数据参考《静脉产业类生态工业园区标准》(试行)中对该指标的取值［24］。

表1 温排水余热利用方案的评价指标

5 结语

(1)温排水余热综合利用方案设计的总体思路是:先确定温排水余热的优选利用途径;然后以优选利用途径为核心，结合生态设计理念，完成余热综合利用方案的设计。

(2)对温排水余热的潜在利用途径调研及其可行性分析表明，从热污染控制的角度来看，温排水余热的工业利用及区域供暖等环境效益和经济效益更好。因此，在进行余热综合利用方案设计时，应优先考虑这一类利用途径。

(3)根据本文对核电厂余热综合利用方案设计成果形式和设计目标的定位，建立了温排水余热综合利用方案的评价指标。其中，温排水余热的总利用率是评价余热综合利用方案优劣的最重要指标，对该指标值的要求是能达到控制热污染目的的利用率水平(对每个具体厂址的利用率底线值不同)。上述的温排水余热综合利用方案设计过程及其评价指标，同样适用于火电厂及其他行业。

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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

刘永叶(1984-)，女，河南信阳人，工程师，博士，主要从事核动力厂辐射防护与环境保护相关的科研工作。E－mail:liuyongye1957827@sina.com