核电厂温排水余热综合利用分析

程利江++高华喜

摘要：核电厂的温排水直接排放于环境，不仅大量的余热得不到有效利用，还会引起局部的热污染。鉴于此，在国内外温排水余热利用的参考基础上，提出温排水的余热综合利用模式，主要包括余热养殖、工业及居所供暖、温室大棚供热和海水淡化等模块。文中引入了引水量、散热量等计算模型，对于温排水的有效利用提供了理论依据。

关键词：核电厂；温排水；余热利用

中图分类号：[TL48] 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2015）06-0072-03z

一、引言

近十多年来，中国经济快速发展，对电力的需求量大幅度增加。火电站消耗的资源量大，环境影响大。为了缓解能源矛盾，促进节能减排的目标，以核电为中心的清洁、经济、高效的新一代可持续电力产业正在崛起。图1是近十年中国的核电装机容量变化，从2001年的243万KW到2011年的1257万KW，翻了近五翻[1]。

文献[2]中预计2020年可达7000万KW，2030年达2亿KW，2050年可达4亿KW，核电产业迅猛发展。然而核电厂仅有33%热能转化为电能，如果不加利用，随温排水排放，则每百万核电机组每年排入环境水体的余热可折合标准煤约70～150万t/年[3-4]。因此，充分利用核电厂的余热，对于避免类似文献[5-8]中的热污染，保护环境，节约能源具有重大的社会意义和经济效益。

二、核电厂余热综合利用

核电厂温排水余热温度在50℃以下，属于低品位热能。核电站温排水余热利用可分为直接利用和非直接利用，余热直接利用的主要领域有种植业和养殖业[9]。利用热泵技术把温排水提高温度后可充当加热油田的拌热水[10]、集中供暖、海水淡化等。国内外温排水余热利用实践主要集中于水产养殖、大棚温室[11-12]，还有集中供暖[13]，海水淡化[14]。余热综合利用是余热研究的发展趋势。图2是核电站温排水余热综合利用模块示意图。在余热综合利用系统中，可以把非直接利用部分根据模块图进行再利用。此余热综合利用系统，涉及到了农业、水产养殖业、工业及居所供暖以及海水淡化，突破了以往以美国学者Bread为代表的单一行业余热综合利用方式，把余热利用量较大的工业以及海水淡化结合起来，提高核电厂温排水的余热利用率，从而有效控制热污染。

（一）温水养殖模块

利用电站温排水养鱼，主要是为了减轻或避免电站温排水夹带大量的余热排入环境中，引起热污染，造成对周围生态环境的破坏。20世纪60年代开始，苏联、日本、美国、法国、德国、丹麦、以色列、匈牙利、波兰等很多国家都利用电厂温排水进行鱼类、贝类、虾类等水产品养殖。我国在70年代初，黑龙江省开始尝试温水养鱼，因效果显著，后开始在全国各地陆续推广。适用温水养殖的种类有牡砺、罗非鱼、胡子鲶、淡水白鲳、鲤鱼、鲫鱼、草鱼、淡水鲨鱼、对虾、鳗鲡、鲈鱼等。进行温水养殖时，应该充分考虑水温对水质的影响，严格控制温排水引水量。温排水引水量计算公式：

G=■ （1）

RB=■=6.1×10-4P■ （2）

Q2=CW（es-ea） （3）

由（1）-（3）式可得G：

G=■

式中 Q1——鱼池水面散发热量；Q2——鱼池表面蒸发水汽潜热量；RB——鲍恩比率；C——经验蒸发系数；W——风速；P——风速；Ts——水面温度；Ta——近水面温度；es——Ts的饱和水汽压；ea——Ta的饱和水汽压；c——水的比热；Δt——鱼池水和温排水的温度差。

为准确控制水温等重要水质参数，保障温水养殖顺利进行，在引水量理论计算的基础上，应在养殖水域安装智能水质传感器，在线检测水质的温度变化、溶解氧等重要水质因子，图3是溶解氧随温度变化曲线。如图所示，溶解氧随着水温的升高而减小。

（二）工业及居所供暖和温室大棚供热模块

工业及居所供暖的热量需求大，能充分利用核电厂的余热。因核电厂供热与工业及居所供暖所需温度有差异，直接利用价值不高，一般通过利用热泵技术先提高温排水的温度，从而达到利用所需温度。经过热泵的转换后，除了给小区供暖，可应用的工业领域有：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。热泵工作效率COP大于1，持续不断地吸取温排水的低品位热能，相比于直接用锅炉加热热源，利用温排水为工业及居所供暖具有节约煤炭资源，减少燃煤引起的大气污染等功效。

一般蔬菜的适宜生长温度在18℃～35℃，而单一的日光大棚很难保证蔬菜生长所需温度，并且不稳定。文献[15]表明，温室土壤加热对农作物还具有增产作用。正如图4所示，在土壤下埋设供热管后，土壤温度增加，土壤容重减小，有机质分解加速，速效磷、速效氮等矿物质的可利用含量增加。

利用温排大棚可以生产蒜苗、芹菜、韭菜、菠菜、香菜、黄瓜、辣椒等蔬菜。温室大棚利用温排水来供热有热源稳定、可靠、节能、环保的优越性。文献[16]中的喷水浇灌供热方式，可以快速有效提升温室内的空气温度，但是容易引起植物病变，产生渍害。采用埋地管道可以均匀布热，并且直接作用于土壤层，调节蔬菜等农作物的生长环境。若单一的埋地管道供热量不够，可以借鉴文献[17]地下管道式和吊管式供热协调供热，从而保证大棚温室足够所需热量，此时大棚温室内的总热量为埋地管道的放热量Q1和悬吊管道放热量Q2之和。单位时间内利用管道总的散热量可以供热的面积为S：

S=■=■ （4）

设管道长度Δx的微分段内流体的温降为-Δt，则埋地管道的放热量Q1：

Q1=cρvΔt （5）

其中Δt=t1-t2

■dx=cρv（-dt）

■■=■■endprint

得ln■=■

则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——管道的外径；d——管道的内径； l——散热区管道总长度；αn——散热管内壁的换热系数；αw——散热管外壁的换热系数；λ——散热管道管壁导热系数；ρ——温室内空气密度；cp——温室内空气的定压比热容；t1——设计供水温度；t2——埋地管道回水温度；t3——吊管式管道回水温度；t4——使用区所需温度；ta——使用区内的基础平均温度；h——温室高度；Q——管道在温室内总放热量； Q'——温室内每立方米空间需要提供的热量。

（三）海水淡化模块

核电厂温排水属于低品位热能，一般的反渗透法和蒸馏法利用低品位热能不够经济，效率较低。沿海核电厂一般用海水进行冷却，现将温排水制取淡水，不仅可以充分利用温排水的余热，消除了热污染，而且还能节省海水淡化厂自行抽取海水、过滤海水的前期处理，大幅度降低淡水生产成本，为周边地区提供廉价的生活用水，发挥巨大的社会效益和经济效益。露点蒸发技术是一种新型的海水淡化方法，它的运行原理如图5，能够高效利用低品位热能。

三、小结与展望

温排水余热综合利用的模式是由余热养殖、工业及居所供暖、温室大棚供热和海水淡化等模块组成。温度的控制是每一个利用模块的关键，根据引水量、散热量等计算模型，结合温度对水质、土壤等作用对象的影响变化趋势，严格控制温度，调节温排水流量，以便高效利用温排水的余热，从而避免引起热污染。对于未来，一方面应加速发展新一代的核电机组，从源头上减少温排水的排放量；另一方面，应提高温排水的余热利用率，开发新的余热利用方式，完善余热的综合利用方式，不仅可以有效控制热污染，保护环境，还可以变废为宝，节约能源。

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