1 电厂循环冷却水的巨大余热及其负面热影响

1.1 电厂循环冷却水余热量巨大

电厂循环冷却水排热量巨大缘于热力发电厂生产效率低 下。一般大型火电厂实际热效率仅为 40%, 核电不及 35%, 60% 以上热量排到环境( 主要是冷却水带走) 。对 1000MW 火电汽轮机组而言, 循环冷却水量约 35～45m3 /s、排水温升( 即超过环境水域的温度) 8～13℃( 视季节而变) , 该温升所赋存的热量约 1.2×106～1.9×106kJ/s; 按年运行 5000h 计, 其热量折合标准煤约 70～114 万 t/a。排水温度: 冬季 20～35℃; 夏季 25～45℃( 视电厂所处 地区而异) 。核电机组循环水量是火电机组的 1.2～1.5 倍, 弃热量 会更多。2005 年全国火电装机总量约 3.9 亿 kW[ 1] , 按非供热机 组容量占火电总容量 86%匡算, 相当全年约有 3.4 亿 tce 的能量 白白扔到环境中。

从根本上着手减少乏汽余热, 则应从热机的热力循环优化 着手。为此, 可提高汽轮机新蒸汽的温度和压力, 降低排汽压力。 如建造超临界或超超临界参数的大型机组; 采用二次中间再热 循环等提高电厂热效率, 减少机组冷端热损失。再者, 从电厂的 功能配置来改进热力发电厂效率的办法也是行之有效的。如: 热电联合生产; 热电冷联合生产; 燃气蒸汽联合循环机组生产 等。但是这些措施的实施常常是跨行业、跨部门, 难于单独解决, 更需要在能源管理体制及总体发展规划上得到切实可行的保 障。

此外, 70 年代北方地区一些电厂将部分中、低参数的中、小 型凝汽机组( 25MW 以下) 实行低真空运行, 用排汽加热循环冷 却水作为热网供暖的热水或作为热网一级加热器来利用乏汽 余热。这种办法对现代大型机组则是完全不允许的!

无论如何, 从热机蒸汽动力循环可实现性的根本条件来看,冷端决不可缺失。由于冷端冷却水温度不可能低于当地环境水温, 因此, 循环冷却水的排水温度一定高于环境水温 8～13℃。这一损失热量对电厂热机生产过程不可避免。

1.2 循环冷却水余热对生态环境及电厂自身的负面热影响

一般来说, 人们对电厂环境影响的认识, 多注意其火电厂排烟对大气环境的污染, 即随烟气向大气中排放的大量二氧化硫、 烟尘和氮氧化物等污染物, 对大气环境造成严重污染; 核电厂的 低放射性污水排放对水环境的污染等等问题。因此, 在电厂环境 污染治理中一贯十分注重电厂烟气的除尘、脱硫, 燃煤的洁净处 理, 以及严格控制核素的排污标准, 对循环冷却水所含巨大热量 弃置于环境可能带来的负面热影响, 甚至热污染的危害却容易 视而不见。

火、核电厂循环冷却水对环境的热影响随循环冷却水的冷 却形式而有不同。

对冷却塔而言, 出塔的热流携带大量热量和微小水滴进入 大气环境, 会使当地空气温度、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的温、湿度产生影响。

对水面冷却而言, 温排水使局部水域温度升高。对水质产生 影响: 主要表现在水温、溶解氧等指标的变化; 对水生生物产生 影响: 主要表现在恶化其生存条件; 对水域富营养化程度产生影 响: 主要表现在水温升高可能加剧水中富营养化藻种的生长( 如 太湖、滇池蓝藻危害正是水温升高所至) 、溶解氧下降。此外, 大 量研究表明:热污染不仅伤害水生生物, 而且降低水的密度和粘 度, 并能加速水体中粒状物沉降速率, 进而影响河流中悬浮物沉 降速率及河流携带淤泥的能力, 在一定程度上, 河流水体的增 温, 也或多或少影响两岸的植被, 故应引起高度关注。

温排水对水域生态环境的影响虽然多系潜在的、累积的, 似 乎还不及一般常说的化学物质的水污染危害大。但应看到, 热污 染的危害更多和更主要的是从根本上、整体上改变水体理化特性, 进而严重影响水生态系统的结构和功能。温排水废热对水环境的影响较大时, 可造成严重的热污染。例如, 美国佛罗里达州 的 比 斯 坎 湾 , 一 座 核 电 站 排 放 的 温 排 水 使 附 近 水 域 水 温 增 加 了8℃, 造成 1.5km 海域内水生物消 失 。

除对生态环境的负面影响外, 循环冷却水的温排水对电 厂自身的负面影响也不可轻 视。

近年来火、核电厂建设规模、数量突飞猛进。电厂建 设 周 期缩 短 、容 量 加 大 、密 集 度 增 高 , 同 一 大 水 域 中 共 存 数 座 大 型 电 厂 的现象已不鲜见, 局部水域内蓄热量随之增大, 水域本 底水温可 能升高。对于已投运电厂, 夏季遇到极端气候情况时, 汽机或热效 下 降 、或 排 汽 缸 真 空 降 到 规 定 值 时 , 机 组 不 得 不 减 负 荷 运 行 ; 另 外 , 国 家 对 水 域 水 质 标 准 中 关 于 热 排 污 的 规 定 将 逐 渐 严 格 起 来, 有些电厂为使排水温度不致违反规定, 在直 流循环冷却的基 础上, 不惜再动用冷却塔, 使冷却水先流经冷却塔再排至厂外自 然水域。

近 20 余 a 来 火 电 装 机 容 量 高 速 发 展 , 容 量 如 此 迅 速 地 增 长 , 其 排 放 的 废 热 量 亦 将 随 之 猛 增 , 必 定 对 环 境 产 生 累 积 的 、持 久 的 负 面 影 响 。 伴 随 电 力 的 发 展 , 温 排 水 的 热 影 响 已 越 来 越 成 为不可忽视的环境问题。

2 火、核电厂循环冷却水余热利用

2.1 电厂循环冷却水余热利用的途径

从源头上减量排放废热, 是减轻温排水负面热影响的根 本 性措施。电厂循环冷却水余 热利用的宗旨之一便是使热力发电 厂废热减量排放。

1999 年 中 国 水 利 水 电 科 学 院 与 国 家 电 力 公 司 环 保 办 公 室 一 起 完 成 了 “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” 。 研 究 指 出 : 限 于 电 厂 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, 国内开展其 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 , 其 利 用 量 极 少 , 且 效 率 十 分 低 下 。 因 此 , 建 议 组 织 人 力 , 并 有 一 定 的 投 入 , 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。

城 市 污 水 资 源 化 战 略 中 的 废 热 能 回 收 利 用[ 4] 为 电 厂 循 环 冷 却水余热利用的必要性和 迫切性提供了理论和技术支持。城市 污水热能回收利用的途径正是以热泵回收低品位能源为其理论 基础。

热泵技术的日趋成熟和快速发展, 无疑为推广余热热能回收利用提供了可靠的技术保证。因此, 电厂循环冷 却水余热利用同样应该重点放在热泵、热管这一高效率回收利 用途径上, 并适当兼顾其他综合利用的形式。

电 厂 循 环 冷 却 水 作 为 水 源 热 泵 的 低 温 热 源 应 当 比 城 市 污 水 、河水、海水以及地下水更为优越。由于电厂循环冷却水有相 对清洁的水质, 相对稳定的流量和较高的温度, 热泵采热设备便 可 相 对 简 单 , 且 能 效 系 数 ( COP) 可 保 持 较 高 水 平 。 电 厂 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, 不仅可用于采暖 、生活热 水 、轻 工 业 生 产 ( 如 : 干 燥 、食 品 加 工 、纺 织 业 ⋯ ⋯ ) , 更 可 返 回

电厂回热系统, 加热给水, 提高电厂热效率。因此, 无论从降低冷却水排放的环境热影响, 保证电厂安全经济运行; 或是从可作为 城市低温热能资源、电厂节能提效等方面, 都应该切实关注循环 冷 却 水 热 能 回 收 利 用 研 究 事 业 , 使 电 厂 循 环 水 余 热 高 效 利 用 实 用化、规范化、规模化。