電廠溫排水余熱利用分析

邊世凱

（衡豐發電有限責任公司，河北衡水 053000）

1 電廠余熱利用簡述

隨著經濟的不斷發展，電力需求逐漸增加，火（核）電機組容量也越建越大，電廠的冷卻水量也隨之增多，對于開式循環冷卻水，受納水體影響受到的熱污染也越來越明顯。在火電廠中約有40%的熱能轉變為電能，60%以上的熱能主要通過鍋爐煙囪和汽輪機凝汽器的循環冷卻水釋散到環境中，其中循環冷卻水攜帶走的廢熱量占絕大部分。而核電站僅有33%熱能轉化為電能，其余的均變為廢熱。對1 000 MW機組，循環冷卻水量約35～45 m3/s，接近于目前排入日本東京市區10個污水處理廠的污水總量5×10 m3/d［1］，溫升8～10℃，溫升所對應的熱量約1.5×106～1.9×106kJ/s，約合標準煤150萬t/a。若采用表面直流冷卻方式，將有大量廢熱通過冷卻水排入附近水域，造成生態環境的破壞［2］。因此，如何能夠有效地利用這些廢熱，變廢為寶，減少溫排水對周圍生態環境的危害具有重大的現實意義。

隨著人民生活水平的提高，城市生活及輕工業生產中對中、低溫熱能的消費越來越多，如許多工業生產過程都需要70～110℃范圍的熱能，目前這些熱能大都是通過電力或石油、天然氣和煤炭等燃料的燃燒來獲得。這是降低“燃料”非再生能源的高品位能為低品位能的使用，屬不合理的能源分配。而熱泵技術即是將低品位的電廠余熱提高品位向工業供熱，可節約大量的燃料。利用余熱養殖，大力引進喜溫水生動植物，可促進漁業發展。

2 熱泵技術

2.1 研究現狀

世界上第一臺熱泵機組生產于20世紀30年代的歐洲，它以河水作為低溫熱源，向市政廳冬季供熱，夏季供冷，輸出的熱水溫度可達60℃，達到了一機兩用的效果［3］。20世紀70年代初是熱泵技術發展史上的一個轉折點。石油危機導致能源價格大幅度上漲，為降低單位產值能耗，人們開始注意到熱泵技術可以節約大量能源這一事實，于是各國競相研制、開發，使熱泵技術得到迅猛發展。我國的熱泵工業相對于發達國家明顯滯后，從20世紀80年代起，改革開放政策所帶來的經濟飛速發展，大大促進了熱泵工業的發展。1999年“火電廠余熱綜合利用研究評價——全國火電廠余熱利用情況調查報告”指出:限于電廠循環冷卻水排水余熱溫度在50℃以下，屬于低品位熱能，直接利用范圍狹窄。目前國內開展余熱利用的電廠很少，僅占火電廠總數的16%。其中87%的電廠主要利用方式是水產品養殖，利用量小、效率低。因此應集中重點方向開展高效率余熱利用技術的研究、實驗和試點工作。即在電廠循環水余熱利用中有效采用熱泵、熱管等技術含量高并已相當成熟的技術，組織攻關，建立示范工程，推廣技術。

2.2 原理及特點

靠補償或消耗機械功，迫使熱量從低溫物體流向高溫物體的機械裝置，稱為“熱泵”。對低位熱源供熱，從而有效地把難以直接應用的低品位熱能利用起來，達到節能的目的。所以熱泵是一種充分利用低品位能的高效節能裝置。

如果不考慮熱泵運行時的各種能量損失，理論上有;

即熱泵輸出的高溫位熱量QH等于輸入能量W與由低溫熱能獲得的熱量QL之和，顯然QL即為“變廢為寶”的部分，也就是熱泵裝置回收的廢熱。在熱泵理論中通常以比值QH/W表示熱泵節能效果，并稱其為熱泵供熱系數。影響供熱系數值的相關因素較多，如熱泵形式、熱原溫度及用熱溫度等，但對于最常用的壓縮式熱泵來說，一般該值可達3.5以上。

不同類型的熱泵工作機理有所不同，而壓縮式熱泵和吸收式熱泵是目前比較常用的類型。

a．壓縮式熱泵

壓縮式熱泵的熱平衡模型如圖1所示。該系統可將低溫位余熱提高50～60℃。用于回收高溫位余熱和工藝過程余熱，并可將其溫度提高到150℃左右，甚至更高。

圖1 壓縮式熱泵熱平衡模型

式（1）為壓縮式熱泵工作熱平衡式。其經濟性指標用制熱系數Ψ來表示:

有效制熱系數為

式中:η為熱泵有效系數，與熱泵溫差等有關，通常為0.4～0.75（計算時取η=0.6）。

b．吸收式熱泵

吸收式熱泵的熱平衡模型如圖2所示。

圖2 吸收式熱泵的熱平衡模型

吸收式熱泵以高溫位熱量QH為推動功，同時也消耗少量電能。吸收式熱泵的制熱系數為

吸收式熱泵的熱量平衡式為

吸收式和壓縮式熱泵制熱系數關系為

由式（6）可見，壓縮式熱泵的制熱系數要高于吸收式熱泵的制熱系數，目前應用較多的是蒸汽壓縮式熱泵。

蒸汽壓縮式熱泵是低溫蒸汽通過壓縮機吸收外功后，提高高溫熱源溫位。低沸點工質流經蒸發器時蒸發成蒸汽，此時從低溫位處吸收熱量，來自蒸發器的低溫低壓蒸汽，經過壓縮機壓縮后升溫升壓，達到所需溫度和壓力的蒸汽流入冷凝器，在冷凝器中，將從蒸發器中吸取的熱量和壓縮機耗功所提升出來的那部分熱量排出。放出的熱量就傳遞給高溫熱能，使其溫位提高。蒸汽冷凝降溫后變成液相，流經節流閥膨脹后，壓力繼續下降，低壓液相工質流入蒸發器，由于沸點低，因而很容易從周圍環境吸收熱量而再次蒸發，又形成低溫低壓蒸汽，依次不斷地進行循環，其工作原理如圖3所示。

圖3 蒸汽壓縮式熱泵原理圖

凝汽器的循環冷卻水散失到環境中的熱量即冷端損失，這部分冷卻水溫度只有35℃左右，品位低，直接利用范圍狹窄，直接作為冷熱源的驅動能源溫度太低，綜合考慮余熱回收利用與空調冷熱源利用要求，利用熱泵空調系統最為適宜。

水耗源熱泵空調系統利用了熱泵原理，它在制熱時以水為熱源，而在制冷時以水為排熱源。熱泵空調冬季利用電廠循環水供暖，而夏季制冷。水源熱泵系統對水源系統的要求是:水源充足，水溫適宜，水質適宜，供水穩定。即水源的水量應充足，能滿足用戶制熱負荷或制冷負荷要求;水源的水溫適度，適合機組運行工況要求，根據美國制冷學會ARI320標準，水源熱泵系統對水溫的要求是5～38℃，在水溫10～22℃運行時能效比較高［4］。

3 余熱養殖

根據電站的生產特點利用其余熱資源。日本利用核電站的溫排水進行工業化養殖，使養殖業迅速發展，他們將核電站的冷卻水引入丹生灣，使那里的漁產量得到明顯增加［5］。冷卻水的急速流動帶來了豐富的溶解氧和懸浮營養鹽，使某些魚種類得以很好的生長，甚至成為優勢種。英國曾用蝶魚做過試驗，18個月即可達到市場出售標準，而在正常海水中飼養蝶魚要4～5年才能達到同一個標準。Chiba等在80年代中期，利用核電站溫排水進行海洋動物養殖，將溫排水抽入黑綢、對蝦、蟹及鮑魚等的養殖網箱中，加速其生長成熟，并使其繁殖季節提早。中國山東省利用電廠余熱水養殖羅非魚，4個月內增產3倍，經濟效益十分可觀。

3.1 熱帶魚養殖

近十幾年來，我國相繼從國外引進了多品種熱帶魚，大都具有生長速度快、食性廣、疾病少、群體產量高等特點。但有一個致命的弱點即不耐低溫。絕大部分屬于狹溫性品種，嚴重制約了在北方的推廣養殖［6］。而電廠溫排水周圍水域卻能夠克服這樣的缺點，有利于熱帶魚類的繁殖生長。特別是北方電廠，今年來先后從國外引進了羅飛魚、胡子鯰、淡水白鯧等十幾個品種。利用金屬網箱，投入到電廠排水附近水溫適宜且穩定的水域來養殖，對于不同種類的熱帶魚，所需最適宜生長溫度也不同，合理的安排每種熱帶魚的溫度區域，從而得到良好的經濟效益。

3.2 孵化魚苗

利用電廠余熱放養鯉魚、鯽魚、草魚等，溫度常年保持在20℃左右，能夠在較短時間內達到商品魚規格。特別是寒冷地區，引入電廠溫排水，保持溫度穩定，科學喂養，可使鯉魚、草魚等提早幾十天成熟，并且孵化出來的魚種個體要大于沒引進溫排水的魚種。我國東北地區（如哈爾濱、齊齊哈爾等城市）在70年代就開始用溫排水培育草魚，對促進寒冷地區養魚業起到重要作用。

3.3 淡水鯊魚養殖

淡水鯊魚是我國1998年引進的，因肉味鮮美可口、無肌間刺且氨基酸含量豐富，市場穩定，成為我國優良淡水養殖品種。利用電廠余熱水進行淡水鯊魚的養殖是一項低成本、高產出、經濟效益好的項目，前景十分廣闊。

淡水鯊魚養殖需要一定的設備條件和水質條件。利用電廠周圍空閑地建造流水池，實施工廠化或半工廠化淡水鯊魚的養殖，從排水口附近引入到電廠周圍的空閑養殖流水池，溫排水從池子的上部流入或散狀噴入，從底部加濾網的排污渠道排出，配套設施要求配備有調溫池和電子控溫設備。淡水鯊魚的適合溫度范圍為20～33℃，最低溫度不低于18℃。通常情況下水質指標要求:溶解氧≥14 mg/L，pH值6.5～8，透明度≥30 cm［7］。日常管理時注意水溫、水質控制，定期投餌和排污，科學養殖。

4 結論

電廠循環冷卻水因有清潔的水質，穩定的流量和溫度，尤其有可驅動熱泵的中溫、中壓熱耗。經熱泵提升溫度后的循環冷卻水的熱量，可用于空調、生活熱水、輕工業生產，也可返回電廠回熱系統加熱給水，提高電廠熱效率。不僅能夠使電廠循環冷卻水所蘊含的巨大熱量得以再利用;還能降低取水溫升，保證電廠安全經濟運行。同時改進和完善電廠余熱養殖技術，實現環境保護和經濟效益的雙豐收。

［1］尹軍．城市污水的資源再生及熱能回收利用［M］．北京:化學工業出版社，2003．

［2］賀益英．關于火、核電廠循環冷卻水的余熱利用問題［J］．中國水利水電科學研究院學報，2004，2（4）:315－320．

［3］高大中．淺析熱泵［J］．山西建筑，2001，27（4）:136－137．

［4］鄭體寬．熱力發電廠［M］．北京:中國電力出版社，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．利用發電廠余熱養殖熱帶魚技術［J］．淡水漁業，2000，30（12）:12－13．

［7］劉偉成，李明云，王莉．利用電廠余熱養殖淡水鯊魚技術及疾病預防［J］．黑龍江水產，2005，4（6）:11－13．