核電廠溫排水余熱綜合利用方案設計的初步研究

劉永葉，劉森林，陳曉秋

(1環境保護部核與輻射安全中心，北京 100082;2.中國原子能科學研究院，北京 102413)

核電廠溫排水余熱綜合利用方案設計的初步研究

劉永葉1，劉森林2，陳曉秋1

(1環境保護部核與輻射安全中心，北京 100082;2.中國原子能科學研究院，北京 102413)

核電廠溫排水(循環冷卻水)余熱的充分利用，可以使原本要排放到大氣或水域中的熱量大大減少，甚至能實現電廠余熱的“零排放”，在節約能源、產生巨大經濟效益的同時，也達到了保護電廠溫排水受納水體免遭熱污染的目的。在國內外溫排水余熱利用途徑調研的基礎上，運用生態工程理論和生態設計的理念，進行溫排水余熱綜合利用方案設計的初步研究。

核電廠;溫排水;余熱綜合利用;生態設計

0 引言

隨著科技和工農業生產的迅速發展，熱污染問題已成為一個日益嚴重的環境問題。熱污染的主要來源是電力工業冷卻水，尤其是采用直流冷卻方式的核電廠［1］。現代大型核電廠的熱排放問題，就經常性的環境影響而言，遠較放射性排放嚴重［2］。一臺1000MWe的核電機組(輕水堆)有2000MWt的熱量散失到環境中。如果采用直流冷卻方式，絕大部分的熱能由循環冷卻水攜帶而進入自然水體。

這些采用直流冷卻方式的電廠排出的大量廢熱，使自然水體水溫迅速升高。而水溫作為重要的水質和水域生態環境要素，幾乎影響水的各種物理、化學和生物化學性質，從而間接影響到各類水生物的生長和繁殖活動［1］。同時，如果熱廢水的升溫作用使受納水體的水溫超過生物的適宜溫度，也將直接導致生物的生長受到抑制甚至死亡，對生態環境造成嚴重影響［3－7］。

采用冷卻塔或其它閉式循環冷卻方式代替直流冷卻方式，將循環冷卻水的部分熱量排入大氣，可以有效減輕或避免對自然水體的熱污染。但冷卻塔體型龐大(如為1000MWe核電機組需建造高150m，底部直徑120m的自然通風冷卻塔)，提高了電廠造價和發電成本(估計增加發電成本5%～7%)［2］，于經濟性不利;又冷卻塔蒸發散熱加以風吹影響，使大量熱量和水滴進入大氣環境，會使空氣局部溫度、濕度升高。電廠長期運行，失散的熱量和水滴會對局部小氣候產生影響，甚至會帶來其他的環境問題(如鹽沉積、蔭屏效應及噪聲等)。因此，這并不是解決核電站熱污染問題的最佳途徑，要在合理利用熱源的基礎上，考慮改進冷卻方式［8－11］。借鑒各國余熱利用的經驗，找出適合我國國情的余熱綜合利用途徑，是目前解決電廠循環冷卻水余熱這個電力建設及環境保護中的棘手問題的根本方法。

1 溫排水余熱綜合利用方案設計總體思路

將溫排水余熱利用的方案設計工作主要分為兩大部分:一是確定溫排水余熱的優選利用途徑;二是圍繞優選利用途徑，結合生態設計理念，完成余熱綜合利用方案的設計。

其中，關于確定溫排水余熱的優選利用途徑的研究，主要是通過較為廣泛的初步調研確定余熱的潛在利用途徑，然后通過對這些潛在利用途徑的分析，篩選出候選利用途徑。再結合具體的核電廠址特性，通過對候選利用途徑的比較和排列優劣次序，選出最終的優選利用途徑。

溫排水余熱優選利用途徑確定過程見圖1。后面的生態設計將針對最終選定的“優選利用途徑”展開。

圖1 溫排水余熱優選利用途徑確定過程示意

2 溫排水余熱潛在利用途徑及可行性分析

2.1 溫排水余熱的潛在利用途徑分析

據調研，電站溫排水余熱的潛在利用途徑主要包括以下幾個方面［12－20］:

(1)農業利用。農業利用項目包括室外土壤增溫、灌溉、溫室加熱和制冷、農作物干燥、家畜糞便處理以及家畜庇護場所的環境溫度調節等;

(2)水產養殖業利用。水產養殖包括各種海產品及淡水生物的養殖;

(3)工業及居所供暖等余熱利用工程。通過利用熱泵技術，可以提高循環冷卻水的熱品位，提升其利用價值［18］。需要77～110℃之間熱能的工業過程主要有:工業空間供熱;食品加工、洗滌、去皮、消毒和清潔等行業;金屬去污和處理;石油化學工業和食品工業的蒸餾作用;谷物、木材及各類海產品或水產品干燥等［19］。

通過調研及多方面了解相關信息，列出各種可能的利用途徑，并根據這些利用途徑的特點進行分析和篩選，擬考慮的因素主要是:利用途徑/工藝過程需要的溫度、利用途徑/工藝過程的余熱利用量、利用的時段/周期、對水質的要求(pH、DO、BOD5、COD、電導率、NH3－N、其他)、對土地資源的要求(占地面積、土壤質量、與熱源的鄰近程度)、關于投資(投資額度、產品的市場敏感性)、技術要求(技術是否成熟)、與當地產業規劃、產業政策的一致性、是否造成嚴重的二次污染、余熱利用量占工藝過程總能耗的比例。

電站余熱利用的經濟性主要取決于余熱的利用率，一般來說，余熱利用率與經濟效益成正比。如果熱用戶對低溫余熱的利用量占其工藝過程總能耗的比例甚微，則不如將這部分余熱盡量在廠內回收利用，其經濟性與輸出廢熱的經濟性相當，對大型工業用戶(如石油精煉、化工產業等)尤其如此［18］。

2.2 溫排水余熱利用途徑的可行性分析

國內、外(火電廠或核電廠)溫排水余熱利用的實踐表明，在電廠附近建溫室、大棚等的農業利用方式以及水產品/海產品養殖利用方式確實有良好的經濟效益［13－14，16］。利用溫排水這種免費余熱替代通過燃燒昂貴的不可再生的化石燃料獲取熱量，其經濟上的可行性是毋庸置疑的。因此，本節主要從各種潛在的余熱利用途徑的實施對核電廠溫排水熱污染控制的可行性角度進行分析。

溫排水余熱的利用量越多，對核電廠溫排水的熱污染控制就越有利，這一點是顯而易見的。因此，需要關注各種利用途徑的余熱利用量。如果能夠在核電站附近建一個規模較大的溫室或者水產養殖場，即將這些余熱利用設施看作核電廠溫排水的冷卻設施，來代替建冷卻塔或其他的閉式循環冷卻方式，充分利用全部或大部分的溫排水余熱量，則不存在溫排水對受納水體的生態影響問題，產生巨大環境效益的同時，也會相應地產生巨大的經濟效益。

然而，有研究指出，若使核電站排出的全部大量廢熱得到稀釋擴散，將需要一個極大的溫室［18］。例如，位于亞拉巴馬州的Browns Ferry核電站，在滿功率運行時，溫排水的流量為113.4m3/s，據TVA(密西西比河流域管理委員會)利用Browns Ferry的水溫進行的模擬試點研究，如此大量的廢熱，可以滿足冬季1.2km2的溫室供熱需求。在夏季，將需要建3600ha的溫室用來消散這部分熱量。這個面積幾乎等同于全美國的溫室面積(1978)［18］。

而實踐中，溫室的面積一般僅為幾至幾十公頃。因此，仍有相當大量的熱量沒有得到利用。總體的能量利用效率并不高。以Browns Ferry核電站建一座0.4km2的溫室計算，也僅利用了3.3%的溫排水余熱，加上轉換為電能的那部分有效利用的能量，系統總能量利用效率為35.5%。因此，采用單一的余熱溫室農業利用方式，總體的能量利用效率并不高，對水產養殖業也是如此。

綜上所述，盡管水產養殖和農業利用確實有明顯的經濟效益，但其余熱利用量較小，僅占電廠溫排水總余熱量的極小一部分。而區域供暖和工業利用等的熱量需求大，能夠利用電廠大部分的余熱。所以從熱污染控制的角度來看，溫排水余熱的工業利用及區域供暖等環境效益和經濟效益更好。因此，在進行余熱綜合利用方案設計時，應優先考慮這一類利用途徑。以便于在獲得經濟效益的同時，達到熱污染防治的目的，從而獲取更大的環境效益。

3 溫排水余熱綜合利用方案的生態設計

生態設計是將經濟、社會、環境融合到一起的過程，生態設計并不是要完全地改變每個行業所特有的設計模式、設計方法、設計經驗，而是要結合各個行業自身特點注入生態的理念和思想。盡管長期以來很多人一直希望能夠建立適合于各個領域、各個專業的生態設計框架，但由于生態設計涉及各個領域，各個行業，不可能存在全面適用的技術框架［21］。因此，核電站溫排水余熱利用的生態設計過程是結合具體廠址區域的經濟、社會和環境特征，以及核電站溫排水的物理化學性質，在現有利用實踐的基礎上進行設計，并根據技術可達性，進行不斷修改和完善的過程。

美國學者Bread(1973)提出了綜合利用大型發電廠溫排水余熱的方法［1］。它是根據生態工程原理設計的溫排水余熱綜合利用的方案，它打破了以往“單一利用為主”的余熱利用方式，使整個系統在利用過程中做到了盡量不增加或少增加環境負擔，使系統中的廢物資源化，同時避免引入生產環節產生二次污染，在各環節間建立了良好的共生關系，是一種值得我們借鑒的利用模式。不過，這種偏生態農業類型的余熱利用工程，盡管都有一定的經濟效益，但從熱污染控制的角度來看，其效用并不高，仍然需要排放大量溫排水的核電廠配套建設冷卻塔或采取其他閉式冷卻方式。因此，應該優先考慮余熱利用量較大的工業途徑作為“優選利用途徑”。必要時，利用熱泵技術提升余熱品位，拓展應用領域，提升其使用價值。

目前，我國在生態設計理念指導下的各類生態工業園的規劃、設計和建設工作正方興未艾。為了指導國家生態工業示范園區建設規劃編制工作，國家環境保護總局發布了《生態工業園區建設規劃編制指南》［22］(以下簡稱《指南》)。該《指南》根據園區的產業和行業結構特點，將生態工業園區分為行業類生態工業園區、綜合類生態工業園區和靜脈產業類生態工業園區三種類型［22－25］。

核電廠溫排水余熱利用生態設計的最終成果形式就是建立一個以核電廠及其最終選定的“優選利用途徑”為核心，以利用溫排水余熱、保護環境為目的，運用先進的技術，通過物質和能量的集成，在更多同類的熱用戶和相關熱用戶間建立共生關系，在有限的空間內實現溫排水余熱的最大利用率，同時實現各個熱用戶產生的二次廢物的再利用和資源化的生態(工業)園。按《指南》中對各類生態工業園的定義，它應該是一種以利用溫排水余熱為主要目的的靜脈產業類生態(工業)園，同時也是以核電廠及“優選利用途徑”為核心的行業類生態(工業)園。因此，可借鑒《行業類生態工業園區標準》(試行)［23］和《靜脈產業類生態工業園區標準》(試行)［24］中對相應類型生態工業園區的建設、管理和驗收的指標體系，建立溫排水余熱綜合利用方案的評價指標體系。

4 溫排水余熱綜合利用方案的評價指標

溫排水余熱的利用量越多，對核電廠溫排水的熱污染控制就越有利，同時也意味著更大的經濟效益、生態環境效益和社會效益。因此，核電廠余熱綜合利用方案評價的主要依據是溫排水余熱的總利用率以及相應類型生態工業園區的建設、管理和驗收的指標體系見表1。表中單位產值的廢水產量數據參考《靜脈產業類生態工業園區標準》(試行)中對該指標的取值［24］。

表1 溫排水余熱利用方案的評價指標

5 結語

(1)溫排水余熱綜合利用方案設計的總體思路是:先確定溫排水余熱的優選利用途徑;然后以優選利用途徑為核心，結合生態設計理念，完成余熱綜合利用方案的設計。

(2)對溫排水余熱的潛在利用途徑調研及其可行性分析表明，從熱污染控制的角度來看，溫排水余熱的工業利用及區域供暖等環境效益和經濟效益更好。因此，在進行余熱綜合利用方案設計時，應優先考慮這一類利用途徑。

(3)根據本文對核電廠余熱綜合利用方案設計成果形式和設計目標的定位，建立了溫排水余熱綜合利用方案的評價指標。其中，溫排水余熱的總利用率是評價余熱綜合利用方案優劣的最重要指標，對該指標值的要求是能達到控制熱污染目的的利用率水平(對每個具體廠址的利用率底線值不同)。上述的溫排水余熱綜合利用方案設計過程及其評價指標，同樣適用于火電廠及其他行業。

［1］金嵐，李平衡，劉偉，等.水域熱影響概論［M］.北京:高等教育出版社，1993.

［2］連培生.原子能工業［M］.北京:原子能出版社，2002.

［3］賀益英.對大水域電廠群溫排水環境熱影響研究的認識［J］.水利水電科技進展，2008，2(4):27－29，94.

［4］殷名稱.魚類生態學［M］.北京:中國農業出版社，1993.

［5］沈國英.海洋生態學［M］.北京:科學出版社，2002.

［6］劉安生.火電廠循環水的熱排放與水環境［J］.電力環境保護，1992，8(2):30－32.

［7］盛連喜，孫剛.電廠熱排水對水生生態系統的影響［J］.農業環境保護，2000，19(6):330－33.

［8］Beall S E，Waste heat uses cut thermal pollution［J］.Mechanical Engineering，1971，(7):15－19.

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

［10］賀益英，趙懿珺.電廠循環冷卻水余熱高效利用的關鍵問題［J］.能源與環境，2007，(6):27－29.

［11］陳曉秋，商照榮.核電廠環境影響審查中的溫排水問題［J］.核安全，2007，(2):46－50.

［12］Mitchell Olszewski(ORNL).Use of waste heat from nuclear power plants［C］.DOE Environmental Control Symposium，Washington: 1978.

［13］Garrett R E.Uses of warmed water in agriculture［R］.Davis:University of California Department of Agricultural Engineering，1978.

［14］馬世駿.中國生態學戰略研究［M］.北京:中國經濟出版社，1991.

［15］馬世駿.生態工程——生態系統大批量的應用［J］.生態學雜志，1983，(4):20－22.

［16］Meekhof R L，Connor L J.Economics of Waste Heat Utilization from Power Plants in Agriculture and Aquaculture［C］.ASAE，St Joseph: 1975.

［17］Shapiro H N，Roller W L.Feasibility of Soil Warming with Power Plant Waste Heat［C］.ASAE，St Joseph:1975.

［18］Goss L B，Lilabeth S.TVA/EPRI Workshop on Factors Affecting Power Plant Waste Heat Utilization［M］.Atlanta:1978.

［19］汪敏，顏京松，吳瓊，等.生態工程研究進展［J］.中國人口、資源與環境，2004，14(5):120－124.

［20］Subrata Sengupta，Samuel S Lee.Waste Heat Utilization and Management［M］.Washington:Hemisphere Publishing Corporation，1981.

［21］汪毅.生態設計理論與實踐［D］.上海:同濟大學，2006.

［22］HJ/T 409－2007，生態工業園區建設規劃編制指南［S］.

［23］HJ/T 273－2006，行業類生態工業園區標準(試行)［S］.

［24］HJ/T 275－2006，靜脈產業類生態工業園區標準(試行)［S］.

［25］HJ/T 274－2006綜合類生態工業園區標準(試行)［S］.

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

劉永葉(1984-)，女，河南信陽人，工程師，博士，主要從事核動力廠輻射防護與環境保護相關的科研工作。E－mail:liuyongye1957827@sina.com