基于生态工程理论的典型南方电厂温排水余热综合利用研究

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)

基于生态工程理论的典型南方电厂温排水余热综合利用研究

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)

基于国内温排水余热利用形式单一、总体利用效率不高的现状，对中国南方某电厂温排水(循环冷却水)余热的综合利用进行了初步研究。结合生态工程理论及生态设计的理念，根据中国南方某典型电厂的厂址环境特征及其所在区域的环境条件、环境规划和工业企业现状及发展规划，初步选定相应的“优选利用途径”为“海水淡化(低温多效蒸馏法)”，并以“海产品干燥及其他农副产品干燥和加工”为第二位的“优选利用途径”。在此基础上，完成了该典型南方电厂余热综合利用方案的生态设计及方案评价，并对南、北方电厂温排水余热综合利用方案进行了对比分析。

生态工程;南方电厂;温排水;余热综合利用;生态设计

0 引言

电力工业冷却水(温排水)是目前水体热污染的主要来源。基于国内温排水余热利用形式单一、总体利用效率不高［1］的现状，刘永叶等［2－3］开展了基于生态工程理论的温排水余热综合利用研究方案设计研究。电厂循环冷却水(温排水)余热的综合利用，可以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［4］。由于近年来我国热泵技术的快速发展和取得的巨大进步，使得国内电厂温排水余热的多种潜在利用途径的实现成为可能。下面以中国某典型南方电厂(以下称SPP)为例，结合该南方电厂的厂址环境特征及其所在区域的环境条件、环境规划和工业企业现状及发展规划，进行温排水余热综合利用的方案设计及初步评价研究。

1 典型南方电厂温排水余热综合利用方案的生态设计

1.1 与余热利用方案设计相关的厂址概况

SPP是一座滨海核电站，地处沿海丘陵地区，厂址东面临海，其余三面环山。厂址半径5km范围内，均为山地丘陵和海滨滩涂，没有其他工业企业分布。厂址半径15km范围内，除了有一座火力发电厂外，无其他大型的工矿企业。有规模相对较大的中小型企业共14个，其中小型水电厂3个，其余企业主要从事五金、塑胶原料、环保建材、钟表、玩具制造和食品加工等生产活动，这些企业主要分布在厂址NW方位约11km附近。距SPP厂址WNW方位约11km处有一工业园，目前该工业园已引进纸品厂、五金厂和松宝木钟厂等企业。厂址附近海域共有水产养殖区9个，面积3640.3hm2，增殖区3个，面积1424.8hm2。这些养殖区均分布在厂址东侧，距离在6km以上。

SPP一、二期工程(1～4号机组)同时运行时的设计取排水流量为400m3/s，电厂循环冷却水排放口的设计温升为7.5℃。电厂循环冷却水的温度变化范围为16.8～42.5℃，年平均值为31.2℃。

1.2 余热综合利用的初步方案

根据SPP的厂址环境特征及其所在区域的环境条件、环境规划和工业企业现状及发展规划，初步选定“海水淡化(低温多效蒸馏法)”工艺过程为余热综合利用的首要“优选利用途径”，以“海产品干燥及其他农副产品干燥和加工”为第二位的“优选利用途径”，结合生态设计的理念，在此基础上设计完成的余热综合利用初步方案见图1。

图1 所示方案具体为:

冷却水或冷却水余热(1):根据海水淡化工艺对取水水质的具体要求及其与温排水排放口的相对位置，可以选择将温排水直接引入海水淡化系统或仅利用其中赋存的热量。

海水淡化(低温多效蒸馏法)(2):从原理上来说，海水淡化工艺有:利用热能的蒸馏法海水淡化，如多级闪蒸、多效蒸馏等;利用电能进行的海水淡化，如反渗透和电解析法等。其中，低温多效蒸馏技术的盐水最高沸腾蒸发温度不超过70℃，可以大大减缓设备的腐蚀;且由于盐水蒸发温度低，可以使用廉价传热材料，投资规模效益更好［5］。

浓盐水(3):将海水淡化过程的副产物——浓盐水用于制盐，不仅可以避免浓盐水排放对周围海洋生物的不利影响，而且由于进入盐田的海水含盐浓度高，可以实现工业化制盐，使制盐成本得以大幅度降低。

化工产品生产(4):此处的“化工产品生产”主要指利用制盐母液或浓盐水生产溴素、氯化钾、氯化镁、硫酸镁等产品。对海水淡化后的副产品加以充分利用，是摊薄海水淡化成本的有效途径［6］。

热泵技术(5):当温排水需要提升热品位才能满足各种利用途径对水温的需求时，可利用热泵技术，通过消耗1份的驱动能(电能)，最终获取3～5倍于驱动能的热量输出。

工作区及生活区的生活热水(6):该厂址位于我国南方地区，基本上没有室内供暖需求。但可结合热泵技术，利用冷却水余热制取生活热水，以用于该厂址工作区及生活区用水。

冬季海产品养殖(7):海产品养殖是目前温排水余热利用实践中的主流利用方式之一，国内外都有大量相关利用的报道。

热泵干燥技术(8):热泵干燥是利用热泵从低温热源中吸收热量，将其在较高温度下释放从而对物料进行干燥的方法。相较于传统干燥方法(如日光干燥、热风干燥、冷冻升华干燥等)，热泵干燥具有诸多优点，可应用于木材干燥、食品干燥、农副产品加工等领域，一些药材、陶瓷坯料及一些化工、轻工产品也可以采用低温的热泵干燥法进行干燥［7］。

图1中(9)～(12)为海产品干燥及其加工、其他农副产品及外来干燥及加工、食品加工等、冬季土壤增温等。

有机废水处理系统(13):有机废水处理系统主要处理来自于海产品养殖，海产品、农副产品加工及食品加工过程的有机废水。该系统产生的有机污泥可作为肥料直接施用于热带果蔬等的种植区，也可经处理后制成有机肥再施用或出售。

2 余热综合利用方案评价

鉴于本余热综合利用方案仅是结合典型南方电厂厂址环境特征并基于生态工程理论的初步尝试，其中涉及的各余热利用途径的具体设备选型、生产工艺的特征参数等尚无法确定，目前还无法按照参考文献［3］中建立的“温排水余热利用方案的评价指标”进行评价。下面将从热污染控制的角度，推算该厂址温排水混合区范围可接受［8］时的冷却水中赋存热量的最低削减量，据此估算当以低温多效蒸馏法海水淡化(LT－MED)作为唯一的余热利用途径时，其必须的利用规模(日产淡水量)。进而估算余热综合利用系统的生态效益及其节能减排量。

(1)海水淡化(LT－MED)规模的估算

根据文献［8］中的秋季聚类结果，计算出的与混合区同类区域的面积为53.29km2，若以30%的生态功能减弱程度为可接受的上限值，在混合区边缘温升为3℃的约束条件下，则3℃温升的最大允许包络面积Smax=53.29×30%≈16.0km2。

通过针对该厂址的温排水数值模拟试算，得到夏季中潮(不利潮型)情景下，3℃温升的最大包络面积为16.0km2时对应的SPP的温排水流量约为230m3/s。即循环冷却水在不利潮型下的最大允许入海量为230m3/s，相应地温排水余热总利用率应大于42.5%。

当使用电厂循环冷却水作为热泵热源时，热泵效率较高。循环冷却水温度为20～35℃时，热泵能效比一般为4.9～5.5，此处取值为5。SPP厂址海域年平均表层水温23.7℃，取排水温升为7.5℃，设海水淡化(LT－MED)工艺的操作温度为70℃，据文献［9］，LT－MED蒸馏法的造水比(蒸发装置淡水总产量与盐水加热器所消耗的蒸汽量之比)取8.5;据文献［3］拟合的LT－MED法30～80℃水的汽化潜热公式，70℃时的汽化潜热为2332.42kJ/kg。

不考虑热传输及其他损失，令170m3/s流量的温排水中赋存的热量全部得到利用时的海水淡化规模为210万m3/d。

据报道，目前世界上最大的海水淡化装置的日淡水产量为103万m3［11］。因此，将海水淡化(LTMED)作为唯一的余热利用途径是不太现实的，需要开辟更多的有效途径对温排水中赋存的巨量余热加以利用。

(2)余热综合利用系统的生态效益估算

余热的综合利用可以避免和减少温排水对厂址海域生态系统的扰动和破坏，因此，电厂厂址海域生态系统的环境价值即为余热综合利用系统获取的生态效益。而厂址海域生态系统的环境价值一般难以直接量化，拟采用影子工程法估算其价值。即以采取建海水冷却塔这一工程措施的代价来衡量其环境价值。

SPP电厂明渠+隧洞直流方案和海水冷却塔二次循环方案经济比较详见表1。

从表1可知，在SPP的60年使用寿期内，作为二期工程建海水冷却塔的替代措施，余热综合利用系统的生态效益约为64.83亿。

表1 SPP二期冷却水一次直排及冷却塔方案的经济性比较

(3)余热利用系统的节能减排量估算

设SPP二期工程(3、4号机组)循环冷却水(温排水)的余热全部得到利用，按二期工程温排水流量200m3/s，取排水温差7.5℃计，则回收利用的热量为1.98×1014kJ/a。

假设这部分热量由燃烧标准煤取得，据环保部门估算，减少1t标准煤的燃烧，便可少排放CO22620kg、SO220kg、烟尘15kg、灰渣260kg。按标准煤燃烧值2.9×104kJ/kg计，则这部分回收的热量相应的节能减排量为:节约标煤量约675.8万t/a;减少CO2排放量约1770.6万t/a;减少SO2排放量约13.5万t/a;减少烟尘约10.1万t/a;减少灰渣约175.7万t/a。

3 南、北方电厂温排水余热综合利用对比

(1)针对南、北方典型电厂环境特征及其所在区域的环境条件、环境规划和工业企业现状及发展规划，形成的温排水余热综合利用方案以及对该设计方案的初步评价与分析表明，电厂温排水余热量巨大，综合各类利用途径，可取得巨大的经济效益和环境效益。

(2)北方典型厂址的余热利用方案中，经初步筛选出的“优选利用途径”为“海水淡化(反渗透膜法)”;对南方典型厂址的余热利用方案，初步选定“海水淡化(低温多效蒸馏法)”工艺过程为余热综合利用的首要“优选利用途径”，以“海产品干燥及其他农副产品干燥和加工”为第二位的“优选利用途径”。两者均选择了海水淡化作为优选利用途径，但根据各自温排水的温度范围，分别选择了不同的海水淡化工艺。

(3)南、北方电厂由于其环境特性，形成了温排水余热利用明显的地域性特点。与南方厂址相比，北方地区由于气候寒冷，冬季较长，对热能资源利用的要求较为迫切，对反季节产品的市场需求量较大，再加上北方地区水资源缺乏，而电厂是用水大户，特别是电厂运行过程中也需要消耗大量的淡水资源。北方电厂通常会出于自身的需要，自发地进行温排水余热利用的实践。如文献［2］中的北方电厂，在设计阶段已经考虑冷季时回用部分循环冷却水，以向海水淡化系统提供高温水，以及电厂正常运行后的厂区通过抽取废热蒸汽进行供暖等余热利用方式。相比之下，南方厂址通常淡水资源较丰富，冬季相对较暖，一般没有供暖需求，一些余热利用方式，如海水淡化等，对电厂本身来说不是必需的(此处仅指一般情况，不排除某些南方海岛地区建电站时缺乏淡水资源的特殊案例)，通常利用的主动性不高，因此需要管理部门和相关部门的大力支持及相关优惠政策的刺激。

［1］贺益英，赵懿珺.电厂循环冷却水余热高效利用的关键问题［J］.能源与环境，2007(6):27－29.

［2］刘永叶，刘森林，陈晓秋.基于生态工程理论的北方电厂温排水余热综合利用研究［J］.科技导报，2015，33(13):22－26.

［3］刘永叶，刘森林，陈晓秋.核电厂温排水余热综合利用方案设计的初步研究［J］.电力科技与环保，2012，28(2):48－51.

［4］刘永叶，刘森林，陈晓秋.核电站温排水的热污染控制对策［J］.原子能科学技术，2009，43(增1):191－196.

［5］中国金属学会海水淡化及废水回用技术考察团.海水淡化及废水回用技术考察报告［J］.中国冶金，2008，18(4):54－59.

［6］张宁，苏营营，苏华，等.海水淡化中浓海水的综合利用研究［J］.海洋科学，2008，32(6):85－88.

［7］刘贵珊，何建国，韩小珍，等.热泵干燥技术的应用现状与发展展望［J］.农业科学研究，2006，27(1):46－49.

［8］刘永叶，杨阳，王亮，等.核动力厂温排水混合区范围的可接受性论证的初步研究［J］.原子能科学技术，2012，46(11):1402－1408.

［9］刘万琨.海水淡化和电厂水电热联产［J］.东方电气评论，2007，21(2):1－13，17.

［10］王永青.低温多效蒸发海水淡化系统性能估算方法及公式［J］.化工学报，2009，60(8):1889－1893.

［11］王静，刘淑静，侯纯扬，等.我国海水淡化产业发展模式建议研究［J］.中国软科学，2013(12):24－31.

［12］鞠奔，徐世凯，王勇，等.上海石洞口第一电厂改造工程温排水物理模型研究［J］.电力科技与环保，2015，31(6):8－11.

［13］彭溢，张舒.电厂温排水三维模拟及特征分析［J］.电力科技与环保，2013，29(1):7－9.

Study on the comprehensive utilization of waste heat from thermal discharge of a typical southern power plant based on ecological engineering theory

Based on the situation that the approach of waste heat utilization is single and inefficient，a preliminary study on comprehensive utilization of waste heat from thermal discharge of a typical southern power plant was conducted in this paper.According to the environmental characteristics，environmental planning，industry status and development planning of a typical nuclear power plant in southern China，the“Seawater Desalination(low－temperature multi－effect evaporation seawater desalination)”was selected as the first“optimal utilization way”，and with“seafood and other agricultural and sideline products drying and processing”for the second“optimizing utilization way”.Combined with the concept of eco－design，the conceptual design of waste heat utilization scheme was completed，and the energy saving potential was estimated for the typical site when taking full advantage of thermal discharge waste heat.Also，the comprehensive utilization schemes of waste heat from the typical southern and northern power plants were comparative analyzed.

ecological engineering;southern power plant;thermal discharge;comprehensive utilization of waste heat;eco－design

X57

B

1674－8069(2016)03－001－04

2016-02-18;

2016-03-05

刘永叶(1984-)，女，河南信阳人，高级工程师，博士，主要研究方向为能源与环境。E－mail:liuyongye1957827@sina.com

国家科技重大专项“CAP1400安全审评关键技术研究”(2013ZX06002001)