火(核)電廠溫排水熱污染防控體系研究概述

趙懿

(中國水利水電科學研究院水力學研究所,北京 100038)

隨著我國電力工業的高速發展,火(核)電廠溫排水對受納水域的熱影響問題日益突出,正越來越受到政府部門的重視和社會各界的關注。1座采用直流循環冷卻方式的現代化火(核)電廠,每年有可能將流量70～400m3/s、高于環境水溫6～11℃的熱水源源不斷地排入受納水域,造成環境水溫升高,從而產生對水生態系統的熱影響乃至熱污染。溫排水的熱影響主要體現在兩方面:一是對電廠的影響,受納水體溫度升高導致取水溫度增加,進而降低電廠冷卻效率。二是對水環境的影響,水溫升高使水中飽和溶解氧降低,容易引發赤潮[1];導致水生生物(藻類、浮游生物和底棲生物)的種群數量和構成發生變化[2-4];影響對溫度敏感魚類的遷徙、生長、生殖,甚至可能致死[5]。

為加強對火(核)電廠溫排放的監管,探求有效防治火(核)電廠熱污染的思路與途徑,本文結合工程實例,對當前熱污染防控體系中3個密不可分的重要環節——基于水質生態等要求制定的溫排放控制標準、滿足熱環境容量評估要求的數值預報模型以及余熱高效利用技術進行分析和論述。

1 我國溫排放控制標準的現狀及存在問題

1.1 現狀分析

我國目前與溫排放控制相關的法規和標準主要有:《中華人民共和國環境保護法》(第26條)、《中華人民共和國水污染防治法》(第35條)、《中華人民共和國海洋環境保護法》(第36條)、國家標準 GB 3097—1997《海水水質標準》、GB 18486—2001《污水海洋處置工程污染控制標準》、GB 3838—2002《地表水環境質量標準》以及國家環境保護總局1999年發布的第8號令《近岸海域環境功能區管理辦法》(第9條)。從執行情況看,這些現有的法規和標準還不夠完善、可操作性不強,主要問題體現在以下兩個方面:

a.對進入受納水域的溫升限值規定過于籠統,未涉及溫升影響區的空間尺度問題,也沒有反應生態系統的要求。溫排水進入受納水域后,不可能馬上降到標準所要求的溫升范圍,總會存在一個溫降區域,其溫度不受水質標準限制。因此,有學者提出設立“監管混合區”[6],在此區域內,排水出流經歷初始稀釋和混合,其水質可不符合標準或有條件地符合;盡管降低了水質標準,但水體的完整性和用途仍然得到保護(下文提到的“混合區”均指“監管混合區”)。

目前,國外的研究已經提出了一些關于“混合區”量化的控制參數,如美國加利福尼亞州對濱海水體規定“排放溫度小于或等于36℃、距排放口300m處水體表面溫升不得超過7.2℃”。國外許多標準還反映了生物對水溫的要求,如美國紐約州就對非鮭魚水域和鮭魚水域的排放溫度及溫升限值做出不同規定。我國現行的標準并沒有明確給出“混合區”范圍,也尚未制定適合我國國情的、與生態相關的控制參數。

b.缺乏宏觀的、系統的控制溫排水的指導思想。近年來,我國同一水域內火(核)電廠密度大幅升高,電廠群效應[7]日益凸顯,如上海黃浦江沿岸從淞浦大橋到吳淞口約75 km的距離內建有閔行、吳涇、楊樹浦、高橋及閘北5座直流循環冷卻式火電廠,總裝機容量達3749MW。密集的排放口不僅會導致電廠間的相互影響,還會引起環境影響累加效應,使溫升影響范圍擴大,水生物活動通道減少,對水生態系統構成威脅。雖然這一現象已經引起人們關注,但尚未開展相關的系統研究,現有火(核)電廠溫排水熱影響評價大多是針對單一電廠進行的。同時,相關部門的監管缺乏統籌規劃的思想,尚不能從水域的熱環境容量出發,合理規劃火(核)電廠廠址并優化設置排水口,使溫排放滿足相關要求。

1.2 建 議

溫排水評價、審查、監管標準的不完善,使得現行標準無法有效執行,造成溫排放監管難以到位。因此,必須針對相關問題開展相應研究,制定出合理可行、切合實際的標準。根據當前監管中存在的問題,建議加強開展如下研究工作:

a.結合已有的溫排水對水生態的熱影響研究成果,明確“混合區”的存在并細化“混合區”的控制參數。“混合區”的研究重點是確定混合區控制參數。國外關于溫排放的控制參數主要有:排放口處最大允許水溫或最大溫升、混合區邊緣溫升以及混合區范圍等[8]。在國內,對混合區的研究尚處起步階段,已有研究成果的可靠性還值得探討。目前,為適應蓬勃發展的火(核)電建設,審評部門不得不采取“一事一議”的辦法確定“混合區”的可接受性。2008年國家環境保護部(核安全局)出臺的《核動力廠溫排水環境影響審評原則》(征求意見稿)提出了確定溫排水混合區的準則,但沒有與受納水體重要生物的耐受溫度聯系起來。隨著環境生態保護要求的提高,還需借鑒國外的一些研究方法和成熟經驗,結合環境保護目標、排放特征和受納水體的生態特點,制定更加細化、具體、可行的混合區控制參數。

b.根據熱環境容量要求,建立大水域電廠群的溫排放監管體系,形成相關評估標準。電廠群累積效應對生態通道的影響、電廠群溫排放控制方法以及熱影響評價模式等研究是今后的發展方向。對于大水域電廠群的管理,監管部門要從熱環境容量出發,樹立統籌規劃的理念,綜合所在水域的水動力交換條件、重要水生生物特性、功能區劃要求等因素,超前地、科學地規劃溫排水排放口,以保持原有水體的生態環境。大水域環境容量評價也區別于傳統電廠單一工程項目環境評價,主要表現在:①環境水域范圍更大;②時間跨度更長,包括早期已投運的電廠、正在籌備建設的電廠以及遠期規劃的電廠;③評價內容更加側重電廠群對整體水域的累積影響;④評價的終極目標在于大水域電廠群的梯級開發和水環境的協調發展。

2 熱影響及熱環境容量預報

2.1 溫排水熱影響數值預報模型

溫排水在受納水體中的輸移過程,按水力、熱力特性可分為近區與遠區。近區呈現出以動量卷吸、摻混為主的三維紊動浮射流特性;遠區則主要以隨流輸移擴散和對天散熱為控制因素,其水力熱力特性在水深方向漸趨均勻。近、遠區數學模型根據其水力熱力特點不同而有所差異。

二維數學模型簡單易行、模擬范圍大、熱量守恒性好,可用于水平尺度遠大于水深尺度、三維特性不明顯的遠區。二維模型有平面淺水環流模型及深度平均的k-ε模型,這些模型發展比較成熟,已被廣泛應用于工程領域[9-10]。對于排水近區,宜采用三維紊流模型。常見的三維紊流模型有兩類:渦黏模型與應力模型。經過學者的改進,有的模型已在工程實際中有所應用,如王麗霞等[11]將基于一階湍流封閉理論建立的三維模型用于黃島電廠溫排水預報,張長寬等[12]系統總結了三維模型的紊流模式,認為對于濱海電廠溫排水的三維模擬,應考慮斜壓效應,并將水動力場與溫度場耦合求解。

現有數值預報模型存在的主要問題是:①缺乏能準確模擬復雜邊界條件下排水口近區水力熱力特性的實用三維模型;②模型參數的選取帶有一定經驗性,需大量物理模型試驗及原體觀測數據的檢驗和完善;③近、遠區劃分尚不十分明確,兩區邊界的耦合具有一定難度;④溫排水數學模型很少與水質、生態參數耦合,使得溫排水對生態的熱影響評價多以定性為主,缺乏定量預報數據的支持。

2.2 熱環境容量研究現狀

熱環境容量不同于一般的水環境容量,它并沒有濃度和質量的概念。2005年,首次提出河道熱環境容量的概念,并在二維熱輸運假設基礎上給出河段熱環境容量的解析公式計算法和數值模型試算法[13]。2007年,有人定義了海域熱環境容量,同時給出定量研究方法——溫升帶控制法[14]。熱環境容量與溫排放控制標準、電廠或其他冷卻水用戶的取水質量(含流量及溫度)要求、水域功能區劃、生態保護目標、當地的水文氣象條件、經濟發展水平等因素緊密相關,應從大水域統籌規劃的角度出發,預報整個水域的熱承載能力及剩余承載能力,為梯級開發水域資源、合理布局工程項目提供指導。

目前關于熱環境容量的研究較少,如何科學定義熱環境容量、找出影響熱環境容量的因素以及建立熱環境容量的預報模型等均有待更深入的研究。

2.3 熱影響及熱環境容量預報模型的研發方向

熱影響預報模型與熱環境容量預報模型既相互聯系,又有所區別。兩者的聯系在于它們的研究對象都是熱,模型的控制方程、數值離散方法等都具有共性;區別在于,兩者的關注點、出發點以及落腳點有所不同,服務的對象也不同:熱影響預報模型關注某一個或幾個排放點,預先給定排口位置、排熱量,模擬預報這些條件下溫排水的熱影響范圍及程度,為環境評價提供數據;熱環境容量預報模型重在受納水域的整體規劃,事先給定受納水域的熱環境容量,通過數學模型優化排放口位置及排熱量,為規劃部門提供決策依據。熱環境容量預報模型的模擬范圍要遠大于一般的溫排水熱影響數值預報模型。

針對目前電廠溫排水熱污染的現狀及問題,應對現有預報模式進行改進,研發適應大水域電廠群的數學模型。模型的改進可以從模式的選取、參數的確定、邊界的處理幾方面進行。模型在近區可以精確模擬射流卷吸摻混特性、鹽度或溫度異重分層流動特性、多排放源匯間的相互影響;在遠區能更準確地模擬溫排水隨流的輸移擴散規律以及散熱過程;同時還可以反映溫度與水質、生態因子的耦合作用。

3 火(核)電廠溫排水余熱的綜合利用

余熱利用對于節約資源、改善環境、實現電廠循環經濟具有重要意義。電廠的能源利用效率非常低(除熱電廠外,僅35%～40%),若能從源頭上減少排放的廢熱,將是減輕溫排水負面熱影響的根本途徑。

3.1 溫排水余熱綜合利用現狀

目前火(核)電廠溫排水余熱利用方法及途徑主要有直接利用和借助熱泵技術提高溫度后用于供熱。

余熱直接利用的主要領域是種植業和養殖業。國外早在20世紀60年代就開始利用電廠的溫排水養殖魚類,用余熱給土壤加溫促進農作物生長或延長生長時間。我國余熱利用主要集中在一些火電廠,如開封電廠、石洞口電廠等,核電廠尚未有開展余熱利用的先例。

利用熱泵技術將電廠余熱回收再利用是近幾年的研究熱點,如回收電廠的廢熱來加熱油田的伴熱熱水[15]或將溫排水提升溫度后用于集中供暖[16]。目前,利用電廠循環水余熱進行供熱已在一些中小型電廠得到實施,如大慶市北源熱力公司利用冷卻塔循環冷卻水余熱為住宅小區集中供熱,規劃面積320萬m2,收到良好的經濟效益和社會效益。

3.2 溫排水余熱利用前景

火(核)電廠溫排水可利用的余熱量十分巨大。在國家大力提倡節約資源、保護環境的形勢下,余熱利用的前景非常可觀。

環境生態工程已成為環境綜合治理的有效措施之一,其目的是運用生態學原理設計生態工程以開展生態修復或促進資源的綜合利用、環境的綜合整治。美國學者Bread基于生態工程原理設計的“食物綜合生產系統”[17],使電廠排出的廢熱在各個環節得到充分利用。該方法打破了以往“單一利用為主”的余熱利用方式,使廢熱資源化,不僅降低了廢熱對環境的影響,而且還能實現電廠循環經濟。結合廠址所在地實際情況設計余熱綜合利用系統是今后的發展趨勢。

將溫排水帶走的廢熱回饋電廠的熱機熱力系統,不僅可以提高熱機經濟性,節約能源,而且可以減少溫排水對環境的負面影響,實現電廠循環水余熱的高效利用。其中,尋求能充分利用電廠棄熱或汽輪機低壓抽氣熱的高效低成本熱泵是關鍵。

循環水余熱在海水淡化領域也有很大的利用空間。海水淡化技術種類很多,但適于產業化的主要有反滲透法和蒸餾法。對反滲透技術而言,其能耗與海水溫度成反比,經熱泵將需淡化的海水提升溫度后,可大幅降低加熱能耗。對低溫多效蒸餾技術而言,循環冷卻水水源熱泵提升海水至所需的蒸餾溫度(70℃),比直接用低壓抽汽升溫海水經濟,可節約大量的電廠抽汽,提高電廠發電效率。

4 工程實例

以南海海水作為循環冷卻水源的某核電廠,設計取排水流量為400m3/s、排水溫升為7.5℃。設計單位針對該廠址嘗試提出3個溫排放混合區參數[18]:溫排水排放口的控制極端高溫值為 39℃;溫排水混合區邊緣的溫升限制為3.0℃;以30%生態功能減弱程度作為可接受上限時,溫排水混合區的最大允許面積為16km2。

評估復核時,考慮同一水域另一大型火電廠的排熱,對工程運行工況采用數學模型進行溫排水計算。結果表明,在給定條件下,溫排水對環境海域的影響無法滿足上述溫排放“混合區”控制參數的要求,必須減少向海域的排熱量。通過試算,該核電廠排熱量需減少約42%。這一驗算過程,并不單獨針對待建的核電廠進行,而是以受納海域已有熱源影響為基礎,根據溫排放混合區控制參數確定核電廠排熱量,實際上已包含了熱環境容量的評估內容,這對于統籌規劃該水域的電廠建設具有重要意義。

由于該核電廠位于我國南方,當地對該核電廠并無供熱需求。結合該核電廠的溫排水條件、所在地區氣候、居民分布狀況、環境規劃以及工農漁業發展情況等因素,余熱利用的方式可以考慮為海水淡化、干燥工藝、果蔬養殖、生活熱水等。

5 結 語

火(核)電廠熱污染防控體系中的3個環節緊密相關、密不可分的。其中,控制標準是根本,可使溫排放做到有法可依、有章可循;數值預報模型是工具,結合熱污染控制標準及其他相關標準進行水域熱容量預測,可為防控體系提供技術支撐和指導意見;余熱利用則是從源頭上實現電廠廢熱節能減排、降低溫排水熱影響,促進溫排放控制標準有效執行的重要手段。在溫排放的監管中,要引入熱環境容量的概念,做到工程布局的統籌規劃和科學管理。

“十二五”期間,我國的電力工業建設依然保持高速的發展勢頭。盡快建立完善有效的熱污染防控體系,對于實現環境友好型與資源節約型電廠具有重要意義,同時也為“十二五”電力規劃目標的實現提供了有效保障。

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