核電廠溫排水余熱綜合利用分析

程利江++高華喜

摘要：核電廠的溫排水直接排放于環境，不僅大量的余熱得不到有效利用，還會引起局部的熱污染。鑒于此，在國內外溫排水余熱利用的參考基礎上，提出溫排水的余熱綜合利用模式，主要包括余熱養殖、工業及居所供暖、溫室大棚供熱和海水淡化等模塊。文中引入了引水量、散熱量等計算模型，對于溫排水的有效利用提供了理論依據。

關鍵詞：核電廠；溫排水；余熱利用

中圖分類號：[TL48] 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2015）06-0072-03z

一、引言

近十多年來，中國經濟快速發展，對電力的需求量大幅度增加。火電站消耗的資源量大，環境影響大。為了緩解能源矛盾，促進節能減排的目標，以核電為中心的清潔、經濟、高效的新一代可持續電力產業正在崛起。圖1是近十年中國的核電裝機容量變化，從2001年的243萬KW到2011年的1257萬KW，翻了近五翻[1]。

文獻[2]中預計2020年可達7000萬KW，2030年達2億KW，2050年可達4億KW，核電產業迅猛發展。然而核電廠僅有33%熱能轉化為電能，如果不加利用，隨溫排水排放，則每百萬核電機組每年排入環境水體的余熱可折合標準煤約70～150萬t/年[3-4]。因此，充分利用核電廠的余熱，對于避免類似文獻[5-8]中的熱污染，保護環境，節約能源具有重大的社會意義和經濟效益。

二、核電廠余熱綜合利用

核電廠溫排水余熱溫度在50℃以下，屬于低品位熱能。核電站溫排水余熱利用可分為直接利用和非直接利用，余熱直接利用的主要領域有種植業和養殖業[9]。利用熱泵技術把溫排水提高溫度后可充當加熱油田的拌熱水[10]、集中供暖、海水淡化等。國內外溫排水余熱利用實踐主要集中于水產養殖、大棚溫室[11-12]，還有集中供暖[13]，海水淡化[14]。余熱綜合利用是余熱研究的發展趨勢。圖2是核電站溫排水余熱綜合利用模塊示意圖。在余熱綜合利用系統中，可以把非直接利用部分根據模塊圖進行再利用。此余熱綜合利用系統，涉及到了農業、水產養殖業、工業及居所供暖以及海水淡化，突破了以往以美國學者Bread為代表的單一行業余熱綜合利用方式，把余熱利用量較大的工業以及海水淡化結合起來，提高核電廠溫排水的余熱利用率，從而有效控制熱污染。

（一）溫水養殖模塊

利用電站溫排水養魚，主要是為了減輕或避免電站溫排水夾帶大量的余熱排入環境中，引起熱污染，造成對周圍生態環境的破壞。20世紀60年代開始，蘇聯、日本、美國、法國、德國、丹麥、以色列、匈牙利、波蘭等很多國家都利用電廠溫排水進行魚類、貝類、蝦類等水產品養殖。我國在70年代初，黑龍江省開始嘗試溫水養魚，因效果顯著，后開始在全國各地陸續推廣。適用溫水養殖的種類有牡礪、羅非魚、胡子鯰、淡水白鯧、鯉魚、鯽魚、草魚、淡水鯊魚、對蝦、鰻鱺、鱸魚等。進行溫水養殖時，應該充分考慮水溫對水質的影響，嚴格控制溫排水引水量。溫排水引水量計算公式：

G=■ （1）

RB=■=6.1×10-4P■ （2）

Q2=CW（es-ea） （3）

由（1）-（3）式可得G：

G=■

式中 Q1——魚池水面散發熱量；Q2——魚池表面蒸發水汽潛熱量；RB——鮑恩比率；C——經驗蒸發系數；W——風速；P——風速；Ts——水面溫度；Ta——近水面溫度；es——Ts的飽和水汽壓；ea——Ta的飽和水汽壓；c——水的比熱；Δt——魚池水和溫排水的溫度差。

為準確控制水溫等重要水質參數，保障溫水養殖順利進行，在引水量理論計算的基礎上，應在養殖水域安裝智能水質傳感器，在線檢測水質的溫度變化、溶解氧等重要水質因子，圖3是溶解氧隨溫度變化曲線。如圖所示，溶解氧隨著水溫的升高而減小。

（二）工業及居所供暖和溫室大棚供熱模塊

工業及居所供暖的熱量需求大，能充分利用核電廠的余熱。因核電廠供熱與工業及居所供暖所需溫度有差異，直接利用價值不高，一般通過利用熱泵技術先提高溫排水的溫度，從而達到利用所需溫度。經過熱泵的轉換后，除了給小區供暖，可應用的工業領域有：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。熱泵工作效率COP大于1，持續不斷地吸取溫排水的低品位熱能，相比于直接用鍋爐加熱熱源，利用溫排水為工業及居所供暖具有節約煤炭資源，減少燃煤引起的大氣污染等功效。

一般蔬菜的適宜生長溫度在18℃～35℃，而單一的日光大棚很難保證蔬菜生長所需溫度，并且不穩定。文獻[15]表明，溫室土壤加熱對農作物還具有增產作用。正如圖4所示，在土壤下埋設供熱管后，土壤溫度增加，土壤容重減小，有機質分解加速，速效磷、速效氮等礦物質的可利用含量增加。

利用溫排大棚可以生產蒜苗、芹菜、韭菜、菠菜、香菜、黃瓜、辣椒等蔬菜。溫室大棚利用溫排水來供熱有熱源穩定、可靠、節能、環保的優越性。文獻[16]中的噴水澆灌供熱方式，可以快速有效提升溫室內的空氣溫度，但是容易引起植物病變，產生漬害。采用埋地管道可以均勻布熱，并且直接作用于土壤層，調節蔬菜等農作物的生長環境。若單一的埋地管道供熱量不夠，可以借鑒文獻[17]地下管道式和吊管式供熱協調供熱，從而保證大棚溫室足夠所需熱量，此時大棚溫室內的總熱量為埋地管道的放熱量Q1和懸吊管道放熱量Q2之和。單位時間內利用管道總的散熱量可以供熱的面積為S：

S=■=■ （4）

設管道長度Δx的微分段內流體的溫降為-Δt，則埋地管道的放熱量Q1：

Q1=cρvΔt （5）

其中Δt=t1-t2

■dx=cρv（-dt）

■■=■■endprint

得ln■=■

則t2=（t1-t'）·e■+t'

Δt=t1-（t1-t'）·e■-t'=（t1-t'）1-e■

Q1=cρv[t1-t'-（t1-t'）·e■]=cρv（t1-t'）1-e■（6）

Q2=AKΔt' （7）

其中A=πdl

K=■

Δt'=■-t4

Q2=■■-t4（8）

Q'=ρcρ（t4-ta）（9）

由（4）-（9）式可得S：

式中D——管道的外徑；d——管道的內徑； l——散熱區管道總長度；αn——散熱管內壁的換熱系數；αw——散熱管外壁的換熱系數；λ——散熱管道管壁導熱系數；ρ——溫室內空氣密度；cp——溫室內空氣的定壓比熱容；t1——設計供水溫度；t2——埋地管道回水溫度；t3——吊管式管道回水溫度；t4——使用區所需溫度；ta——使用區內的基礎平均溫度；h——溫室高度；Q——管道在溫室內總放熱量； Q'——溫室內每立方米空間需要提供的熱量。

（三）海水淡化模塊

核電廠溫排水屬于低品位熱能，一般的反滲透法和蒸餾法利用低品位熱能不夠經濟，效率較低。沿海核電廠一般用海水進行冷卻，現將溫排水制取淡水，不僅可以充分利用溫排水的余熱，消除了熱污染，而且還能節省海水淡化廠自行抽取海水、過濾海水的前期處理，大幅度降低淡水生產成本，為周邊地區提供廉價的生活用水，發揮巨大的社會效益和經濟效益。露點蒸發技術是一種新型的海水淡化方法，它的運行原理如圖5，能夠高效利用低品位熱能。

三、小結與展望

溫排水余熱綜合利用的模式是由余熱養殖、工業及居所供暖、溫室大棚供熱和海水淡化等模塊組成。溫度的控制是每一個利用模塊的關鍵，根據引水量、散熱量等計算模型，結合溫度對水質、土壤等作用對象的影響變化趨勢，嚴格控制溫度，調節溫排水流量，以便高效利用溫排水的余熱，從而避免引起熱污染。對于未來，一方面應加速發展新一代的核電機組，從源頭上減少溫排水的排放量；另一方面，應提高溫排水的余熱利用率，開發新的余熱利用方式，完善余熱的綜合利用方式，不僅可以有效控制熱污染，保護環境，還可以變廢為寶，節約能源。

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