2火、核電廠循環冷卻水餘熱利用

2.1冷卻水攜帶大量餘熱對熱機生産過程不可避免

從根本上着手減少乏汽餘熱，則應從熱機熱力系統的熱力循環優化着手。為此，可提高汽輪機新蒸汽的溫度和壓力，降低排汽壓力。如裝置超臨界或超超臨界參數的大型機組；采用二次中間再熱循環等提高電廠熱效率，減少機組冷端熱損失。再者，從電廠的功能配置來改進熱機效率的辦法也是行之有效的。如：熱電聯合生産；熱電冷聯合生産；燃氣蒸汽聯合循環機組。所謂"熱、電、冷聯産分布式能源技術"，即将熱、電、冷納入同一個生産系統，通過對能源的梯級利用，提高能源的綜合利用效率；而将煤、燃氣等一次能源用于發電，将發電後的餘熱用于采暖或制冷，将更低品位的能源用于供應生活熱水，就是"熱、電、冷聯産"。這樣既利用了能的數量，也利用了能的質量，是符合"總能系統"原則"[3]的。但是這些措施的實施不是電廠一廂情願的事，在建電廠前須做全面的技術經濟分析論證、熱供需雙方切實可行的匹配方可得以保障。這種問題常常是跨行業、跨部門，難于單獨解決，需要在能源管理體制及規劃上采取切實有力的措施。

此外，20世紀70年代，北方地區一些電廠将部分中、低參數的中、小型凝汽機組(25MW以下)實行低真空運行，用排汽加熱循環冷卻水作為熱網供暖的熱水或作為熱網一級加熱器來利用乏汽餘熱。降低排汽缸真空，提高乏汽溫度的辦法對小型機組和少數中型機組尚可行，但也必須在嚴格的變工況運行計算後，對排汽缸結構、軸向推力的改變，軸封漏汽，末級葉輪的改造等等方面做嚴格校核和一定改動。這種辦法對現代大型機組則是完全不允許的!

無論如何，從熱機蒸汽動力循環可實現性的根本條件來看，冷端決不可缺失。由于冷端冷卻水溫度不可能低于當地環境水溫，因此，循環冷卻水的排水溫度一定高于環境水溫8～10℃。這一損失熱量對熱機生産過程不可避免，隻有通過其它途徑加以利用，以期部分或全部回收，達到提高熱機綜合熱效率、降低電廠煤耗，同時實現對環境的零熱污染。

2.2利用電廠冷卻水餘熱的意義

為保證社會經濟的可持續發展和資源的最大限度利用，在一些發達國家已經提出了建立"循環型社會"的21世紀發展的重大戰略目标，并從工業生産和人民生活的各個方面，在有機關聯的多層面予以實施。電廠循環冷卻水餘熱利用問題正是實施"循環型社會"戰略目标中的一個層面，它關系到節能、資源綜合利用以及生态環境保護等問題。

上文已談到，循環冷卻水餘熱量所占到的電廠燃煤熱量的巨大比例。回收這部分熱能對于節約能源和煤炭資源的竭盡利用無疑是意義重大的。大力開展能源節約與資源綜合利用，更是企業降低成本，提高效益，增強競争力的必然選擇。我國單位産品的能耗水平較高，目前8個高耗能行業的單位産品能耗平均比世界先進水平高47%，而這8個行業的能源消費占工業部門一次能源消費總量的73%。按此推算，與國際先進水平相比，中國的工業部門每年多用能源約2.3億t标準煤。約占年消費量的15%。發電廠便是這8個高耗能源行業之一，回收餘熱，可使電廠發電煤耗下降，把能源用到最精。

随着人民生活水平的提高，城市生活及輕工業生産中對中、低溫熱能的消費越來越多，如：許多工業生産過程都需要70～110℃範圍的熱能，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。歸根結底，這是降低"燃料"這種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。它使目前我國能源綜合利用率不超過40%，極大地浪費了資源。如果利用熱泵、熱管技術将低品位的電廠餘熱提高品位向這些工業過程供熱，将會節約大量的燃料。這可提高能源綜合利用率，符合"總能系統"的操作原則(高品位能做功，低品位能供熱)，也可實現電廠燃煤熱能、核能的"循環使用"。許多國家都在進行這方面的研究，開發熱泵、熱管技術，以充分利用各種類型的餘熱。

能源生産和能源消費所引起的環境問題已經成為制約我國可持續發展的重要問題之一。而未來20年經濟翻兩番和全面實現小康社會，能源和能源消費所帶來的問題同過去20年相比将會更加突出、更加嚴峻。

我國一次能量資源的禀賦特點決定了能源發展以煤為主和電力工業以燃煤火電為主的格局。而大氣質量嚴重污染的主要原因正是我國以煤為主的能源結構，況且沒有對煤炭利用采取有效的環保措施。煙塵和二氧化碳排放量的70%、二氧化硫的90%、氮氧化物的67%來自于燃煤。據環保部門測算[4]，減少1t标準煤的燃燒，便可少排放CO2∶440kg、SO2∶20kg、煙塵：15kg、灰渣：260kg，能有效地改善大氣及環境質量。因此，利用循環冷卻水餘熱節約煤炭資源，不僅是資源的節約，更可減少燃煤的負面環境效應，非常有利于環境保護。

利用掉循環冷卻水餘熱，使排放到大氣、水域中的熱量降低，甚至實現電廠零熱排放，可避免上文中一再提及的熱污染發生，這無疑是電廠對周圍生态環境保護的極大貢獻。未來20年，我國将實行"保障供應、節能優先、結構優化、環境友好"的可持續發展能源戰略，力争實現GDP翻兩番、能源翻一番的戰略目标。火、核電廠循環冷卻水餘熱綜合利用的方向正符合這一宏偉的戰略目标。

"能源節約與資源綜合利用'十五'規劃"中指出：應認真貫徹落實可持續發展戰略，堅持"資源開發與節約并舉，把節約放在首位，依法保護和合理使用資源，提高資源利用率，實現永續利用"的方針；規定了主要耗能産品單位綜合能耗應大幅度降低，到2005年，大中型鋼鐵企業噸鋼綜合能耗下降到0.8t标準煤以下；火電廠供電煤耗下降到380g标準煤/kWh；

"規劃"确定的重點發展技術之一便是發電廠的多聯供技術。即重點發展熱電聯産、集中供熱及熱能梯級利用技術，推廣熱電冷聯供和熱電煤氣三聯供等多聯供技術。循環水餘熱利用正體現了這一熱能梯級利用、熱電冷聯供的節能技術思路；符合能源節約與資源綜合利用"規劃"确定的重點發展技術範疇。

2.3電廠循環冷卻水餘熱利用的途徑

1999年中國水利水電科學院與國家電力公司環保辦公室一起完成了"火電廠餘熱綜合利用研究評價--全國火電廠餘熱利用情況調查報告"[5]。研究指出：限于電廠循環冷卻水排水餘熱溫度在50℃以下，屬于低品位熱能，直接利用範圍狹窄。目前，國内開展其餘熱利用的電廠很少，僅占火電廠總數的16%。其中，87%的電廠主要利用方式是水産品養殖，其利用量極少，且效率十分低下。因此，應組織人力，并有一定的投入，集中重點方向開展高效率餘熱利用技術的研究、實驗和試點工作。即對熱泵、熱管這種技術含量高并已相當成熟的技術如何在電廠循環水餘熱利用中有效采用，組織攻關，建立示範工程，推廣技術。

我國從事環境保護的學者和有識之士，将城市廢水視為城市可再利用的資源時，己不再停留在污水回用(中水利用)這一層面上，而是要進一步開發城市污水的廢熱能回收及污泥利用，以實現城市污水三位一體的成套體系型污水資源化戰略[2]。城市污水的廢熱能回收利用，為電廠循環冷卻水餘熱利用的必要性和迫切性提供了理論和技術支持。城市污水熱能回收利用的實施途徑、可行性分析、回收利用系統的評價指标及運行狀況分析等，對火、核電廠循環冷卻水餘熱利用的研究和實施都是極具借鑒價值的。

城市污水熱能回收利用的途徑以熱泵回收低品位能源為理論基礎。熱泵是一種把低溫位的熱能輸送至高溫位的機械。從原理上而言，熱泵與制冷機是相同的，區别在于使用的目的。實際上，制冷和供熱是熱泵(或制冷機)熱力循環過程中的兩個必不可少的環節，也正是充分利用這兩個環節，使熱泵技術在電廠餘熱利用中既可供熱，又可制冷。這裡所提及的"熱泵"技術實為"制冷/供熱"技術的統稱。

利用熱泵技術回收電廠餘熱、特别是回收汽輪機循環冷卻水餘熱的工作原理是：熱泵利用該餘熱源作為低溫熱源，以熱泵系統中的工質作為熱的載體。按熱力學第二定律，熱量不會自發地從低溫區向高溫區傳遞，因此熱泵工作時必消耗一定的有用能量(如：電能和熱能)驅動工質，在熱泵系統内以相變熱(汽化潛熱或凝結熱)形式自低溫熱源帶走熱量并輸送至高溫熱源。驅動熱泵所消耗的有用能(或功)E全部被轉換成熱，這部分熱量E和從低溫體吸取的熱量Q2一起輸向高溫體，即Q1=Q2+E，Q1為向高溫體輸送的熱量。為說明這種能量轉換的優劣，熱泵工作效率可用性能系數COP(CoefficientofPerformance)或供熱系數來衡量，COP=Q1/E，則COP=Q1/E=Q2/E+1=ε+1，ε=Q2/E，稱為制冷系數。可見COP恒大于1，熱泵的該值一般為1.5～4，說明熱泵消耗少量的有用能可獲得數倍的熱能，這正是從低溫熱源提取的熱量。當今，已有了多種類型的熱泵：如壓縮式熱泵、吸收式熱泵、蒸汽噴射式熱泵。近年來，國内、外陸續在太陽能利用和工業餘熱利用領域開展了固體吸附式熱泵的應用性研究，取得了不少較成功的實驗結果，并開始了初期的商業化生産。熱泵的設計中，要依據餘熱資源的實際溫度高低選擇工質對，并根據實際的要求選擇合适的制冷循環方式。對于電廠循環冷卻水如此低品位的熱源，選擇工質對和制冷循環方式更是一個首要而艱難的探索過程。

熱泵技術的日趨成熟和快速發展，無疑為推廣餘熱熱能回收利用提供了可靠的技術保證。因此，電廠循環冷卻水餘熱利用同樣應該重點放在熱泵、熱管這一高效率回收途徑上，并适當兼顧其他綜合利用的形式。電廠循環冷卻水餘熱利用應當比污水熱能回收更易實現，因為電廠循環冷卻水有相對清潔的水質，相對穩定的流量和溫度；電廠又有充沛、廉價的電力、熱力，尤其有可驅動熱泵的中溫、中壓廢熱源。經熱泵提升溫度後的循環冷卻水的熱量，不僅可用于空調、生活熱水、輕工業生産(如：幹燥、食品加工、紡織業……)，也可返回電廠回熱系統，加熱給水，提高電廠熱效率。因此，無論從電廠循環冷卻水所蘊含的巨大熱量可作為城市低溫熱能資源加以再利用；還是從保證電廠安全經濟運行，或是從降低冷卻水排放熱污染影響，進而一定程度削減電廠建設中關于取、排水工程問題難度而言，都應該把循環冷卻水熱能回收利用研究提到考慮的日程上來。

在當今全球規模的環境問題日趨嚴重的情勢下，以往那種"大量生産、大量流通、大量浪費、大量廢棄"的生産模式己經越來越不被人們所接受。因此，應切實關注這一巨大的低溫熱源的資源效益，在"把節約放在首位，依法保護和合理使用資源，提高資源利用率，實現永續利用"的方針指導下，樹立開展電廠循環冷卻水餘熱利用的超前理念，設立專門的組織機構，統一規劃，統一管理。将高技術含量的回收利用與一般性回用途徑結合起來。以高技術為龍頭，因地制宜、因時制宜地開展這一餘熱利用的事業；在宏觀監控上，國家應出台鼓勵電廠餘熱利用的政策，對于利用餘熱進行生産加工的企業給予優先發展的條件，對其産品銷售給予優惠；在技術研發上，要研制和開發低成本高效率、能充分利用電廠自身廢熱能為驅動能的熱泵機組，以及開發采用熱管這一熱超導元件的高效換熱裝置。随着科技的發展，應逐步加大熱泵、熱管高技術回用技術在電廠循環冷卻水餘熱利用中的比例。為保障'循環水餘熱利用'研究項目的實施，要建立"産學研"一體的技術開發體系，組織示範工程。

3結語

污水處理資源化的三大支柱之一便是污水熱能回收利用，這是環境保護及資源循環利用先導者們面對世界生态環境日趨惡劣、可用資源日漸匮乏的嚴酷現實所提出的戰略。污水熱能回用尚且如此，火、核電廠循環冷卻水所含巨大餘熱量的回收利用，在能源節約及環境保護上的深深寓意應不辨自明。因此，當前問題所在已不是應不應該開展電廠循環冷卻水餘熱利用的研究，而是如何把利用的研究工作搞得更好；不是有幾個電廠對循環冷卻水餘熱已有所利用，熱泵技術已相對成熟，可照搬過來了，而是如何緊密結合電廠實際情況，提高利用的效益，充分使用電廠生産過程中排放的其它廢熱源，而去研制更适合火、核電廠回收低品位熱能的高效廉價的熱泵、熱管換熱器。不應該躊躇于初期階段有可能出現的"投入"微勝、甚至不抵"産出"的暫時局面，确信随着國家宏觀調控政策的逐漸完善、世界科技水平的日益發展，在此項研究的深入進程中，低成本、高産出的效益型電廠循環水餘熱回收利用系統定會實現。因為，如此巨額數量能源的回用，本身就是資源财富；燃煤及熱排放所造成生态污染的消除，本身就是巨大效益!

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