2火、核電廠循環(huán)冷卻水余熱利用

2.1冷卻水攜帶大量余熱對熱機生產(chǎn)過程不可避免

從根本上著手減少乏汽余熱，則應(yīng)從熱機熱力系統(tǒng)的熱力循環(huán)優(yōu)化著手。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(shù)的大型機組；采用二次中間再熱循環(huán)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(lián)合生產(chǎn)；熱電冷聯(lián)合生產(chǎn)；燃氣蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組。所謂"熱、電、冷聯(lián)產(chǎn)分布式能源技術(shù)"，即將熱、電、冷納入同一個生產(chǎn)系統(tǒng)，通過對能源的梯級利用，提高能源的綜合利用效率；而將煤、燃氣等一次能源用于發(fā)電，將發(fā)電后的余熱用于采暖或制冷，將更低品位的能源用于供應(yīng)生活熱水，就是"熱、電、冷聯(lián)產(chǎn)"。這樣既利用了能的數(shù)量，也利用了能的質(zhì)量，是符合"總能系統(tǒng)"原則"[3]的。但是這些措施的實施不是電廠一廂情愿的事，在建電廠前須做全面的技術(shù)經(jīng)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(yè)、跨部門，難于單獨解決，需要在能源管理體制及規(guī)劃上采取切實有力的措施。

此外，20世紀70年代，北方地區(qū)一些電廠將部分中、低參數(shù)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(huán)冷卻水作為熱網(wǎng)供暖的熱水或作為熱網(wǎng)一級加熱器來利用乏汽余熱。降低排汽缸真空，提高乏汽溫度的辦法對小型機組和少數(shù)中型機組尚可行，但也必須在嚴格的變工況運行計算后，對排汽缸結(jié)構(gòu)、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(xiàn)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(huán)可實現(xiàn)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?shù)丨h(huán)境水溫，因此，循環(huán)冷卻水的排水溫度一定高于環(huán)境水溫8～10℃。這一損失熱量對熱機生產(chǎn)過程不可避免，只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(xiàn)對環(huán)境的零熱污染。

2.2利用電廠冷卻水余熱的意義

為保證社會經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展和資源的最大限度利用，在一些發(fā)達國家已經(jīng)提出了建立"循環(huán)型社會"的21世紀發(fā)展的重大戰(zhàn)略目標，并從工業(yè)生產(chǎn)和人民生活的各個方面，在有機關(guān)聯(lián)的多層面予以實施。電廠循環(huán)冷卻水余熱利用問題正是實施"循環(huán)型社會"戰(zhàn)略目標中的一個層面，它關(guān)系到節(jié)能、資源綜合利用以及生態(tài)環(huán)境保護等問題。

上文已談到，循環(huán)冷卻水余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(jié)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(jié)約與資源綜合利用，更是企業(yè)降低成本，提高效益，增強競爭力的必然選擇。我國單位產(chǎn)品的能耗水平較高，目前8個高耗能行業(yè)的單位產(chǎn)品能耗平均比世界先進水平高47%，而這8個行業(yè)的能源消費占工業(yè)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(yè)部門每年多用能源約2.3億t標準煤。約占年消費量的15%。發(fā)電廠便是這8個高耗能源行業(yè)之一，回收余熱，可使電廠發(fā)電煤耗下降，把能源用到最精。

隨著人民生活水平的提高，城市生活及輕工業(yè)生產(chǎn)中對中、低溫熱能的消費越來越多，如：許多工業(yè)生產(chǎn)過程都需要70～110℃范圍的熱能，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(jié)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(shù)將低品位的電廠余熱提高品位向這些工業(yè)過程供熱，將會節(jié)約大量的燃料。這可提高能源綜合利用率，符合"總能系統(tǒng)"的操作原則(高品位能做功，低品位能供熱)，也可實現(xiàn)電廠燃煤熱能、核能的"循環(huán)使用"。許多國家都在進行這方面的研究，開發(fā)熱泵、熱管技術(shù)，以充分利用各種類型的余熱。

能源生產(chǎn)和能源消費所引起的環(huán)境問題已經(jīng)成為制約我國可持續(xù)發(fā)展的重要問題之一。而未來20年經(jīng)濟翻兩番和全面實現(xiàn)小康社會，能源和能源消費所帶來的問題同過去20年相比將會更加突出、更加嚴峻。

我國一次能量資源的稟賦特點決定了能源發(fā)展以煤為主和電力工業(yè)以燃煤火電為主的格局。而大氣質(zhì)量嚴重污染的主要原因正是我國以煤為主的能源結(jié)構(gòu)，況且沒有對煤炭利用采取有效的環(huán)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(jù)環(huán)保部門測算[4]，減少1t標準煤的燃燒，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(huán)境質(zhì)量。因此，利用循環(huán)冷卻水余熱節(jié)約煤炭資源，不僅是資源的節(jié)約，更可減少燃煤的負面環(huán)境效應(yīng)，非常有利于環(huán)境保護。

利用掉循環(huán)冷卻水余熱，使排放到大氣、水域中的熱量降低，甚至實現(xiàn)電廠零熱排放，可避免上文中一再提及的熱污染發(fā)生，這無疑是電廠對周圍生態(tài)環(huán)境保護的極大貢獻。未來20年，我國將實行"保障供應(yīng)、節(jié)能優(yōu)先、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、環(huán)境友好"的可持續(xù)發(fā)展能源戰(zhàn)略，力爭實現(xiàn)GDP翻兩番、能源翻一番的戰(zhàn)略目標?；?、核電廠循環(huán)冷卻水余熱綜合利用的方向正符合這一宏偉的戰(zhàn)略目標。

"能源節(jié)約與資源綜合利用'十五'規(guī)劃"中指出：應(yīng)認真貫徹落實可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，堅持"資源開發(fā)與節(jié)約并舉，把節(jié)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(xiàn)永續(xù)利用"的方針；規(guī)定了主要耗能產(chǎn)品單位綜合能耗應(yīng)大幅度降低，到2005年，大中型鋼鐵企業(yè)噸鋼綜合能耗下降到0.8t標準煤以下；火電廠供電煤耗下降到380g標準煤/kWh；

"規(guī)劃"確定的重點發(fā)展技術(shù)之一便是發(fā)電廠的多聯(lián)供技術(shù)。即重點發(fā)展熱電聯(lián)產(chǎn)、集中供熱及熱能梯級利用技術(shù)，推廣熱電冷聯(lián)供和熱電煤氣三聯(lián)供等多聯(lián)供技術(shù)。循環(huán)水余熱利用正體現(xiàn)了這一熱能梯級利用、熱電冷聯(lián)供的節(jié)能技術(shù)思路；符合能源節(jié)約與資源綜合利用"規(guī)劃"確定的重點發(fā)展技術(shù)范疇。

2.3電廠循環(huán)冷卻水余熱利用的途徑

1999年中國水利水電科學(xué)院與國家電力公司環(huán)保辦公室一起完成了"火電廠余熱綜合利用研究評價--全國火電廠余熱利用情況調(diào)查報告"[5]。研究指出：限于電廠循環(huán)冷卻水排水余熱溫度在50℃以下，屬于低品位熱能，直接利用范圍狹窄。目前，國內(nèi)開展其余熱利用的電廠很少，僅占火電廠總數(shù)的16%。其中，87%的電廠主要利用方式是水產(chǎn)品養(yǎng)殖，其利用量極少，且效率十分低下。因此，應(yīng)組織人力，并有一定的投入，集中重點方向開展高效率余熱利用技術(shù)的研究、實驗和試點工作。即對熱泵、熱管這種技術(shù)含量高并已相當成熟的技術(shù)如何在電廠循環(huán)水余熱利用中有效采用，組織攻關(guān)，建立示范工程，推廣技術(shù)。

我國從事環(huán)境保護的學(xué)者和有識之士，將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(fā)城市污水的廢熱能回收及污泥利用，以實現(xiàn)城市污水三位一體的成套體系型污水資源化戰(zhàn)略[2]。城市污水的廢熱能回收利用，為電廠循環(huán)冷卻水余熱利用的必要性和迫切性提供了理論和技術(shù)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(tǒng)的評價指標及運行狀況分析等，對火、核電廠循環(huán)冷卻水余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(chǔ)。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(qū)別在于使用的目的。實際上，制冷和供熱是熱泵(或制冷機)熱力循環(huán)過程中的兩個必不可少的環(huán)節(jié)，也正是充分利用這兩個環(huán)節(jié)，使熱泵技術(shù)在電廠余熱利用中既可供熱，又可制冷。這里所提及的"熱泵"技術(shù)實為"制冷/供熱"技術(shù)的統(tǒng)稱。

利用熱泵技術(shù)回收電廠余熱、特別是回收汽輪機循環(huán)冷卻水余熱的工作原理是：熱泵利用該余熱源作為低溫熱源，以熱泵系統(tǒng)中的工質(zhì)作為熱的載體。按熱力學(xué)第二定律，熱量不會自發(fā)地從低溫區(qū)向高溫區(qū)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(qū)動工質(zhì)，在熱泵系統(tǒng)內(nèi)以相變熱(汽化潛熱或凝結(jié)熱)形式自低溫熱源帶走熱量并輸送至高溫熱源。驅(qū)動熱泵所消耗的有用能(或功)E全部被轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換的優(yōu)劣，熱泵工作效率可用性能系數(shù)COP(CoefficientofPerformance)或供熱系數(shù)來衡量，COP=Q1/E，則COP=Q1/E=Q2/E+1=ε+1，ε=Q2/E，稱為制冷系數(shù)?？梢奀OP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(shù)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，國內(nèi)、外陸續(xù)在太陽能利用和工業(yè)余熱利用領(lǐng)域開展了固體吸附式熱泵的應(yīng)用性研究，取得了不少較成功的實驗結(jié)果，并開始了初期的商業(yè)化生產(chǎn)。熱泵的設(shè)計中，要依據(jù)余熱資源的實際溫度高低選擇工質(zhì)對，并根據(jù)實際的要求選擇合適的制冷循環(huán)方式。對于電廠循環(huán)冷卻水如此低品位的熱源，選擇工質(zhì)對和制冷循環(huán)方式更是一個首要而艱難的探索過程。

熱泵技術(shù)的日趨成熟和快速發(fā)展，無疑為推廣余熱熱能回收利用提供了可靠的技術(shù)保證。因此，電廠循環(huán)冷卻水余熱利用同樣應(yīng)該重點放在熱泵、熱管這一高效率回收途徑上，并適當兼顧其他綜合利用的形式。電廠循環(huán)冷卻水余熱利用應(yīng)當比污水熱能回收更易實現(xiàn)，因為電廠循環(huán)冷卻水有相對清潔的水質(zhì)，相對穩(wěn)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(qū)動熱泵的中溫、中壓廢熱源。經(jīng)熱泵提升溫度后的循環(huán)冷卻水的熱量，不僅可用于空調(diào)、生活熱水、輕工業(yè)生產(chǎn)(如：干燥、食品加工、紡織業(yè)……)，也可返回電廠回熱系統(tǒng)，加熱給水，提高電廠熱效率。因此，無論從電廠循環(huán)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(jīng)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(shè)中關(guān)于取、排水工程問題難度而言，都應(yīng)該把循環(huán)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(guī)模的環(huán)境問題日趨嚴重的情勢下，以往那種"大量生產(chǎn)、大量流通、大量浪費、大量廢棄"的生產(chǎn)模式己經(jīng)越來越不被人們所接受。因此，應(yīng)切實關(guān)注這一巨大的低溫熱源的資源效益，在"把節(jié)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(xiàn)永續(xù)利用"的方針指導(dǎo)下，樹立開展電廠循環(huán)冷卻水余熱利用的超前理念，設(shè)立專門的組織機構(gòu)，統(tǒng)一規(guī)劃，統(tǒng)一管理。將高技術(shù)含量的回收利用與一般性回用途徑結(jié)合起來。以高技術(shù)為龍頭，因地制宜、因時制宜地開展這一余熱利用的事業(yè)；在宏觀監(jiān)控上，國家應(yīng)出臺鼓勵電廠余熱利用的政策，對于利用余熱進行生產(chǎn)加工的企業(yè)給予優(yōu)先發(fā)展的條件，對其產(chǎn)品銷售給予優(yōu)惠；在技術(shù)研發(fā)上，要研制和開發(fā)低成本高效率、能充分利用電廠自身廢熱能為驅(qū)動能的熱泵機組，以及開發(fā)采用熱管這一熱超導(dǎo)元件的高效換熱裝置。隨著科技的發(fā)展，應(yīng)逐步加大熱泵、熱管高技術(shù)回用技術(shù)在電廠循環(huán)冷卻水余熱利用中的比例。為保障'循環(huán)水余熱利用'研究項目的實施，要建立"產(chǎn)學(xué)研"一體的技術(shù)開發(fā)體系，組織示范工程。

3結(jié)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(huán)境保護及資源循環(huán)利用先導(dǎo)者們面對世界生態(tài)環(huán)境日趨惡劣、可用資源日漸匱乏的嚴酷現(xiàn)實所提出的戰(zhàn)略。污水熱能回用尚且如此，火、核電廠循環(huán)冷卻水所含巨大余熱量的回收利用，在能源節(jié)約及環(huán)境保護上的深深寓意應(yīng)不辨自明。因此，當前問題所在已不是應(yīng)不應(yīng)該開展電廠循環(huán)冷卻水余熱利用的研究，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(huán)冷卻水余熱已有所利用，熱泵技術(shù)已相對成熟，可照搬過來了，而是如何緊密結(jié)合電廠實際情況，提高利用的效益，充分使用電廠生產(chǎn)過程中排放的其它廢熱源，而去研制更適合火、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(yīng)該躊躇于初期階段有可能出現(xiàn)的"投入"微勝、甚至不抵"產(chǎn)出"的暫時局面，確信隨著國家宏觀調(diào)控政策的逐漸完善、世界科技水平的日益發(fā)展，在此項研究的深入進程中，低成本、高產(chǎn)出的效益型電廠循環(huán)水余熱回收利用系統(tǒng)定會實現(xiàn)。因為，如此巨額數(shù)量能源的回用，本身就是資源財富；燃煤及熱排放所造成生態(tài)污染的消除，本身就是巨大效益!

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