核电余热利用的可行性初探

1、1项目目的和意义1.1项目概述1.1.1.核电循环水余热简介 热力发电与循环冷却水:循环冷却水，也称电厂温排水，以蒸汽做为发电工作介质的 燃气、燃煤电厂、核电厂等是这些电厂的工艺冷却用水。这些电厂的发电机都是由蒸汽轮机驱动的。如下图：简单凝汽式发电厂循环系统图锅炉（蒸汽发生器）产生的蒸汽进入汽轮机做功带动发电机发电后，成为乏汽进入凝汽器，乏汽温度在4060 C之间，在凝汽器中将热量传递给循环冷却水后，多成凝结水再回到蒸汽发生 器中进入下一个循环。从图中可以看出，循环冷却水是蒸汽热力 循环中的不可缺少的一部分，它能使热力电厂的工作介质由乏汽 变成水继续循环做功。因此，热力发电厂中，循环冷却水的热

2、量i排放是不可避免的。这是蒸汽热力循环的根本条件。在热力发电 厂中，循环水带走的热量占全部热量的 6065% 一台1000MW勺 常规发煤机组，循环水余热 4113GJ/H，相当于140吨/H标准煤 发热量，而核电机组循环水带走的余热约7433GJ/H，相当于250吨标准煤发热量。由于核电站机组蒸汽参数较低，在同样的发电能力情况下， 所需蒸汽量大，排出的余热是常规电厂循环水冷却热量的1.5倍以上，所需的循环水量，排放区域容量很大，这也是核电站多建 在海边的一个原因。循环冷却水排放对环境影响随着人们对环境保护认识的提高，和国家对环境保护力度的加大，常规火电厂烟气排放已出台了具体的严格标准，如火力

3、 发电厂烟汽排放标准等，但对于电厂循环冷却水所含的巨大热 量弃置于环境可能带来的热污染的危害却很少研究。对常规热力电厂的循环冷却塔，其蒸发散热，会使热量和水 滴进入大气中，使空气局部温度、湿度升高，局部小气候发生改 变。同时，蒸发过程中，宝贵的淡水蒸发，造成水资源浪费。 核电站循环冷却水核电厂，1台100MV机组，蒸汽电力转换系统即二回路热力 系统，接收来自核蒸汽供应系统的蒸汽并通过汽轮发电机组将热 能转换成电能，主要包括主蒸汽供应系统、辅助蒸汽系统、汽水 分离再热系统、凝结水系统、主给水系统、汽轮机抽汽系统、汽 轮机旁路系统、汽轮机厂房闭式循环冷却水系统等利用海水进行 冷却。投产后，循环水带

4、出的热量将达到7433GJ/H全年相当于20万吨标准煤发热量排入周围海域。循环冷却水的设计排水 （温排水）温度在 2030C之间，温升1015C。循环水量一期工 程55M/S，每小时19.8万M，相当于一条河流流量，若排入海 里，与海水和大气进行热交换，使排水区域海水温度上升，涨潮 时，随潮排向远区，落潮时，沿排水射流轴线方向排出1KM以外， 其余热与大气进行热交换，水温降低，少数余热排入外海，随着 核电站运行时间的增加排水局部海域水温升高，形成“热岛”。加速水中生物和藻类生长速度，影响生态平衡。1.2项目的社会经济意义在过去150年内，全球地表温度平均上升了0.6摄氏度，而在未来100年内，

5、全球平均地表温度将升高1.4到5.8摄氏度。造成全球气候变暖的根源在于化石燃料的过度消耗，使温室气体 特别是二氧化碳浓度剧增。若想使大气中二氧化碳浓度保持在目 前水平，全球二氧化碳排放量必须削减60%限制二氧化碳排放的实质就是限制能源消费，这会影响发展中国家的经济发展。为 此，大力发展清洁能源、提高能源利用率的新技术是当务之急。 核电作为不排放二氧化碳的清洁能源，已经成为我国电源结构调 整中积极发展的重点，核电装机容量所占比由现在的1.6%上升到4.5%，让我们看到了减少经济发展对环境影响的希望。然而，任 何蒸汽热能与电能的转换，都必须遵守热力学第一定律和朗肯循 环的原理，核电也不例外。核电站

6、在提供清洁能源的同时， 有65% 以上的热能通过冷源对周围环境散热。如何利用这部分余热服务 于当地经济发展，须从理念、技术、管理、工程各领域内进行一 场深刻的变革和深入的技术研究。我国目前正处在经济加速发展的阶段，能源消耗量日益增 加，同时，节能减排、余热利用、低碳经济也成为当前最热门的 话题之一。国务院组织各省市于 2001年4月28日召开了专门的 节能减排全国会议。6月11日，国家工业信息产业部再次召开了 落实节能减排的专题会议。6月8日，在大连市节能宣传周启动 仪式上，市长李万才对大连市节能减排做了专门的部署，通过节 能减排来转变经济发展模式，是我市当前经济发展的重要内容。当前，我国建筑

7、耗能已经占到国内能源总消耗量的1/4左右，因此，推行建筑节能和寻找新型替代能源具有重要意义。城市建 筑用热属于低端能源消耗，其温度要求较低（约70C）,温差小（约20-30°C）,和自然能源接近。热电、火电、核电循环冷却水 余热，提供了这种利用的可能性。100MW核电机组，每台机组凝汽量为2964吨/小时，通过三回路循环冷却水 （海水）排入海中， 使周围1平方公里的海水温度上升 1 C。如果将这部分余热利用 到经济发展和居民生活，仅冬季采暖季节，每年可节约20万吨标准煤，如果能研究加以利用，节能潜力巨大。1.3项目的技术可行性:由于核电站循环冷却水温度只有 2030C,这么低的品位很

8、 难利用。随着国家节能法等法律法规的实施和环境保护措施 的加大，许多专家、学者都在以循环经济的理念研究提高能源利 用率，其中循环冷却水余热的利用有了很大突破。对小型热电厂，采用降低凝汽真空的办法，使循环冷却水的出口温度（温排水） 达到5065 C直接向周边居民供暖，利用了这部分热量，降低了 电厂的煤耗；对于中大型机组，由于汽轮机技术条件的限制，不 能降低凝汽器真空运行，则采用水源热泵技术，使循环冷却水余 热品位提升高，对周边居民采暖供热。核电厂站三回路循环冷却水出口（温排水）温度设计平均为 23C,核电厂循环冷却水余热，可以利用成熟的热泵技术，从核 电厂排水渠5001000M之间适当位置取温排

9、水，经水泵提升后 进入海水源热泵将热量提出，再把降温后的温排水送入核电机组 循环冷却水的入口，使循环冷却水入口温度降低提高凝汽器的冷 却效果，提高真空，提高常规岛的循环效率。热泵机组可以建在核电厂厂区附近，利用核电厂的发电，减少供电的送出距离，降低电成本和热泵的运行成本。由于热泵机组还具备制冷功能，夏季，核电厂的空调可大幅 减少电空调的用电和对环境的影响。热泵机组将核电站循环冷却水余热提取后，可通过热水管网向周边地区居民采暖，海水养殖，疏菜大棚等供暖，形成一个能 源的梯利用，实现循环利用。日本在核电站循环冷却水余热已成功利用到海水养殖等方 面多年，使核电站循环冷却水余热排放对环境的影响大大缓解

10、， 促进了当地的经济发展。2.项目的基本原理及相关技术内容低温能量转换技术及原理水源热泵是利用低温水为热源，达到向建筑物供冷和供热的 目的，实质上是一种以消耗一部分高质能（机械能、电能或高温 热能等）作为补偿，通过热力循环，把环境介质中贮存的低品位 能量加以发掘、利用的装置，因此它可以充分利用低质能量而节 约高位能量。城市建筑用热属于低端能源消耗，其温度要求较低 （约70C）,温差小（约20-30°C）,和自然能源接近。如下图:按照现有热泵机组参数，这一部分能源消耗完全可以利用热 泵转换工业废热来承担，并且非常符合能源梯级利用的原则。热 泵利用的是可再生能源，从能源利用的角度来讲，利

11、用热泵机组 供暖节约煤炭资源，热效率较高；从环保角度来讲，热泵利用电 能和可再生的自然能源，几乎无污染，属于洁净供热。由于国家 政策鼓励可再生能源的利用，近几年在我国水源热泵市场比较活 跃，目前国内部分厂家经过国际合作已经能够生产出大型热泵机 组，单台机组的供热能力已经达到 18MW，利用大型热泵机组作 为热源对规划区内进集中式冷热联供将成为热泵在我国的发展 方向。海水源热泵技术是利用海水吸收的太阳能形成的低位热能资 源，采用热泵原理，通过少量的电能输入，实现低位热能向高位 热能转移的一种技术。海水源热泵系统就是利用海水作为低位热（冷）源，并通过热 泵机组，加热热媒或冷却冷媒，最终为建筑提供热

12、量或冷量的系 统。核电循环冷却水余热利用设想:通过热泵机组将核电汽轮机排汽冷凝放出的低位热能转化 成较高品位的热能用于冬季供暖。在核电站内建设热泵站，利用 电厂循环冷却水作为热源换热介质，利用热泵加热一级网采暖循 环水供往热力站，在热力站内经二级换热向热用户供暖。热泵站内热泵采取并联运行的方式，电厂循环冷却水有循环 水排水渠距凝汽器500米处引出，采用单管制连接之热泵机组， 供电厂内的冷却循环水由凝汽器经循环水提升泵至热泵蒸发器 侧供水，冷却后由热泵蒸发器侧出水回到冷却水回水母管送至核 电站循环冷却水入口管，形成蒸发器侧闭式循环。热泵冷凝器侧 循环水由外网热力站经供热外网回水母管回到热泵站热网

13、循环 泵入口，升压后进入热泵冷凝器，热一级网侧采用母管制连接。 经加热后由热网供水母管供至外网热力站，形成冷凝器侧的闭式 循环。4. 核电站循环冷却水余热利用存在的问题及建议由于核电站的安全要求和核电站的敏感性，核电站循环冷却水余热利用在国内尚无工程实例。研究开发存在着许多技术问 题，管理问题需进一步进行解决。因此建议项目前期可与核电站 项目业主共同配合，为核电站厂区冬季供热，夏季供冷，全年供 生活热水。作为项目示范，总结经验后在区域推广。温排水取水口和冷却后的温排水排水口，需与核电设计共同研究。5. 本项目国内外发展现状法国电力公社（EDF）在进行核电研究以来，从1976年开始探索冷却水是否

14、可以得到有效利用的课题，最后得到了在农、水产 业方面被利用的可能性会更高一些的这个结论。利用冷却水余热 必须建立在冷却水无偿、水温和水量有保证、即便是停止也不需 要后援储备、设备由供热单位自己承担的这些条件之上。2农业依托于封闭循环的冷却系统将 2040C （最高效温度）温排水， 经济性室内栽培得以实现。特别是对于那些不需要加温设施的蔬 菜、苗木等的栽培温室，这种低温水的利用可以加快植木换茬、 防冻等。水产业在养殖的这个领域里，利用温排水让鱼贝类在最适温度下养 殖，也促进了鱼贝类的生长效率。在产卵期的调整等的辅助设施 上也有了有效利用。其它烟草干燥、木材干燥、温水游泳池等其它领域，也正在研究

15、中。如下表所示：国家核电厂机组MW型式冷却方式温排水利用的内 容法国Chi non919X 4PWR冷却塔建材干燥工厂的 米暖；民间多家 公司，在4.8公 顷的温室内进行 西红柿，花卉的 栽培。Cruas921 X 4PWR冷却塔市政府，教会， 游泳池等采暖； 5.8公顷的温室 西红柿栽培。年 间出产量是 2000 吨。St.lau ren t-D es-Eau x956 X 2PWR冷却塔社区中心、温水 游泳池采暖；0.53公顷的温 室配置一条 30k m的进水管， 用于啬微，疏采 的生产，特别是 蔷薇咼产时年产 量可达35 40 万颗；在日本，核电厂（日本称为原子力发电所）和火力发电的复

16、水器的冷却时依托于海水的。这样，从电厂出来的温排水能够使海水温度上升7摄氏度。由此说来温排水的利用方法， 可是是（1） 利用排出温排水的该块海域的海水温度上升，通过取放水从而利 用海水的搅拌作用或者交换作用进行鱼类的养殖，（2）利用未排进海里的温排水在养殖池内进行鱼的种苗生产或者培育，（3）又或者是作为热源进行温排水的利用等功能。火电发电时关西电力 的宫津能源研究所的利用热源进行温室洋兰，观叶植物的栽培试 验等。6. 项目成熟性和可靠性论述热泵技术的日趋成熟和快速发展， 无疑为推广余热热能回收利 用提供了可靠的技术保证。国家建筑节能水源热泵项目海水源热 泵项目再生水源热泵项目已成功运行多年，为

17、该项目研究提供了 基础。核电厂循环冷却水余热利用应当比海水热能回收效率更高， 经热泵提升温度后的循环冷却水的热量，不仅可用于空调、生活 热水、农业生产、海产品养殖等。7.经济、社会效益分析能源生产和能源消费所引起的环境问题已经成为制约我国 可持续发展的重要问题之一。而未来20年经济翻两番和全面实现小康社会，能源和能源消费所带来的问题同过去20年相比将会更加突出、更加严峻。我国一次能量资源的禀赋特点决定了能源发展以煤为主和 电力工业以燃煤火电为主的格局。而大气质量严重污染的主要原 因正是我国以煤为主的能源结构，况且没有对煤炭利用采取有效 的环保措施。烟尘和二氧化碳排放量的70%二氧化硫的90%氮氧化物的67%来自于燃煤。据环保部门测算 ，减少1吨标煤 的燃烧，便可少排放 CO： 2.48吨、SO： 20kg、烟尘：15kg、灰 渣：260kg，能有效地改善大气及环境质量。因此，利用循环冷 却水余热节约煤炭资源，不仅是资源的节约，更可减少燃煤的负 面环境效应，非常有利于环境保护。随着人民生活水平的提高，城市生活及轻工业生产中对中、 低温热能的消费越来越多，如：许多工业生产过程都需要70110C范围的热能，目前这些热能大都是通过电力或石油、天然 气和煤炭等燃料的燃烧来获得。归根结底，这是降低“燃料”这种非再生能源的高品位能为低品位