关键词:电厂循环冷却水 余热利用 热泵技术 节能 热影响

1． 电厂循环冷却水的巨大余热及其负面热影响
1．1．什么是电厂循环冷却水
    火、核电厂汽轮机有凝汽式（含抽汽凝汽式）和背压式两种，除热电厂的供热机组多用背压式外，绝大多数非供热电厂的汽轮机组是凝汽式机。在我国火、核电厂装机总功率中，大约有86%是非供热机型。汽轮机利用高温高压蒸汽做功的热力循环中必须存在冷端，即蒸汽动力循环中汽温最低的点位。对凝汽式机组，蒸汽经汽轮机全部叶轮做功后，成为乏汽，排至排汽缸，进入汽机冷端----凝汽器。在凝汽器这个非接触式冷却器中，乏汽传热至循环冷却水，释放其凝结潜热后，变成凝结水被重返锅炉。保证汽机冷端功效的是流经凝汽器吸收乏汽凝结潜热的循环冷却水。冷却水有两个来源：一是取自自然水域；二是来自电厂的冷却塔。发电机组不停止运行，循环冷却水（温排水）则一刻不停地将大量余热释放到环境。
1．2．电厂循环冷却水中赋存的余热量十分巨大，弃热对热机生产过程不可避免
    电厂排热量巨大与它的热机生产效率直接相关。一般大型火电厂实际热效率仅为40％，核电不及35％，60％以上热量排到环境（主要是冷却水带走）。对1000MW火电汽轮机组而言，循环冷却水量约35～45m3／s（3×106～4×106 m3／d）、排水温升（即超过环境水域的温度）8～13℃（视季节而变），该温升所赋存的热量约1.2×106～1.9×106kJ/s；按年运行5 000h计，年均3.0～4.8×1013kJ/a，其热量折合标准煤约70～114万t/a。排出的温排水温度，冬季20～35℃；夏季25～45℃（视电厂所处地区而异）。核电机组循环水量是火电机组的1.2～1.5倍，弃热量会更多。2005年全国火电装机总量约3.9亿千瓦［1］，按非供热机组容量占火电总容量86％匡算，相当全年约有3.4亿吨标准煤白白扔到环境中。
    从根本上着手减少乏汽余热，则应从热机的热力循环优化着手。为此，可提高汽轮机新蒸汽的温度和压力，降低排汽压力。如建造超临界或超超临界参数的大型机组；采用二次中间再热循环等提高电厂热效率，减少机组冷端热损失。再者，从电厂的功能配置来改进热力发电厂效率的办法也是行之有效的。如：热电联合生产；热电冷联合生产；燃气蒸汽联合循环机组生产等。这种对能源的梯级利用，可大大提高能源的综合利用率。既利用了能的数量，也利用了能的质量，是符合“总能系统”原则［2］的。但是这些措施的实施不是电厂一厢情愿的事，在建电厂前须做全面的技术经济分析论证、热供需双方切实可行的匹配才可得以保障。这种问题常常是跨行业、跨部门，难于单独解决的，更需要在能源管理体制及总体发展规划上得到切实可行的保障。
    此外，70年代，北方地区一些电厂将部分中、低参数的中、小型凝汽机组（25MW以下）实行低真空运行，用排汽加热循环冷却水作为热网供暖的热水或作为热网一级加热器来利用乏汽余热。降低排汽缸真空，提高乏汽温度的办法对小型机组和少数中型机组尚可行，但也必须在严格的变工况运行计算后，对排汽缸结构、轴向推力的改变，轴封漏汽，末级叶轮的改造等等方面做严格校核和一定改动。这种办法对现代大型机组则是完全不允许的！
    无论如何，从热机蒸汽动力循环可实现性的根本条件来看，冷端决不可缺失。由于冷端冷却水温度不可能低于当地环境水温，因此，循环冷却水的排水温度一定高于环境水温8～13℃。这一损失热量对热机生产过程不可避免，只有通过其它途径加以利用，以期尽可能地回收。如此，既可提高热机综合热效率、降低电厂煤耗，同时又使环境的热影响降低。
1.3 循环冷却水余热对生态环境及电厂自身的负面热影响
   一般来说，人们对电厂环境影响的认识，多注意其火电厂排烟对大气环境的污染，即随烟气向大气中排放的大量二氧化硫、烟尘和氮氧化物等污染物，对大气环境的严重污染；核电厂的低放射性污水排放对水环境的污染等等问题。因此，在电厂环境污染治理中一贯十分注重电厂烟气的除尘、脱硫，燃煤的洁净处理，以及严格控制核素的排污标准，对循环冷却水所含巨大热量弃置于环境可能带来的负面热影响，甚至热污染的危害却容易视而不见。
    火、核电厂循环冷却水对环境的热影响随循环冷却水的冷却形式而有不同。
    对冷却塔而言，出塔的热羽流携带大量热量和微小水滴进入大气环境，会使当地空气温度、湿度升高。电厂长期运行，失散的热量和水滴会对局部小气候的温、湿度 产生影响。
    对水面冷却而言，温排水对局部受纳水域的水质产生影响：主要表现在水温、溶解氧等指标的变化；对水生生物产生影响：主要表现在恶化藻类、鱼类等的生存条件；对水域富营养化程度产生影响：主要表现在水温升高可能加剧水中富营养化藻种的生长、溶解氧下降。虽然其影响多为潜在的、累积的。但其危害更多和更主要的是从根本上、整体上改变水生态系统的结构和功能。温排水废热对水环境的影响较大时，可造成严重的热污染。1978年夏季，望亭发电厂的温排水排入望虞河使水温高达40℃以上。造成渔业损失73t，三水作物损失1.8万t，蚌珠损失4.4万只。装机容量大的电站，有时还会引起大范围水域内生物的消失。例如，美国佛罗里达州的比斯坎湾，一座核电站排放的温排水使附近水域水温增加了8℃，造成1.5km海域内水生物消失［3］。
一座现代热力发电厂的装机容量多在2 000～6 000MW，排出的冷却水量相当于3个至9个北京市排污水量（250万m3/d）。如此巨量的热负荷是一般小水域无法承受的。即使对大江、大河、海湾等大水域也需精心研究、设计冷却水排、取水口的布局，才可使电厂排热在环境中造成的热影响减到最小。
    除对生态环境的负面影响外，循环冷却水的温排水对电厂自身的负面影响也不可轻视。
    近年来火、核电厂建设规模、数量突飞猛进。电厂建设周期缩短、容量加大、密集度增高，同一大水域中共存数座大型电厂的现象已不鲜见，局部水域内蓄热量随之增大，水域本底水温可能升高。对于已投运电厂，夏季遇到极端气候情况时，汽机或热效下降、或排汽缸真空降到规定值时，机组不得不减负荷运行；国内、外有些电厂为使排水温度不致违反规定，在直流循环冷却的基础上，不惜再动用冷却塔，使冷却水先流经冷却塔再排至厂外自然水域。可见，电厂循环冷却水弃热已成为电力建设、环境保护中一个棘手的问题。
    随着环境保护要求的提高，温排水对自然水域造成的温升强度和范围都将被严格的法规、标准限制。虽然目前我国“地表水环境质量标准”以及“海水质量标准”中，对温水排放的要求尚未有混合区影响范围尺度的具体限制，但在影响强度上已规定了人为造成的环境水温升幅度。2006年2月国家环保总局环境工程评估中心在北京召开了《电厂温排水环境影响专题研讨会》，对电厂温排水排放明确指出：为使“经济发展与环境保护双赢并满足环评审批要求，建议应尽快对相关法规、标准的有关内容进行修订或给予解释”。不容置疑：针对电厂循环冷却水排放的限制标准很快会出台，电厂循环水温排放将受到更严格的约束。
    近20余年来火电装机容量有了高速发展，容量如此迅速地增长，其排放的废热量亦将随之猛增，必定对环境产生累积的、持久的负面影响。伴随电力的发展，温排水的热影响已越来越成为不可忽视的环境问题。

2．火、核电厂循环冷却水余热利用
2.1．电厂循环冷却水余热利用的途径
    1999年中国水利水电科学院与国家电力公司环保办公室一起完成了“火电厂余热综合利用研究评价---全国火电厂余热利用情况调查报告” ［4］。研究指出：限于电厂余热温度在50℃以下，属于低品位热能，直接利用范围狭窄。目前，国内开展其余热利用的电厂很少，仅占火电厂总数的16%。其中，87%的电厂主要利用方式是水产品养殖，其利用量极少，且效率十分低下。因此，建议组织人力，并有一定的投入，集中重点方向开展高效率余热利用技术的研究、实验和试点工作。即对热泵、热管这种技术含量高并已相当成熟的技术如何在电厂循环水余热利用中有效采用，组织攻关，建立示范工程，推广技术应用。
    我国从事环境保护的学者和有识之士，将城市污水视为城市可再利用的资源时，己不再停留在污水回用（中水利用）这一层面上，而是进一步开发城市污水的废热能回收及污泥利用，实现了城市污水三位一体的成套体系型污水资源化战略［5］。城市污水的废热能回收利用，为电厂循环冷却水余热利用的必要性和迫切性提供了理论和技术支持。城市污水热能回收利用的实施途径、可行性分析、回收利用系统的评价指标及运行状况分析等，对火、核电厂循环冷却水余热利用的研究和实施都极具借鉴价值。城市污水热能回收利用的途径正是以热泵回收低品位能源为其理论基础。
    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。因此，电厂循环冷却水余热利用同样应该重点放在热泵、热管这一高效率回收利用途径上，并适当兼顾其他综合利用的形式。在热泵的设计中，要依据余热资源的实际温度高低筛选工质对，并根据实际的要求选择合适的制冷循环方式。对于电厂循环冷却水如此低品位的热源，选择工质对和制冷循环方式更是一个首要而艰难的探索过程。
    电厂循环冷却水作为水源热泵的低温热源应当比城市污水、河水、海水以及地下水更为优越。由于电厂循环冷却水有相对清洁的水质，相对稳定的流量和较高的温度，热泵采热设备便可相对简单，且能效系数（COP）可保持较高水平。电厂又有充沛、廉价的电力、热力，尤其有可驱动热泵的中温、中压废热源。经热泵提升温度后的循环冷却水的热量，不仅可用于冷热空调、生活热水、轻工业生产（如：干燥、食品加工、纺织业……），也可返回电厂回热系统，加热给水，提高电厂热效率。此外，对冷却塔冷却的机组，既可减轻冷却塔的负荷，还因热泵采热后，循环冷却水降低了温度，使凝汽器真空上升，机组效率得以提高。因此，无论从电厂循环冷却水所蕴含的巨大热量可作为城市低温热能资源加以再利用，还是从保证电厂安全经济运行、节能提效；或是从降低冷却水排放的热影响，进而一定程度降低电厂建设中关于取、排水工程问题难度而言，都应该切实关注循环冷却水热能回收利用研究事业，使电厂循环水余热高效利用实用化、规范化、规模化。
2.2. 电厂循环冷却水余热利用的关键问题
    电厂循环冷却水余热利用的最有效途径是利用热泵、热管技术将其低品位余热提升并尽可能用于轻工业生产过程、采暖，甚至回馈电厂热力系统。尽管循环水余热温度甚低（≤45℃），现代热泵技术将其温度提升至60～90℃，甚至更高一些温度还是完全可行的。
    虽然现代热泵技术较为成熟，商品化的热泵机型种类己名目繁多，但完全适应电厂循环冷却水余热回收利用的热泵机组以及回用途径的优选仍待研究解决。一般而言，高效回收利用中的关键技术问题应是：
1. 寻求适应电厂的低成本、高效率的热泵机组；
2. 提升后的热量如何有效利用；
上述问题的提出是针对以下情况：
1. 寻求能充分利用热力发电厂废弃热或汽轮机低压抽汽热为驱动源的高效低成本热泵。
    自上世纪七十年代以来，热泵技术已有了飞速发展，进入实用的种类有三、四种之多。广泛采用的有蒸汽压缩式热泵、吸收式热泵。吸附式热泵虽尚未进入工业实用，但在工业余热利用的研发中己显示出优势。压缩式热泵的压缩机多以电能驱动，电能属高品位能源，使用厂用电驱动热泵来获取余热能的利用，其运行成本并不经济；吸收式热泵以热能驱动，如果使用燃料燃烧的热能，则也是消耗高品位能源来获取余热能的利用，同样应考虑成本合算与否。而工业生产过程中产生的中温、中压余（废）热等应该是最理想的热泵驱动能，既避免了高级资源的浪费，还能充分利用废弃能量。电力生产过程中就不乏废热的排放，如锅炉二次排污扩容蒸汽可用以作为吸收式、吸附式热泵的驱动源。一般而言，以化学除盐水为补给水的凝汽式发电厂，锅炉连续排污量约为锅炉额定蒸发量的1%；对于供热式发电厂则高达5%。发电厂中均设置有连续排污利用系统，它将排污的质量和热量导入热力系统中的回热系统，属“废热”利用。电厂设计一般采用排污扩容器对部分排污热量与工质进行回收。但在实际应用中，由于运行和技术原因，连续排污扩容器蒸汽压力与液位波动很大，且不易控制，难以将闪蒸出的蒸汽可靠回收到热力系统。很多电厂虽设置了排污回收系统，由于应用困难，大多弃之不用，而将闪蒸蒸汽排到大气中或把高温高压排污水直接排到地沟，造成严重的热量浪费和环境污染［6］。即便是回用，充其量也就是将排污汽本身利用起来，况且扩容蒸发后剩余的高于100℃的排污水还未充分利用。此外，热力系统中还有较大的疏水系统、汽轮机轴封漏汽系统等；此外，机组抽汽还可用做热泵驱动能，经热泵提升低温热源热能后，比直接使用抽汽效率要高。
    电厂生产流程中产生的废热以及做功能力较低的低压抽汽为热泵的驱动能提供了充足的源泉。充分利用热力发电厂的优越条件，开发针对性更强的低价、高效热泵机型（工质循环方式、工质选择）是这一研究的核心；利用这些驱动热源的可行性及热经济性，是研究的重点问题之一。
2. 提升温度后循环水余热的有效利用。
    热泵产生的热量如何利用，是关系到循环水余热利用实用价值的根本问题。一般来说热电厂供热是依托于供热管网，热电厂建设时期热管网应已配套形成。热泵提升热量如需借用城市供热管网，则必须符合供热网的技术要求。通常水热网供水温度为150℃，热泵提升循环水余热后的温度难于达到，不可利用现成管网；况且热电厂的供热机组并非循环冷却水余热利用的主体机型，而占热力发电机组86%以上的非供热机组才是循环冷却水余热利用的主体。对主体机型，为循环水余热利用而单铺设供热管网（除电厂厂区内和厂址附近区域短距离供热之外）似乎不大可能。
    当夏季无需供热季节，若将热泵转作制冷循环运行，则循环水余热不可再利用。这一点有别于“城市污水热能回收利用”或一般水源（如河水、海水、地下水）热泵的运行模式。即冬季将污水或一般水源作为制热循环中的低温热源（热量被热泵抽出，污水或河水等降温）；夏季则作为制冷循环中工质凝结放热工序中的冷却水（接纳弃热，污水或河水等升温）。因为除吸收凝汽器乏汽凝结热外，不允许额外增加电厂循环冷却水的温升，否则将提升电厂循环冷却水排水温度，加大排、取水工程、冷却塔负荷等问题及环境热影响问题的处理难度。
    最为理想的利用途径是：提升温度后的余热量尽可能在电厂附近区域的工业生产过程及冬季采暖中利用；将提升温度后的热量用于海水淡化的低温闪蒸工艺过程，替代直接使用抽汽，更经济地实现电厂的水电联产。另一更值得注意的途径是回馈至电厂自身的热力循环，以提高热机热经济性，即所谓的“热泵回热循环系统”。
    提高蒸汽动力循环的根本途径之一是提高工质吸热过程的平均温度。除提高蒸汽初参数以提高蒸汽吸热过程平均温度；降低蒸汽终参数以降低放热过程平均温度外，更有效的方法是改进吸热过程［7］。在蒸汽动力循环的吸热过程中，水的预热至沸腾是整个吸热过程（沸腾、汽化、过热）中温度最低的环节。若对此予以改进，即可大大提高整个吸热过程的平均温度，给水回热系统即是对此而设的。现代火电厂的汽轮机组都无例外地采用给水回热加热，回热系统对机组和电厂的热经济性起着决定性的作用。
    汽轮机乏汽自凝汽器中冷却成凝结水后，集于凝汽器集水井中，待凝结水泵输送至给水回热系统的第一级低压加热器。此处凝结水温约为汽机排汽缸汽压下（汽机背压）的饱和温度。汽轮机在背压为95%真空度（0.05大气压）运行时，其凝结水饱和温度约33℃。热泵将循环冷却水热量提升至50、60℃，可以回热至凝结水，提高给水吸热过程的平均温度，并减少低压抽汽用于回热系统的汽量。
    热泵驱动热源的选择及余热提升温度后的热量回馈电厂热力系统这两大环节都楔入了电厂的热力系统，可能干扰业已优化了的系统及其热经济性。因此，电厂循环水余热利用不应是现有产业化的热泵技术的简单移植，而必定要把现代先进的热泵技术（包括尚处于研发阶段的技术）和热力发电厂的实情紧密联系一起，寻求余热利用量最大化和电厂投资、运行经济最优化的有机统一。
2．3利用电厂冷却水余热的意义
    上文已谈到，循环冷却水余热量所占到的电厂燃煤热量的巨大比例。回收这部分热能对于节约能源和煤炭资源的竭尽利用无疑是意义重大的。大力开展能源节约与资源综合利用，更是企业降低成本，提高效益，增强竞争力的必然选择。
    发电厂是高耗能行业之一，回收余热，正是实现废热能‘减量化、再利用、资源化’的实际行动，不仅可使电厂发电煤耗下降，把能源用到最精，而且使之环境影响代价最小。
    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。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。大气质量严重污染的主要原因正是我国以化石燃料为主的能源结构，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［8］，减少1t标准煤的燃烧，便可少排放CO2 ：440kg、SO2 ：20kg、烟尘：15kg、灰渣：260kg，能有效地改善大气及环境质量。
    直接燃烧化石燃料是降低“燃料”这种高品位非再生能源为低品位能的使用，属不合理的能源分配。它使目前我国能源综合利用率不超过40%，极大地浪费了资源。利用热泵、热管技术将低品位的电厂余热提高品位向这些工业过程供热，将会节约大量的燃料，提高能源综合利用率，也可实现电厂燃煤热能、核能的“循环使用”。利用循环冷却水余热，使排放到大气、水域中的热量降低，可避免上文中一再提及的热影响，甚至热污染发生，这无疑是电厂对周围生态环境保护的极大贡献。
    “能源节约与资源综合利用规划”确定的重点发展技术之一便是发电厂的多联供技术。即重点发展热电联产、集中供热及热能梯级利用技术，推广热电冷联供和热电煤气三联供等多联供技术。循环水余热利用正体现了这一热能梯级利用、热电冷联供的节能技术思路；符合能源节约与资源综合利用“规划”确定的重点发展技术范畴。
3.结 语
    在当今全球规模的环境问题日趋严重的情势下，以往那种“大量生产、大量流通、大量浪费、大量废弃”的生产模式己经越来越不被人们所接受。因此，应切实关注电厂循环冷却水这一巨大低温热源的资源效益，在“把节约放在首位，依法保护和合理使用资源，提高资源利用率，实现永续利用”的方针指导下，以高技术为龙头，因地制宜、因时制宜地开展这一高效余热利用的事业；在宏观监控上，国家应出台鼓励电厂余热利用的政策；在技术研发上，要注重低成本高效率、能充分利用电厂自身废热能和中、低压抽汽为驱动能的循环冷却水水源热泵机组，以及开发采用热管这一热超导元件的高效换热装置。随着科技的发展，应逐步加大热泵、热管高技术回用技术在电厂循环冷却水余热利用中的比例，建立“产学研”一体的技术开发体系，组织示范工程, 使电厂循环水余热高效利用实用化、规范化、规模化。
    核电厂循环冷却水所含巨大余热量的回收利用，在能源节约及环境保护上的深深寓意已十分明确。因此，当前问题所在是如何紧密结合电厂实际情况，提高利用的效益，充分使用电厂生产过程中排放的其它废热源，研制更适合火、核电厂回收低品位热能的高效廉价的热泵和热管换热器。技术攻坚过程之初期难免出现“投入”微胜、甚至不抵“产出” 的暂时局面，确信：随着国家宏观调控政策的逐渐完善、科技水平的日益发展，低成本、高产出的效益型电厂循环水水源热泵及其回收回用系统定会实现。因为，回收回用如此巨额数量的能量，既是节能增效，又可明显减轻工业和生活中使用化石燃料及电厂热排放对生态环境的污染！

参考文献
1. 中国电力企业联合会，中国电力行业年度发展报告2006，2006年9月。
2. 孙思召编，企业节约能源技术，国防工业出版社，1984年。
3. 金岚 李平衡等，水域热影响概论，北京高等教育出版社，1993年。
4. 刘兰芬，贺益英，潘荔，火电厂余热综合利用研究评价---全国火电厂余热利用情况调查报告，国电公司环保办公室 中国水利水电科学院电力环评中心，1999年。
5. 尹军等编著，城市污水的资源再生及热能回收利用，化学工业出版社 环境与工程出版社，2003年。
6. 李中华 王如竹等，固体吸附式空调/热泵在火电厂中的应用研究，热力发电厂，2001年3期。
7. 郑体宽，热力发电厂，中国电力出版社，2001年3月。
8. 胡秀莲，热电联产技术(CHP)概况，国家计委能源所研究员 2002年。