核电厂温排水余热利用方案设计的方法学研究Word下载.docx
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再结合具体的核电厂址特性，通过对候选利用途径的比较和排列优劣次序，选出最终的优选利用途径。
温排水余热优选利用途径确定过程见图1。
后面的生态设计将针对最终选定的“优选利用途径”展开。
被否定的利用途径
图1
温排水余热优选利用途径确定过程示意图
2温排水余热的潜在利用途径及其可行性分析
2.1温排水余热的潜在利用途径分析
据调研，电站温排水余热的潜在利用途径主要包括以下几个方面：
（1）农业利用
农业利用项目包括室外土壤增温、灌溉、温室加热和制冷、农作物干燥、家畜粪便处理以及家畜庇护场所的环境温度调节等。
（2）水产养殖业利用
水产养殖包括各种海产品及淡水生物的养殖。
（3）工业及居所供暖等余热利用工程
通过利用热泵技术，可以提高循环冷却水的热品位，提升其利用价值。
需要77~110℃之间的热能的工业过程主要有：
工业空间供热；
食品加工、洗涤、去皮、消毒和清洁等行业；
金属去污和处理；
石油化学工业和食品工业的蒸馏作用；
谷物、木材及各类海产品或水产品干燥，等等。
通过调研及多方面了解相关信息，列出各种可能的利用途径，并根据这些利用途径的特点进行分析和筛选，拟考虑的因素见表1。
表1
温排水余热利用途径筛选表
用途描述
（1）利用途径/工艺过程需要的温度
（2）利用途径/工艺过程的余热利用量
（3）利用的时段/周期
（4）对水质的要求
pH
DO
BOD5
COD
电导率
NH3-N
其它
（5）对土地资源的要求
占地面积
土壤质量
与热源的邻近程度
（6）关于投资
投资额度
产品的市场敏感性
（7）技术要求（技术是否成熟）
（8）与当地产业规划、产业政策的一致性
（9）是否造成严重的二次污染
（10）余热利用量占工艺过程总能耗的比例*
*：
电站余热利用的经济性主要取决于余热的利用率，一般来说，余热利用率与经济效益成正比。
如果热用户对低温余热的利用量占其工艺过程总能耗的比例甚微，则不如将这部分余热尽量在厂内回收利用，其经济性与输出废热的经济性相当，对大型工业用户（如石油精炼、化工产业等）尤其如此。
2.2温排水余热利用途径的可行性分析
国内、外（火电厂或核电厂）温排水余热利用的实践表明，在电厂附近建温室、大棚等的农业利用方式以及水产品/海产品养殖利用方式确实有良好的经济效益。
利用温排水这种免费余热替代通过燃烧昂贵的不可再生的化石燃料获取热量，其经济上的可行性是毋庸置疑的。
因此，本节主要从各种潜在的余热利用途径的实施对核电厂温排水热污染控制的可行性角度进行分析。
温排水余热的利用量越多，对核电厂温排水的热污染控制就越有利，这一点是显而易见的。
因此，需要关注各种利用途径的余热利用量。
如果能够在核电站附近建一个规模较大的温室或者水产养殖场，即将这些余热利用设施看作核电厂温排水的冷却设施，来代替建冷却塔或其他的闭式循环冷却方式，充分利用全部或大部分的温排水余热量，则不存在温排水对受纳水体的生态影响问题，产生巨大环境效益的同时，也会相应地产生巨大的经济效益。
然而，有文献指出，若使核电站排出的全部大量废热得到稀释扩散，将需要一个极大的温室。
例如，位于亚拉巴马州的BrownsFerry核电站，在满功率运行时，温排水的流量为113.4m3/s，据TVA（密西西比河流域管理委员会）利用BrownsFerry的水温进行的模拟试点研究，如此大量的废热，可以满足冬季1200ha的温室供热需求。
在夏季，将需要建3600ha的温室用来消散这部分热量。
这个面积几乎等同于全美国的温室面积（1978）。
而实践中，温室的面积一般仅为几至几十公顷（4~40ha）。
因此，仍有相当大量的热量没有得到利用。
总体的能量利用效率并不高。
以BrownsFerry核电站建一座40ha的温室计算，也仅利用了3.3%（=40/1200×
100%）的温排水余热，加上转换为电能的那部分有效利用的能量，系统总能量利用效率为35.5%（系统总能量利用效率ηt=33.3%+3.3%×
66.7%=35.5%）。
因此，采用单一的余热温室农业利用方式，总体的能量利用效率并不高，对水产养殖业也是如此。
美国EPRI“热电联产的技术和经济评价”报告（2003）指出：
“一般来说，普通电站系统的能量利用效率平均值在33%左右。
但设在商业和工业区的热电联产（CombinedHeatandPower，CHP）技术，通过对废热的回收再利用，可将总的能量利用效率提升至85%。
”但这里倡导的小型热电联产的技术路线并不适合核电产业，尤其是考虑到核电选址需要避开人口集中区。
综上所述，尽管水产养殖和农业利用（温室、大棚等）确实有明显的经济效益，但其余热利用量较小，仅占电厂温排水总余热量的极小一部分。
而区域供暖和工业利用等的热量需求大，能够利用电厂大部分的余热。
所以从热污染控制的角度来看，温排水余热的工业利用及区域供暖等环境效益和经济效益更好。
因此，在进行余热利用方案设计时，应优先考虑这一类利用途径。
以便于在获得经济效益的同时，达到热污染防治的目的，从而获取更大的环境效益。
3温排水余热利用方案的生态设计
生态设计是将经济、社会、环境融合到一起的过程，生态设计并不是要完全地改变每个行业所特有的设计模式、设计方法、设计经验，而是要结合各个行业自身特点注入生态的理念和思想。
尽管长期以来很多人一直希望能够建立适合于各个领域、各个专业的生态设计框架，但由于生态设计涉及各个领域，各个行业，不可能存在全面适用的技术框架。
因此，核电站温排水余热利用的生态设计过程是结合具体厂址区域的经济、社会和环境特征，以及核电站温排水的物理化学性质，在现有利用实践的基础上进行设计，并根据技术可达性，进行不断修改和完善的过程。
美国学者Bread（1973）提出了综合利用大型发电厂温排水余热的方法（理论模型，如图2所示），它是根据生态工程原理设计的温排水余热综合利用的方案，它打破了以往“单一利用为主”的余热利用方式，使整个系统在利用过程中做到了尽量不增加或少增加环境负担，使系统中的废物资源化，同时避免引入生产环节产生二次污染，在各环节间建立了良好的共生关系，是一种值得我们借鉴的利用模式。
余热利用需要对照具体的核电厂址环境条件以及厂址所在区域的产业规划等，需要参考该厂址的各种辅助设施设计情况，进行利用途径的甄别和筛选。
通过对余热的潜在利用途径及其可行性分析来看，这种偏生态农业类型的余热利用工程，尽管都有一定的经济效益，但从热污染控制的角度来看，其效用并不高，仍然需要排放大量温排水的核电厂配套建设冷却塔或采取其他闭式冷却方式。
因此，应该优先考虑余热利用量较大的工业途径作为“优选利用途径”。
必要时，利用热泵技术提升余热品位，拓展应用领域，提升其使用价值。
图2
电厂余热综合利用的生态工程体系
目前，我国在生态设计理念指导下的各类生态工业园的规划、设计和建设工作正方兴未艾。
为了指导国家生态工业示范园区建设规划编制工作，国家环境保护总局于2007年12月20日发布了《生态工业园区建设规划编制指南》（HJ/T409-2007）（以下简称《指南》）。
该《指南》将生态工业园定义为：
“依据清洁生产要求、循环经济理念和工业生态学原理而设计建立的一种新型工业园区。
它通过物质流或能量流传递等方式把不同工厂或企业连接起来，形成共享资源和互换副产品的产业共生组合，使一家工厂的废弃物或副产品成为另一家工厂的原料或能源，模拟自然生态系统，在产业系统中建立“生产者—消费者—分解者”的循环途径，寻求物质闭环循环、能量多级利用和废物产生最小化。
”同时，《指南》根据园区的产业和行业结构特点，将生态工业园区分为行业类生态工业园区、综合类生态工业园区和静脉产业类生态工业园区三种类型。
核电厂温排水余热利用生态设计的最终成果形式就是建立一个以核电厂及其最终选定的“优选利用途径”为核心，以利用温排水余热、保护环境为目的，运用先进的技术，通过物质和能量的集成，在更多同类的热用户和相关热用户间建立共生关系，在有限的空间内实现温排水余热的最大利用率，同时实现各个热用户产生的二次废物的再利用和资源化的生态（工业）园。
按《指南》中对各类生态工业园的定义，它应该是一种以利用温排水余热为主要目的的静脉产业类生态（工业）园，同时也是以核电厂及“优选利用途径”为核心的行业类生态（工业）园。
因此，可借鉴《行业类生态工业园区标准》（试行）（HJ/T273-2006）和《静脉产业类生态工业园区标准》（试行）（HJ/T275-2006）中对相应类型生态工业园区的建设、管理和验收的指标体系，建立温排水余热综合利用方案的评价指标体系。
4余热利用的生态设计方案的评价指标
温排水余热的利用量越多，对核电厂温排水的热污染控制就越有利，同时也意味着更大的经济效益、生态环境效益和社会效益。
因此，核电厂余热综合利用方案评价的主要依据是温排水余热的总利用率以及相应类型生态工业园区的建设、管理和验收的指标体系（见表3）。
表3
温排水余热利用方案的评价指标
项目
序号
指标
单位
指标值或要求
资源循环
与利用
1
温排水余热的总利用率
%
能达到控制热污染目的的利用率水平（每个具体厂址的底线值可能不同）
2
单位产值的综合能耗
t标煤/万元
达到同行业国际
先进水平
3
单位产值的新鲜水耗
m3/万元
4
水资源重复利用率
5
固体废物的综合利用率
二次污染
控制
6
单位产值的废水产生量
t/万元
≤7[*]
7
各利用环节的污染物
排放达标率
100%
8
废物收集系统
--
具备
9
废物集中处理处置设施
其他
10
与当地产业发展规划的一致性
符合相关要求
11
与当地环境保护规划的一致性
12
与当地土地利用规划的一致性
[*]：
参考《静脉产业类生态工业园区标准》（试行）（HJ/T275-2006）中对该指标的取值。
5小结
（1）温排水余热利用的方案设计过程可分为“优选利用途径”的确定和结合生态设计理念、围绕“优选利用途径”、完成余热综合利用方案设计两大部分：
关于“优选利用途径”的确定：
通过较为广泛的初步调研确定余热的可能利用途径，然后对这些可能利用途径的分析，筛选出候选利用途径，结合具体厂址特性，对候选利用途径进行比较，排列优劣次序，选出最终的优选利用途径。
关于余热利用的生态设计：
阐述了生态设计的概念、相关原理及温排水余热综合利用工程与生态设计的结合点，并将温排水余热利用生态设计的最终成果形式与《生态工业园区建设规划编制指南》（HJ/T409-2007）中定义的三类生态工业园进行了类比，温排水余热利用生态设计的最终成果形式应当是建立一个以核电厂及其最终选定的“优选利用途径”为核心，以利用温排水余热、保护环境为目的，运用先进的技术，通过物质和能量的集成，在更多同类热用户和相关热用户间建立共生关系，在有限的空间内实现温排水余热的最大利用率，同时按《指南》中对各类生态工业园的定义，它应该是一种以利用温排水余热为主要目的的静脉产业类生态（工业）园，或以核电厂及“优选利用途径”为核心的行业类生态（工业）园。
（2）借鉴《静脉产业类生态工业园区标准》（试行）（HJ/T275-2006）和《行业类生态工业园区标准》（试行）（HJ/T273-2006）中对相应类型生态工业园区的建设、管理和验收的指标体系，并根据本文对电厂余热利用的生态设计成果形式和设计目标的定位，建立了温排水余热综合利用方案的评价指标。
其中，“温排水余热的总利用率”是评价余热综合利用方案优劣的最重要指标，对该指标值的要求是：
能达到控制热污染目的的利用率水平（对每个具体厂址的利用率底线值不同）。
主要参考文献：
[1]金岚，李平衡，刘伟等.水域热影响概论[M].北京：
高等教育出版社，1993.
[2]连培生.原子能工业[M].北京：
原子能出版社，2002.5
[3]贺益英.对大水域电厂群温排水环境热影响研究的认识[J].水利水电科技进展，2008，2
（4）：
27-29，94.
[4]殷名称.鱼类生态学[M].中国农业出版社，1993.
[5]沈国英等.海洋生态学[M].北京：
科学出版社，2002.
[6]刘安生.火电厂循环水的热排放与水环境[J].电力环境保护，1992，8
（2）：
30-32.
[7]盛连喜，孙刚.电厂热排水对水生生态系统的影响[J].农业环境保护，2000，19（6）：
330-33.
[8]S.E.Beall,Jr.,WasteHeatUsesCutThermalPollution[J],MechanicalEngineering,1971,（7）:
15-19
[9]贺益英.关于火、核电厂循环冷却水余热利用问题[J].中国水利水电科学院学报，2004，2（4）：
315-320.
[10]贺益英，赵懿珺.电厂循环冷却水余热高效利用的关键问题[J].能源与环境2007（6）：
27-29.
[11]环境保护部核与辐射安全中心.核动力厂温排水环境影响审评原则讨论会会议资料[C]，2008.
[12]MitchellOlszewski（ORNL）.Useofwasteheatfromnuclearpowerplants[C].DOEEnvironmental
ControlSymposium,Washington,D.C.November14-16,1978.CONF-781109-4
[13]RogerE.Garrett.Usesofwarmedwaterinagriculture[R].UniversityofCaliforniaDepartmentofAgriculturalEngineering,DavisCalifornia.November,1978.UCRL13930
[14]SimonWeseen,TheEconomicsofWasteHeatUtilizationinGreenhouses[R].CSALEOccasionalPaper#12.
[15]Tsai,Y.H.Managementofwasteheatatnuclearpowerplant:
Itspotentialimpactonthe
environmentanditspossibleeconomicuse[R].ArgonneNationalLab.,IL
[16]Meekhof,R.L.,andL.J.Connor.1975.EconomicsofWasteHeatUtilizationfromPowerPlantsinAgricultureandAquaculture.ASAEPaperNo.75-3528,St.Joseph,MI.
[17]Shapiro,H.N.,andW.L.Roller.1975.FeasibilityofSoilWarmingwithPowerPlantWasteHeat.ASAEPaperNo.75-3542,St.Joseph,MI.
[18]L.BarryGossandLilabethScott.TVA/EPRIWorkshoponFactorsAffectingPowerPlantWasteHeatUtilization[G],Atlanta,1978
[19]中国水利水电科学研究院及国家电力公司环保办.火电厂余热综合利用研究评价——全国火电厂余热利用调查报告[R],1999
[20]SubrataSenguptaandSamuelS.Lee.WasteHeatUtilizationandManagement[G].HemispherePublishingCorporation,1981
[21]汪毅.生态设计理论与实践[D],同济大学,2006
[22]HJ/T409-2007生态工业园区建设规划编制指南[S]，国家环境保护总局发布，2007
[23]HJ/T273-2006行业类生态工业园区标准（试行）[S]，国家环境保护总局发布，2006
[24]HJ/T274-2006综合类生态工业园区标准（试行）[S]，国家环境保护总局发布，2006
[25]HJ/T275-2006静脉产业类生态工业园区标准（试行）[S]，国家环境保护总局发布，
2006
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