吸收式热泵利用吸收式热泵系统回收火电厂余热（上）

李永志

吸收式热泵利用吸收式热泵系统回收火电厂余热（上）
1.1什么是电厂循环冷却水。
火、核电厂汽轮发电机组有凝汽式(含抽汽凝汽式)和背压式两种，除热电厂的背压式供热机组外，绝大多数汽轮机组是凝汽式机。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，乏汽温度25～45℃。在凝汽器这个非接触式冷却器中，乏汽经管壁传热至循环冷却水，释放凝结潜热，变成凝结水后被重返锅炉。凝汽式机组的主要热损失是冷端损失，所失掉的热量超过了汽机用于做功的热能。因排汽凝结所造成的单位蒸汽流量的热损失(一般为2303kJ/kg[1]。如：对600MW机组，蒸汽量2000t/h，凝汽失热约4.6×109kJ/h，折合标准煤157t/h)对热机生产过程是不可避免的。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：一是取至自然水域；二是来自电厂的冷却塔。吸收乏汽余热的冷却水排放至江、河、湖、海等自然水域，经与环境水体的掺混和对大气的散热，将大量的余热弃置水域(排水问题)，自身得以冷却；发电厂再自水域中尽可能少受该余热影响的水区抽取新的、低温循环冷却水(取水问题)，以保障凝汽器的冷却效果，这即是所谓的"水面冷却"，或称"一次循环冷却"问题。如电厂所处地域水源匮乏，则必须采用冷却塔来冷却循环水，冷却水携带的余热经冷却塔释放到大气，冷却后的循环水再送入凝汽器冷却乏汽，这是所谓的"冷却塔冷却"，或称"二次循环冷却"问题。发电机组不停止运行，循环冷却水则一刻不停地将大量余热弃置于环境，自然造成了能源的浪费和明显的环境热影响。
电厂冷却水研究专业即致力于火、核电厂循环冷却水的"水面冷却"和"冷却塔冷却"。其研究宗旨：一是如何将循环冷却水中携带的废热弃于环境又不致引起环境热影响超标；二是如何抽取到更低温的冷却水，以提高冷却效果。围绕这两个中心议题，需采用数值模拟计算和物理模型试验等研究手段来预报电厂投产后的取水水温、温排水在环境水域中的输移规律其及环境影响。
1.2 电厂循环冷却水中赋存的余热量十分巨大，温排放易引起严重的热污染。
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，会严重污染大气环境；对核电厂而言，则警惕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直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，但容易忽视电厂循环冷却水所含巨大热量弃置于环境可能带来的热污染的危害。
火电厂的燃料燃烧总发热量中只有35%左右转变为电能，而60%以上的热能主要通过锅炉烟囱和汽轮机凝汽器的循环冷却水失散到环境中。相比之下，循环冷却水携带走的废热量又占其中绝大部分。对1000MW火电汽轮机组，循环冷却水量约35～45m3/s，接近于目前排入日本东京市区10个污水处理厂的污水总量5×106m3/d[2]、温升(即超过环境水域的温度)8～10℃，温升所对应的热量约1.5×106～1.9×106kJ/s(日均1.2～1.7×1011kJ/d；按年运行7 000h计，年均3.8～4.6×1013kJ/a，折合标准煤约150万t/a)。排出的温排水温度视电厂所处地区而异，冬季20～35℃；夏季25～45℃。属于50℃以下的低品位热能。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。
一座现代火、核电厂的装机容量多在2 000～6 000MW，排出的冷却水量相当于2～6个东京市区排污水量。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合理消散。
随着环境保护要求的提高，自然水域的温升强度和范围都将严格规定(目前没有法规规定)。虽然我国《地表水环境质量标准(JB3838-2002)》中，对水温的要求尚未有具体的混合区影响范围的限制，但在影响强度上规定了人为造成的环境水温变化：周平均最大温升≤1℃；周平均最大温降≤2℃。可以相信，我国有关水域温排放的限制标准也会很快出台，电厂循环水排放将受到更大约束。
更严峻的情况是：如当地自然水域的夏季本底水温接近33℃，规划设计此类地区电厂取、排水工程方案时，为使所抽取的水温能降低1～2℃，以及热影响不致超标，火电厂或核电厂选择厂址的初可研阶段均需进行冷却水问题的大型科研工作，其研究耗资多在百万之巨。经科学研究后，所预报的取水水温若不能满足汽轮机组冷却水要求(一般而言，不得高于33℃)，或温排水释放的热量对水域造成的热污染不能满足环境保护之要求，则该厂厂址必须重新选择。在向水域排放大量废热情况下，要保证取到33℃以下的新水、又不致造成过高的工程投资(如过远地设置取水口，虽有利于避开热水区，但管道长，吸水泵功率大，造价高，运行费用亦大)，则决非易事。电厂冷却水专业的科研工作者无不深深地体会到这一点。
对于已投产电厂，夏季遇到这种情况，或汽机热效下降、或排汽缸真空降到危险值时，电厂机组不得不减负荷运行；国外有些沿海电厂为使排水温度不致违反规定，不惜动用冷却塔，使冷却用海水在冷却塔中仅做一次流动便排回海域，其目的仅是为使温排水少升高几度。可见，电厂循环冷却水弃热己成为电力建设、环境保护中一个棘手的问题。
近20余年来火电装机容量有了高速发展，2002年已有装机容量3.6亿kW。2004年新批准40000MW装机容量的建设，预计到2020年，中国发电装机容量应该到9～10亿kW；期间的年均新增发电装机容量应为3 000～3 600万kW，年均增长率5.3%～5.9%。容量如此迅速地增长，其排放的废热量亦将随之增加，这部分热量必定对环境产生累积的、持久的负面影响。
对冷却塔冷却而言，其蒸发散热加以风吹影响，使大量热量和水滴进入大气环境，会使空气局部温度、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，主要表现在改变藻类、鱼类等的生活条件方面；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类的生长、溶解氧下降。冷却水废热对水环境的影响较大时，会发生严重的热污染。1978年夏季，望亭发电厂的温排水直接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海域内生物消失。

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