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          吸收式熱泵利用吸收式熱泵系統回收火電廠余熱(上)
          2015-06-29 10:46:30|點擊次數:

          1.1什么是電廠循環冷卻水。

          火、核電廠汽輪發電機組有凝汽式(含抽汽凝汽式)和背壓式兩種,除熱電廠的背壓式供熱機組外,絕大多數汽輪機組是凝汽式機。汽輪機利用高溫高壓蒸汽做功的熱力循環中必須存在冷端,即蒸汽動力循環中汽溫最低的點位。對凝汽式機組,蒸汽經汽輪機全部葉輪做功后,成為乏汽,排至排汽缸,進入汽機冷端--凝汽器,乏汽溫度25~45℃。在凝汽器這個非接觸式冷卻器中,乏汽經管壁傳熱至循環冷卻水,釋放凝結潛熱,變成凝結水后被重返鍋爐。凝汽式機組的主要熱損失是冷端損失,所失掉的熱量超過了汽機用于做功的熱能。因排汽凝結所造成的單位蒸汽流量的熱損失(一般為2303kJ/kg[1]。如:對600MW機組,蒸汽量2000t/h,凝汽失熱約4.6×109kJ/h,折合標準煤157t/h)對熱機生產過程是不可避免的。保證汽機冷端功效的是流經凝汽器吸收乏汽凝結潛熱的循環冷卻水。冷卻水有兩個來源:一是取至自然水域;二是來自電廠的冷卻塔。吸收乏汽余熱的冷卻水排放至江、河、湖、海等自然水域,經與環境水體的摻混和對大氣的散熱,將大量的余熱棄置水域(排水問題),自身得以冷卻;發電廠再自水域中盡可能少受該余熱影響的水區抽取新的、低溫循環冷卻水(取水問題),以保障凝汽器的冷卻效果,這即是所謂的"水面冷卻",或稱"一次循環冷卻"問題。如電廠所處地域水源匱乏,則必須采用冷卻塔來冷卻循環水,冷卻水攜帶的余熱經冷卻塔釋放到大氣,冷卻后的循環水再送入凝汽器冷卻乏汽,這是所謂的"冷卻塔冷卻",或稱"二次循環冷卻"問題。發電機組不停止運行,循環冷卻水則一刻不停地將大量余熱棄置于環境,自然造成了能源的浪費和明顯的環境熱影響。

          電廠冷卻水研究專業即致力于火、核電廠循環冷卻水的"水面冷卻"和"冷卻塔冷卻"。其研究宗旨:一是如何將循環冷卻水中攜帶的廢熱棄于環境又不致引起環境熱影響超標;二是如何抽取到更低溫的冷卻水,以提高冷卻效果。圍繞這兩個中心議題,需采用數值模擬計算和物理模型試驗等研究手段來預報電廠投產后的取水水溫、溫排水在環境水域中的輸移規律其及環境影響。

          1.2電廠循環冷卻水中賦存的余熱量十分巨大,溫排放易引起嚴重的熱污染。

          一般來說,人們對電廠環境影響的認識,多注意其火電廠排煙對大氣環境的污染,即隨煙氣向大氣中排放的大量二氧化硫、煙塵和氮氧化物等污染物,會嚴重污染大氣環境;對核電廠而言,則警惕低放射性污水排放對水環境的污染等等問題。因此,在電廠環境污染治理中一直十分注重電廠煙氣的除塵、脫硫,燃煤的潔凈處理,以及嚴格控制核素的排污標準,但容易忽視電廠循環冷卻水所含巨大熱量棄置于環境可能帶來的熱污染的危害。

          火電廠的燃料燃燒總發熱量中只有35%左右轉變為電能,而60%以上的熱能主要通過鍋爐煙囪和汽輪機凝汽器的循環冷卻水失散到環境中。相比之下,循環冷卻水攜帶走的廢熱量又占其中絕大部分。對1000MW火電汽輪機組,循環冷卻水量約35~45m3/s,接近于目前排入日本東京市區10個污水處理廠的污水總量5×106m3/d[2]、溫升(即超過環境水域的溫度)8~10℃,溫升所對應的熱量約1.5×106~1.9×106kJ/s(日均1.2~1.7×1011kJ/d;按年運行7000h計,年均3.8~4.6×1013kJ/a,折合標準煤約150萬t/a)。排出的溫排水溫度視電廠所處地區而異,冬季20~35℃;夏季25~45℃。屬于50℃以下的低品位熱能。核電機組循環水量是火電機組的1.2~1.5倍,棄熱量會更多。

          一座現代火、核電廠的裝機容量多在2000~6000MW,排出的冷卻水量相當于2~6個東京市區排污水量。如此巨量的熱負荷是一般小水域無法承受的。即使對大江、大河、海灣等大水域也需精心研究、設計冷卻水排、取水口的布局,才可使電廠排熱在環境中合理消散。

          隨著環境保護要求的提高,自然水域的溫升強度和范圍都將嚴格規定(目前沒有法規規定)。雖然我國《地表水環境質量標準(JB3838-2002)》中,對水溫的要求尚未有具體的混合區影響范圍的限制,但在影響強度上規定了人為造成的環境水溫變化:周平均最大溫升≤1℃;周平均最大溫降≤2℃??梢韵嘈?,我國有關水域溫排放的限制標準也會很快出臺,電廠循環水排放將受到更大約束。

          更嚴峻的情況是:如當地自然水域的夏季本底水溫接近33℃,規劃設計此類地區電廠取、排水工程方案時,為使所抽取的水溫能降低1~2℃,以及熱影響不致超標,火電廠或核電廠選擇廠址的初可研階段均需進行冷卻水問題的大型科研工作,其研究耗資多在百萬之巨。經科學研究后,所預報的取水水溫若不能滿足汽輪機組冷卻水要求(一般而言,不得高于33℃),或溫排水釋放的熱量對水域造成的熱污染不能滿足環境保護之要求,則該廠廠址必須重新選擇。在向水域排放大量廢熱情況下,要保證取到33℃以下的新水、又不致造成過高的工程投資(如過遠地設置取水口,雖有利于避開熱水區,但管道長,吸水泵功率大,造價高,運行費用亦大),則決非易事。電廠冷卻水專業的科研工作者無不深深地體會到這一點。

          對于已投產電廠,夏季遇到這種情況,或汽機熱效下降、或排汽缸真空降到危險值時,電廠機組不得不減負荷運行;國外有些沿海電廠為使排水溫度不致違反規定,不惜動用冷卻塔,使冷卻用海水在冷卻塔中僅做一次流動便排回海域,其目的僅是為使溫排水少升高幾度??梢?,電廠循環冷卻水棄熱己成為電力建設、環境保護中一個棘手的問題。

          近20余年來火電裝機容量有了高速發展,2002年已有裝機容量3.6億kW。2004年新批準40000MW裝機容量的建設,預計到2020年,中國發電裝機容量應該到9~10億kW;期間的年均新增發電裝機容量應為3000~3600萬kW,年均增長率5.3%~5.9%。容量如此迅速地增長,其排放的廢熱量亦將隨之增加,這部分熱量必定對環境產生累積的、持久的負面影響。

          對冷卻塔冷卻而言,其蒸發散熱加以風吹影響,使大量熱量和水滴進入大氣環境,會使空氣局部溫度、濕度升高。電廠長期運行,失散的熱量和水滴會對局部小氣候產生影響。對水面冷卻而言,溫排水對局部受納水域的水質產生影響,主要表現在水溫、溶解氧等指標的變化;對水生生物產生影響,主要表現在改變藻類、魚類等的生活條件方面;對水域富營養化程度產生影響,主要表現在水溫升高可能加劇水中富營養化藻類的生長、溶解氧下降。冷卻水廢熱對水環境的影響較大時,會發生嚴重的熱污染。1978年夏季,望亭發電廠的溫排水直接排入望虞河使水溫高達40℃以上。造成漁業損失73t,三水作物損失1.8萬t,蚌珠損失4.4萬只。裝機容量大的電站,有時還會引起大范圍水域內生物的消失。例如,美國佛羅里達州的比斯坎灣,一座核電站排放的溫排水使附近水域水溫增加了8℃,造成1.5km海域內生物消失。

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