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1电厂循环冷却水的巨大余热及其负面热影响 1.1电厂循环冷却水余热量巨大 电厂循环冷却水排热量巨大缘于热力发电厂生产效率低下。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、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5000h计,其热量折合标准煤约70～114万t/a。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kW[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tce的能量白白扔到环境中。 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。但是这些措施的实施常常是跨行业、跨部门,难于单独解决,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。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℃。这一损失热量对电厂热机生产过程不可避免。 1.2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,对大气环境造成严重污染;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,温排水使局部水域温度升高。对水质产生影响: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:主要表现在恶化其生存条件;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(如太湖、滇池蓝藻危害正是水温升高所至)、溶解氧下降。此外,大量研究表明:热污染不仅伤害水生生物,而且降低水的密度和粘度,并能加速水体中粒状物沉降速率,进而影响河流中悬浮物沉降速率及河流携带淤泥的能力,在一定程度上,河流水体的增温,也或多或少影响两岸的植被,故应引起高度关注。 温排水对水域生态环境的影响虽然多系潜在的、累积的,似乎还不及一般常说的化学物质的水污染危害大。但应看到,热污染的危害更多和更主要的是从根本上、整体上改变水体理化特性,进而严重影响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。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。 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;另外,国家对水域水质标准中关于热排污的规定将逐渐严格起来,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。 近20余a来火电装机容量高速发展,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 从源头上减量排放废热,是减轻温排水负面热影响的根本性措施。电厂循环冷却水余热利用的宗旨之一便是使热力发电厂废热减量排放。 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”。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。 城市污水资源化战略中的废热能回收利用[4]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。 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,不仅可用于采暖、生活热水、轻工业生产(如:干燥、食品加工、纺织业⋯⋯),更可返回 电厂回热系统,加热给水,提高电厂热效率。因此,无论从降低冷却水排放的环境热影响,保证电厂安全经济运行;或是从可作为城市低温热能资源、电厂节能提效等方面,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 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问题应是: (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70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。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[5]。热力系统中还有较大的疏水系统、汽轮机轴封漏汽系统等可供使用;机组抽汽更可用做热泵驱动热能,循环冷却水经热泵提升温位后的热能再利用,应比直接使用抽汽功效更高。 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)是这一事业的核心;利用这些驱动热源的可行性及热经济性,则是其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。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;对占热力发电机组86%以上的非供热机组这种主体机型,为循环水余热利用而单独铺设供热管网(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。 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。但需注意,当夏季无需供热季节,若将热泵转作制冷循环运行,循环水余热不仅不可再利用,而且循环冷却水也不可作为热泵制冷循环中工质凝结放热的受纳体。这一点有别于一般水源(如河水、海水、地下水、污水)热泵的运行模式。因为除吸收汽轮机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。 提升温度后的热量也可能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,而成为有效利用的一个重要方面。 更值得注意的重要利用途径是:回馈至电厂自身的热力循环,以提高热机热经济性,即创建所谓的“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。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[6]。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,它对机组和电厂的热经济性起着决定性的作用。 热泵将循环冷却水热量温位提升至60℃以上,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。 3结语 火、核电厂循环冷却水余热排放对生态环境造成的负面热影响已日益引起社会关注。循环水余热高效回收利用事业正是由此负面影响而生的,它是“节能减排”的具体体现,即在源头上减少废热排放,对电厂生态环境保护极具意义;同时余热回用又使电厂节能提效,实践了废热能“减量化、再利用、资源化”和燃料“资源再利用”的循环经济理念。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。在技术研发上注重低成本高效率、能充分利用电厂自身资源的热泵机组的研发;在余热回用上也同样应注重结合电厂实际情况,以合理、高效回用途径实现电厂循环冷却水的资源效益。在新世纪和谐电力建设进程中,电厂循环冷却水余热高效利用顺应了加快推进环保清洁电源建设,把电厂建设成环境友好型和资源节约型产业这一要求。 |
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电厂循环冷却水余热高效利用的关键问题
时间:2012-07-02 10:24来源: 作者:rr 点击:
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