電廠溫排水余熱利用分析

邊世凱

（衡豐發(fā)電有限責(zé)任公司，河北衡水 053000）

1 電廠余熱利用簡(jiǎn)述

隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，電力需求逐漸增加，火（核）電機(jī)組容量也越建越大，電廠的冷卻水量也隨之增多，對(duì)于開式循環(huán)冷卻水，受納水體影響受到的熱污染也越來越明顯。在火電廠中約有40%的熱能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽?0%以上的熱能主要通過鍋爐煙囪和汽輪機(jī)凝汽器的循環(huán)冷卻水釋散到環(huán)境中，其中循環(huán)冷卻水?dāng)y帶走的廢熱量占絕大部分。而核電站僅有33%熱能轉(zhuǎn)化為電能，其余的均變?yōu)閺U熱。對(duì)1 000 MW機(jī)組，循環(huán)冷卻水量約35～45 m3/s，接近于目前排入日本東京市區(qū)10個(gè)污水處理廠的污水總量5×10 m3/d［1］，溫升8～10℃，溫升所對(duì)應(yīng)的熱量約1.5×106～1.9×106kJ/s，約合標(biāo)準(zhǔn)煤150萬(wàn)t/a。若采用表面直流冷卻方式，將有大量廢熱通過冷卻水排入附近水域，造成生態(tài)環(huán)境的破壞［2］。因此，如何能夠有效地利用這些廢熱，變廢為寶，減少溫排水對(duì)周圍生態(tài)環(huán)境的危害具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。

隨著人民生活水平的提高，城市生活及輕工業(yè)生產(chǎn)中對(duì)中、低溫?zé)崮艿南M(fèi)越來越多，如許多工業(yè)生產(chǎn)過程都需要70～110℃范圍的熱能，目前這些熱能大都是通過電力或石油、天然氣和煤炭等燃料的燃燒來獲得。這是降低“燃料”非再生能源的高品位能為低品位能的使用，屬不合理的能源分配。而熱泵技術(shù)即是將低品位的電廠余熱提高品位向工業(yè)供熱，可節(jié)約大量的燃料。利用余熱養(yǎng)殖，大力引進(jìn)喜溫水生動(dòng)植物，可促進(jìn)漁業(yè)發(fā)展。

2 熱泵技術(shù)

2.1 研究現(xiàn)狀

世界上第一臺(tái)熱泵機(jī)組生產(chǎn)于20世紀(jì)30年代的歐洲，它以河水作為低溫?zé)嵩矗蚴姓d冬季供熱，夏季供冷，輸出的熱水溫度可達(dá)60℃，達(dá)到了一機(jī)兩用的效果［3］。20世紀(jì)70年代初是熱泵技術(shù)發(fā)展史上的一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)。石油危機(jī)導(dǎo)致能源價(jià)格大幅度上漲，為降低單位產(chǎn)值能耗，人們開始注意到熱泵技術(shù)可以節(jié)約大量能源這一事實(shí)，于是各國(guó)競(jìng)相研制、開發(fā)，使熱泵技術(shù)得到迅猛發(fā)展。我國(guó)的熱泵工業(yè)相對(duì)于發(fā)達(dá)國(guó)家明顯滯后，從20世紀(jì)80年代起，改革開放政策所帶來的經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，大大促進(jìn)了熱泵工業(yè)的發(fā)展。1999年“火電廠余熱綜合利用研究評(píng)價(jià)——全國(guó)火電廠余熱利用情況調(diào)查報(bào)告”指出:限于電廠循環(huán)冷卻水排水余熱溫度在50℃以下，屬于低品位熱能，直接利用范圍狹窄。目前國(guó)內(nèi)開展余熱利用的電廠很少，僅占火電廠總數(shù)的16%。其中87%的電廠主要利用方式是水產(chǎn)品養(yǎng)殖，利用量小、效率低。因此應(yīng)集中重點(diǎn)方向開展高效率余熱利用技術(shù)的研究、實(shí)驗(yàn)和試點(diǎn)工作。即在電廠循環(huán)水余熱利用中有效采用熱泵、熱管等技術(shù)含量高并已相當(dāng)成熟的技術(shù)，組織攻關(guān)，建立示范工程，推廣技術(shù)。

2.2 原理及特點(diǎn)

靠補(bǔ)償或消耗機(jī)械功，迫使熱量從低溫物體流向高溫物體的機(jī)械裝置，稱為“熱泵”。對(duì)低位熱源供熱，從而有效地把難以直接應(yīng)用的低品位熱能利用起來，達(dá)到節(jié)能的目的。所以熱泵是一種充分利用低品位能的高效節(jié)能裝置。

如果不考慮熱泵運(yùn)行時(shí)的各種能量損失，理論上有;

即熱泵輸出的高溫位熱量QH等于輸入能量W與由低溫?zé)崮塬@得的熱量QL之和，顯然QL即為“變廢為寶”的部分，也就是熱泵裝置回收的廢熱。在熱泵理論中通常以比值QH/W表示熱泵節(jié)能效果，并稱其為熱泵供熱系數(shù)。影響供熱系數(shù)值的相關(guān)因素較多，如熱泵形式、熱原溫度及用熱溫度等，但對(duì)于最常用的壓縮式熱泵來說，一般該值可達(dá)3.5以上。

不同類型的熱泵工作機(jī)理有所不同，而壓縮式熱泵和吸收式熱泵是目前比較常用的類型。

a．壓縮式熱泵

壓縮式熱泵的熱平衡模型如圖1所示。該系統(tǒng)可將低溫位余熱提高50～60℃。用于回收高溫位余熱和工藝過程余熱，并可將其溫度提高到150℃左右，甚至更高。

圖1 壓縮式熱泵熱平衡模型

式（1）為壓縮式熱泵工作熱平衡式。其經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)用制熱系數(shù)Ψ來表示:

有效制熱系數(shù)為

式中:η為熱泵有效系數(shù)，與熱泵溫差等有關(guān)，通常為0.4～0.75（計(jì)算時(shí)取η=0.6）。

b．吸收式熱泵

吸收式熱泵的熱平衡模型如圖2所示。

圖2 吸收式熱泵的熱平衡模型

吸收式熱泵以高溫位熱量QH為推動(dòng)功，同時(shí)也消耗少量電能。吸收式熱泵的制熱系數(shù)為

吸收式熱泵的熱量平衡式為

吸收式和壓縮式熱泵制熱系數(shù)關(guān)系為

由式（6）可見，壓縮式熱泵的制熱系數(shù)要高于吸收式熱泵的制熱系數(shù)，目前應(yīng)用較多的是蒸汽壓縮式熱泵。

蒸汽壓縮式熱泵是低溫蒸汽通過壓縮機(jī)吸收外功后，提高高溫?zé)嵩礈匚?。低沸點(diǎn)工質(zhì)流經(jīng)蒸發(fā)器時(shí)蒸發(fā)成蒸汽，此時(shí)從低溫位處吸收熱量，來自蒸發(fā)器的低溫低壓蒸汽，經(jīng)過壓縮機(jī)壓縮后升溫升壓，達(dá)到所需溫度和壓力的蒸汽流入冷凝器，在冷凝器中，將從蒸發(fā)器中吸取的熱量和壓縮機(jī)耗功所提升出來的那部分熱量排出。放出的熱量就傳遞給高溫?zé)崮?，使其溫位提高。蒸汽冷凝降溫后變成液相，流?jīng)節(jié)流閥膨脹后，壓力繼續(xù)下降，低壓液相工質(zhì)流入蒸發(fā)器，由于沸點(diǎn)低，因而很容易從周圍環(huán)境吸收熱量而再次蒸發(fā)，又形成低溫低壓蒸汽，依次不斷地進(jìn)行循環(huán)，其工作原理如圖3所示。

圖3 蒸汽壓縮式熱泵原理圖

凝汽器的循環(huán)冷卻水散失到環(huán)境中的熱量即冷端損失，這部分冷卻水溫度只有35℃左右，品位低，直接利用范圍狹窄，直接作為冷熱源的驅(qū)動(dòng)能源溫度太低，綜合考慮余熱回收利用與空調(diào)冷熱源利用要求，利用熱泵空調(diào)系統(tǒng)最為適宜。

水耗源熱泵空調(diào)系統(tǒng)利用了熱泵原理，它在制熱時(shí)以水為熱源，而在制冷時(shí)以水為排熱源。熱泵空調(diào)冬季利用電廠循環(huán)水供暖，而夏季制冷。水源熱泵系統(tǒng)對(duì)水源系統(tǒng)的要求是:水源充足，水溫適宜，水質(zhì)適宜，供水穩(wěn)定。即水源的水量應(yīng)充足，能滿足用戶制熱負(fù)荷或制冷負(fù)荷要求;水源的水溫適度，適合機(jī)組運(yùn)行工況要求，根據(jù)美國(guó)制冷學(xué)會(huì)ARI320標(biāo)準(zhǔn)，水源熱泵系統(tǒng)對(duì)水溫的要求是5～38℃，在水溫10～22℃運(yùn)行時(shí)能效比較高［4］。

3 余熱養(yǎng)殖

根據(jù)電站的生產(chǎn)特點(diǎn)利用其余熱資源。日本利用核電站的溫排水進(jìn)行工業(yè)化養(yǎng)殖，使養(yǎng)殖業(yè)迅速發(fā)展，他們將核電站的冷卻水引入丹生灣，使那里的漁產(chǎn)量得到明顯增加［5］。冷卻水的急速流動(dòng)帶來了豐富的溶解氧和懸浮營(yíng)養(yǎng)鹽，使某些魚種類得以很好的生長(zhǎng)，甚至成為優(yōu)勢(shì)種。英國(guó)曾用蝶魚做過試驗(yàn)，18個(gè)月即可達(dá)到市場(chǎng)出售標(biāo)準(zhǔn)，而在正常海水中飼養(yǎng)蝶魚要4～5年才能達(dá)到同一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。Chiba等在80年代中期，利用核電站溫排水進(jìn)行海洋動(dòng)物養(yǎng)殖，將溫排水抽入黑綢、對(duì)蝦、蟹及鮑魚等的養(yǎng)殖網(wǎng)箱中，加速其生長(zhǎng)成熟，并使其繁殖季節(jié)提早。中國(guó)山東省利用電廠余熱水養(yǎng)殖羅非魚，4個(gè)月內(nèi)增產(chǎn)3倍，經(jīng)濟(jì)效益十分可觀。

3.1 熱帶魚養(yǎng)殖

近十幾年來，我國(guó)相繼從國(guó)外引進(jìn)了多品種熱帶魚，大都具有生長(zhǎng)速度快、食性廣、疾病少、群體產(chǎn)量高等特點(diǎn)。但有一個(gè)致命的弱點(diǎn)即不耐低溫。絕大部分屬于狹溫性品種，嚴(yán)重制約了在北方的推廣養(yǎng)殖［6］。而電廠溫排水周圍水域卻能夠克服這樣的缺點(diǎn)，有利于熱帶魚類的繁殖生長(zhǎng)。特別是北方電廠，今年來先后從國(guó)外引進(jìn)了羅飛魚、胡子鯰、淡水白鯧等十幾個(gè)品種。利用金屬網(wǎng)箱，投入到電廠排水附近水溫適宜且穩(wěn)定的水域來養(yǎng)殖，對(duì)于不同種類的熱帶魚，所需最適宜生長(zhǎng)溫度也不同，合理的安排每種熱帶魚的溫度區(qū)域，從而得到良好的經(jīng)濟(jì)效益。

3.2 孵化魚苗

利用電廠余熱放養(yǎng)鯉魚、鯽魚、草魚等，溫度常年保持在20℃左右，能夠在較短時(shí)間內(nèi)達(dá)到商品魚規(guī)格。特別是寒冷地區(qū)，引入電廠溫排水，保持溫度穩(wěn)定，科學(xué)喂養(yǎng)，可使鯉魚、草魚等提早幾十天成熟，并且孵化出來的魚種個(gè)體要大于沒引進(jìn)溫排水的魚種。我國(guó)東北地區(qū)（如哈爾濱、齊齊哈爾等城市）在70年代就開始用溫排水培育草魚，對(duì)促進(jìn)寒冷地區(qū)養(yǎng)魚業(yè)起到重要作用。

3.3 淡水鯊魚養(yǎng)殖

淡水鯊魚是我國(guó)1998年引進(jìn)的，因肉味鮮美可口、無肌間刺且氨基酸含量豐富，市場(chǎng)穩(wěn)定，成為我國(guó)優(yōu)良淡水養(yǎng)殖品種。利用電廠余熱水進(jìn)行淡水鯊魚的養(yǎng)殖是一項(xiàng)低成本、高產(chǎn)出、經(jīng)濟(jì)效益好的項(xiàng)目，前景十分廣闊。

淡水鯊魚養(yǎng)殖需要一定的設(shè)備條件和水質(zhì)條件。利用電廠周圍空閑地建造流水池，實(shí)施工廠化或半工廠化淡水鯊魚的養(yǎng)殖，從排水口附近引入到電廠周圍的空閑養(yǎng)殖流水池，溫排水從池子的上部流入或散狀噴入，從底部加濾網(wǎng)的排污渠道排出，配套設(shè)施要求配備有調(diào)溫池和電子控溫設(shè)備。淡水鯊魚的適合溫度范圍為20～33℃，最低溫度不低于18℃。通常情況下水質(zhì)指標(biāo)要求:溶解氧≥14 mg/L，pH值6.5～8，透明度≥30 cm［7］。日常管理時(shí)注意水溫、水質(zhì)控制，定期投餌和排污，科學(xué)養(yǎng)殖。

4 結(jié)論

電廠循環(huán)冷卻水因有清潔的水質(zhì)，穩(wěn)定的流量和溫度，尤其有可驅(qū)動(dòng)熱泵的中溫、中壓熱耗。經(jīng)熱泵提升溫度后的循環(huán)冷卻水的熱量，可用于空調(diào)、生活熱水、輕工業(yè)生產(chǎn)，也可返回電廠回?zé)嵯到y(tǒng)加熱給水，提高電廠熱效率。不僅能夠使電廠循環(huán)冷卻水所蘊(yùn)含的巨大熱量得以再利用;還能降低取水溫升，保證電廠安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。同時(shí)改進(jìn)和完善電廠余熱養(yǎng)殖技術(shù)，實(shí)現(xiàn)環(huán)境保護(hù)和經(jīng)濟(jì)效益的雙豐收。

［1］尹軍．城市污水的資源再生及熱能回收利用［M］．北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2003．

［2］賀益英．關(guān)于火、核電廠循環(huán)冷卻水的余熱利用問題［J］．中國(guó)水利水電科學(xué)研究院學(xué)報(bào)，2004，2（4）:315－320．

［3］高大中．淺析熱泵［J］．山西建筑，2001，27（4）:136－137．

［4］鄭體寬．熱力發(fā)電廠［M］．北京:中國(guó)電力出版社，1997．

［5］Rohlwing T．Palm H．W．Rosenthal H．Diseases of Aquatic Organisms［J］．1998，32（3）;233－236

［6］郭旭升，汪利．利用發(fā)電廠余熱養(yǎng)殖熱帶魚技術(shù)［J］．淡水漁業(yè)，2000，30（12）:12－13．

［7］劉偉成，李明云，王莉．利用電廠余熱養(yǎng)殖淡水鯊魚技術(shù)及疾病預(yù)防［J］．黑龍江水產(chǎn)，2005，4（6）:11－13．