火(核)電廠溫排水熱污染防控體系研究概述

趙懿

(中國水利水電科學(xué)研究院水力學(xué)研究所,北京 100038)

隨著我國電力工業(yè)的高速發(fā)展,火(核)電廠溫排水對受納水域的熱影響問題日益突出,正越來越受到政府部門的重視和社會各界的關(guān)注。1座采用直流循環(huán)冷卻方式的現(xiàn)代化火(核)電廠,每年有可能將流量70～400m3/s、高于環(huán)境水溫6～11℃的熱水源源不斷地排入受納水域,造成環(huán)境水溫升高,從而產(chǎn)生對水生態(tài)系統(tǒng)的熱影響乃至熱污染。溫排水的熱影響主要體現(xiàn)在兩方面:一是對電廠的影響,受納水體溫度升高導(dǎo)致取水溫度增加,進(jìn)而降低電廠冷卻效率。二是對水環(huán)境的影響,水溫升高使水中飽和溶解氧降低,容易引發(fā)赤潮[1];導(dǎo)致水生生物(藻類、浮游生物和底棲生物)的種群數(shù)量和構(gòu)成發(fā)生變化[2-4];影響對溫度敏感魚類的遷徙、生長、生殖,甚至可能致死[5]。

為加強(qiáng)對火(核)電廠溫排放的監(jiān)管,探求有效防治火(核)電廠熱污染的思路與途徑,本文結(jié)合工程實(shí)例,對當(dāng)前熱污染防控體系中3個(gè)密不可分的重要環(huán)節(jié)——基于水質(zhì)生態(tài)等要求制定的溫排放控制標(biāo)準(zhǔn)、滿足熱環(huán)境容量評估要求的數(shù)值預(yù)報(bào)模型以及余熱高效利用技術(shù)進(jìn)行分析和論述。

1 我國溫排放控制標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)狀及存在問題

1.1 現(xiàn)狀分析

我國目前與溫排放控制相關(guān)的法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)主要有:《中華人民共和國環(huán)境保護(hù)法》(第26條)、《中華人民共和國水污染防治法》(第35條)、《中華人民共和國海洋環(huán)境保護(hù)法》(第36條)、國家標(biāo)準(zhǔn) GB 3097—1997《海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》、GB 18486—2001《污水海洋處置工程污染控制標(biāo)準(zhǔn)》、GB 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》以及國家環(huán)境保護(hù)總局1999年發(fā)布的第8號令《近岸海域環(huán)境功能區(qū)管理辦法》(第9條)。從執(zhí)行情況看,這些現(xiàn)有的法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)還不夠完善、可操作性不強(qiáng),主要問題體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面:

a.對進(jìn)入受納水域的溫升限值規(guī)定過于籠統(tǒng),未涉及溫升影響區(qū)的空間尺度問題,也沒有反應(yīng)生態(tài)系統(tǒng)的要求。溫排水進(jìn)入受納水域后,不可能馬上降到標(biāo)準(zhǔn)所要求的溫升范圍,總會存在一個(gè)溫降區(qū)域,其溫度不受水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)限制。因此,有學(xué)者提出設(shè)立“監(jiān)管混合區(qū)”[6],在此區(qū)域內(nèi),排水出流經(jīng)歷初始稀釋和混合,其水質(zhì)可不符合標(biāo)準(zhǔn)或有條件地符合;盡管降低了水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn),但水體的完整性和用途仍然得到保護(hù)(下文提到的“混合區(qū)”均指“監(jiān)管混合區(qū)”)。

目前,國外的研究已經(jīng)提出了一些關(guān)于“混合區(qū)”量化的控制參數(shù),如美國加利福尼亞州對濱海水體規(guī)定“排放溫度小于或等于36℃、距排放口300m處水體表面溫升不得超過7.2℃”。國外許多標(biāo)準(zhǔn)還反映了生物對水溫的要求,如美國紐約州就對非鮭魚水域和鮭魚水域的排放溫度及溫升限值做出不同規(guī)定。我國現(xiàn)行的標(biāo)準(zhǔn)并沒有明確給出“混合區(qū)”范圍,也尚未制定適合我國國情的、與生態(tài)相關(guān)的控制參數(shù)。

b.缺乏宏觀的、系統(tǒng)的控制溫排水的指導(dǎo)思想。近年來,我國同一水域內(nèi)火(核)電廠密度大幅升高,電廠群效應(yīng)[7]日益凸顯,如上海黃浦江沿岸從淞浦大橋到吳淞口約75 km的距離內(nèi)建有閔行、吳涇、楊樹浦、高橋及閘北5座直流循環(huán)冷卻式火電廠,總裝機(jī)容量達(dá)3749MW。密集的排放口不僅會導(dǎo)致電廠間的相互影響,還會引起環(huán)境影響累加效應(yīng),使溫升影響范圍擴(kuò)大,水生物活動通道減少,對水生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)成威脅。雖然這一現(xiàn)象已經(jīng)引起人們關(guān)注,但尚未開展相關(guān)的系統(tǒng)研究,現(xiàn)有火(核)電廠溫排水熱影響評價(jià)大多是針對單一電廠進(jìn)行的。同時(shí),相關(guān)部門的監(jiān)管缺乏統(tǒng)籌規(guī)劃的思想,尚不能從水域的熱環(huán)境容量出發(fā),合理規(guī)劃火(核)電廠廠址并優(yōu)化設(shè)置排水口,使溫排放滿足相關(guān)要求。

1.2 建 議

溫排水評價(jià)、審查、監(jiān)管標(biāo)準(zhǔn)的不完善,使得現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)無法有效執(zhí)行,造成溫排放監(jiān)管難以到位。因此,必須針對相關(guān)問題開展相應(yīng)研究,制定出合理可行、切合實(shí)際的標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)當(dāng)前監(jiān)管中存在的問題,建議加強(qiáng)開展如下研究工作:

a.結(jié)合已有的溫排水對水生態(tài)的熱影響研究成果,明確“混合區(qū)”的存在并細(xì)化“混合區(qū)”的控制參數(shù)?！盎旌蠀^(qū)”的研究重點(diǎn)是確定混合區(qū)控制參數(shù)。國外關(guān)于溫排放的控制參數(shù)主要有:排放口處最大允許水溫或最大溫升、混合區(qū)邊緣溫升以及混合區(qū)范圍等[8]。在國內(nèi),對混合區(qū)的研究尚處起步階段,已有研究成果的可靠性還值得探討。目前,為適應(yīng)蓬勃發(fā)展的火(核)電建設(shè),審評部門不得不采取“一事一議”的辦法確定“混合區(qū)”的可接受性。2008年國家環(huán)境保護(hù)部(核安全局)出臺的《核動力廠溫排水環(huán)境影響審評原則》(征求意見稿)提出了確定溫排水混合區(qū)的準(zhǔn)則,但沒有與受納水體重要生物的耐受溫度聯(lián)系起來。隨著環(huán)境生態(tài)保護(hù)要求的提高,還需借鑒國外的一些研究方法和成熟經(jīng)驗(yàn),結(jié)合環(huán)境保護(hù)目標(biāo)、排放特征和受納水體的生態(tài)特點(diǎn),制定更加細(xì)化、具體、可行的混合區(qū)控制參數(shù)。

b.根據(jù)熱環(huán)境容量要求,建立大水域電廠群的溫排放監(jiān)管體系,形成相關(guān)評估標(biāo)準(zhǔn)。電廠群累積效應(yīng)對生態(tài)通道的影響、電廠群溫排放控制方法以及熱影響評價(jià)模式等研究是今后的發(fā)展方向。對于大水域電廠群的管理,監(jiān)管部門要從熱環(huán)境容量出發(fā),樹立統(tǒng)籌規(guī)劃的理念,綜合所在水域的水動力交換條件、重要水生生物特性、功能區(qū)劃要求等因素,超前地、科學(xué)地規(guī)劃溫排水排放口,以保持原有水體的生態(tài)環(huán)境。大水域環(huán)境容量評價(jià)也區(qū)別于傳統(tǒng)電廠單一工程項(xiàng)目環(huán)境評價(jià),主要表現(xiàn)在:①環(huán)境水域范圍更大;②時(shí)間跨度更長,包括早期已投運(yùn)的電廠、正在籌備建設(shè)的電廠以及遠(yuǎn)期規(guī)劃的電廠;③評價(jià)內(nèi)容更加側(cè)重電廠群對整體水域的累積影響;④評價(jià)的終極目標(biāo)在于大水域電廠群的梯級開發(fā)和水環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展。

2 熱影響及熱環(huán)境容量預(yù)報(bào)

2.1 溫排水熱影響數(shù)值預(yù)報(bào)模型

溫排水在受納水體中的輸移過程,按水力、熱力特性可分為近區(qū)與遠(yuǎn)區(qū)。近區(qū)呈現(xiàn)出以動量卷吸、摻混為主的三維紊動浮射流特性;遠(yuǎn)區(qū)則主要以隨流輸移擴(kuò)散和對天散熱為控制因素,其水力熱力特性在水深方向漸趨均勻。近、遠(yuǎn)區(qū)數(shù)學(xué)模型根據(jù)其水力熱力特點(diǎn)不同而有所差異。

二維數(shù)學(xué)模型簡單易行、模擬范圍大、熱量守恒性好,可用于水平尺度遠(yuǎn)大于水深尺度、三維特性不明顯的遠(yuǎn)區(qū)。二維模型有平面淺水環(huán)流模型及深度平均的k-ε模型,這些模型發(fā)展比較成熟,已被廣泛應(yīng)用于工程領(lǐng)域[9-10]。對于排水近區(qū),宜采用三維紊流模型。常見的三維紊流模型有兩類:渦黏模型與應(yīng)力模型。經(jīng)過學(xué)者的改進(jìn),有的模型已在工程實(shí)際中有所應(yīng)用,如王麗霞等[11]將基于一階湍流封閉理論建立的三維模型用于黃島電廠溫排水預(yù)報(bào),張長寬等[12]系統(tǒng)總結(jié)了三維模型的紊流模式,認(rèn)為對于濱海電廠溫排水的三維模擬,應(yīng)考慮斜壓效應(yīng),并將水動力場與溫度場耦合求解。

現(xiàn)有數(shù)值預(yù)報(bào)模型存在的主要問題是:①缺乏能準(zhǔn)確模擬復(fù)雜邊界條件下排水口近區(qū)水力熱力特性的實(shí)用三維模型;②模型參數(shù)的選取帶有一定經(jīng)驗(yàn)性,需大量物理模型試驗(yàn)及原體觀測數(shù)據(jù)的檢驗(yàn)和完善;③近、遠(yuǎn)區(qū)劃分尚不十分明確,兩區(qū)邊界的耦合具有一定難度;④溫排水?dāng)?shù)學(xué)模型很少與水質(zhì)、生態(tài)參數(shù)耦合,使得溫排水對生態(tài)的熱影響評價(jià)多以定性為主,缺乏定量預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)的支持。

2.2 熱環(huán)境容量研究現(xiàn)狀

熱環(huán)境容量不同于一般的水環(huán)境容量,它并沒有濃度和質(zhì)量的概念。2005年,首次提出河道熱環(huán)境容量的概念,并在二維熱輸運(yùn)假設(shè)基礎(chǔ)上給出河段熱環(huán)境容量的解析公式計(jì)算法和數(shù)值模型試算法[13]。2007年,有人定義了海域熱環(huán)境容量,同時(shí)給出定量研究方法——溫升帶控制法[14]。熱環(huán)境容量與溫排放控制標(biāo)準(zhǔn)、電廠或其他冷卻水用戶的取水質(zhì)量(含流量及溫度)要求、水域功能區(qū)劃、生態(tài)保護(hù)目標(biāo)、當(dāng)?shù)氐乃臍庀髼l件、經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平等因素緊密相關(guān),應(yīng)從大水域統(tǒng)籌規(guī)劃的角度出發(fā),預(yù)報(bào)整個(gè)水域的熱承載能力及剩余承載能力,為梯級開發(fā)水域資源、合理布局工程項(xiàng)目提供指導(dǎo)。

目前關(guān)于熱環(huán)境容量的研究較少,如何科學(xué)定義熱環(huán)境容量、找出影響熱環(huán)境容量的因素以及建立熱環(huán)境容量的預(yù)報(bào)模型等均有待更深入的研究。

2.3 熱影響及熱環(huán)境容量預(yù)報(bào)模型的研發(fā)方向

熱影響預(yù)報(bào)模型與熱環(huán)境容量預(yù)報(bào)模型既相互聯(lián)系,又有所區(qū)別。兩者的聯(lián)系在于它們的研究對象都是熱,模型的控制方程、數(shù)值離散方法等都具有共性;區(qū)別在于,兩者的關(guān)注點(diǎn)、出發(fā)點(diǎn)以及落腳點(diǎn)有所不同,服務(wù)的對象也不同:熱影響預(yù)報(bào)模型關(guān)注某一個(gè)或幾個(gè)排放點(diǎn),預(yù)先給定排口位置、排熱量,模擬預(yù)報(bào)這些條件下溫排水的熱影響范圍及程度,為環(huán)境評價(jià)提供數(shù)據(jù);熱環(huán)境容量預(yù)報(bào)模型重在受納水域的整體規(guī)劃,事先給定受納水域的熱環(huán)境容量,通過數(shù)學(xué)模型優(yōu)化排放口位置及排熱量,為規(guī)劃部門提供決策依據(jù)。熱環(huán)境容量預(yù)報(bào)模型的模擬范圍要遠(yuǎn)大于一般的溫排水熱影響數(shù)值預(yù)報(bào)模型。

針對目前電廠溫排水熱污染的現(xiàn)狀及問題,應(yīng)對現(xiàn)有預(yù)報(bào)模式進(jìn)行改進(jìn),研發(fā)適應(yīng)大水域電廠群的數(shù)學(xué)模型。模型的改進(jìn)可以從模式的選取、參數(shù)的確定、邊界的處理幾方面進(jìn)行。模型在近區(qū)可以精確模擬射流卷吸摻混特性、鹽度或溫度異重分層流動特性、多排放源匯間的相互影響;在遠(yuǎn)區(qū)能更準(zhǔn)確地模擬溫排水隨流的輸移擴(kuò)散規(guī)律以及散熱過程;同時(shí)還可以反映溫度與水質(zhì)、生態(tài)因子的耦合作用。

3 火(核)電廠溫排水余熱的綜合利用

余熱利用對于節(jié)約資源、改善環(huán)境、實(shí)現(xiàn)電廠循環(huán)經(jīng)濟(jì)具有重要意義。電廠的能源利用效率非常低(除熱電廠外,僅35%～40%),若能從源頭上減少排放的廢熱,將是減輕溫排水負(fù)面熱影響的根本途徑。

3.1 溫排水余熱綜合利用現(xiàn)狀

目前火(核)電廠溫排水余熱利用方法及途徑主要有直接利用和借助熱泵技術(shù)提高溫度后用于供熱。

余熱直接利用的主要領(lǐng)域是種植業(yè)和養(yǎng)殖業(yè)。國外早在20世紀(jì)60年代就開始利用電廠的溫排水養(yǎng)殖魚類,用余熱給土壤加溫促進(jìn)農(nóng)作物生長或延長生長時(shí)間。我國余熱利用主要集中在一些火電廠,如開封電廠、石洞口電廠等,核電廠尚未有開展余熱利用的先例。

利用熱泵技術(shù)將電廠余熱回收再利用是近幾年的研究熱點(diǎn),如回收電廠的廢熱來加熱油田的伴熱熱水[15]或?qū)嘏潘嵘郎囟群笥糜诩泄┡痆16]。目前,利用電廠循環(huán)水余熱進(jìn)行供熱已在一些中小型電廠得到實(shí)施,如大慶市北源熱力公司利用冷卻塔循環(huán)冷卻水余熱為住宅小區(qū)集中供熱,規(guī)劃面積320萬m2,收到良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

3.2 溫排水余熱利用前景

火(核)電廠溫排水可利用的余熱量十分巨大。在國家大力提倡節(jié)約資源、保護(hù)環(huán)境的形勢下,余熱利用的前景非?？捎^。

環(huán)境生態(tài)工程已成為環(huán)境綜合治理的有效措施之一,其目的是運(yùn)用生態(tài)學(xué)原理設(shè)計(jì)生態(tài)工程以開展生態(tài)修復(fù)或促進(jìn)資源的綜合利用、環(huán)境的綜合整治。美國學(xué)者Bread基于生態(tài)工程原理設(shè)計(jì)的“食物綜合生產(chǎn)系統(tǒng)”[17],使電廠排出的廢熱在各個(gè)環(huán)節(jié)得到充分利用。該方法打破了以往“單一利用為主”的余熱利用方式,使廢熱資源化,不僅降低了廢熱對環(huán)境的影響,而且還能實(shí)現(xiàn)電廠循環(huán)經(jīng)濟(jì)。結(jié)合廠址所在地實(shí)際情況設(shè)計(jì)余熱綜合利用系統(tǒng)是今后的發(fā)展趨勢。

將溫排水帶走的廢熱回饋電廠的熱機(jī)熱力系統(tǒng),不僅可以提高熱機(jī)經(jīng)濟(jì)性,節(jié)約能源,而且可以減少溫排水對環(huán)境的負(fù)面影響,實(shí)現(xiàn)電廠循環(huán)水余熱的高效利用。其中,尋求能充分利用電廠棄熱或汽輪機(jī)低壓抽氣熱的高效低成本熱泵是關(guān)鍵。

循環(huán)水余熱在海水淡化領(lǐng)域也有很大的利用空間。海水淡化技術(shù)種類很多,但適于產(chǎn)業(yè)化的主要有反滲透法和蒸餾法。對反滲透技術(shù)而言,其能耗與海水溫度成反比,經(jīng)熱泵將需淡化的海水提升溫度后,可大幅降低加熱能耗。對低溫多效蒸餾技術(shù)而言,循環(huán)冷卻水水源熱泵提升海水至所需的蒸餾溫度(70℃),比直接用低壓抽汽升溫海水經(jīng)濟(jì),可節(jié)約大量的電廠抽汽,提高電廠發(fā)電效率。

4 工程實(shí)例

以南海海水作為循環(huán)冷卻水源的某核電廠,設(shè)計(jì)取排水流量為400m3/s、排水溫升為7.5℃。設(shè)計(jì)單位針對該廠址嘗試提出3個(gè)溫排放混合區(qū)參數(shù)[18]:溫排水排放口的控制極端高溫值為 39℃;溫排水混合區(qū)邊緣的溫升限制為3.0℃;以30%生態(tài)功能減弱程度作為可接受上限時(shí),溫排水混合區(qū)的最大允許面積為16km2。

評估復(fù)核時(shí),考慮同一水域另一大型火電廠的排熱,對工程運(yùn)行工況采用數(shù)學(xué)模型進(jìn)行溫排水計(jì)算。結(jié)果表明,在給定條件下,溫排水對環(huán)境海域的影響無法滿足上述溫排放“混合區(qū)”控制參數(shù)的要求,必須減少向海域的排熱量。通過試算,該核電廠排熱量需減少約42%。這一驗(yàn)算過程,并不單獨(dú)針對待建的核電廠進(jìn)行,而是以受納海域已有熱源影響為基礎(chǔ),根據(jù)溫排放混合區(qū)控制參數(shù)確定核電廠排熱量,實(shí)際上已包含了熱環(huán)境容量的評估內(nèi)容,這對于統(tǒng)籌規(guī)劃該水域的電廠建設(shè)具有重要意義。

由于該核電廠位于我國南方,當(dāng)?shù)貙υ摵穗姀S并無供熱需求。結(jié)合該核電廠的溫排水條件、所在地區(qū)氣候、居民分布狀況、環(huán)境規(guī)劃以及工農(nóng)漁業(yè)發(fā)展情況等因素,余熱利用的方式可以考慮為海水淡化、干燥工藝、果蔬養(yǎng)殖、生活熱水等。

5 結(jié) 語

火(核)電廠熱污染防控體系中的3個(gè)環(huán)節(jié)緊密相關(guān)、密不可分的。其中,控制標(biāo)準(zhǔn)是根本,可使溫排放做到有法可依、有章可循;數(shù)值預(yù)報(bào)模型是工具,結(jié)合熱污染控制標(biāo)準(zhǔn)及其他相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行水域熱容量預(yù)測,可為防控體系提供技術(shù)支撐和指導(dǎo)意見;余熱利用則是從源頭上實(shí)現(xiàn)電廠廢熱節(jié)能減排、降低溫排水熱影響,促進(jìn)溫排放控制標(biāo)準(zhǔn)有效執(zhí)行的重要手段。在溫排放的監(jiān)管中,要引入熱環(huán)境容量的概念,做到工程布局的統(tǒng)籌規(guī)劃和科學(xué)管理。

“十二五”期間,我國的電力工業(yè)建設(shè)依然保持高速的發(fā)展勢頭。盡快建立完善有效的熱污染防控體系,對于實(shí)現(xiàn)環(huán)境友好型與資源節(jié)約型電廠具有重要意義,同時(shí)也為“十二五”電力規(guī)劃目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)提供了有效保障。

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