我國海水冷卻技術(shù)應用研究

尹建華,李亞紅

(國家海洋局天津海水淡化與綜合利用研究所 天津 300192)

我國海水冷卻技術(shù)應用研究

尹建華,李亞紅

(國家海洋局天津海水淡化與綜合利用研究所 天津 300192)

海水循環(huán)冷卻技術(shù)因其環(huán)保和節(jié)水特點已成為海水冷卻技術(shù)的發(fā)展方向。文章分別介紹直流冷卻和循環(huán)冷卻2種海水冷卻技術(shù)，并對二者的優(yōu)劣勢進行比較；闡述2種海水冷卻技術(shù)在國內(nèi)外的應用現(xiàn)狀,分析我國在海水冷卻技術(shù)應用中存在的影響海洋環(huán)境、采用技術(shù)與需求不符、技術(shù)研發(fā)不足和監(jiān)管標準亟待建立等主要問題；在此基礎(chǔ)上提出對策建議,主要包括推進循環(huán)冷卻技術(shù)產(chǎn)業(yè)化應用、加強標準體系建設(shè)、提高技術(shù)環(huán)保水平和轉(zhuǎn)變技術(shù)應用觀念，以期為我國海水冷卻技術(shù)的健康發(fā)展提供參考。

海水冷卻；海水利用；循環(huán)冷卻；直流冷卻；淡水資源

我國沿海地區(qū)人均水資源量大部分低于500 m3，處于嚴重缺水境況。水資源短缺已經(jīng)成為制約我國沿海地區(qū)經(jīng)濟、社會發(fā)展的“瓶頸”之一。據(jù)統(tǒng)計，城市用水中約50%是工業(yè)冷卻水，因此，開發(fā)利用海水代替淡水作為工業(yè)冷卻水，可節(jié)約大量淡水資源，是緩解我國沿海城市和地區(qū)淡水資源緊缺的重要途徑之一[1]。海水冷卻包括直流冷卻和循環(huán)冷卻2種方式，各具優(yōu)缺點，但從長遠發(fā)展來看，海水循環(huán)冷卻是未來海水冷卻技術(shù)的發(fā)展方向。

1 海水冷卻技術(shù)

1.1 技術(shù)簡介

1.1.1 海水直流冷卻技術(shù)

海水直流冷卻技術(shù)是以原海水為冷卻介質(zhì)，經(jīng)換熱設(shè)備完成一次性冷卻后即直接排海的冷卻水處理技術(shù)(圖1)[1]。

由于海水含鹽量高，平均含鹽量在3.5%左右，對金屬材料的腐蝕遠高于一般淡水，且微生物和大生物的種類多、含量高，常見海洋污損生物約2 500余種，用海水作為直流冷卻水，存在著嚴重的腐蝕和污損生物附著問題[1]，因此，海水直流冷卻要解決的關(guān)鍵技術(shù)是防腐和防生物附著。防腐目前常采用碳鋼+防腐涂層+電化學保護，防生物附著主要采用加氯或次氯酸鈉。

圖1 海水直流冷卻工藝流程

1.1.2 海水循環(huán)冷卻技術(shù)

海水循環(huán)冷卻技術(shù)是在海水直流冷卻技術(shù)和淡水循環(huán)冷卻技術(shù)的基礎(chǔ)上提出的，技術(shù)原理為：以原海水為冷卻介質(zhì)，經(jīng)換熱設(shè)備完成一次冷卻后，再經(jīng)冷卻塔冷卻、并循環(huán)使用的冷卻水處理技術(shù)(圖2)[2]。

圖2 海水循環(huán)冷卻工藝流程

1.2 技術(shù)比較

1.2.1 海水直流冷卻技術(shù)的優(yōu)劣勢

優(yōu)勢：海水直流冷卻已有近百年的應用歷史，技術(shù)已非常成熟，在沿海電力、化工、石化等行業(yè)應用廣泛，具有取水溫度低、冷卻效果好、運行管理簡單等優(yōu)點。

劣勢：取排水量大、取排水工程投資大，不適合離海岸較遠的廠址使用，且溫排水和防生措施的使用對周邊海域的生態(tài)環(huán)境影響較大。

1.2.2 海水循環(huán)冷卻技術(shù)的優(yōu)劣勢

優(yōu)勢：取排水量小，取排水工程投資小，適合離海岸稍遠的企業(yè)使用，更加有利于保護海洋生態(tài)。與同等規(guī)模的海水直流冷卻相比，海水循環(huán)冷卻，在取水量和排污量上均要減少95%以上[1]，對環(huán)境影響極為輕微，接近于沒有影響，海洋環(huán)境保護優(yōu)勢明顯。

劣勢：增加了海水冷卻塔，工程的初期投入略高于海水直流冷卻，冷卻水的溫度受制于工程現(xiàn)場的空氣濕球溫度，較直流冷卻高。

一旦預警機構(gòu)發(fā)出警報，并將預警信息傳遞給相關(guān)部門，相關(guān)部門必須根據(jù)地質(zhì)災害警報專家組的意見采取相應的措施。經(jīng)分析，地質(zhì)災害的嚴重性和危害性比較高，對人們和生態(tài)環(huán)境的影響較大，那么相關(guān)部門應當適時采取應急避讓措施，在最短時間內(nèi)撤離周邊居民，并將其安置在相對安全的地區(qū)，最大程度地保護周邊居民的人身財產(chǎn)安全。

2 海水冷卻技術(shù)的應用現(xiàn)狀

2.1 海水直流冷卻

2.1.1 國外應用現(xiàn)狀

國際上大多數(shù)擁有海水資源的國家和地區(qū)都大量采用海水作為工業(yè)用水，且主要用作工業(yè)冷卻水，其中又以海水直流冷卻為主。目前世界海水冷卻利用量已達到7 000億 m3/a余，廣泛應用于電力、化工、石化、鋼鐵等行業(yè)。美國沿海地區(qū)火電、核電等行業(yè)廣泛應用海水直流冷卻技術(shù)，年用量1 000億 m3余，占世界海水冷卻總用水量的近20%；2004年美國環(huán)境保護署(EPA)發(fā)布實施凈水法Section 316，限制海水直流冷卻技術(shù)的應用，要求使用能降低水生生物的死亡率的其他冷卻技術(shù)來替代直流冷卻。日本人多地狹，淡水資源稀缺，因此日本非常重視海水利用，早在20世紀30年代就開始利用海水作為工業(yè)用水，到60年代幾乎沿海所有的電力、鋼鐵、化工等企業(yè)都采用海水直流冷卻；目前，日本利用海水作為冷卻水多達3 000億m3，占工業(yè)冷卻水總用量的60%，有17座核電站，55個核電機組，總裝機容量達到49 469 MW，全部采用海水直流冷卻技術(shù)。歐洲各國海水直接利用量約為3 000億m3/a，英國幾乎所有的核電站都建在海邊，以海水作為直流冷卻水。

2.1.2 國內(nèi)應用現(xiàn)狀

海水直流冷卻在我國有70余年的應用歷史，沿海工業(yè)城市如青島、大連等是較早開發(fā)利用海水作為直流冷卻水的地區(qū)。隨著淡水資源的緊缺和人們對海水直接利用的日益重視，海水直流冷卻在我國沿海地區(qū)得到了普遍應用，年利用海水量穩(wěn)步增長。截至2013年年底，年利用海水作為冷卻水量為883億t(圖3)。電廠成為海水直流冷卻的最大用戶，其次是石化、化工行業(yè)，其他行業(yè)應用較少。

圖3 全國海水冷卻工程年海水利用量

2.2 海水循環(huán)冷卻

2.2.1 國外應用現(xiàn)狀

國外海水循環(huán)冷卻技術(shù)的工程應用始于20世紀70年代[2]。1973年美國大西洋城B.L-England電站建成第一座海水循環(huán)冷卻系統(tǒng)，循環(huán)量14 423 m3/h；1986年美國新澤西州的Hope Creek核電站建成循環(huán)量高達152 200 m3/h的海水冷卻塔[3]；1994年德國羅斯托克電廠建成煙塔合一的海水冷卻塔，鍋爐排煙直接進入冷卻塔隨霧汽一起排入大氣，節(jié)省了煙囪的建設(shè)成本和排煙風機的運行費用。經(jīng)過40余年的發(fā)展，海水循環(huán)冷卻技術(shù)在國外已進入大規(guī)模應用階段，單套系統(tǒng)的海水循環(huán)量均在萬噸級以上，現(xiàn)有最高循環(huán)量達18萬m3/h，建造了數(shù)百座自然通風和數(shù)千座機力通風大型海水冷卻塔，應用領(lǐng)域覆蓋電力、石化、化工和冶金等行業(yè)。美國是海水循環(huán)冷卻技術(shù)應用最早、最多的國家，主要集中在電力行業(yè)。美國加州已出臺法令限制海水直流冷卻的應用，因為通過長期跟蹤調(diào)查研究，加州環(huán)境署確認海水直流冷卻對海洋環(huán)境存在較大影響，因此海水循環(huán)冷卻是今后海水冷卻技術(shù)的發(fā)展方向。在歐洲、亞洲和中東地區(qū)，海水循環(huán)冷卻技術(shù)在電力、石化、化工和冶金行業(yè)都得到了應用，中東地區(qū)因其石油工業(yè)較為發(fā)達，海水循環(huán)冷卻技術(shù)在該行業(yè)應用較多。

2.2.2 國內(nèi)應用現(xiàn)狀

我國的海水循環(huán)冷卻技術(shù)研究始于“八五”時期。經(jīng)過“八五”“九五”科技攻關(guān)，20世紀末完成了百噸級工業(yè)化試驗，在“三劑一塔”關(guān)鍵技術(shù)上取得突破?！笆濉逼陂g，通過國家重大科技攻關(guān)項目，分別在化工和電力行業(yè)成功建成千噸級和萬噸級海水循環(huán)冷卻示范工程?！笆晃濉逼陂g，通過科技支撐項目的支持，工程規(guī)模進一步與國際接軌，單套系統(tǒng)循環(huán)量達10萬t/h的海水循環(huán)冷卻示范工程也于2009年分別在浙江國華寧海電廠和天津北疆電廠建成投運[4-5]。

在技術(shù)上，千噸級、萬噸級和十萬噸級示范工程的投運，標志著我國的海水循環(huán)冷卻技術(shù)日趨成熟，進入規(guī)?；彤a(chǎn)業(yè)化發(fā)展時期。我國的海水循環(huán)冷卻技術(shù)雖然起步較晚，但是在整體技術(shù)上已接近國際水平[6]。

但與國外發(fā)達國家相比，我國的海水冷卻技術(shù)仍有較大差距，主要表現(xiàn)在：①在工程數(shù)量和總規(guī)模上明顯落后，截至2014年，我國已建成海水循環(huán)冷卻工程僅10個，總循環(huán)水量85萬t/h，和國外相比差距明顯。②我國海水循環(huán)冷卻應用限于火電企業(yè)，在核電、石化、煉油等高耗水行業(yè)尚無應用，而國外海水循環(huán)冷卻廣泛應用于火電、核電、石化、化工、化肥等各領(lǐng)域。

3 我國海水冷卻技術(shù)應用中存在的問題及原因

3.1 海水直流冷卻的溫排水嚴重影響排放海域的海洋環(huán)境

我國海水直流冷卻占海水冷卻總規(guī)模的95%以上，主要用于濱海電廠，基本上采用液氯或次氯酸鈉控制生物附著，為了達到好的污損生物控制效果，需要在冷卻水中維持0.2 mg/L的余氯，這種水直接排放會對周邊海域的海洋生物造成影響，同時大量排放的溫排水使附近海域的海水溫度上升，形成熱島效應使周邊海域的浮游生物和底棲生物群落結(jié)構(gòu)變化明顯，破壞排放海域的生態(tài)環(huán)境。另外，濱海電廠的規(guī)模越來越大，1 000 MW發(fā)電機組成常規(guī)規(guī)模，一般一個電廠建4個以上機組，海水取水和排水量十分巨大，海水取水后經(jīng)過殺生處理，其中80%以上的生物被殺死，日積月累，將使附近海域的浮游生物群落受到嚴重影響，進而影響到附近海域的生態(tài)平衡。

3.2 核電行業(yè)對海水冷卻需求巨大，但仍采用直流冷卻

同樣規(guī)模的核電機組，需要的冷卻水量較火電機組高80%，以1 000 MW機組為例，火電需要冷卻水流量10萬t/h，核電為18萬t/h，由于核電的選址要求很高，每個核電廠均會規(guī)劃多期工程，每期2臺1 000 MW機組，需要巨大的冷卻水量，因此，從環(huán)境保護角度出發(fā)，核電更應該采用海水循環(huán)冷卻技術(shù)。但目前投入運行的核電機組均采用直流冷卻方式，對周邊海域的生態(tài)環(huán)境影響顯著。

3.3 海水冷卻塔的技術(shù)研發(fā)投入不足

我國目前投運的海水冷卻塔大多均由電力設(shè)計院按淡水循環(huán)冷卻系統(tǒng)設(shè)計，冷卻塔塔芯構(gòu)件均按淡水系統(tǒng)選用，造成海水冷卻塔飄滴嚴重超標，冷卻塔上升氣流夾帶的海水水滴隨空氣飄散在冷卻塔周圍，影響冷卻塔周邊的植被生長，同時也會腐蝕冷卻塔周邊的金屬設(shè)備。因此，我國應加大經(jīng)費投入力度開展海水冷卻塔設(shè)計技術(shù)和冷卻塔塔芯構(gòu)件研究工作，按海水冷卻塔的要求設(shè)計冷卻塔、選用塔芯構(gòu)件，以保障我國海水循環(huán)冷卻技術(shù)健康發(fā)展。

3.4 相關(guān)監(jiān)管標準亟待建立

2015年4月，國務院印發(fā)了《水污染防治行動計劃》(“水十條”)，明確將“推動海水利用”作為“推動經(jīng)濟結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型升級”、防治水污染的重要舉措之一，并提出“在沿海地區(qū)電力、化工、石化等行業(yè)，推行直接利用海水作為循環(huán)冷卻等工業(yè)用水”。該計劃的出臺，將為海水循環(huán)冷卻技術(shù)的應用推廣提供了契機。

我國目前對海水冷卻環(huán)境影響的監(jiān)管標準還很薄弱，我國僅在《中華人民共和國海洋環(huán)境保護法》中對水體的溫升提出了明確的規(guī)定，《近岸海域環(huán)境功能管理辦法》(1999)提出了混合區(qū)的概念，并指出“混合區(qū)不得影響臨近近岸海域環(huán)境功能區(qū)的水質(zhì)和魚類洄游通道”，但對混合區(qū)的確定則缺乏指導?？梢姡覈P(guān)于水域水溫的規(guī)定十分籠統(tǒng)，在排放強度、混合區(qū)范圍等方面均無明確規(guī)定。關(guān)于海水冷卻水的排放量，僅于《污水綜合排放標準》(GB 8978—1996)中規(guī)定了“火力發(fā)電廠最高允許排放水量3.5 m3/(MW·h)”，但這個排放量指的是污水總排放量，不是專門針對海水冷卻水。關(guān)于海水冷卻水的排放水質(zhì)指標，顯然《污水綜合排放標準》(GB 8978—1996)不盡適用。目前國內(nèi)的排污收費、排污許可證等均未列入海水溫排水，造成我國溫排水管理無法可依。在《關(guān)于對煤礦礦井和采用直流方式的電廠冷卻水收取污水排污費有關(guān)問題的通知》中，雖涉及電廠直流冷卻排放水的排污費征收，但未作明確的量化限制，導致實際活動中無法執(zhí)行。因此亟待建立海水冷卻環(huán)境影響監(jiān)管相關(guān)標準。

4 對策建議

4.1 政策引導，推進海水循環(huán)冷卻產(chǎn)業(yè)化推廣應用

海洋生態(tài)環(huán)境保護，是我國未來產(chǎn)業(yè)發(fā)展應該優(yōu)先考慮的問題。海洋是我們未來發(fā)展的重要資源庫，實行嚴格的海洋環(huán)境保護政策是我們唯一的選擇。因此，我國未來的海水冷卻技術(shù)應以循環(huán)冷卻為方向，大力鼓勵海水循環(huán)冷卻技術(shù)的研發(fā)和推廣。目前，海水循環(huán)冷卻尚處于產(chǎn)業(yè)發(fā)展的起步階段，需要國家和政府政策的支持和引導。通過政策引導，提升海水循環(huán)冷卻的技術(shù)需求，促進海水循環(huán)冷卻產(chǎn)業(yè)發(fā)展和壯大，為海水循環(huán)冷卻產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展奠定基礎(chǔ)；設(shè)立海水冷卻技術(shù)的環(huán)境影響研究專題，科學評估海水冷卻的海洋環(huán)境潛在影響；建立健全項目環(huán)境影響論證審批制度，推動海水循環(huán)冷卻替代直流冷卻，保護海洋生態(tài)環(huán)境。

4.2 加強標準體系建設(shè)，規(guī)范海水冷卻產(chǎn)業(yè)發(fā)展

《水污染防治行動計劃》和《海水利用專項規(guī)劃》的頒布實施，為海水循環(huán)冷卻技術(shù)在我國的發(fā)展提供了良好的契機。2009年實施的我國海水循環(huán)冷卻領(lǐng)域的第一個技術(shù)標準《海水循環(huán)冷卻水處理設(shè)計規(guī)范(GB/T23248—2009)》及其后陸續(xù)發(fā)布的34項方法和產(chǎn)品標準將共同形成我國海水循環(huán)冷卻技術(shù)標準體系。但在海洋環(huán)境監(jiān)管方面的標準還很欠缺，現(xiàn)行的相關(guān)法律、法規(guī)和標準尚缺乏可操作性，難以支撐對海水冷卻技術(shù)的監(jiān)管。為此，相關(guān)部門應做好統(tǒng)一規(guī)劃，制定完善的法律、法規(guī)和標準規(guī)范，規(guī)范海水冷卻產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

4.3 加大投入，進一步提高海水循環(huán)冷卻技術(shù)的環(huán)保水平

我國的海水循環(huán)冷卻技術(shù)經(jīng)過連續(xù)多年的科技攻關(guān)，日趨成熟，現(xiàn)有技術(shù)中部分技術(shù)已接近國際先進水平。無論在海水冷卻塔設(shè)計和裝備制造方面，還是在水處理藥劑的研發(fā)和生產(chǎn)方面，都已具備大規(guī)模推廣的條件。今后需著力解決的主要問題就是加大投入，提高海水循環(huán)冷卻裝備、產(chǎn)品的環(huán)保水平，讓海水循環(huán)冷卻這項環(huán)保型節(jié)水技術(shù)更加環(huán)境友好。

4.4 轉(zhuǎn)變觀念，增強使用海水循環(huán)冷卻技術(shù)的信心

企業(yè)以收益最大化為原則，如果沒有政府在環(huán)保方面的嚴格要求，企業(yè)往往追求經(jīng)濟效益，較少考慮環(huán)境效益和社會效益。 具體選擇海水循環(huán)冷卻還是直流冷卻技術(shù)，不僅要考慮投資、運營成本等方面的經(jīng)濟因素，還要考慮環(huán)境容量和環(huán)境影響等方面的環(huán)境因素。有必要開展海水循環(huán)冷卻替代直流冷卻技術(shù)、經(jīng)濟和環(huán)境可行性研究，全面核算海水循環(huán)冷卻的投資、運行成本和環(huán)境效益，算好工程建設(shè)、運行、環(huán)境“一本賬”，轉(zhuǎn)變觀念，為企業(yè)采用環(huán)保型節(jié)水技術(shù)即海水循環(huán)冷卻技術(shù)提供決策依據(jù)。

[1] 侯純揚.海水冷卻技術(shù)[J].海洋技術(shù),2002,21(4)：33-39.

[2] TAWNEY R,KHAN Z.Economic and performance evaluation of heat sink options in combined cycle applications[J].Journal of Engineering for Gas Turbines and Power,2005,127(2)：397-403.

[3] SHARQAWY M H,ZUBAIR S M,LIENHARD J H.On thermal performance of seawater cooling towers[J].Journal of Engineering for Gas Turbines and Power,2011,133(4)：7.

[4] 曾建柱.天津北疆發(fā)電廠12 000 m2海水冷卻塔設(shè)計[J].電力建設(shè),2009,30(2)：58-60.

[5] 陽明,關(guān)秀彥,羅獎合,等.海水循環(huán)冷卻系統(tǒng)特點和運行經(jīng)驗[J].熱力發(fā)電,2007(8)：88-90.

[6] 趙旺初，我國海水循環(huán)冷卻達到國際先進水平[J].發(fā)電設(shè)備,2008,22(3)：240.

TheApplicationofSeawaterCoolingTechnologyinChina

YIN Jianhua,LI Yahong

(The Institute of Seawater Desalination and Multipurpose Utilization,SOA,TianJin 300192,China)

Because of the advantages of water saving and environmental protection,seawater recirculating cooling has become the developing direction of cooling technology using seawater.After respectively introducing the once-through cooling(OTC)and the recirculating cooling using seawater and further comparing their superiority and inferiority,this paper explained the application status of two seawater cooling technologies in China and overseas.There are some problems existing in the application of seawater cooling technology in China,such as the impact on the marine environmental,adopted technology out of demand,technical underdevelopment,and regulatory standards need to be established.For the healthy development of seawater cooling technology in China,some countermeasures and suggestions were put forward on the basis of the problems mentioned above,including promoting the industrialization of recirculating cooling technology,strengthening the standard system construction,improving the technical level on environmental protection,and changing the concept of technology application.

Seawater cooling，Seawater utilization,Recirculating cooling,Once-through cooling(OTC),Fresh water resources

2017-06-27；

2017-11-16

國家海洋公益性行業(yè)科研專項項目(201505021-2).

尹建華,研究員,博士,研究方向為海水利用

P746

A

1005-9857(2017)12-0072-05