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核电站温排水模拟计算
作者单位：
中国水利水电科学研究院水环境所(北京)
母体文献：
水力学与水利信息学进展
会议名称：
2003年第一届全国水力学与水利信息学学术大会
会议时间：
会议地点：
主办单位：
中国水利学会,中国水力发电工程学会
在线出版日期：
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特别策划 | “核电春天”vs“热污染”，拿什么拯救冷却水处理？
了解更多请猛戳“阅读原文”- 导语 -一边是快马加鞭的“核电春天”，一边是在役核电站附近海洋排水口全年性“局部温热”，一道摆在核电站面前的“冷却水处理致热污染”的难题也日渐浮出水面。◆ ◆ ◆截至2015年底，中国最大的核电基地——大亚湾核电基地上网电量共计53.78亿千瓦时，其中向香港供电117.42亿千瓦时，累计2120.19亿千瓦时，占香港用电量的四分之一。在输出巨大清洁能源的同时，我们也看到，大亚湾核电站附近海域自1994年运转后平均表层水温和表层叶绿素a含量分别升高1.1℃和1.9 mg /m?。此外，有害赤潮的发生也由运转前的春秋两季到现在的“全年供应”。无独有偶，自日1号机组正式投产仅仅两年半时间，地处福建省东北部的宁德核电站温排水造成的周围海域最大热污染面积达到80.51平方公里。大亚湾核电与宁德核电并非个例。有数据显示，近几年，国内主要核电站排水口的温升情况均不容乐观。在役核电站方面，秦山核电站为9.5℃，大亚湾岭澳核电站为9℃，秦山二期和田湾核电站为10℃。在建核电站方面，红沿河核电站为8.2-10.2℃，宁德核电站为7℃，三门核电站为8℃，石岛湾核电站为9℃，台山核电站为10℃。一边是快马加鞭的“核电春天”，一边是在役电站附近海洋排水口全年性“局部温热”，一道摆在核电站面前的“冷却水处理致热污染”的难题开始日渐浮出水面。▼热污染，来势汹汹对海洋环境而言，核电站冷却水排放造成的热影响可通过与其他环境因素的相互作用而产生综合效应。它不仅能以热的形式改变水体理化性质，使水体含氧量降低，水中一些有毒物质的毒性增大，腐殖质增多，使水体恶化，从而影响海洋生物的正常生存。热污染实则“历史悠久”。早在1993年7月，在台湾核电二厂排水口旁捕到体长约10-20cm的花身鸡鱼和豆仔鱼的畸形幼鱼，其脊椎成S型弯曲，有人从物理水温、化学重金属、辐射、环境生态、形态等角度调查，研究显示高温使鱼体内维生素C破坏或不足，胶原蛋白中羟（基）脯氨酸不足，最终导致鱼骨和肌肉生长异常。这就是著名的台湾核电二厂发生的“秘雕鱼事件”，也是当前所指核电站“热污染”的一个非常极端的事件。在中国，由于目前所有运行和在建核电站均为滨海厂址，海洋“热污染”很客观地存在并发生。若按每产生1千瓦时的电力大约排出1200大卡的热量计算，200万千瓦的发电能力每天排出的废热可使1100万立方米的水温升高5.5℃。中国目前的在役核电站均使用水作为冷却剂。除秦山三期采用的加拿大坎杜6型商用核电技术，使用重水冷却之外，其余都是压水堆技术，使用自然水冷却。此外，山东石岛湾核电站正在建设的四代高温气冷堆，主要是用二氧化碳或氢气冷却。与常规火电厂相比，核电站热效率偏低，仅为30%-35%，大部分热量被冷却水带走，加之核电机组功率往往高于火电机组，弃热量更大。海水主要被用于滨海核电站的三回路中，用以保证汽轮机的背压，带走凝汽器中的热量，将汽轮机乏汽冷凝以供二回路循环使用。数据显示，海水作为冷却剂所带走的废热约占核反应产生总热量的3/4。温度上升了的循环冷却水，核电站一般有两种处理方式：一是直接排放至自然水域，即直接将吸收发电乏汽余热的冷却水排至自然水域，通过与受纳水体的掺混从而将大量余热带入水域，称为“一次循环冷却”；二是排至冷却塔，通过冷却塔来冷却循环水，冷却水携带的余热经冷却塔释放到环境大气中，称为“二次循环冷却”。在中国，均采用以海水为最终热阱的一次循环冷却方式。然而这种方式却对周围海域造成了一定的“伤害”。对海洋生物来说，水温对海洋生态系统和各类海洋生物活动起着极为重要的作用。“水温对生物个体的生长发育、新陈代谢、生殖细胞的成熟及生物生命周期都有显著的影响。在自然条件下，海洋水温的变化幅度要比陆地环境和淡水环境小得多。因此海洋生物对温度的忍受程度也较差，热污染对它们的影响更大。”中国原子能科学研究院一位长期从事水资源研究的专家向《能源》记者解释。“滨海核电往往规划为多堆厂址，该模式会造成核电站向海域集中排热。核电站大量的冷却水不断地排入受纳水体，造成局部水域温度升高，影响水体水质，危害水生生物，对周围水域造成热污染。”中国水利水电科学研究院一位不愿具名的专家向《能源》记者表示。“因此，海域热环境容量未来可能会成为制约核电站机组建设数量的重要因素。”温度升高的冷却水排放进核电站附近海域，也会对有洄游习性的鱼类产生影响。在低温季节，鱼群会频繁出入于热流区域，而在高温季节则回避该海区。鱼类被冷却水流导引和阻隔，其生殖迁徙活动受到阻碍。此外，核电营运过程中所产生的余氯、低放废液等也会随着温排水一同排水海中，这些物质也会对近岸海域环境质量造成一定的影响。▼冷却水怎么处理，成本是关键沿海核电站在运行过程中会抽取大量海水作为冷却水使用，同时会将营运过程中产生的系列废液排入海中。内陆核电站则需采用自然通风冷却塔来提供循环冷却用水，因此冷却塔成为内陆核电站常规岛不可或缺的组成部分。业内多位专家向《能源》记者表示。“对中国而言，一台内陆核电厂址必须配备4台核电机组，一般也要500万千瓦，容量较大，所以发展内陆核电必须要建冷却塔，通过闭式循环进行处理”，我国知名核电专家、中核集团科技委常委张禄庆说。当核电站位于海边时，“冷却塔一般就省了”。可以采用海水直接冷却，“海水一般不需要进行特别处理。”加之沿海核电站离海岸线较近，一般都要求在海底挖一条地道：即一条进水管道和一条出水管道。引进温度较低的海水用以冷却常规岛的蒸汽机组，之后排出温度较高的冷却水至大海深处，他说。例如，秦山三期核电站厂址为半岛型，管道从半岛左边引进，右边排出，一次冷却，开式循环，即通常所说的“深海暗管”。“由于海岸大陆架比较平坦，深度不够的话，一抽水就容易把海里的泥沙等抽进来了，对汽轮发电机组冷凝器的冷却非常不利，所以一定要建一条很长的管道到深海地区抽比较干净的海水。再者，由于两个水口的温差较大，进水和出水渠道往往间隔较远。”张禄庆对《能源》记者说。除深海暗管方式外，部分核电站也会直接采用“近岸明排”的方式。“明排的是工程投资比较低，运行维护方便，缺点是对于排放点的海洋生态环境影响较大；暗管的优点是一条管道直插海底进行排，对海域的冲击影响小，缺点是工程造价较高，不易运行维护。”中核能源科技有限公司一位不愿具名的专家向《能源》记者透露。2010年5月，美国加州出台水资源保护政策，为了保护海洋生物将逐步淘汰采用直流冷却系统的滨海和河口电站。虽然国内目前尚无相关规定，但随着海洋生态环境保护问题的备受关注，冷却设计建造技术的日益成熟，滨海核电站能否采用环保的二次循环冷却系统引起了业内专家的关注。然而，也有专家表示了不同的观点。“对于核电站冷却水的处理，直接循环（一次循环冷却）和间接循环（二次循环冷却）都是可取的，既安全又经济。对于沿海核电站而言，放着那么大一片流域的海水你不去用，而去建冷却塔，既浪费钱，效果也不会太好。沿海地区没有必要建设的道理。”张禄庆说。据参与桃花江核电站设计工作的湖南省电力设计院专家唐磊向《能源》记者透露，早在2010年前后，我国三大内陆核电厂址湖南桃花江、江西彭泽、湖北大畈均已完成了冷却塔的招投标工作，德国的基伊埃、比利时的哈蒙、美国的斯必克三家国际企业分别中标。超大型冷却塔的研发是我国内陆核电工程建设的关键环节之一，已列入国家“大型先进压水堆及高温气冷堆”重大专项课题范畴。核电超大型冷却塔具有淋水面积大(约17000m2以上)、塔体高(约200m以上)等特点，因此其热力计算、水力计算以及结构计算均相对火电用自然通风冷却塔有很大的难度。国内目前尚没有设计单位能独立承担核电超大型冷却塔的设计工作。目前承担该项重大课题研究的主要是国核电力规划设计研究院，隶属三大核电巨头之一的国家电力投资集团。此外，湖南省电力设计院、广东省电力设计院以及华东电力设计院也是承担超大型冷却塔的骨干单位。前二者隶属中国能源建设集团，后者隶属中国电力工程顾问集团。“湖南电力设计院承担的《中南地区AP1000 核电机组超大型逆流式自然通风冷却塔三维设计软件》研究项目已经设计出塔高达220米，底部直径180米，淋水面积20000平方米的冷却塔，完全满足大型火电机组及核电机组的计算需要。”唐磊说。据悉，此项技术已于2014年5月成功通过验收。然而，对于二次循环冷却而言，也有其缺点。行业专家向记者分析，蒸发散热加以风吹影响，使大量热量和水滴进入大气环境，会造成空气局部温度、湿度升高。加上核电站长期运行，失散的热量和水滴会对核电站附近的局部小气候产生影响。▼业主供货商各怀心思“一台百万千瓦核电机组造价大约为200亿元，而一座冷却塔的造价预计也要20-30亿元，少则10亿元。这还不算工程后期每年一两千万元的维护费用以及人力成本。”中国核建清洁源有限公司的一名资深员工李飞（化名），被问及在沿海核电站是否有推行二次循环冷却技术的必要性时，他的答案很坚决，“沿海核电站建设冷却塔，第一要投资，第二要运行，第三还要配备相关水处理装置，哪有直排好？能达到国家标准不就行了。”“你们不要只听环保人士和专家的呼吁，要看到我们业主的难处，要看到谁要为这一改造买单？”李飞稍显愤怒，“目前来看，沿海核电站配备冷却塔并非必要之举”。“其实这一问题取决于我国现有法规体系的完善，如果把环境评标准提高了，国家说你必须建，那我就不得不建了。所以这不是核电行业一家的问题，而是整个电力工程的问题。”李飞补充说。与李飞持同样观点的还有来自海南昌江核电站的陈力（化名）。“即便核电已开闸重启，但仅占中国电力装机3%的核电，与火电而言，影响微乎其微。”“在沿海核电站冷却水排放的问题上，国家是有严格要求规定。在核电站环评时，必须要有物理温度、模拟计算，排出的热水，以及扩散时海水增温一度温升的范围、温升湿度的范围等。”张禄庆说。“可以承认确实冷却水的排放有可能造成海水温度的升高，但世界各国的经验告诉我们沿海核电采用直排是主流。”以几个核电强国为例，美国的104座核反应堆中，60座使用一次冷却，35座使用二次冷却，9座使用根据环境条件进行切换的双冷却系统；法国有4个滨海核电站，全部使用海水直流冷却，另外15个内陆核电站中11个（32 座反应堆）使用冷却塔蒸发冷却，4个（12座反应堆）使用河水或湖水直流冷却；英国、瑞典、芬兰、加拿大、南非、日本、韩国等国的核电站基本都建在海边（或大湖边），全部采用直流冷却。在沿海核电站是否应当建设冷却塔的问题上，如果说核电站业主自成一方“反对派”，那么，环保人士和供货商则组成了另一方“力挺派”，即便他们的利益诉求点完全不同。“当前，中国对于温排水造成的热污染很重视，对于沿海而言，随着日后环保要求的逐步提高，核电用冷却塔市场或许会逐渐形成。”来自美国斯必克流体公司的总工程师刘英杰向《能源》记者表示。作为一家从北美地区走出的拥有百年历史的冷却塔制造企业，斯必克的核电站冷却业绩市场主要是美国和欧洲。“目前在中国，斯必克的市场主要集中在石油、钢铁以及化工等工业塔领域，电厂方面，冷却塔工艺主要用于火电厂。”刘英杰说，“但无论内地还是沿海，核电用冷却塔都是必然趋势。”但他也坦言，对于中国来说，核电用冷却塔还在培育期，预计市场成熟最快也要15年之后。“目前效率最高的清洁能源首推核电，中国的核电工业都建设于沿海地区，过去电厂废热直接排放到海里。目前的新趋势是核电站逐渐向内地发展，对冷却塔的技术、性能、稳定性等的要求更加严格。”益美特（上海）冷却塔有限公司商务拓展经理李世军也向《能源》记者表示。一个占美国本土市场70%份额，一个占30%份额，同为美国冷却塔制造商巨头，本来老死不相往来的两家国际企业竟然在中国核电站冷却塔这块“蛋糕”上态度出奇的一致。当前，凭借强大的技术和资金优势，以斯必克（广州）冷却技术有限公司、北京基伊埃能源技术有限公司、哈蒙冷却系统（天津）有限公司为代表的一批外资企业迅速在中国占据一定的市场份额。而在电站空冷市场方面，基伊埃、斯必克、首航节能、哈空调、双良节能、龙源冷却“六大企业均分天下”的局面已然形成。相关数据显示，六家企业在单机容量135MW以上电站空冷系统中市场份额合计已超95%。尤其近年来，随着国内厂商业务能力的提升，2008年、2009年和2010年，包括首航节能、哈空调、双良节能、龙源冷却在内的4家内资厂商合计的国内市场份额依次达到35%、49%和67%，成为电站空冷市场的主力。电站空冷行业是国家政策鼓励发展的行业，符合国家节约水资源、保护环境的发展方向，具有良好的发展前景。“十几年间，国内电站空冷市场经历了由外资企业主导转向内资企业为主的发展过程。” 华东电力设计院总工程师陈仁杰在稍早前接受《能源》杂志记者采访时说。▼标准执行是当务之急查阅各类法律条文，不难发现一些水环境质量标准中早已对水体的温升做出了相关的规定。《中华人民共和国海洋环境保护法》第三十六条: 向海域排放含热废水, 必须采取有效措施, 保证邻近渔业水域的水温符合国家海洋环境质量标准, 避免热污染对水产资源的危害。《海水水质标准》中规定：第一类、第二类、第三类海域，人为造成的海水温升夏季不超过当时当地1℃，其它季节不超过2℃。第四类海域，人为造成的海水温升不超过当时当地4℃。《近岸海域环境功能区管理办法》中规定：对处于入海河流河口、陆源直排口和污水排海工程排放口附近的近岸海域，可确定为混合区。确定混合区的范围应依据该区域的水动力条件、邻近近岸海域功能区的水质要求，接纳污染物的种类、数量等因素，进行科学论证。混合区不可以对邻近近岸海域环境功能区的水质和鱼类洄游通道造成影响。《污水海洋处置工程污染控制标准》中规定适合所有的污水海洋处置工程。由于标准中只提出了混合区的概念，没有规定混合区的允许范围，使得相关部门不能有效的执行《海水水质标准》。从标准的执行上，不难看出以上条文都有着一个共同的问题，那就是混合区。如何尽快研究确定混合区的参数，制定出水域温排放的限制标准，已是解决核电站温排水热污染问题的关键所在。随着有关水域温排放的限制标准的出台，电站冷却水处理将受到更大约束。多位专家向《能源》记者表示。此外，定期监测核电站近岸海域的水温状况，也可以掌握厂址海域温度场的变化，了解核电站温排水对附近海域环境的影响。目前，核电站海域水温监测的主要手段是航空遥感监测技术，运行核电站如大亚湾、田湾、秦山核电站均有相关实践，昌江核电站属在建电厂，目前正在实施运行前水温遥感监测，监测时段为冬、夏两个季节，监测方式为飞机遥感监测及海面水温实测同步进行。设立近岸海域环境功能区也是我国管理近岸海域环境的众多手段之一，对于规范、约束和限制海洋开发利用活动起到了积极作用。不过，随着我国滨海核电站的规模化建设，始于1999年环保部颁布的《近岸海域环境功能区管理办法》却逐渐显露出滞后性。我国完成并颁布近岸海域环境功能区时，投入商业运营的核电只有秦山核电站和大亚湾核电站。2005年至今，当我国核电产业进入加速发展时期，近岸海域环境功能区化管理办法却依然未做任何变动。“这不仅影响到了实施近岸海域环境功能区制度的环境保护效果，同时也对我国的核电建设造成了一定的困扰。”中国海洋大学一位不愿透露姓名的教授向《能源》记者表示。版权声明|稿件为能源杂志原创如需转载请注明来源与作者名称· END ·
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