火（核）电厂温排水热污染防控体系研究概述.pdf

第 3 2卷第 1 期 Vo 1 3 2 No 1 水 利 水 电 科 技 进 展 Ad v a n c e s i n S c i e n c e a n d Te c hn o l o g y o f W a t e r Re s ou r c e s 2 0 1 2年 2 月 Fe b2 01 2 D O I ： 1 0 3 8 8 0 j i s s n 1 0 0 6 7 6 4 7 2 0 1 2 0 1 0 1 7 火 ( 核 ) 电厂温排水热污染防控体系研究概述 赵 懿瑗 ( 中国水利水电科学研究院水力学研究所， 北京1 0 0 0 3 8 ) 摘要 ： 概述 火( 核 ) 电厂温排水热污染防控体 系中的 3个重要环节 ： 基于水质生态等要求制定的温 排放控制标准； 满足热环境容量评估要 求的数值预报模型 ； 余热高效利用技 术。以某核 电厂工 程为例 ， 对热污染防控的总体思路进行 简要分析 。认 为火( 核 ) 电厂 温排水热污染防控体 系的建立 可为电厂的统筹规 划、 温排放监 管以及环境影响评价提供技术支撑。 关键词： 热污染； 温排放控制标准 ； 热环境容量 ； 余热利用； 防控体 系 中图分类号 ： X 5 2 文献标志码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 6 7 6 4 7 ( 2 0 1 2 ) 0 1 0 0 7 4 0 4 P r e v e n t i o n a n d c o n t r o l s y s t e m f o r t h e r ma l p o l l u ti o n o f h e a t e d e fflu e n t f r o m the r ma l( n u c l e a r )pow e r p l a n t s Z H A O Y i j u n( D e p a r t m e n t o fH y d r a u l i c s ，C h i n a I n s t i t u t e of W a t e r R e s o u r c e s a n d H y d r o p o w e r R e s e a r c h， 1 0 0 0 3 8 ，C h i na ) Ab s t r a c t ：I n o r d e r t o e s t a b l i s h a n e ff e c t i v e p r e v e n t i o n a n d c o n t r o l s y s t e m f o r t h e t h e r ma l p o l l u t i o n o f h e a t e d e fflu e n t f r o m t h e t h e r m a l ( n u c l e a r )pow e r p l ant s ，t h r e e k e y a s p e c t s a r e i n t r o d u c e d ：( 1 )c o n t r o l s t a n d a r d s fo r h e a t e d e fflu e n t b a s e d o n t h e r e q u i r e me n t s o f w a t e r q u ali t y a n d e c o l o gy ，e t c ；( 2 )n u me r i c al mo d e l for h e a t e d e fflu e n t t o s a t i s fy the ass e s s me n t req u i r e me n t s o f t h e th e r m a l e n v i r o n me n t al c a p a c i t y ；( 3 )e f fi c i e n t u t i l i z a t i o n t e c h n o l o gy o f w as t e h e a t B ase d o n a c a s e o f a n u c l e a r pow e r p l a n t p r o j e c t ， t h e w h o l e i d e a o f th e p r e v e n t i o n a n d c o n t r o l o f t h e the rma l pol l u t i o n i s a n al y z e d I t i s c o n c l u d e d th a t the e s t abl i s h m e n t o f t h e p r e v e n t i o n and c o n t r o l s y s t e m fo r t h e t h e r m al pol l u t i o n o f h e a t e d e fflu e n t f r o m t h e r m al ( n u c l e a r )pow e r p l a n t s m a y p r o v i d e t e c h n i c a l s u p po r t f o r the p l a n n i n g o f po w e r p l a n t s ，t h e s u p e r v i s i o n o f h e a t e d e fflu e n t a n d t h e e n v i r o n me n t a l i mp a c t e v alu a t i o n Ke y wo r d s ：t h e rm al po l l u t i o n ；c o n t r o l s t an d a r d f o r h e a t e d e fflu e n t ；t h e r mal e n v i ron me n t a l c a p a c i t y ；u t i l i z a t i o n o f wa s t e h e a t ； p r e v e n t i o n a n d c o n t r o l s y s t e m 随着我国电力工业的高速发展 ， 火 ( 核 )电厂温 排水对受纳水域 的热影响问题 日益突出 ， 正越来越 受到政府部门的重视和社会各界 的关注。1 座采用 直流循环冷却方式 的现代化火 ( 核 ) 电厂 ， 每年有可 能将流量 7 04 0 0 m 3 s 、 高于环境水温 6 1 1 o C的热 水源源不断地排入受纳水域 ， 造成环境水温升高 ， 从 而产生对水生态系统的热影响乃至热污染。温排水 的热影响主要体现在两方面 ： 一是对电厂的影响， 受 纳水体温度升高导致取水温度增加 ， 进 而降低 电厂 冷却效率 。二是对水环境的影响 ， 水温升高使水中 饱 和溶解氧 降低 ， 容易 引发赤潮 l； 导致水生 生物 ( 藻类 、 浮游生物和底栖生物 ) 的种群数量和构成发 生变化 l 2 ； 影 响对温度敏感 鱼类 的迁徙 、 生长 、 生 殖 ， 甚至可能致死 j 。 为加强对火 ( 核) 电厂温排放 的监管 ， 探求有效 防治火( 核) 电厂热污染 的思路与途径 ， 本文结合工 程实例 ， 对当前热污染防控体系 中 3个密不可分 的 重要环节基于水质生态等要求制定 的温排放控 制标准、 满足热环境容量评估要求的数值预报模型 以及余热高效利用技术进行分析和论述 。 1 我国温排放控制标准的现状及存在问题 1 1 现 状分 析 我国 目前与温排放控制相关的法规和标准主要 有 ： 中华人 民共和国环境保护法 ( 第 2 6条 ) 、 中华 人民共和国水污染防治法 ( 第 3 5 条 ) 、 中华人 民共 和 国海洋 环 境保 护 法( 第 3 6条 ) 、 国 家标 准 G B 3 0 9 7 -1 9 9 7 ( 海 水水质标 准 、 G B 1 8 4 8 6 -2 0 0 1 污水 海洋处置工程污染 控制标 准 、 G B 3 8 3 8 -2 0 0 2 ( 地 表 水环境质量标准 以及国家环境保护总局 1 9 9 9年发 布的第 8 号令 近岸海域环境功能区管理办法 ( 第 9条) 。从执行情况看 ， 这些现有 的法规 和标准还不 够完善 、 可操作 性不强 ， 主要 问题体现 在 以下 两个 方面： a 对进入受纳水域的温升限值规定过于笼 统 ， 未涉及温升影响区的空间尺度 问题 ， 也没有反应生 作者简介 ： 赵懿 瑶( 1 9 7 5 一 ) ， 女 ， 山西忻州人 ， 高级工程 师， 博 士研 究生 ， 主要 从事水环境 研究。E - m a i l ： y i j u n z h a o 2 0 0 3 y a h o o c o rn a n 。 74 水利 水电科技进展 ， 2 0 1 2 ， 3 2 ( 1 )T e l ： 0 2 5 8 3 7 8 6 3 3 5 E - m a i l ： h h u e d u m h t tp： ld 6 h h u e d u c a 态系统的要求。温排水进入受纳水域后 ， 不可能马 上降到标准所要求 的温升范 围， 总会存在一个温降 区域 ， 其温度不受水质标准限制。因此 ， 有学者提出 设立“ 监管混合区” l 6 j ， 在此区域内 ， 排水出流经历初 始稀释和混合 ， 其水质可不符合标准或有条件地符 合 ； 尽管降低了水质标准 ， 但水体 的完整性和用途仍 然得到保护( 下 文提到 的“ 混合 区” 均指 “ 监 管混 合 区” ) 。 目前 ， 国外 的研究 已经提 出了一些关 于“ 混合 区” 量化的控制参数 ， 如美国加利福尼亚州对滨海水 体规定“ 排放温度小于或等于 3 6、 距排放 口 3 0 0 m 处水体表面温升不得超过 7 2 q C ” 。国外许 多标 准 还反映了生物对水温 的要求 ， 如美 国纽约州就对非 鲑鱼水域和鲑鱼水域的排放温度及温升限值做出不 同规定 。我国现行的标准并没有 明确给出“ 混合区” 范围 ， 也尚未制定适合我国国情的 、 与生态相关的控 制参数 。 b 缺乏 宏观 的、 系统 的控 制温排水 的指导 思 想。近年来 ， 我 国同一水域 内火 ( 核 ) 电厂密度大幅 升高 ， 电厂群效应_ 7 J 日益凸显 ， 如上海黄浦江沿岸从 淞浦大桥到吴淞 口约 7 5 k m的距离 内建有 闵行 、 吴 泾 、 杨树浦 、 高 桥及 闸北 5座直流循 环冷却式火 电 厂 ， 总装机容量 达 3 7 4 9 M W。密集的排放 口不仅会 导致 电厂间的相互影响 ， 还会 引起环境影响累加效 应 ， 使温升影 响范围扩大， 水生物活动通道减少 ， 对 水生态系统构成威胁 。虽然这一现象 已经引起人们 关注 ， 但 尚未开展相关 的系统研究 ， 现有火 ( 核 ) 电厂 温排水热影响评价大多是针对单一电厂进行的。同 时 ， 相关部门的监管缺乏统筹规划 的思想 ， 尚不能从 水域的热环境容量出发 ， 合理规划火 ( 核 ) 电厂厂址 并优化设置排水 口， 使温排放满足相关要求。 1 2建议 温排水评价 、 审查 、 监 管标准 的不完善 ， 使得现 行标准无法有 效执行 ， 造成温排 放监管难 以到位。 因此 ， 必须针对相关问题开展相应研究 ， 制定出合理 可行 、 切合实际的标准 。根据 当前监 管中存在 的问 题 ， 建议加强开展如下研究工作 ： a 结合 已有的温排水对水生态 的热影响研究 成果 ， 明确“ 混合区” 的存在并细化“ 混合区” 的控制 参数。“ 混合 区” 的研究重点是 确定混合 区控 制参 数 。国外关于温排放 的控制参数主要有 ： 排放 口处 最大允许水温或最大温升、 混合区边缘温升以及混 合 区范围等_ 8 j 。在 国内， 对混合 区的研究 尚处起步 阶段， 已有研究成果的可靠性还值得探讨。目前， 为 适应蓬勃发展的火 ( 核 ) 电建设 ， 审评部 门不得不采 取“ 一事一 议” 的办法 确定 “ 混 合 区” 的可 接受性 。 2 0 0 8 年 国家环境保护部 ( 核安全局) 出台的 核动力 厂温排水环境影响审评原则 ( 征求意见稿 ) 提出了 确定温排水混合 区的准则 ， 但没有 与受纳水体重要 生物的耐受温度联系起来 。随着环境生态保护要求 的提高， 还需借鉴国外 的一些研究方法和成熟经验 ， 结合环境保护 目标 、 排放特征和受纳水体 的生态特 点 ， 制定更加细化 、 具体 、 可行的混合区控制参数。 b 根据热环境容量要求 ， 建立大水域 电厂群的 温排放监管体系 ， 形成相关评估标准。电厂群累积 效应对生态通道 的影响、 电厂群温排放控制方法以 及热影响评价模式等研究是今后的发展方向。对于 大水域电厂群的管理 ， 监管部 门要从热环境容量出 发 ， 树立统筹规划的理念 ， 综合所在水域的水动力交 换条件 、 重要水生生物特性 、 功能区划要求等因素， 超前地 、 科学地规划温排水排放 口， 以保持原有水体 的生态环境 。大水域环境容量评价也区别于传统电 厂单一工程项 目环境评价， 主要表现在 ： 环境水域 范围更大 ； 时 间跨度 更长 ， 包括 早期 已投运 的电 厂 、 正在筹备建设 的电厂 以及远期规划的电厂； 评 价 内容 更加侧 重 电厂群对 整体 水域 的 累积影 响； 评价 的终极 目标在于大水域 电厂群的梯级开发和 水环境 的协调发展。 2 热影响及热环境容量预 报 2 1 温排水热影响数值预报模型 温排水在受纳水体中的输移过程 ， 按水力 、 热力 特性可分为近区与远 区。近区呈现 出以动量卷 吸、 掺混为主的三维紊动浮射 流特性 ； 远 区则主要以随 流输移扩散和对天散热 为控制 因素 ， 其水力热力特 性在水深方向渐趋均匀。近、 远 区数学模型根据其 水力热力特点不同而有所差异。 二维数学模型简单易行 、 模拟范围大 、 热量守恒 性好 ， 可用于水平尺度远大于水深尺度、 三维特性不 明显 的远 区。二维模型有平面浅水环流模型及深度 平均 的 k - e模型， 这些模型发展 比较成熟 ， 已被广泛 应用于工程领域E 9 - 1 0 J 。对于排水 近区 ， 宜采用三维 紊流模型。常见的三维紊流模型有两类 ： 涡黏模型 与应力模型。经过学者 的改进 ， 有的模型已在工程 实际 中有所应用 ， 如王丽霞等l 1 1 j 将基于一阶湍流封 闭理论建立 的三维模型用于黄岛电厂 温排水预报 ， 张长宽等_ 1 J 系统总结了三维模型的紊流模式 ， 认为 对于滨海电厂温排水 的三维模拟 ， 应考虑斜压效应 ， 并将水动力场与温度场耦合求解。 现有数值 预报模型存 在的主要问题是 ： 缺乏 能准确模拟复杂边界条件下排水 口近区水力热力特 性的实用三维模型 ； 模型参数的选 取带有一定经 水利水 电科技进展 ， 2 0 1 2 ， 3 2 ( 1 )T e l ： 0 2 5 8 3 7 8 6 3 3 5 E - m a i l ： j z h h u e d u h t tp： k k b h h u e d u m 7 5 验I 生， 需大量物理模型试验及原体观测数据的检验 和完善 ； 近 、 远区划分 尚不 十分 明确 ， 两区边界 的 耦合具有一定难度 ； 温排水数学模型很少与水质 、 生态参数耦合 ， 使得温排水对生态的热影 响评 价多 以定性 为主， 缺乏定量预报数据的支持 。 2 2 热 环境 容量 研 究现 状 热环境容量不 同于一般 的水环境容量 ， 它并没 有浓度和质量 的概念。2 0 0 5年 ， 首次提出河道 热环 境容量的概念 ， 并在二维热输运假设基础上给出河 段热环境 容量 的解析公式 计算法 和数值 模型试 算 法l_ l 。2 0 0 7年 ， 有人定义了海域 热环境容量 ， 同时 给出定量研究 方法 温升带控制法【 1 4 。热 环境 容量与温排放控制标准 、 电厂或其他冷却水用户的 取水质量( 含流量及温度) 要求 、 水域功能区划、 生态 保护 目标 、 当地 的水文气象条件 、 经济发展水平等 因 素紧密相关 ， 应从大水域统筹规划的角度出发 ， 预报 整个水域的热承载能力及剩余承载能力， 为梯级开 发水域资源 、 合理布局工程项 目提供指导。 目前关于热环境容量 的研究较少 ， 如何科学定 义热环境容量 、 找 出影响热环境 容量的因素以及建 立热环境容量的预报模型等均有待更深入的研究。 2 3 热影响及热环境容量预报模型的研发方向 热影响预报模型与热环境容量预报模型既相互 联系 ， 又有所区别 。两者 的联系在于它们的研究 对 象都是热 ， 模型的控制方程 、 数值离散方法等都具有 共性 ； 区别在于， 两者的关注点、 出发点 以及落脚 点 有所不同 ， 服务的对象也不同 ： 热影响预报模型关注 某一个或几个排放点 ， 预先给定排 口位 置 、 排热量 ， 模拟预报这些条件下温排水 的热影响范 围及程度 ， 为环境评价提供数据 ； 热环境容量预报模型重在受 纳水域的整体规划 ， 事先给定受纳水 域的热环境容 量 ， 通过数学模型优化排放 口位置及排热量 ， 为规划 部 门提供决策依据 。热环境容量预报模型的模拟范 围要远大于一般的温排水热影响数值预报模型。 针对 目前 电厂温排水热污染 的现状及问题 ， 应 对现有预报模式进行改进 ， 研发适应大水域 电厂群 的数学模型。模型 的改进可 以从模式 的选取 、 参数 的确定 、 边界 的处理几方面进行。模型在近 区可 以 精确模拟射流卷 吸掺混特性 、 盐度或温度异重分层 流动特性 、 多排放源汇问的相互影响 ； 在远区能更准 确地模拟温排水 随流的输移扩散 规律 以及 散热过 程 ； 同时还可 以反 映温度 与水质 、 生态 因子的耦合 作用。 3 火 ( 核 ) 电厂温排水余热的综合利用 余热利用对于节约资源 、 改善环境 、 实现电厂循 76 7 gff ,l 水电科技 进展 ， 2 0 1 2 ， 3 2 ( 1 ) ： 0 2 5 8 3 7 8 6 3 3 5 环经济具有重要意义。电厂的能源利用效率非常低 ( 除热电厂外 ， 仅 3 5 4 0 ) ， 若 能从源头上 减少 排放 的废 热 ， 将 是 减轻 温排水 负 面热 影 响的根 本 途 径 。 3 1 温排水余热综合利用现状 目前火 ( 核 ) 电厂温排水余热利用方法及途径主 要有 直 接利 用 和借 助 热 泵技 术 提 高 温度 后 用 于 供热。 余热直接利用的主要领域是种植业 和养殖业。 国外早在 2 0世纪 6 0年代就开始利用电厂 的温排水 养殖鱼类 ， 用余热给土壤加温促进农 作物生 长或延 长生长 时间。我 国余 热利用 主要集 中在 一些火 电 厂 ， 如开封电厂 、 石洞 口电厂等 ， 核电厂 尚未有开展 余热利用 的先例 。 利用热泵技术将电厂余热 回收再利用是近几年 的研究热点 ， 如回收 电厂 的废热来加热油 田的伴 热 热水_ 1 5 _ 或将温 排水提升 温度后用 于集 中供 暖 1 6 。 目前 ， 利用电厂循环水余热进行供热 已在一些 中小 型电厂得到实施 ， 如大庆市北源热力公 司利用冷却 塔循环冷却水余热为住宅小 区集 中供 热 ， 规划面积 3 2 0 万 m 2 ， 收到 良好的经济效益和社会效益 。 3 2 温排水余热利用前景 火 ( 核) 电厂温排水可利用 的余热量 十分 巨大 。 在 国家大力提倡节约资源 、 保护环境的形势下 ， 余热 利用的前景非常可观。 环境生态工程 已成为环境综合治理的有效措施 之一 ， 其 目的是运用生态学原理设计生态工程 以开 展生态修复或促进资源的综合利用 、 环境 的综合整 治。美 国学 者 B r e a d基 于生 态工程原理设 计的 “ 食 物综合生产 系统 ” ， 使 电厂排 出的废 热在各个环 节得到充分利用 。该方法打破 了以往 “ 单一利用为 主” 的余热利用方式 ， 使废热资源化 ， 不仅 降低 了废 热对环境的影响 ， 而且还能实现 电厂循环经济。结 合厂址所在地实际情况设计余热综合利用系统是今 后的发展趋势 。 将温排水带走 的废热 回馈 电厂的热机热力 系 统 ， 不仅可以提高热机经济性 ， 节 约能源 ， 而且可 以 减少温排水对环境的负面影 响 ， 实现 电厂循环水余 热的高效利用 。其 中， 寻求能充分利用电厂弃热或 汽轮机低压抽气热的高效低成本热泵是关键。 循环水余热在海水淡化领域也有很大的利用空 间。海水淡化技术种类很多 ， 但适 于产业化 的主要 有反渗透法和蒸馏法。对反渗透技术而言， 其能耗 与海水温度成反 比， 经热泵将需淡 化的海水 提升温 度后 ， 可大幅降低加热能耗。对低 温多效蒸馏技术 而言 ， 循环冷却水水源热泵提 升海水至所需 的蒸馏 E - m a i l ： 业h h u e d u c n h t t p： k k h h h u e d u C F t 温度 ( 7 0 c I = ) ， 比直接用低压抽汽升温海水 经济 ， 可 节约大量的电厂抽汽 ， 提高电厂发电效率。 4 工程实例 以南海海水作为循环冷却水源的某核 电厂 ， 设 计取排水流量为 4 0 Om 3 s 、 排水温升为 7 5。设计 单位针对 该 厂 址尝 试 提 出 3个 温 排 放混 合 区参 数_ l 8 _ ： 温排水排放 K I 的控制极端高温值为 3 9； 温 排水混合区边缘 的温升限制为 3 0 q C ； 以 3 0 生态 功能减弱程度作 为可接受上限时 ， 温排水混合 区的 最大允许面积为 1 6 l 【 m 。 评估复核时 ， 考虑同一水域另一大型火 电厂的 排热 ， 对工程运行工况采用数学模型进行温排水计 算 。结果表明， 在给定条件下 ， 温排水对环境海域的 影响无法满足上述温 排放“ 混合区” 控 制参数 的要 求 ， 必须减少向海域的排热量 。通过试算 ， 该核 电厂 排热量需减少约 4 2 。这一验算过程 ， 并不单独针 对待建的核电厂进行 ， 而是 以受纳海域已有热源影 响为基础 ， 根据温排放混合 区控制参数确定核 电厂 排热量 ， 实际上已包含 了热环境容量的评估 内容 ， 这 对于统筹规划该水域的电厂建设具有重要意义。 由于该核 电厂位于我 国南方 ， 当地对该核 电厂 并无供热需求。结合该核 电厂 的温排水条件 、 所在 地区气候 、 居民分布状况、 环境规划 以及工农渔业发 展情况等因素， 余热利用的方式可以考虑为海水淡 化 、 干燥工艺 、 果蔬养殖 、 生活热水等 。 5 结语 火 ( 核) 电厂热污染防控体系 中的 3个环节紧密 相关 、 密不可分 的。其 中， 控 制标准是根本 ， 可使温 排放做到有法 可依 、 有 章可循 ； 数值预报模 型是工 具 ， 结合热污染控制标准及其他相关标 准进行水域 热容量预测 ， 可为 防控体系提供技术支撑 和指导意 见； 余热利用则是从源头上实现电厂废热节能减排、 降低温排水热影响 ， 促进温排放控制标准有效执行 的重要手段 。在温排放 的监管 中， 要引入热环境容 量 的概念 ， 做到工程布局的统筹规划和科学管理。 “ 十二五” 期 间， 我国的电力工业建设依然保持 高速的发展势头。尽快建立完善有效的热污染防控 体系 ， 对于实现环境友好 型与资源节约型电厂具有 重要意义 ， 同时也为“ 十二五” 电力规划 目标 的实现 提供了有效保障。 参考文献： 1G E S A MP T h e r m a l d i s c h a r g e s i n t h e m a l l n e e n v i r o n me n t ： U N E P r e g i o n a l s e a s r e p o r t a n d s t u die s R G e n e v e s e ： U N E P ， 1 9 8 4： 31 5 3 3 4 2谢允田， 魏民， 石岩， 等 热排水对浮游藻类的季节变化 影响的研究 J 水电站设计， 1 9 9 7 ， 1 3 ( 3 ) ： 6 5 6 7 3金琼贝， 盛连喜， 张然 电厂温排水对浮游动物的影响 J 环境科学学报， 1 9 8 9 ， 9 ( 2 ) ： 2 0 8 2 1 7 4胡德良， 杨华南 热排放对湘江大型底栖无脊椎动物的 影响 J 环境污染治理技术与设备， 2 0 0 1 ， 2 ( 1 ) ： 2 5 2 7 5姜礼燔 热冲击对鱼类影响的研究 J 中国水产科学， 2 0 0 0 ， 7 ( 2 ) ： 7 7 8 1 6MA F F E I L ， K I N G B ， S C H WA B E ， e t a 1 Mi x i n g z o n e s i n o r e g o n ： i n t r o d u c t i o n o v e r v i e w l J J O r e g o n I n s i d e r ， 2 O 0 6 ， 38 9： 卜5 7贺益英 对大水域电厂群温排水环境热影响研究的认 识 J 水利水电科技进展， 2 0 0 8 ， 2 8 ( 4 ) ， 2 7 2 9 8 于凡 ， 张永兴， 杨东 滨海核电站温排水的混合区设置 J 水资源保护， 2 0 1 0 ， 2 6 ( 1 ) ： 5 3 5 6 9 李振海 ， 祝秋梅 填海工程影响下的电厂冷却水工程布 置数值模拟研究 J 电力环境保护， 2 0 0 3 ， 1 9 ( 3 ) ： 6 - 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