(北京市华北电力大学 102206)
摘要：利用海水温差发电技术，提出了一种基于高温冷却水的水电联产系统，将核电站机组产生的高温冷却水的热量代替温海水进行温差发电，并在系统循环过程中获得大量淡水。这样既阻止了冷却水直接排到大海深处的行为，解决了核电热污染的问题。同时蒸发器中冷却水蒸汽液化形成可收集淡水，解决海岛居民饮用水难题。
关键词:海水温差发电；高温冷却水；核电热污染
一、背景介绍
海洋是全世界最大的太阳能收集器，6000万平方千米的热带海洋一天吸收的太阳辐射能，相当于2500亿桶石油的热能。如果将这些热量的1%转化成电力，也将相当于有140亿千瓦装机容量，是美国当今发电能力的20倍以上[1]。
海水的温度随着海洋深度的增加而降低。这是因为太阳辐射无法透射到400米以下的海水，海洋表层的海水与500米深处的海水温度差可达20℃以上。通常，将深度每增加100米的海水温度之差，称为温度递减率。（如图1）一般来说，在100～200米的深度范围内，海水温度递减率最大；深度超过200米后，温度递减率显著减小；深度在1000米以上时，温度递减率则变得很微小。
图1
用海水温差发电，还可以得到副产品——淡水，所以说它还具有海水淡化功能。一座10万千瓦的海水温差发电站，每天可产生378立方米的淡水，可以用来解决工业用水和饮用水的需要。另外，由于电站抽取的深层冷海水中含有丰富的营养盐类，因而发电站周围就会成为浮游生物和鱼类群集的场所，可以增加近海捕鱼量[1]。
海水温差发电，是以一种混合化学液体作为介质，输出功率是以前的1.1至1.2倍。一座3000千瓦级的电站，每千瓦小时的发电成本在0.6元以下，比柴油发电价格还低,。但是，中国海洋温差能源等新能源的开发前景还不容乐观。国家海洋技术中心研究员葛运国说：“与发达国家相比，中国在海洋温差发电的开发上还停留在实验室原理性验证阶段，还未建立试验电站。”
我国沿海地区的海面水温如图2所示，可见我国的温差发电的巨大潜力。
图2 我国沿海地区的海面水温
二、传统的不足
传统的海洋温差发电是利用表层海水与深层海水的温度不同进行发电，使用温暖的表层水加热沸点较低的氨等，使其沸腾，然后利用其蒸汽旋转涡轮，驱动发电机发电。转动涡轮发电之后的蒸汽使用温度较低的深层海水进行冷却，变回液态氨，然后再次使用表层水使之沸腾并转动涡轮。
但是，这其中存在着所需初始投资资金庞大、发电成本高、深海冷水管路施工风险高等问题。同时，传统的海洋温差发电不能解决海岛上人们的淡水需求问题，只能够单纯地利用海洋本身因为深度变化所引起的温差来进行发电，而不能够通过人为的调控来控制发电过程，且不能缓解因为人类其他生产活动所带来的环境污染问题。
与此同时，我们也注意到了我国沿海核电站发展产生的一系列环境问题。最突出的便是核电站冷却水的热污染问题。核电站机组的冷却水可以达到每秒数百吨，而我国目前的核电机组均使用二次冷却水直排的方式排放冷却水。冷却水的管口温度可高达50度左右，对周边海域有极大的温升效应。而在台湾已经观察到了高温热冷却水对周围生态系统有极大的影响，甚至对于部分鱼类的生长有致畸的作用。有效治理核电站的热冷却水势在必行，但发达国家主流的解决方案是建造大型冷却塔，其在工程上与造价上代价都过于高昂。如一个上百亿的核电机组，其配套冷却塔，高达三十亿元，而且其最终冷却效果，也不尽如人意，仍然无法达到与环境温度持平的效果。
研究发现，核电站热废水对海洋生物的影响如下表1所示。
三、发电技术
系统框图如图3所示。
核电站每秒可排出中温中压的清洁冷却水上百吨（管口水温约50~60℃），在核电站中，首先从核电站输出管中将冷却水排出，排入脱气器进行脱气，并排出多余的气体，然后脱气后的冷却水进入闪蒸器，闪蒸器使冷却水气化，将气化的冷却水蒸汽排入到蒸发器中，其中未能气化的冷却水排出整个系统，冷却水闪蒸出来的低压水蒸汽进入蒸发器用来加热低沸点的工质氨水（氨水沸点33℃），迅速气化形成大量蒸气通过管道进入到汽轮机中推动汽轮机转动，同时低压水蒸汽被冷凝，形成淡水，进行收集生活使用，汽轮机转动带动发电机发电，汽轮机中大量蒸气经过管道进入到盛有海水的冷凝器中，又被液化为氨水，并被工质泵控制进行下一轮循环工作。
图3 系统框图
四、优势
我们的发电系统采用了多阶段、全方位的混合循环系统。与现有技术相比，有益效果是：一种基于核电站温差发电的混合循环系统，通过设置脱气器对高温冷却水进行脱气，然后排出到闪蒸器中进行气化，形成高温冷却水蒸气进入到蒸发器中与低沸点的工质氨水进行反应，产生大量的蒸汽推动汽轮机转动以及发电机进行发电，利用这些冷却水的热量代替温海水进行温差发电，既阻止了冷却水直接排到大海深处的行为，解决了核电热污染的问题，大量的氨水蒸汽被冷凝器中的海水进行降温，从新变为氨水，氨水沸点低无法对海水造成升温，不需要重新从海水里抽取温海水，不需要从大海深处抽取冷海水冷却工质，可以节省材料，便于维护，同时蒸发器中冷却水蒸汽液化形成可收集淡水，解决海岛居民饮用水难题。从地理的角度来看，我国海岸线较长，在南海海域的海水温度年平均气温大多都在20℃左右，与核电站、火电站的冷却水温度相比，相差较大，有着较大的开发潜力。
参考文献:
[1] 张书农，环境水力学，南京，河海大学出版，1988年12月
[2] 徐明.海水用于电厂循环冷却系统的探讨[J].电力建设,2002,23(5):12-13. DOI:10. 3969/j.issn.1000-7229.2002.05.004.
[3] 吴健,黄沈发,杨泽生.热排放对水生生态系统的影响及其缓解对策[J].环境科学与技术,2006,29(z1):127-129.DOI:10.3969/j.issn.1003-6504.2006.z1.051.
[4] 孟博.热污染对水生生态系统的影响[J].环球市场信息导报,2013,(4):82.
论文作者:田富豪
论文发表刊物:《电力设备》2019年第9期
论文发表时间:2019/10/18
标签：冷却水论文; 海水论文; 温差论文; 核电站论文; 氨水论文; 温度论文; 脱气论文; 《电力设备》2019年第9期论文;