北方某核电站采用海水循环水源热泵可行性初步分析

2023-02-07

正文:

引言

在国家大力推行节能减排能源政策的大背景下, 核电作为新能源利用的代表, 其丰富的余热资源正引起公众越来越多的关注。北方某核电大约36%的热功率会转化成电能, 其余的余热通过凝汽器海水冷却换热到最终的热阱 (大部分核电采用的是海水, 部分核电采用空冷和江河湖水冷却) 。由于循环水的温度一般只比环境温度高大约10℃左右 (北方某核电夏季温升约8℃, 冬季温升约10℃) , 品味不高, 所以对其利用还远远不够, 目前绝大多数核电项目采用的是直接排放到大海中, 造成能源的浪费以及对环境的热污染。北方某核电厂址的凝汽器循环水系统用水及本厂的厂用水系统采用明渠引水的方式从渤海湾西海岸附近取水, 凝结水的温排, 对海洋生态环境和理化环境有一定影响, 我国核安全监管部门也在相关法规中着重强调了海水温排问题。

1 关于北方某核电一期工程采用海水循环水源热泵技术方案

1.1 海水循环水源热泵供热系统方案简介

根据北方某核电实际情况, 本文将海水循环水源热泵按照分布式热泵供热方式进行重新设计。将各个热泵相关机组分散布置, 使每一个潜在用户单独形成一个小的热力交换站, 将常规岛排放渠的有一定温升的海水循环水从专用管线引出, 再接入到各个子项热力换热站中;

海水循环水热泵集中式供热系统基本方案如图1所示。

1.2 工艺方案可行性分析

本文设计的热泵方案在需要制冷的工况下, 高温侧出水温度一般不能高于38.5℃, 按5℃温升考虑, 进水温度一般不应超过33.5℃;根据本厂址相关资料, 需要制冷的季节当地取水口的水源温度最高为26.7℃ (取自近30年的统计数据) , 从此处分析可得出结论, 无论是平均海水温度, 还是极限海水温度, 均可以满足设计的要求。

本设计的热泵方案在需要制热的工况下, 海水热源侧出水温度一般不能低于3℃, 考虑到5℃的温度降, 海水进口温度一般不应低于8℃;根据本厂址相关资料, 需要制热的季节当地取水口的水源温度最低为0℃, 为了满足此设计的正常应用, 需要考虑海水的入口温度, ;而本设计供暖季节热源侧海水取自常规岛循环水系统凝汽器出水排放渠, 海水经过换热以后大概温升为9.7℃, 完全满足此设计在工艺上的要求。

2 应用优缺点

总体上来说, 利用热泵供厂区部分子项 (热泵出水水温50到60℃满足其供暖要求) 可以采用循环水-热泵形式供暖, 此种供暖方式有节能环保、具有经济效应等优势, 但是也存在一定的局限性, 下面对供暖优缺点总结如下:

2.1 优点:

1.采用循环水-热泵供暖方式充分利用了低级能源, 从而减少了高级能源的消耗, 提高一次能源利用率, 具有一定的经济效应, 有效的实现节能这一重要目标;

2.采用循环水-热泵供暖方式的广泛应用可以有效减少燃煤锅炉的使用, 减少环境污染, 减少有害气体排放 (如二氧化硫, 一氧化碳, 二氧化碳等) , 保证空气质量, 对环境保护治理雾霾起到积极作用 (此项优点不针对我厂, 因核电本来采用的就是清洁能源) ;

3.采用循环水-热泵供暖方式可以有效的减小循环水温排对海洋环境的影响, 对减少海洋生态影响和减小海洋理化性质同样起着积极作用。

4.利用海水-热泵制冷的方式对厂前区的非生产相关厂房利用海水-热泵制冷的方式具有良好的经济效应 (目前厂前区各子项均采用中央空调制冷, 效率略低于热泵系统)

2.2 缺点:

1.目前核电AP1000标准化设计已经包括生产相关厂房 (VYS/HHS系统包含的绝大多数子项) 的暖通设计, 目前采用的是核电应用比较广泛的汽轮机抽气和辅助锅炉抽气换热供暖。虽然AP1000标准设计中, 所有的暖通系统均不承担核安全相关功能, 但是部分系统承担纵深防御功能, 从核安全的角度来看, 不应改变生产厂房相关的暖通标准设计;

2.如从循环水管网取水, 应考虑从两台机组布置取水管线来互为备用, 保证冬季机组大修或故障停堆等运行方式可以持续供暖。如从我厂循环水管线或者排水暗渠取水和重新布置若干热泵站要增加很大投资预算;

3.适合热泵供热的子项负荷并不多, 比较适用于循环水-热泵供暖的负荷因为压缩式热泵出水温度达到50℃才具有经济性, 这极大限制了用户负荷数量。

3 结论

核电的海水循环水热泵不但技术上成立, 在实际推广上也有着重要的意义。本文通过对海水循环水热泵的可行性初步研究, 论证了此项设计在工艺上的可行性, 同时也可以回收核电厂的热循环水的热量, 有效缓解了核电厂温排水问题, 改善了周边的海洋环境, 大大减少核电热污染。在北方地区, 不仅温度相关的因素事宜推广此项技术, 其投入和运维成本也有显著下降, 整个设计充分体现了核电清洁能源产业基地的亮点, 同样突出了经济性、节能性和环保性。所以建议在北方某核电未开工子项采用海水循环水热泵设计。

摘要：北方某核电厂采用海水作为最终热阱, 其海水排水存在大量低温余热, 海水循环水源热泵具有将低温热能提升为高温热能的能力。本文以北方某核电项目相关设计资料为依托, 研究北方某核电低温热源回收利用, 优化核电热泵供热流程, 提出适宜的初步工艺方案, 论证海水循环水源热泵的技术可行性, 并与原来设计进行对比, 评价利用海水循环水热泵这一创新设计是否有环保效应, 是否可以满足节能并提高经济性的要求。

关键词：核电厂,热泵,海水循环水,低温余热,节能,环保