“核電”VS“熱污染”:冷卻水怎么處理?

www.bbpbkwe.cn 2016年03月06日 來源:《能源》 發表評論

核心提示:一邊是快馬加鞭的“核電春天”,一邊是在役核電站附近海洋排水口全年性“局部溫熱”,一道擺在核電站面前的“冷卻水處理致熱污染”的難題也日漸浮出水面。

一邊是快馬加鞭的“核電春天”,一邊是在役核電站附近海洋排水口全年性“局部溫熱”,一道擺在核電站面前的“冷卻水處理致熱污染”的難題也日漸浮出水面。

  截至2015年底,中國最大的核電基地——大亞灣核電基地上網電量共計53.78億千瓦時,其中向香港供電117.42億千瓦時,累計2120.19億千瓦時,占香港用電量的四分之一。

  在輸出巨大清潔能源的同時,我們也看到,大亞灣核電站附近海域自1994年運轉后平均表層水溫和表層葉綠素a含量分別升高1.1℃和1.9 mg /m3。此外,有害赤潮的發生也由運轉前的春秋兩季到現在的“全年供應”。

  無獨有偶,自2013年4月18日1號機組正式投產僅僅兩年半時間,地處福建省東北部的寧德核電站溫排水造成的周圍海域最大熱污染面積達到80.51平方公里。

  大亞灣核電與寧德核電并非個例。

  有數據顯示,近幾年,國內主要核電站排水口的溫升情況均不容樂觀。在役核電站方面,秦山核電站為9.5℃,大亞灣嶺澳核電站為9℃,秦山二期和田灣核電站為10℃。在建核電站方面,紅沿河核電站為8.2-10.2℃,寧德核電站為7℃,三門核電站為8℃,石島灣核電站為9℃,臺山核電站為10℃。

  一邊是快馬加鞭的“核電春天”,一邊是在役電站附近海洋排水口全年性“局部溫熱”,一道擺在核電站面前的“冷卻水處理致熱污染”的難題開始日漸浮出水面。

  熱污染,來勢洶洶

  對海洋環境而言,核電站冷卻水排放造成的熱影響可通過與其他環境因素的相互作用而產生綜合效應。它不僅能以熱的形式改變水體理化性質,使水體含氧量降低,水中一些有毒物質的毒性增大,腐殖質增多,使水體惡化,從而影響海洋生物的正常生存。

  熱污染實則“歷史悠久”。早在1993年7月,在臺灣核電二廠排水口旁捕到體長約10-20cm的花身雞魚和豆仔魚的畸形幼魚,其脊椎成S型彎曲,有人從物理水溫、化學重金屬、輻射、環境生態、形態等角度調查,研究顯示高溫使魚體內維生素C破壞或不足,膠原蛋白中羥(基)脯氨酸不足,最終導致魚骨和肌肉生長異常。這就是著名的臺灣核電二廠發生的“秘雕魚事件”,也是當前所指核電站“熱污染”的一個非常極端的事件。

  在中國,由于目前所有運行和在建核電站均為濱海廠址,海洋“熱污染”很客觀地存在并發生。若按每產生1千瓦時的電力大約排出1200大卡的熱量計算,200萬千瓦的發電能力每天排出的廢熱可使1100萬立方米的水溫升高5.5℃。

  中國目前的在役核電站均使用水作為冷卻劑。除秦山三期采用的加拿大坎杜6型商用核電技術,使用重水冷卻之外,其余都是壓水堆技術,使用自然水冷卻。此外,山東石島灣核電站正在建設的四代高溫氣冷堆,主要是用二氧化碳或氫氣冷卻。

  與常規火電廠相比,核電站熱效率偏低,僅為30%-35%,大部分熱量被冷卻水帶走,加之核電機組功率往往高于火電機組,棄熱量更大。

海水主要被用于濱海核電站的三回路中,用以保證汽輪機的背壓,帶走凝汽器中的熱量,將汽輪機乏汽冷凝以供二回路循環使用。數據顯示,海水作為冷卻劑所帶走的廢熱約占核反應產生總熱量的3/4。

  溫度上升了的循環冷卻水,核電站一般有兩種處理方式:一是直接排放至自然水域,即直接將吸收發電乏汽余熱的冷卻水排至自然水域,通過與受納水體的摻混從而將大量余熱帶入水域,稱為“一次循環冷卻”;二是排至冷卻塔,通過冷卻塔來冷卻循環水,冷卻水攜帶的余熱經冷卻塔釋放到環境大氣中,稱為“二次循環冷卻”。

  在中國,均采用以海水為最終熱阱的一次循環冷卻方式。

  然而這種方式卻對周圍海域造成了一定的“傷害”。對海洋生物來說,水溫對海洋生態系統和各類海洋生物活動起著極為重要的作用。“水溫對生物個體的生長發育、新陳代謝、生殖細胞的成熟及生物生命周期都有顯著的影響。在自然條件下,海洋水溫的變化幅度要比陸地環境和淡水環境小得多。因此海洋生物對溫度的忍受程度也較差,熱污染對它們的影響更大。”中國原子能科學研究院一位長期從事水資源研究的專家解釋。

  “濱海核電往往規劃為多堆廠址,該模式會造成核電站向海域集中排熱。核電站大量的冷卻水不斷地排入受納水體,造成局部水域溫度升高,影響水體水質,危害水生生物,對周圍水域造成熱污染。”中國水利水電科學研究院一位不愿具名的專家表示。“因此,海域熱環境容量未來可能會成為制約核電站機組建設數量的重要因素。”

  溫度升高的冷卻水排放進核電站附近海域,也會對有洄游習性的魚類產生影響。在低溫季節,魚群會頻繁出入于熱流區域,而在高溫季節則回避該海區。魚類被冷卻水流導引和阻隔,其生殖遷徙活動受到阻礙。

  此外,核電營運過程中所產生的余氯、低放廢液等也會隨著溫排水一同排水海中,這些物質也會對近岸海域環境質量造成一定的影響。

  冷卻水怎么處理,成本是關鍵

  沿海核電站在運行過程中會抽取大量海水作為冷卻水使用,同時會將營運過程中產生的系列廢液排入海中。內陸核電站則需采用自然通風冷卻塔來提供循環冷卻用水,因此冷卻塔成為內陸核電站常規島不可或缺的組成部分。業內多位專家表示。

  “對中國而言,一臺內陸核電廠址必須配備4臺核電機組,一般也要500萬千瓦,容量較大,所以發展內陸核電必須要建冷卻塔,通過閉式循環進行處理”,我國知名核電專家、中核集團科技委常委張祿慶說。

  當核電站位于海邊時,“冷卻塔一般就省了”。可以采用海水直接冷卻,“海水一般不需要進行特別處理。”加之沿海核電站離海岸線較近,一般都要求在海底挖一條地道:即一條進水管道和一條出水管道。引進溫度較低的海水用以冷卻常規島的蒸汽機組,之后排出溫度較高的冷卻水至大海深處,他說。

  例如,秦山三期核電站廠址為半島型,管道從半島左邊引進,右邊排出,一次冷卻,開式循環,即通常所說的“深海暗管”。

  “由于海岸大陸架比較平坦,深度不夠的話,一抽水就容易把海里的泥沙等抽進來了,對汽輪發電機組冷凝器的冷卻非常不利,所以一定要建一條很長的管道到深海地區抽比較干凈的海水。再者,由于兩個水口的溫差較大,進水和出水渠道往往間隔較遠。”張祿慶說。

  除深海暗管方式外,部分核電站也會直接采用“近岸明排”的方式。

  “明排的是工程投資比較低,運行維護方便,缺點是對于排放點的海洋生態環境影響較大;暗管的優點是一條管道直插海底進行排,對海域的沖擊影響小,缺點是工程造價較高,不易運行維護。”中核能源科技有限公司一位不愿具名的專家透露。

  2010年5月,美國加州出臺水資源保護政策,為了保護海洋生物將逐步淘汰采用直流冷卻系統的濱海和河口電站。雖然國內目前尚無相關規定,但隨著海洋生態環境保護問題的備受關注,冷卻設計建造技術的日益成熟,濱海核電站能否采用環保的二次循環冷卻系統引起了業內專家的關注。

然而,也有專家表示了不同的觀點。

  “對于核電站冷卻水的處理,直接循環(一次循環冷卻)和間接循環(二次循環冷卻)都是可取的,既安全又經濟。對于沿海核電站而言,放著那么大一片流域的海水你不去用,而去建冷卻塔,既浪費錢,效果也不會太好。沿海地區沒有必要建設的道理。”張祿慶說。

  據參與桃花江核電站設計工作的湖南省電力設計院專家唐磊透露,早在2010年前后,我國三大內陸核電廠址湖南桃花江、江西彭澤、湖北大畈均已完成了冷卻塔的招投標工作,德國的基伊埃、比利時的哈蒙、美國的斯必克三家國際企業分別中標。

  超大型冷卻塔的研發是我國內陸核電工程建設的關鍵環節之一,已列入國家“大型先進壓水堆及高溫氣冷堆”重大專項課題范疇。核電超大型冷卻塔具有淋水面積大(約17000m2以上)、塔體高(約200m以上)等特點,因此其熱力計算、水力計算以及結構計算均相對火電用自然通風冷卻塔有很大的難度。國內目前尚沒有設計單位能獨立承擔核電超大型冷卻塔的設計工作。

  目前承擔該項重大課題研究的主要是國核電力規劃設計研究院,隸屬三大核電巨頭之一的國家電力投資集團。

  此外,湖南省電力設計院、廣東省電力設計院以及華東電力設計院也是承擔超大型冷卻塔的骨干單位。前二者隸屬中國能源建設集團,后者隸屬中國電力工程顧問集團。

  “湖南電力設計院承擔的《中南地區AP1000 核電機組超大型逆流式自然通風冷卻塔三維設計軟件》研究項目已經設計出塔高達220米,底部直徑180米,淋水面積20000平方米的冷卻塔,完全滿足大型火電機組及核電機組的計算需要。”唐磊說。據悉,此項技術已于2014年5月成功通過驗收。

  然而,對于二次循環冷卻而言,也有其缺點。行業專家分析,蒸發散熱加以風吹影響,使大量熱量和水滴進入大氣環境,會造成空氣局部溫度、濕度升高。加上核電站長期運行,失散的熱量和水滴會對核電站附近的局部小氣候產生影響。

  業主供貨商各懷心思

  “一臺百萬千瓦核電機組造價大約為200億元,而一座冷卻塔的造價預計也要20-30億元,少則10億元。這還不算工程后期每年一兩千萬元的維護費用以及人力成本。”中國核建清潔源有限公司的一名資深員工李飛(化名),被問及在沿海核電站是否有推行二次循環冷卻技術的必要性時,他的答案很堅決,“沿海核電站建設冷卻塔,第一要投資,第二要運行,第三還要配備相關水處理裝置,哪有直排好?能達到國家標準不就行了。”

  “你們不要只聽環保人士和專家的呼吁,要看到我們業主的難處,要看到誰要為這一改造買單?”李飛稍顯憤怒,“目前來看,沿海核電站配備冷卻塔并非必要之舉”。

  “其實這一問題取決于我國現有法規體系的完善,如果把環境評標準提高了,國家說你必須建,那我就不得不建了。所以這不是核電行業一家的問題,而是整個電力工程的問題。”李飛補充說。

  與李飛持同樣觀點的還有來自海南昌江核電站的陳力(化名)。“即便核電已開閘重啟,但僅占中國電力裝機3%的核電,與火電而言,影響微乎其微。”

  “在沿海核電站冷卻水排放的問題上,國家是有嚴格要求規定。在核電站環評時,必須要有物理溫度、模擬計算,排出的熱水,以及擴散時海水增溫一度溫升的范圍、溫升濕度的范圍等。”張祿慶說。“可以承認確實冷卻水的排放有可能造成海水溫度的升高,但世界各國的經驗告訴我們沿海核電采用直排是主流。”

以幾個核電強國為例,美國的104座核反應堆中,60座使用一次冷卻,35座使用二次冷卻,9座使用根據環境條件進行切換的雙冷卻系統;法國有4個濱海核電站,全部使用海水直流冷卻,另外15個內陸核電站中11個(32 座反應堆)使用冷卻塔蒸發冷卻,4個(12座反應堆)使用河水或湖水直流冷卻;英國、瑞典、芬蘭、加拿大、南非、日本、韓國等國的核電站基本都建在海邊(或大湖邊),全部采用直流冷卻。

  在沿海核電站是否應當建設冷卻塔的問題上,如果說核電站業主自成HTTP://www.bbpbkwe.cn一方“反對派”,那么,環保人士和供貨商則組成了另一方“力挺派”,即便他們的利益訴求點完全不同。

  “當前,中國對于溫排水造成的熱污染很重視,對于沿海而言,隨著日后環保要求的逐步提高,核電用冷卻塔市場或許會逐漸形成。”來自美國斯必克流體公司的總工程師劉英杰表示。

  作為一家從北美地區走出的擁有百年歷史的冷卻塔制造企業,斯必克的核電站冷卻業績市場主要是美國和歐洲。

  “目前在中國,斯必克的市場主要集中在石油、鋼鐵以及化工等工業塔領域,電廠方面,冷卻塔工藝主要用于火電廠。”劉英杰說,“但無論內地還是沿海,核電用冷卻塔都是必然趨勢。”

  但他也坦言,對于中國來說,核電用冷卻塔還在培育期,預計市場成熟最快也要15年之后。

  “目前效率最高的清潔能源首推核電,中國的核電工業都建設于沿海地區,過去電廠廢熱直接排放到海里。目前的新趨勢是核電站逐漸向內地發展,對冷卻塔的技術、性能、穩定性等的要求更加嚴格。”益美特(上海)冷卻塔有限公司商務拓展經理李世軍也表示。

  一個占美國本土市場70%份額,一個占30%份額,同為美國冷卻塔制造商巨頭,本來老死不相往來的兩家國際企業竟然在中國核電站冷卻塔這塊“蛋糕”上態度出奇的一致。

  當前,憑借強大的技術和資金優勢,以斯必克(廣州)冷卻技術有限公司、北京基伊埃能源技術有限公司、哈蒙冷卻系統(天津)有限公司為代表的一批外資企業迅速在中國占據一定的市場份額。

  而在電站空冷市場方面,基伊埃、斯必克、首航節能、哈空調、雙良節能、龍源冷卻“六大企業均分天下”的局面已然形成。相關數據顯示,六家企業在單機容量135MW以上電站空冷系統中市場份額合計已超95%。

  尤其近年來,隨著國內廠商業務能力的提升,2008年、2009年和2010年,包括首航節能、哈空調、雙良節能、龍源冷卻在內的4家內資廠商合計的國內市場份額依次達到35%、49%和67%,成為電站空冷市場的主力。

  電站空冷行業是國家政策鼓勵發展的行業,符合國家節約水資源、保護環境的發展方向,具有良好的發展前景。“十幾年間,國內電站空冷市場經歷了由外資企業主導轉向內資企業為主的發展過程。” 華東電力設計院總工程師陳仁杰在稍早前接受采訪時說。

  標準執行是當務之急

  查閱各類法律條文,不難發現一些水環境質量標準中早已對水體的溫升做出了相關的規定。

  《中華人民共和國海洋環境保護法》第三十六條: 向海域排放含熱廢水, 必須采取有效措施, 保證鄰近漁業水域的水溫符合國家海洋環境質量標準, 避免熱污染對水產資源的危害。

  《海水水質標準》中規定:第一類、第二類、第三類海域,人為造成的海水溫升夏季不超過當時當地1℃,其它季節不超過2℃。第四類海域,人為造成的海水溫升不超過當時當地4℃。

  《近岸海域環境功能區管理辦法》中規定:對處于入海河流河口、陸源直排口和污水排海工程排放口附近的近岸海域,可確定為混合區。確定混合區的范圍應依據該區域的水動力條件、鄰近近岸海域功能區的水質要求,接納污染物的種類、數量等因素,進行科學論證。混合區不可以對鄰近近岸海域環境功能區的水質和魚類洄游通道造成影響。

  《污水海洋處置工程污染控制標準》中規定適合所有的污水海洋處置工程。由于標準中只提出了混合區的概念,沒有規定混合區的允許范圍,使得相關部門不能有效的執行《海水水質標準》。

  從標準的執行上,不難看出以上條文都有著一個共同的問題,那就是混合區。如何盡快研究確定混合區的參數,制定出水域溫排放的限制標準,已是解決核電站溫排水熱污染問題的關鍵所在。

  隨著有關水域溫排放的限制標準的出臺,電站冷卻水處理將受到更大約束。多位專家表示。

  此外,定期監測核電站近岸海域的水溫狀況,也可以掌握廠址海域溫度場的變化,了解核電站溫排水對附近海域環境的影響。

  目前,核電站海域水溫監測的主要手段是航空遙感監測技術,運行核電gesep.com站如大亞灣、田灣、秦山核電站均有相關實踐,昌江核電站屬在建電廠,目前正在實施運行前水溫遙感監測,監測時段為冬、夏兩個季節,監測方式為飛機遙感監測及海面水溫實測同步進行。

  設立近岸海域環境功能區也是我國管理近岸海域環境的眾多手段之一,對于規范、約束和限制海洋開發利用活動起到了積極作用。

  不過,隨著我國濱海核電站的規模化建設,始于1999年環保部頒布的《近岸海域環境功能區管理辦法》卻逐漸顯露出滯后性。

  我國完成并頒布近岸海域環境功能區時,投入商業運營的核電只有秦山核電站和大亞灣核電站。2005年至今,當我國核電產業進入加速發展時期,近岸海域環境功能區化管理辦法卻依然未做任何變動。

  “這不僅影響到了實施近岸海域環境功能區制度的環境保護效果,同時也對我國的核電建設造成了一定的困擾。”中國海洋大學一位不愿透露姓名的教授表示。


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