發(fā)電廠冷卻之各國不同

在中國內(nèi)陸地區(qū)，水是燃煤發(fā)電的一個制約因素，而這些地區(qū)大多位于缺水地區(qū)。每種不同的冷卻方法都會對當(dāng)?shù)丨h(huán)境和社會產(chǎn)生影響，同時(shí)也受到監(jiān)管。

1、中國情況

在中國內(nèi)陸地區(qū)，水是燃煤發(fā)電的一個制約因素，而這些地區(qū)大多位于缺水地區(qū)。

空氣冷卻改造會使效率降低3-10%，據(jù)報(bào)道每1000 MWe容量的成本約為2億美元——約為2.5 C/kWh。

2015年世界能源展望（World Energy Outlook 2015）報(bào)告稱，中國北方超過100 GWe的燃煤電廠（占整個燃煤機(jī)組的12%）使用干式冷卻，預(yù)計(jì)對干式冷卻的需求將持續(xù)增加。

特別是，約175 GWe的燃煤裝機(jī)容量需要進(jìn)行干式冷卻改造。

由于煤炭運(yùn)輸成本高，從新疆到東海岸的開采成本增加了三倍多，因此在北部煤礦附近在建許多新的發(fā)電廠，并使用高壓直流輸電線路向南輸送電力。

干式冷卻的成本增量約為$0.7/MWh，與HVDC成本相同。

中國計(jì)劃將小型模塊化熔鹽反應(yīng)堆作為中國西北部的能源解決方案，那里水資源稀少，人口密度低。

21世紀(jì)20年代末，設(shè)想在干旱地區(qū)使用TMSR-SF反應(yīng)堆進(jìn)行無水冷卻。除了固體燃料設(shè)計(jì)之外，還計(jì)劃建造一座168 MWe液體燃料MSR，主要通過空腔冷卻，被動排出余熱。

2、環(huán)境和社會影響

每種不同的冷卻方法都會對當(dāng)?shù)丨h(huán)境和社會產(chǎn)生影響，同時(shí)也受到監(jiān)管。

直接冷卻影響，包括抽取的水量以及對水生環(huán)境中的生物，特別是魚類和甲殼類動物的影響。

包括因撞擊（在濾網(wǎng)上捕獲較大的魚）和夾帶（通過冷卻系統(tǒng)吸引較小的魚、蛋和幼蟲）造成的死亡，以及排放水溫度升高引起的生態(tài)系統(tǒng)條件變化。

濕式冷卻塔的影響，包括耗水量（不同于單純的抽取）和冷卻塔排放的可見蒸汽羽流。

許多人認(rèn)為這樣的羽流是一種干擾，而在寒冷的條件下，一些塔設(shè)計(jì)允許結(jié)冰，可以覆蓋地面或附近的表面。

另一個可能的問題是蒸汽攜帶問題，蒸汽水滴中可能存在鹽和其他污染物。

隨著時(shí)間的推移，對這些影響的了解有所增加，冷卻環(huán)境影響得到了量化，也開發(fā)出了很多解決方案。

技術(shù)解決方案（如魚網(wǎng)和羽流消除器）可以有效地緩解其中許多影響，但相關(guān)成本隨著復(fù)雜性的增加而增加。

在核電廠中，除了一些輕微的氯化之外，冷卻水不會因使用而受到污染——它從不與核電廠的核部分接觸，只會冷卻汽輪機(jī)房中的冷凝器。

在區(qū)域和全球范圍內(nèi)，效率較低的冷卻方式，尤其是干式冷卻方式，將導(dǎo)致單位輸出電力的相關(guān)排放量增加。

這是化石燃料發(fā)電廠更為關(guān)注的問題，但可以說對核能產(chǎn)生的廢物也有影響。

3、國家監(jiān)管

DOE報(bào)告

在政策方面，DOE的一份報(bào)告指出，《美國清潔水法》的一個主要目的，是規(guī)范冷卻水使用對水生生物的影響，這已經(jīng)促使人們選擇循環(huán)系統(tǒng)，而不是用于淡水的直流系統(tǒng)。

這將增加耗水量，除非使用更昂貴、效率更低的干式冷卻系統(tǒng)。

與超臨界煤相比，這將對核能不利，盡管燃煤煙氣脫硫（FGD）需求至少在一定程度上會平衡水平衡，未來的碳捕獲和儲存（CCS）將進(jìn)一步對煤不利。

DOE國家能源技術(shù)實(shí)驗(yàn)室（NETL）2010年8月的一份報(bào)告分析了美國燃煤電廠新環(huán)境法規(guī)的影響。

預(yù)計(jì)2011年2月即將出臺的環(huán)境保護(hù)法規(guī)將強(qiáng)制使用冷卻塔作為“優(yōu)秀可用技術(shù)”，以最大限度地減少污染取水口的環(huán)境影響。

不再允許現(xiàn)場特定評估和成本效益分析，以確定從一系列經(jīng)驗(yàn)證的技術(shù)中保護(hù)水生物種的優(yōu)秀選擇。

這可能意味著，所有新電廠，或許還有許多現(xiàn)有機(jī)組，都需要安裝冷卻塔，而不使用直接冷卻，因?yàn)橹苯永鋮s確實(shí)需要大量的水，但大約96%的水是回流的，溫度略高。

冷卻塔不僅價(jià)格更高，還通過蒸發(fā)大量水來工作，給淡水供應(yīng)帶來了壓力——根據(jù)報(bào)告，冷卻塔的耗水量為1.8 L/kWh，而直流冷卻塔的耗水量不足0.4 L/kWh。

NETL報(bào)告指出，如果新電廠不再允許直接冷卻，預(yù)計(jì)未來二十年內(nèi)燃煤電廠用水將增加，但這并不影響許多燃煤電廠增加碳捕獲和儲存（CCS）技術(shù)以限制美國碳排放的可能性，從而使耗水量進(jìn)一步增加30-40%。

EPRI研究

美國電力研究所（EPRI）2010年的一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)，在美國發(fā)電廠安裝冷卻塔的總成本將超過950億美元。

僅39座核電站（63座反應(yīng)堆）的成本就接近320億美元。

EPRI的研究涵蓋了428座具有直流冷卻系統(tǒng)的美國發(fā)電廠，這些發(fā)電廠可能受到美國環(huán)境保護(hù)局（EPRI）修訂條例的約束，為了保護(hù)水生生物不被困在冷卻水取水結(jié)構(gòu)中。

如上所述，根據(jù)《清潔水法》的擬議修訂，EPA可以強(qiáng)制要求閉路循環(huán)冷卻是“優(yōu)秀可用技術(shù)”，以最大限度地減少對水生生物的不利環(huán)境影響。

EPRI的研究考慮了資本成本、因更換系統(tǒng)所需的長時(shí)間停機(jī)而造成的收入損失，以及與電廠效率損失相關(guān)的成本，包括閉式循環(huán)冷卻系統(tǒng)中風(fēng)扇和泵的能源使用增加。

這樣的改變將使3.11億美國公民每人花費(fèi)305美元來改造所有直流冷卻系統(tǒng)發(fā)電廠，“根據(jù)對這些工廠水生生物種群的科學(xué)研究，為了補(bǔ)救幾乎不存在的環(huán)境影響?！?/p>

2014年5月，EPA發(fā)布了一項(xiàng)規(guī)則，對1065家工廠和工廠的取水口進(jìn)行了規(guī)定，允許現(xiàn)有工廠使用保護(hù)水生生物的各種選擇，盡管新的選擇需要封閉循環(huán)系統(tǒng)。

與直流冷卻系統(tǒng)相比，冷卻塔從我們想要保護(hù)的水生棲息地消耗的水是直流冷卻系統(tǒng)的兩倍。鑒于預(yù)測美國大部分地區(qū)將面臨水資源短缺的未來，這一事實(shí)非常重要。

發(fā)電廠冷卻水取水口結(jié)構(gòu)，基于技術(shù)的解決方案，在保護(hù)魚類，可以適應(yīng)不同地點(diǎn)的生態(tài)多樣性。

正如EPA先前指出的那樣，在保護(hù)用于冷卻發(fā)電廠的水體中的水生生物方面，帶有收集和回流系統(tǒng)的移動濾網(wǎng)等解決方案與冷卻塔相當(dāng)。

法國、澳大利亞情況

在法國，除了四座EdF核電站（14座反應(yīng)堆）外，其他所有核電站都位于內(nèi)陸，需要淡水冷卻。

15座內(nèi)陸核電站（32座反應(yīng)堆）中有11座有冷卻塔，采用蒸發(fā)冷卻，其他4座（12座反應(yīng)堆）直接使用河水或湖水。

由于受納水體溫度升高受到監(jiān)管限制，這意味著在酷熱的夏季，發(fā)電量可能會受到限制。

例如，在Bugey，夏季水溫的最大升高通常為7.5℃，夏季為5.5℃，最大排放溫度為30℃（夏季為34℃），最大下游溫度為24℃（最多允許35天的夏季為℃）。

對于使用海洋直接冷卻的電廠，海上允許的溫升為15℃。

在美國，使用河流直接冷卻的電廠必須在炎熱天氣下降低功率。

TVA的三個Browns Ferry核電機(jī)組在河流溫度超過32°C的情況下以50%的速度運(yùn)行。

除一個例外，英國的所有核電廠都位于海岸，使用直接冷卻。

在2009年英國新建核電站選址研究中，所有建議都是針對距離豐富水域2公里以內(nèi)的地點(diǎn)——海洋或河口。

澳大利亞的一項(xiàng)研究建議，在南澳大利亞的一個地點(diǎn)使用可再生能源（風(fēng)能和太陽能），該研究表明，CSP電廠清潔鏡子（定日鏡）的用水量為0.74 GL/yr，總計(jì)540 MW，2810 GWh/年，因此為0.26 L/kWh。

在比較核電廠和燃煤電廠的需水量時(shí)，除冷卻外，還需要考慮水的使用。

燃煤除灰通常用于水處理，這很容易造成污染，煤炭儲存的徑流也是如此。

4、核動力冷卻要求的未來影響

淡水在世界大部分地區(qū)是一種寶貴的資源。

在水資源稀缺的地方，公眾輿論支持政府政策，盡量減少水資源的浪費(fèi)。

除了靠近主要負(fù)荷中心外，沒有理由將核電站建在遠(yuǎn)離海岸的地方，在那里它們可以使用直流海水冷卻。

燃煤電廠的選址需要考慮燃料供應(yīng)的物流（以及相關(guān)的審美學(xué)），因?yàn)槊總€1000 MWe電廠每年需要300多萬噸煤炭。

“核電廠的耗水量很大，但僅略高于燃煤電廠的耗水量。

核電廠在相對較低的蒸汽溫度和壓力下運(yùn)行，因此循環(huán)效率較低，這反過來又需要更高的冷卻水流量。

效率較高的燃煤電廠，可通過稍微降低蒸汽溫度和壓力來冷卻水。

如果任何火力發(fā)電廠——煤炭或核電廠——需要位于內(nèi)陸，冷卻水的可用性是位置選擇的一個關(guān)鍵因素。

在冷卻水有限的地方，高熱負(fù)荷效率的重要性很高，但由于煙氣脫硫（FGD）的用水要求，超臨界煤相對于核能的任何優(yōu)勢都可能大大降低。

即使水非常有限，無法用于冷卻，電廠也可以遠(yuǎn)離負(fù)荷需求，并且有足夠的水進(jìn)行有效冷卻（接受一些損失和額外的傳輸成本）。

與舊電廠相比，三代+核電廠具有較高的熱效率，并且不應(yīng)因用水考慮而相對于煤炭處于不利地位。

當(dāng)然，限制溫室氣體排放的考慮將疊加在上述因素之上。

DOE的數(shù)據(jù)顯示，二氧化碳捕獲將使燃煤和燃?xì)獍l(fā)電廠的用水量增加50-90%，使前者比核能發(fā)電廠更耗水。

另一個含義涉及熱電聯(lián)產(chǎn)，即利用海岸線核電廠的廢熱進(jìn)行海水淡化。

在中東和北非，大量的海水淡化已經(jīng)使用石油和天然氣發(fā)電廠的廢熱，未來許多國家都希望利用核能來實(shí)現(xiàn)這一熱電聯(lián)產(chǎn)的作用。

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