发电厂冷却之各国不同

在中国内陆地区，水是燃煤发电的一个制约因素，而这些地区大多位于缺水地区。每种不同的冷却方法都会对当地环境和社会产生影响，同时也受到监管。

1、中国情况

在中国内陆地区，水是燃煤发电的一个制约因素，而这些地区大多位于缺水地区。

空气冷却改造会使效率降低3-10%，据报道每1000 MWe容量的成本约为2亿美元——约为2.5 C/kWh。

2015年世界能源展望（World Energy Outlook 2015）报告称，中国北方超过100 GWe的燃煤电厂（占整个燃煤机组的12%）使用干式冷却，预计对干式冷却的需求将持续增加。

特别是，约175 GWe的燃煤装机容量需要进行干式冷却改造。

由于煤炭运输成本高，从新疆到东海岸的开采成本增加了三倍多，因此在北部煤矿附近在建许多新的发电厂，并使用高压直流输电线路向南输送电力。

干式冷却的成本增量约为$0.7/MWh，与HVDC成本相同。

中国计划将小型模块化熔盐反应堆作为中国西北部的能源解决方案，那里水资源稀少，人口密度低。

21世纪20年代末，设想在干旱地区使用TMSR-SF反应堆进行无水冷却。除了固体燃料设计之外，还计划建造一座168 MWe液体燃料MSR，主要通过空腔冷却，被动排出余热。

2、环境和社会影响

每种不同的冷却方法都会对当地环境和社会产生影响，同时也受到监管。

直接冷却影响，包括抽取的水量以及对水生环境中的生物，特别是鱼类和甲壳类动物的影响。

包括因撞击（在滤网上捕获较大的鱼）和夹带（通过冷却系统吸引较小的鱼、蛋和幼虫）造成的死亡，以及排放水温度升高引起的生态系统条件变化。

湿式冷却塔的影响，包括耗水量（不同于单纯的抽取）和冷却塔排放的可见蒸汽羽流。

许多人认为这样的羽流是一种干扰，而在寒冷的条件下，一些塔设计允许结冰，可以覆盖地面或附近的表面。

另一个可能的问题是蒸汽携带问题，蒸汽水滴中可能存在盐和其他污染物。

随着时间的推移，对这些影响的了解有所增加，冷却环境影响得到了量化，也开发出了很多解决方案。

技术解决方案（如鱼网和羽流消除器）可以有效地缓解其中许多影响，但相关成本随着复杂性的增加而增加。

在核电厂中，除了一些轻微的氯化之外，冷却水不会因使用而受到污染——它从不与核电厂的核部分接触，只会冷却汽轮机房中的冷凝器。

在区域和全球范围内，效率较低的冷却方式，尤其是干式冷却方式，将导致单位输出电力的相关排放量增加。

这是化石燃料发电厂更为关注的问题，但可以说对核能产生的废物也有影响。

3、国家监管

DOE报告

在政策方面，DOE的一份报告指出，《美国清洁水法》的一个主要目的，是规范冷却水使用对水生生物的影响，这已经促使人们选择循环系统，而不是用于淡水的直流系统。

这将增加耗水量，除非使用更昂贵、效率更低的干式冷却系统。

与超临界煤相比，这将对核能不利，尽管燃煤烟气脱硫（FGD）需求至少在一定程度上会平衡水平衡，未来的碳捕获和储存（CCS）将进一步对煤不利。

DOE国家能源技术实验室（NETL）2010年8月的一份报告分析了美国燃煤电厂新环境法规的影响。

预计2011年2月即将出台的环境保护法规将强制使用冷却塔作为“优秀可用技术”，以最大限度地减少污染取水口的环境影响。

不再允许现场特定评估和成本效益分析，以确定从一系列经验证的技术中保护水生物种的优秀选择。

这可能意味着，所有新电厂，或许还有许多现有机组，都需要安装冷却塔，而不使用直接冷却，因为直接冷却确实需要大量的水，但大约96%的水是回流的，温度略高。

冷却塔不仅价格更高，还通过蒸发大量水来工作，给淡水供应带来了压力——根据报告，冷却塔的耗水量为1.8 L/kWh，而直流冷却塔的耗水量不足0.4 L/kWh。

NETL报告指出，如果新电厂不再允许直接冷却，预计未来二十年内燃煤电厂用水将增加，但这并不影响许多燃煤电厂增加碳捕获和储存（CCS）技术以限制美国碳排放的可能性，从而使耗水量进一步增加30-40%。

EPRI研究

美国电力研究所（EPRI）2010年的一项研究发现，在美国发电厂安装冷却塔的总成本将超过950亿美元。

仅39座核电站（63座反应堆）的成本就接近320亿美元。

EPRI的研究涵盖了428座具有直流冷却系统的美国发电厂，这些发电厂可能受到美国环境保护局（EPRI）修订条例的约束，为了保护水生生物不被困在冷却水取水结构中。

如上所述，根据《清洁水法》的拟议修订，EPA可以强制要求闭路循环冷却是“优秀可用技术”，以最大限度地减少对水生生物的不利环境影响。

EPRI的研究考虑了资本成本、因更换系统所需的长时间停机而造成的收入损失，以及与电厂效率损失相关的成本，包括闭式循环冷却系统中风扇和泵的能源使用增加。

这样的改变将使3.11亿美国公民每人花费305美元来改造所有直流冷却系统发电厂，“根据对这些工厂水生生物种群的科学研究，为了补救几乎不存在的环境影响。”

2014年5月，EPA发布了一项规则，对1065家工厂和工厂的取水口进行了规定，允许现有工厂使用保护水生生物的各种选择，尽管新的选择需要封闭循环系统。

与直流冷却系统相比，冷却塔从我们想要保护的水生栖息地消耗的水是直流冷却系统的两倍。鉴于预测美国大部分地区将面临水资源短缺的未来，这一事实非常重要。

发电厂冷却水取水口结构，基于技术的解决方案，在保护鱼类，可以适应不同地点的生态多样性。

正如EPA先前指出的那样，在保护用于冷却发电厂的水体中的水生生物方面，带有收集和回流系统的移动滤网等解决方案与冷却塔相当。

法国、澳大利亚情况

在法国，除了四座EdF核电站（14座反应堆）外，其他所有核电站都位于内陆，需要淡水冷却。

15座内陆核电站（32座反应堆）中有11座有冷却塔，采用蒸发冷却，其他4座（12座反应堆）直接使用河水或湖水。

由于受纳水体温度升高受到监管限制，这意味着在酷热的夏季，发电量可能会受到限制。

例如，在Bugey，夏季水温的最大升高通常为7.5℃，夏季为5.5℃，最大排放温度为30℃（夏季为34℃），最大下游温度为24℃（最多允许35天的夏季为℃）。

对于使用海洋直接冷却的电厂，海上允许的温升为15℃。

在美国，使用河流直接冷却的电厂必须在炎热天气下降低功率。

TVA的三个Browns Ferry核电机组在河流温度超过32°C的情况下以50%的速度运行。

除一个例外，英国的所有核电厂都位于海岸，使用直接冷却。

在2009年英国新建核电站选址研究中，所有建议都是针对距离丰富水域2公里以内的地点——海洋或河口。

澳大利亚的一项研究建议，在南澳大利亚的一个地点使用可再生能源（风能和太阳能），该研究表明，CSP电厂清洁镜子（定日镜）的用水量为0.74 GL/yr，总计540 MW，2810 GWh/年，因此为0.26 L/kWh。

在比较核电厂和燃煤电厂的需水量时，除冷却外，还需要考虑水的使用。

燃煤除灰通常用于水处理，这很容易造成污染，煤炭储存的径流也是如此。

4、核动力冷却要求的未来影响

淡水在世界大部分地区是一种宝贵的资源。

在水资源稀缺的地方，公众舆论支持政府政策，尽量减少水资源的浪费。

除了靠近主要负荷中心外，没有理由将核电站建在远离海岸的地方，在那里它们可以使用直流海水冷却。

燃煤电厂的选址需要考虑燃料供应的物流（以及相关的审美学），因为每个1000 MWe电厂每年需要300多万吨煤炭。

“核电厂的耗水量很大，但仅略高于燃煤电厂的耗水量。

核电厂在相对较低的蒸汽温度和压力下运行，因此循环效率较低，这反过来又需要更高的冷却水流量。

效率较高的燃煤电厂，可通过稍微降低蒸汽温度和压力来冷却水。

如果任何火力发电厂——煤炭或核电厂——需要位于内陆，冷却水的可用性是位置选择的一个关键因素。

在冷却水有限的地方，高热负荷效率的重要性很高，但由于烟气脱硫（FGD）的用水要求，超临界煤相对于核能的任何优势都可能大大降低。

即使水非常有限，无法用于冷却，电厂也可以远离负荷需求，并且有足够的水进行有效冷却（接受一些损失和额外的传输成本）。

与旧电厂相比，三代+核电厂具有较高的热效率，并且不应因用水考虑而相对于煤炭处于不利地位。

当然，限制温室气体排放的考虑将叠加在上述因素之上。

DOE的数据显示，二氧化碳捕获将使燃煤和燃气发电厂的用水量增加50-90%，使前者比核能发电厂更耗水。

另一个含义涉及热电联产，即利用海岸线核电厂的废热进行海水淡化。

在中东和北非，大量的海水淡化已经使用石油和天然气发电厂的废热，未来许多国家都希望利用核能来实现这一热电联产的作用。

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