海陽核電廠海水淡化技術(shù)選擇

1、海陽核電廠海水淡化技術(shù)選擇宿偉成山東核電有限公司摘要：介紹目前常用的海水淡化的方法和特點，結(jié)合海陽核電廠海水水質(zhì)以及核電站 自身特點闡述核電廠海水淡化方案選擇需考慮的環(huán)境因素、需求因素、經(jīng)濟因素, 最終給出海陽核電廠海水淡化的建議方案，為海陽核電廠海水淡化方案選擇提 供技術(shù)支持。關(guān)鍵詞：海水淡化;可行性報告;多效蒸憎（med）;反滲透（r0）;作者簡介：宿偉成，男，生于1976年，河南南陽人，工程師，主要從事核電站 設(shè)計管理工作。收稿日期:2017-09-11selection of seawater desalination technology in haiyang nuclear pow

2、er plantsu weichengshandong nuclear power co，ltd;abstract：this paper introduces the methods and characteristics of commonly used seawater desal in ati on. comb ined with the water qual i ty of hai ya ng nu clear power plant and the characteristics of nucleeir power plant, describes the environmental

3、, demand and economic factors that should be considered in the selection of seawater desalination schemes for nuclear power plants. finally, gives the proposal for seawater desalination of haiyangnuclear power plant, in order to provide technical support for desalination scheme selection.keyword：sea

4、water desalination; feasibility report; multi effect distillation (med) ; reverse osmosis (ro);received： 2017-09-111引言根據(jù)海陽核電一期工程可行性研究報告中需水量分析，海陽核電廠一期擬使用 盤石水庫屮的淡水，二期、三期工程使用海水淡化水。在設(shè)計供水保證率為97%、 校核保證率為99%的條件下，盤石水庫只能向核電廠每年最大提供350萬ni的淡 水，僅能滿足一期工程的需要。由于廠外淡水資源受外部條件影響較大并且遠距 離供水增加了管理和投資成木，為保證海陽核電廠的供水安全性和穩(wěn)定性，建

5、 設(shè)海水淡化項目是十分必要的。海水淡化項目涉及到裝置的布置、海水取水、濃 鹽水排水、淡水供水、設(shè)施配電等廠址相關(guān)的重大接口等，因此及早研究確定海 水淡化技術(shù)方案而給廠址總平面規(guī)劃提供技術(shù)支持具有十分重要的現(xiàn)實意義。2主要海水淡化方法及特點0前，世界上海水淡化的方法主要有熱法和膜法兩種。熱法的工作原理是加熱海 水產(chǎn)生蒸汽，然后再把蒸汽冷凝生產(chǎn)淡水。膜法主要是利用膜的選擇透過性進行 鹽水分離達到海水淡化的目的。熱法主要有多級閃蒸(msf)、多效蒸館(med、 med-tvc)兩種方法。膜法主要有反滲透(r0)法和電滲析法(ed)。熱法中由 于med與msf相比具有投資小、能耗低、產(chǎn)水率高、低溫操作

6、、不易結(jié)垢等優(yōu)點, 已逐漸取代了傳統(tǒng)的msf方法，是目前熱法的主要發(fā)展方向，因此，在這里我 們只對med和r0進行分析比較。2. 1多效蒸餡(med)多效蒸憾(med)應(yīng)用了海水蒸發(fā)和蒸汽冷凝的工作原理，這些過程是在一系列 的單元中完成的。典型的多效蒸憾(med)裝置和工藝流程如圖1示：圖1示意了一個多效蒸憾海水淡化裝置的工藝過程，在裝置的每一效中都充滿 了水平放置的熱交換管，它們形成一個個管束。從鍋爐或汽機來的蒸汽被引入到 第一效的管束中，海水從上部噴淋到管束上，水流在重力的作用下流經(jīng)管束的 外表面并和管束屮的蒸汽進行熱交換，蒸汽在管束內(nèi)冷凝成淡水，流經(jīng)管束外 表面的海水中的一部分轉(zhuǎn)化成水蒸

7、汽。新產(chǎn)生的蒸汽又被引入下一效的管束內(nèi)部, 這一步驟可以被多次重復。最后生產(chǎn)的淡水被收集起來供使用，產(chǎn)生的濃鹽水排 放至大海。多效蒸鐳（med）的主要特點：1）對海水水質(zhì)不敏感，不需要復雜的預(yù)處理;2） 對海水溫度適用范圍廣（0°c35°c） ;3）產(chǎn)品水純度高;4）能耗低，換熱過程 利用相變傳熱，傳熱系數(shù)很高;所需傳熱而積較小;5）可利用低品位熱源，操作 溫度低«65°c） ;6）設(shè)備腐蝕率低，壽命長（可達30年）；7）裝置可用率高， 運行、維修費用低。2. 2反滲透（r0）反滲透是60年代發(fā)展起來的一項新的膜分離技術(shù)，是依靠反滲透膜在壓力下使 溶液中

8、的溶劑與溶質(zhì)進行分離的過程?？捎糜诟鞣N規(guī)模的海水、苦咸水淡化，近 年來發(fā)展速度很快。反滲透膜是由多種不同的聚合物依據(jù)不同的模塊設(shè)計方式制 成的、具有半透性能的膜。把反滲透膜裝入壓力容器并組裝起來就可制成反滲透 裝置。典型的海水淡化廠和反滲透海水淡化流程如圖2示：反滲透裝置對海水水質(zhì)要求較高，海水一般要經(jīng)過化學處理、多介質(zhì)過濾器（除 去各種雜質(zhì)）、保安過濾（精濾）等復雜的預(yù)處理后才能進入反滲透裝置。海水 一般經(jīng)過一級反滲透裝置后即可作為一般工業(yè)用水，經(jīng)過二級反滲透裝置后即 可牛產(chǎn)純度很高的產(chǎn)品水。圖2典型反滲透海水淡化流程下載原圖 反滲透工藝的主要特點：1）只需要電能，不需要其它熱源，能耗低;2

9、）對水質(zhì) 要求嚴格，要有復雜的預(yù)處理;3）反滲透膜對溫度敏感，適宜的海水溫度為 15°c25°c, 10°c以下產(chǎn)水率大幅降低;4）裝置一次性投資小;5）反滲透膜的壽 命短，一般為：t5年，更換膜約占制水成本的5%飛%,但總成本費用一般仍較多 效蒸憾（med）低;6）置可用率高，運行可靠。3海水淡化方案選擇最佳海水淡化方法的選擇一般應(yīng)對環(huán)境因素、需求因素、經(jīng)濟因素等要素進行綜 合評估，以下依據(jù)海陽核電廠海水水質(zhì)以及自身特點，討論海水淡化適宜的方 案。3. 1環(huán)境因素環(huán)境因素主要是從海水、能量來源兩個方面對適宜的海水淡化方法進行評估。3. 1. 1海水(1) 水溫的

10、影響不同淡化方法對海水溫度的適應(yīng)性不同。反滲透法(r0)適宜溫度為1525°c; 多效蒸憾(med)適宜溫度為035°c。對于反滲透(r0)過程，膜的透水量隨水 溫的升高而增高。溫度低于10°c時，海水粘度增大使膜孔收縮，產(chǎn)水量大幅度 下降;而水溫過高則加快膜的水解速度，使有機膜變軟，易于壓實。海陽的海水 溫度隨節(jié)性節(jié)變化較大，各月平均水溫如表1示：從表1可看出，從每年的11月份至第二年的4月份，海陽海水平均溫度基本上 在1(tc以下，單從水溫因素考慮，顯然不利于反滲透(r0)過程，而選擇多效 蒸憾(med)法比較適合。如果要在海陽核電現(xiàn)場采用反滲透(r0)工藝，

11、冬春 季海水使用從冷卻水系統(tǒng)排岀的經(jīng)升溫后的海水，是一個較好的解決辦法(但 要注意核安全，嚴防核污染)，因為這時的水溫升高了約10°c。如果采用反滲 透(r0)工藝，冬春季海水來自循環(huán)水泵房，則需要將海水預(yù)熱至15°c以上， 需要消耗一定的能源。表1海陽海水各月平均水溫(1997.41998.3)單位：°c 下載原表(2) 鹽度的影響與多效蒸館(med)相比，鹽濃度對反滲透(r0)的影響較大，多效蒸館(med) 兒乎適用于任何鹽濃度海水。在鹽度為30g/l時，海水的滲透壓力約為2mpa,但 當鹽度為50g/l時，海水的滲透壓力增加了約一倍，達到4mpa,反滲透(r

12、0) 法所需的能量消耗則會激増。從表2可看出，海陽海水的年平均鹽度約為32g/l,對熱法和膜法都是適合的。表2海陽海水各月平均鹽度(1997419983)單位:。 下載原表(3) 水質(zhì)海水水質(zhì)的污染程度對熱法不皺感;但對反滲透(r0)而言，會使反滲透壓力和 單位電耗率增大，因此大大增加了海水預(yù)處理難度和成本;對于較小的規(guī)模一般 也容易處理，而對大型淡化廠則有可能影響到總體的技術(shù)方案。海陽地區(qū)周邊沒 有大型工礦企業(yè)，海水污染較輕，水質(zhì)很好，因此，海陽的水質(zhì)對于反滲透 (r0)法和多效蒸鐳(med)法均是適用的。但對于反滲透(r0)而言，海水的預(yù) 處理是很關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，必須要有復雜的預(yù)處理過程?？倆

13、,從海水因素考慮，對于北方高污染、高鹽度海水，多效蒸憾(med)法較 反滲透(r0)法更適合，但經(jīng)過熱能綜合利用和一定的預(yù)處理，反滲透(r0) 法也可用于北方海域海水淡化。3. 1. 2能量來源熱法使用的能源為蒸汽和很少量電能，而反滲透(r0)法使用的能源全部為電 能。核電站即可產(chǎn)生蒸汽也可以產(chǎn)生電能，因此核電站與海水淡化裝置的耦合方式 比較靈活，即可采用熱法也可采用膜法或采用熱法與膜法的組合。但是選擇合適 的反應(yīng)堆型及其與淡化裝置的耦合方式是確定核能海水淡化的一個關(guān)鍵因素。但是核能熱法淡化海水，需要采取嚴格措施，設(shè)置多道屏障和輻射監(jiān)測措施， 防止產(chǎn)品水被放射性物質(zhì)污染。從核安全的角度考慮，核

14、能熱法工藝產(chǎn)品水存在 被核污染的可能，但概率很小，因而產(chǎn)品水核污染的可能性很小。但無論如何，反滲透(r0)法卻是最安全的，從理論上講產(chǎn)品水被放射性污染 的概率是極微小的。但是從減少溫室氣體排放的角度考慮，核能較化石燃料更具 有優(yōu)勢。3. 2需求因素需求因素主要指生產(chǎn)規(guī)模，是確定最佳淡化方法的重要因素之一。一般而言，海 水淡化裝置規(guī)模越大，其經(jīng)濟性越好，熱法比r0法尤為明顯。多效蒸憾(med) 主要適合于中型和大型淡化裝置，單機容量范圍3000m/d"35000m/do反滲透 (r0)無論大型、屮型或小型都適用。根據(jù)可研報告屮水量需求分析，海陽核電廠一期兩臺機組最大年需水量為350 萬

15、“年，一、二期最大年需水量為558萬m/年，一、二、三期最大年需水量為 796萬ni/年，如果均考慮采用海水淡化，則一期可上一套規(guī)模為10000m/d的裝 置，二期可再上一套規(guī)模為10000m/d的裝置，三期的規(guī)模采用5000m/d的裝置 就足夠了?？筛鶕?jù)工程的實際情況，考慮地方利益和供水安全，在一定時期先上 一套規(guī)模較小的淡化裝置，例如，規(guī)模為2000m/d3000m/d的裝置，保證枯水 期或緊急事故情況下的供水安全。在此規(guī)模下，采用多效蒸館(med)法或反滲 透(r0)法都是適合的。3.3經(jīng)濟因素 經(jīng)濟因素是決定海水淡化方案最重要的因素之一，考察經(jīng)濟因素主要是分析淡 化裝置的制水成木。由于

16、熱法和膜法的工藝不同，因此兩種方法的成木構(gòu)成差別 很大。3. 3. 1多效蒸餛(med)海水淡化成本構(gòu)成多效蒸鐳(med)海水淡化成本主要由蒸汽、投資、化學藥品、電力、人工等要 素構(gòu)成。以青島黃島電廠3000m/d多效蒸憾(med)海水淡化工程為例，海水淡 化成本構(gòu)成如圖3所示：圖3黃島電廠3000m/d多效蒸鐳(med)海水淡化工程成本構(gòu)成下載原圖從圖3可看出，蒸汽消耗和設(shè)備投資是影響多效蒸館(med)制水成本的關(guān)鍵因 素，蒸汽占總成本的33. 8%,設(shè)備投資占總成本的24.9%。蒸汽的價格對制水成 木起著舉足輕重的作用。一般情況下，多效蒸鐳(med)的制水成木約在56元 /m,噸水投資約為

17、850美元/m/do3. 3. 2反滲透(r0)海水淡化成本構(gòu)成反滲透(r0)海水淡化成本主要由電力、投資、化學藥品、維護、人工等要素構(gòu) 成。以山東榮成5000m/d反滲透(r0)海水淡化工程為例，海水淡化成本構(gòu)成如 圖4所示：圖4山東榮成5000m/d反滲透(r0)海水淡化工程成本構(gòu)成下載原圖從圖4可看出，電力消耗和設(shè)備投資是影響反滲透(r0)制水成本的關(guān)鍵因素， 電費占總成木的52. 2%,設(shè)備投資占總成木的25. 4%,因此，電價是制水成木中 最為敏感的因素，對水價有決定性的作用。一般情況下，反滲透(r0)的制水成 本約在5元/m左右，噸水投資約為600美元/m/do3. 3. 3 me

18、d和r0制水成本比較對兩種方法的投資、折舊、運行、總成本等方面進行比較，一般情況下，比較結(jié) 果如表3示：從表3可看出，反滲透(r0)法的投資和制水成本較med法稍低。目前，一套 10000m/d規(guī)模的海水淡化廠，多效蒸憾(med)的投資約人民幣8000萬元，制 沓成本約5、6元/m;反滲透(r0)的投資約人民幣7000萬元，制水成本約45 元/m。下載原表表3多效蒸謂（med）和反滲透（r0）主要經(jīng)濟技術(shù)參數(shù)比較3. 3. 4核能海水淡化成本考慮對于成熟反應(yīng)堆型核能海水淡化項目，由于與核電站共用取排水構(gòu)筑物并可利 用循環(huán)冷卻水預(yù)熱海水，可減少投資，已具備與常規(guī)能源海水淡化廠競爭的條 件。研究表明：（1）重水堆具有絕對的競爭優(yōu)勢而壓水堆與常規(guī)能源經(jīng)濟性相當;（2）淡化水廠規(guī)模對制水成木影響很大，規(guī)模越小，成木越高；（3） r0法成木 最低，med法次之，msf法成本最高；（3）貼現(xiàn)率、核燃料價格及化石燃料價格 是制水成本中的敏感性因素。海陽核電一期工程為全球ap1000示范項目，屬于先進非能動壓水堆型，大部分 設(shè)備購自國外，國產(chǎn)化率低，核能產(chǎn)生的蒸汽或發(fā)電成本較高，如