核能海水淡化解决内陆城市缺水问题的初步探讨吴洋

核能海水淡化解决内陆城市缺水问题的初步探讨吴洋李卫华(清华大学核能与新能源技术研究院,北京100084)摘要建立大型的核能海水淡化中心向内陆城市输水,涉及核能海水淡化和长距离输水两个方面。在技术方案设计的基础上,对核能海水淡化和长距离输水的投资成本进行了分析估算,分析了不同核能海水淡化技术方案、不同水童、不同输水距离的投资成本,得出了核能海水淡化水长距离愉送的总成本。结果表明建立海水淡化中心解决内陆城市缺水问题是可行的。关键词核能海水淡化长距离输水成本分析水资源短缺特别是可饮用水的短缺正使世界许多地区受到危害。预计到2025年,世界约有2/3人口会处于中、高度缺水状态。我国目前有300多个大城市缺水,其中110多个严重缺水,水资源短缺已经成为制约经济和社会可持续发展的瓶颈。海水淡化是解决可饮用水短缺的一种现实的选择。海水淡化是一种能源密集型工业,为了有利于环境保护和可持续发展,核能海水淡化日益受到关注,以核供热堆为热源进行海水淡化是解决缺水的途径之一。在我国缺水的大城市中,大部分是内陆城市,因此在沿海建立核能海水淡化中心,产水通过输送管网向内陆城市输送,可以解决较大范围地区的缺水问题。1核能海水淡化技术方案1.1200MW核供热堆200MW核供热堆是由清华大学核研院开发的壳式一体化核供热堆。该堆采用一体化、全功率自然循环、自稳压、内置式控制棒驱动机构、非能动安全系统等先进技术,使这种反应堆不仅具有优异的固有安全性,而且系统简化,容易建造,运行维护方便l[,2〕。其固有安全特性使200MW核供热堆可以建造在城市附近。根据藕合的海水淡化工艺不同,核供热堆的运行参数也不同。当与多效蒸馏(MED)海水淡化工艺相藕合时,反应堆的运行参数低,通过输热系统产生0.24MPa低压饱和蒸汽作为MED海水淡化工艺的热源。当与反渗透海水淡化工艺相藕合时,提高反应堆的运行参数,产生3.2MPa的中压蒸汽,新蒸汽供给汽轮机发电或直接拖动高压海水泵。1.2海水淡化工艺壳膨胀、严重漏油和缺油、套管严重放电闪络的电容器,应退出运行,并进行集中检修。(2)电容器从所接电源断开时其端子上还残存电压,因此在每次重新进行手动切合操作或自动投切设定延时时,必须放电3min,注意剩余电压降至10%额定电压以下才能再投人,禁止带电荷合闸,避免操作过电压损坏补偿电容器及人身安全。(3)补偿电容器开关掉闸后不允许强行试送,应根据保护动作情况进行判断,按顺序检查电容器开关、互感器及电缆,查明故障源后,方可重新试送。对于新投人运行的补偿装置,应对保护元器件做全面电气试验,各项性能指标应满足国家技术标准。9结语花湖排水泵站建设与运行实践表明,泵站无功就地补偿装置应用过程中,如果注意以上7个环节的技术要求,就会达到理想的补偿效果和节能目的。目前该排水泵站无功就地补偿装置运行平稳,功率因素在0.9以上,满足了电力部门考核指标要求,取得了良好的社会效益和经济效益。口通讯处:435000黄石市城市排水公司余良旺(收)电话:[phone]-Eanril:[e-mail]收稿日期:2007一01一17224给水排水v.OI33增刊200,DOI:10.13789/j.cnki.wwe1964.2007.s1.085.....................曰...........................................................-...............................-....曰.曰..................................口二口口.日口...口.日甸杯根据200MW核供热堆的参数特点,以及不同淡化工艺的技术特点,不同的核能淡化技术方案产水量不同。与1座200MW核供热堆相藕合的反渗透/多效蒸馏(RO/MED)混合海水淡化工艺,产水量25万m3d/;高温多效蒸馏(VTE一MED)海水淡化工艺产淡水16万m,d/。(1)RO/MED混合海水淡化工艺。RO海水淡化系统由24套万吨级反渗透海水淡化单元组成,产水量24万耐d/;MED由1套万吨级MED一TVC海水淡化系统组成,产水量1万m“d/。核反应堆蒸汽供应回路可生产3.2MPa的中压饱和蒸汽,饱和蒸汽推动汽轮机发电,发电主要用于反渗透海水淡化系统。从汽轮机的中间抽气口抽取部分蒸汽或者汽轮机乏蒸汽用于MED一TVC海水淡化系统。(2)高温MED海水淡化工艺。VTE一MED海水淡化系统由2套相同的塔式布置的竖管多效蒸馏淡化单元组成,每套单元产水量8万m“d/,总产水量16万m3d/。供热堆产生的热量通过主换热器传给中间隔离回路水介质,然后通过蒸汽发生器产生126℃饱和蒸汽经供应回路输送至VTE一MED海水淡化系统,海水经预热一蒸馏一冷凝后产出淡水。核能海水淡化中心,由多个独立工作的海水淡化机组组成,每个核能海水淡化机组由1座200MW核反应堆和配套的淡化装置构成。这样的设计不仅可以增加核能海水淡化中心的操作运行弹性,而且在工程建设、设备购置方面可以节省投资。2长距离输水技术方案淡化水从核能海水淡化中心产出后向内陆城市输送涉及到长距离输水问题。一般输水系统的设计,需要根据输送水量、水质、输水距离和沿途地形及城乡规划情况,考虑采用的输水管渠形式、输水方式、输水安全度、附属构筑物、附件设置,初步确定几个可选方案,经过技术、经济比较来确定最优方案。对于淡化水的输送,由于淡化水水质等于或高于市政自来水水质,采取管道输水方式保证水质不受污染和防止水量损失,同时采取双管或者多管供水以保证供水连续性。因为一般内陆缺水城市海拔比核能海水淡化中心高,所以采用压力输水形式。在长距离输水设计中,加压泵站的设置、管材的选取、管径的确定是关键问题。(1)加压泵站问题。对于长距离输水,在途中设置加压泵站,主要有两个目的:一是避免起始泵站扬程过大和限制管道承受压力,因为输水距离远,即使地势平坦,也因为管道水头损失过大使得管道前端的压力过大,同时起始泵站的扬程过大,也不利于选择泵设备。二是当输水管道中间有流量分出时,降低供水费用,实现经济供水,但是加压泵站设置过多会增加基建和设备费用。在实际工程中加压泵站的数量,间隔距离必须经过技术、经济比较来确定。在本研究中,选定每50km设置一个加压泵站。(2)管材选取问题。在长距离输水工程中,管材一般根据工程规模,管道的工作压力,输水距离,工程所在地的地形、地貌、地质情况,应用管材的习惯等进行选取,然后通过技术,经济,安全等方面论证综合比较之后决定。根据长距离输水设计经验,特别是近几年大量的新型管材和新的生产工艺的出现,进行管材的优化选择就显得尤为重要。通过比较,在本研究中采用玻璃钢管材。与传统的输水管材相比,玻璃钢管具有可设计性强、摩阻小、耐腐蚀、质量轻及施工快捷等优点,而且随着生产工艺的不断进步,价格逐渐具有优势。(3)管径确定问题。长距离输水管道投资占输水工程的比重很大。管径增大,管道一次性投资增大,管路阻力减小,可降低电耗量与年运行费用;相反管径减小,可以降低管道一次性投资,但管路阻力增大,年耗电量及年运行费用增加。因此必然存在经济管径使得输水系统年费用最小。确定经济管径方法主要有经济管径公式法,经济流速法和管径优选法a[]。本研究采用双管输水方案,利用经济管径公式法和管径优选法结合的方法来确定管径。首先采用经济管径公式法,在确定经济因素后得出经济管径值,初步选择经济管径值附近的两种标准管径。然后通过管径优选法,按照年费用最小的原则确定最优管径。3投资成本分析3.1核能海水淡化的投资成本分析在本文中,只考虑固定资产投资。整个核能海水淡化工程投资包括三个部分:核反应堆工程,淡化设备,土建及配套工程。对各个部分进行估算,然后汇总得出固定资产投资总额。淡化水成本按照国内给水排水vd.33增刊2007225日月.…,....曰.口............絮犷完全成本法计算,单位淡化水成本二核能淡化年总成本/年淡化水产量,计算结果见表1。衰1核能海水淡化中心投资和淡化成本比较表3淡化水的总成本工工艺艺机组数数产水量量总投资资淡化成本本///////万sm/ddd/亿元元/元/m333RRRO/州陀DDD111255524.1113.55552222222500045.19993.422244444441000084.76663.333666666615000122.47773.2333VVVTE一MEDDD111l66619.98885.55553333333488854.18885.288866666669666101.72225.1333999999914444147.08885.04443.2长距离输水的投资成本分析输水系统的投资估算也是采用编制概算法,对管道工程、泵站工程、辅助工程分别加以估算汇总。输水成本估算按照自来水成本计算方法中输送成本计算方法计算。年输送成本主要由以下几项组成:工资福利费,固定资产折旧,动力费用,维护费用,管理及其他费用。单位淡化水输送成本一年总输送成本/年总输水量。计算结果见表2。3.3核能海水淡化水长距离输送的总成本分析表2输水系统的投资和输送成本输输送水ttt物送距离离地形高差差RO/州尼D工艺艺VTE一MED工艺艺///万ms/ddd/kmmm/mmm总成本/元/m333总成本/元/耐耐555000500015553.87775.7333555000100003OOO4.31116.17775550001500045554.75556.61115550002000060005.2227.066611100005000l5553.69995.522211100001000030004.07775.99911100001500045554.45556.288811100002000060004.84446.6777巧巧000500015553.61115.4222巧巧0001000030003.98885.799911150001500045554.35556.166611150002000060004.73336.5444愉愉送水ttt翰送距离离地形高差差总投资资抽送成本本///万ms/ddd/klllll/mmm/亿元元/元/耐耐555000500015555.43330.455555500010000300010.86660.899955500015000455516,29991,333355500020000600021.73331.788811100005000l5558.99990.3999111000010000300017.97770.7777111000015000455526.96661.1555111000020000600035.94441.5444巧巧0005000l55512.96660.3888111500010000300025.91110.7555111500015000455538.87771.1222111500020000600051.83331.555核能海水淡化工艺技术方案比采用RO/MDE混合工艺的产水成本高。核能海水淡化的投资随着淡化水量增加呈指数增加,淡化水成本随着淡化水量增加而不断减小。(2)随着输送水量增加,输水系统投资指数增加,输水成本不断减小;随着输送距离和高差增加,输水系统的投资和成本都随之增加。(3)当水量50万~巧O万m,,输送距离50~200km,地形高差15一60m时,核能海水淡化水到达受水城市的成本价在3.61一7.06元/m3,水价是可接受的,说明采用核能海水淡化水长距离输送解决沿海区域内陆城市缺水问题的途径是可行的。参考文献清华大学核能与新能源技术研究院.山东核能海水淡化高技术示范工程可行性研究报告.北京:清华大学,2005李卫华,张亚军,郑文祥.200MW一体化核供热堆在海水淡化上的应用前景分析〔见〕:中国核能动力学会.第六届全国新堆与研究堆学术会议论文专辑.北京:原子能出版社,2