發電廠冷卻之各國不同

在中國內陸地區，水是燃煤發電的一個制約因素，而這些地區大多位于缺水地區。每種不同的冷卻方法都會對當地環境和社會產生影響，同時也受到監管。

1、中國情況

在中國內陸地區，水是燃煤發電的一個制約因素，而這些地區大多位于缺水地區。

空氣冷卻改造會使效率降低3-10%，據報道每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）報告稱，中國北方超過100 GWe的燃煤電廠（占整個燃煤機組的12%）使用干式冷卻，預計對干式冷卻的需求將持續增加。

特別是，約175 GWe的燃煤裝機容量需要進行干式冷卻改造。

由于煤炭運輸成本高，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。

中國計劃將小型模塊化熔鹽反應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20年代末，設想在干旱地區使用TMSR-SF反應堆進行無水冷卻。除了固體燃料設計之外，還計劃建造一座168 MWe液體燃料MSR，主要通過空腔冷卻，被動排出余熱。

2、環境和社會影響

每種不同的冷卻方法都會對當地環境和社會產生影響，同時也受到監管。

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

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

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。

許多人認為這樣的羽流是一種干擾，而在寒冷的條件下，一些塔設計允許結冰，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。

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

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

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，只會冷卻汽輪機房中的冷凝器。

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

這是化石燃料發電廠更為關注的問題，但可以說對核能產生的廢物也有影響。

3、國家監管

DOE報告

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

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。

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）將進一步對煤不利。

DOE國家能源技術實驗室（NETL）2010年8月的一份報告分析了美國燃煤電廠新環境法規的影響。

預計2011年2月即將出臺的環境保護法規將強制使用冷卻塔作為“優秀可用技術”，以最大限度地減少污染取水口的環境影響。

不再允許現場特定評估和成本效益分析，以確定從一系列經驗證的技術中保護水生物種的優秀選擇。

這可能意味著，所有新電廠，或許還有許多現有機組，都需要安裝冷卻塔，而不使用直接冷卻，因為直接冷卻確實需要大量的水，但大約96%的水是回流的，溫度略高。

冷卻塔不僅價格更高，還通過蒸發大量水來工作，給淡水供應帶來了壓力——根據報告，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報告指出，如果新電廠不再允許直接冷卻，預計未來二十年內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）技術以限制美國碳排放的可能性，從而使耗水量進一步增加30-40%。

EPRI研究

美國電力研究所（EPRI）2010年的一項研究發現，在美國發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的美國發電廠，這些發電廠可能受到美國環境保護局（EPRI）修訂條例的約束，為了保護水生生物不被困在冷卻水取水結構中。

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

EPRI的研究考慮了資本成本、因更換系統所需的長時間停機而造成的收入損失，以及與電廠效率損失相關的成本，包括閉式循環冷卻系統中風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305美元來改造所有直流冷卻系統發電廠，“根據對這些工廠水生生物種群的科學研究，為了補救幾乎不存在的環境影響。”

2014年5月，EPA發布了一項規則，對1065家工廠和工廠的取水口進行了規定，允許現有工廠使用保護水生生物的各種選擇，盡管新的選擇需要封閉循環系統。

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

發電廠冷卻水取水口結構，基于技術的解決方案，在保護魚類，可以適應不同地點的生態多樣性。

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

法國、澳大利亞情況

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

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

由于受納水體溫度升高受到監管限制，這意味著在酷熱的夏季，發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核電機組在河流溫度超過32°C的情況下以50%的速度運行。

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公里以內的地點——海洋或河口。

澳大利亞的一項研究建議，在南澳大利亞的一個地點使用可再生能源（風能和太陽能），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，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。

除了靠近主要負荷中心外，沒有理由將核電站建在遠離海岸的地方，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的物流（以及相關的審美學），因為每個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行，因此循環效率較低，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。

如果任何火力發電廠——煤炭或核電廠——需要位于內陸，冷卻水的可用性是位置選擇的一個關鍵因素。

在冷卻水有限的地方，高熱負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，電廠也可以遠離負荷需求，并且有足夠的水進行有效冷卻（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，并且不應因用水考慮而相對于煤炭處于不利地位。

當然，限制溫室氣體排放的考慮將疊加在上述因素之上。

DOE的數據顯示，二氧化碳捕獲將使燃煤和燃氣發電廠的用水量增加50-90%，使前者比核能發電廠更耗水。

另一個含義涉及熱電聯產，即利用海岸線核電廠的廢熱進行海水淡化。

在中東和北非，大量的海水淡化已經使用石油和天然氣發電廠的廢熱，未來許多國家都希望利用核能來實現這一熱電聯產的作用。

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