基于水功能的火力发电厂用水效率评价方法研究

沈 旭，王建华，李海红，肖伟华

（中国水利水电科学研究院 流域水循环模拟与调控国家重点实验室，北京 100038）

1 研究背景

截至2010年底，我国发电总装机容量约9.6亿kW，发电量42 278亿kW·h，已经连续15年居世界第二位。而火电装机容量约占总装机容量的近74%，其中95%以上是燃煤电厂。预计到2015年煤电装机容量将达到9.33亿kW。长远来看，我国的电源结构在未来几十年内也仍将以火电为主，而火力发电行业是我国用水量大和耗水量较高的行业之一。根据2005年公开数据，火电用水量635亿m3，占当年工业总用水量（1 278亿m3）的49.7%，当年全国总用水量（5 578亿m3）的11.4%。到2008年，火电用水占全国工业用水的比例仍高达40%，且火电厂平均装机耗水率比国际先进水平高40%～50%，相当于1年多耗水15亿t[1]。在火电行业迅速发展的背后，水资源短缺的问题已成为行业发展最大的困扰，各地电厂都在积极寻求解决方案。沿海地区电厂正积极推广海水作为直流冷却水源，在水资源并不丰沛的北方地区却尚未寻求到成熟的节水技术。因此，面对当前有限的水资源量和严峻的电力需求形势，加强用水过程的管理，积极采用先进成熟的节水技术，提高水资源的利用效率，将是破解电力发展与水资源短缺矛盾的唯一有效途径。

加强电力行业用水效率的管理迫在眉睫，如何选取合适的节水考核指标，从而正确分析我国火电行业用水水平，对火电行业节水管理工作具有重要的指导意义。目前主要应用于评价我国火力发电厂用水效率的指标如下：万元产值取水量、单位装机容量取水量、重复利用率、装机取水量和单位发电取水量，每个指标都有其一定的局限性。万元产值取水量由于与电价有关，而电价是随着时间推移发生变化的，故该指标不宜用于火电行业节水分析。单位装机容量取水量以实际的发电量为依据，可以真实考核电厂的节水水平，但其运用前提是各发电机组平均利用小时数基本一致，且历年变化不大，故无法简单地采用该指标评估规模不一的电厂[2]。重复利用率指标对于直流冷却电厂和循环冷却电厂不具有可比性，对于利用海水冷却和淡水冷却的电厂也不具有可比性。装机取水量主要用于电厂的规划与设计，单位发电取水量主要用于对运行中的火电厂进行考核和管理，一般以年为计量时间，这两个指标适用于火电行业节水分析，但对于不同单机容量的电厂缺乏可比性，且采用不同冷却方式的电厂指标值差异也很大，根据中国电力企业联合会2010年统计的部分火电厂单位发电取水量情况[3]，600MW及以上的机组，空冷电厂（0.44kg/（kW·h））和直流冷却电厂（0.43kg/（kW·h））的单位发电取水量值比较接近，都远远小于循环冷却电厂（1.96 kg/（kW·h）），而300MW机组，则是空冷电厂的单位发电取水量值（0.33kg/（kW·h））小于直流冷却电厂（0.68kg/（kW·h）），两者都远远小于循环冷却电厂（2.03kg/（kW·h））。

综上，我国火电行业缺乏一个能够有效考核不同生产工艺、不同冷却方式、不同机组规模的各类电厂用水水平的指标体系，为严格行业用水管理提供依据，来推动行业用水效率的提高。基于上述背景，本文从水的物理化学特性出发，从理论上提出了一个可以覆盖我国各类型火力发电厂的用水效率评价方法，并对方法的可行性与准确性进行了评析，对火电行业用水效率管理工作的开展，具有一定的借鉴意义。

2 火力发电厂中的涉水过程

火力发电厂根据燃料种类、输出能源、装机容量和机组参数等可以有不同的分类，而在每类电厂中又可采用不同的冷却技术和用水工艺，故没有统一的生产过程。但它们的运行都无一例外地需要水的参与。

以使用汽轮机为动力的火力发电厂为例，水作为热力系统的工作介质，最大的作用就是转换能量。它吸收燃料的热量，变成有做功能力的蒸汽，进入汽轮机使热能转化为机械能，由发电机变为电能输出。同时在发电的其他环节中，水还起到冷却、传输物质、清洁以及生产保障的作用。

典型火力发电厂中的用水系统分类如图1。

图1 火力发电厂中的用水系统示意

对于用水工艺不同的火力发电厂而言，其用水过程的差异主要体现在其热力系统和冷却系统中，依据冷却介质的不同主要可划分为湿冷机组和空冷机组，其中湿冷机组又可划分为直流冷却机组与循环冷却机组。直流冷却机组中作为冷却介质的水在工作后直接排放，不再循环，需要有足够的水源，对水体会造成一定的热污染；循环冷却机组中作为冷却介质的水在工作后在冷却塔中散发热量至大气，有蒸发、风吹等损失，需要不断补充水量；空冷机组采用空气作为冷却介质，可以大量节水，但其一次性投资大、煤耗高。这3种型式机组的原则性热力与冷却系统图如图2。

图2 典型机组原则性热力系统

3 划分火力发电过程用水

3.1 基于水功能的划分结果以典型循环冷却电厂为例，依据水在火力发电生产中涉及的功能不同，对每种功能用水进行评价，首先将典型火电厂生产流程进行划分，可划分为四大类用水，主要功能分别为能量转换、热能传递、物质传输和其他生产保障作用的用水。

能量转换用水主要集中在热力系统，将热能转换为汽轮机的动能；热能传递用水主要集中在冷却系统和供热系统（有供热任务的电厂），将热能传递给水（湿冷电厂）或空气（空冷电厂）；物质传输用水主要起清洁冲洗作用，集中在除灰系统和烟气净化系统，同时也散乱在管道冲洗、设备冲洗等一切清洁过程中；其他用水均归入最后一类，包括化验室、实验室、厂区杂用水和绿化、生活、施工用水等，最后这一类用水并不是严格意义上的生产过程用水，并可以根据厂区节水器具普及率等指标进行用水效率考核，故在本文中火电厂用水只限定为前三类。

3.2 划分后用水性质分析

3.2.1 能量转换类用水性质 起能量转换作用的用水主要集中在热力系统，是所有火电厂用水中都不可或缺的部分。这部分用水所涉及的性质为水的比热、汽化热、临界温度等：水的比热4.2kJ/g、水的汽化热40.6kJ/mole或540cal/g、若温度高于374℃，则不可能加压使水蒸气液化。这些最为基本的性质限制了热力系统中水作为能量转换介质的工作条件。

3.2.2 热量传递类用水性质 起热能传递作用的用水主要集中在冷却系统和供热系统中，在没有供热任务的电厂中，则主要集中在冷却系统。这部分用水主要利用的是水的比热性质，遵循热力学第二定律，作为重要的载热介质。

3.2.3 物质传输类用水性质 起物质传输作用的用水均为清洁用水，主要集中在除灰系统和烟气净化系统，以及其他需要清洁用水的环节中（在此不一一列出），涉及到的是水的溶剂性质以及泥沙推移起动的规律：水可以溶有大量离子和少量固体物；活性小的金属和非极性分子物质在水中的溶解度较小，但分子量小、极性大且能与水分子产生氢键的分子物质，如氨（NH3）、甲醇（CH3OH）、蔗糖（C12H22O11）皆易溶于水中；水还是电解质的优良溶剂。

这部分用水构成了火电厂排污水的主体，因此在对于排污水水质有明确要求的地区还应当纳入净化方式中所涉及到的一系列生化反应过程，另外为了保证生产系统的正常运转，使管道和设备保持通畅，采取防结垢、防腐蚀和防生物污染的措施中也会涉及到一系列生化反应，利用了水的基本化学性质。

4 新的用水效率评价思路

依据以上分类，考虑一种新的火电厂用水效率评价方法。即针对不同分类的用水，依据其使用原理计算理论值，将理论值与实际生产值相比较，从而反映出生产中的用水效率水平。

具体而言，对于主要功能为能量转换、热能传递和物质传输的用水，依据不同生产工艺的原理分别进行理论单位发电量用水计算，得到火电厂单位发电量理论用水量Qt=Qec+Qet+Qmt（Qec为能量转换部分单位发电量用水量，Qet为热能转换部分单位发电量用水量，Qmt为物质传输部分单位发电量用水量），与该火电厂单位发电量实际用水量相比，即为评价指标。

考虑到火电生产实际过程的复杂性，这个评价指标对于生产过程中的用水可能会有所遗漏，但其涵盖了所有重要生产过程主体用水，认为指标可以反映火电生产过程用水水平。

4.1 能量转换部分用水量理论值这部分用水集中在锅炉设备和汽轮机设备中，用水量与锅炉型号、锅炉蒸汽参数、给水温度、燃料燃烧程度等因素有关，在系统中循环使用，其损耗部分对于用水管理才具有意义。因此理论值计算中主要考虑锅炉和汽轮机的补给水量，可按照火电厂设计正常运行工况计算或使用经验值法计算。火电厂设计正常运行工况一般假定锅炉与汽轮机均按规格参数工作，在此条件下进行系统用水和能量计算，过程复杂[4-5]，在此不再列出。经验值法相对简单，但需要资料较多，计算公式如下：

式中：n为锅炉台数；D为单台锅炉额定蒸发量；a1为厂内水汽循环损失率，取值见表1。

表1 发电厂内水汽循环损失率[6]

4.2 热能传递部分用水量理论值火电生产过程中的主要冷却用水量均计入此指标，可分为凝汽器冷却水量和辅机冷却水量，有供热任务的火电厂还需计入供热用水量。其中凝汽器冷却水量与火电厂冷却方式有关，辅机冷却水量与设备运行条件及型号有关，供热用水量与供热要求、管道型号等因素有关。这部分用水量主要为冷却过程中的蒸发和风吹损失水量，以及对外供热带来的损失水量，可按照火电厂设计正常运行工况计算或使用实测法：

式中：Qetn为凝汽器冷却水量，其计算由火电厂冷却方式决定，各类冷却方式的用水量计算在此不一一列出；Qetf为辅机冷却水量，通常采用实测法进行计算，为各辅机设备冷却用水量之和；Qetg为对外供热损失水量，通常采用式（3）计算。

式中：Dr为闭式热水网水量；a4为闭式热水网损失率，通常采用热水网水量的0.5%～1%或根据资料；D5为厂内用水汽损失；D6为厂外用水汽损失[6]。

4.3 物质传输部分用水量理论值物质传输部分用水量为起清洁作用及溶剂作用的用水量总和：

式中：Qmt为物质传输部分单位发电量用水量，Qmt1—Qmtn为水力除灰排渣环节、湿法脱硫环节、湿法除尘环节等各个清洁环节的损失水量以及化学水车间、污水处理池等水化学反应环节的损失水量，可以采用实测法或经验值法计算，各个环节的具体计算方法在此不列出，可详见参考文献[7]。

4.4 基于水功能的火电用水效率评价指标对于某一确定需要评价其用水效率的火电厂，根据其实际情况计算各部分理论值，由Qt=Qec+Qet+Qmt，得到理论单位发电量用水量Qt的值，即火电厂理论上发电1kW·h所需用水量，与该厂实际单位发电量取水量Qp的值相比较，可以直观表现出火电厂理论用水与实际用水的差异，导致这种差异的就是火电厂实际生产中实行的各种用水管理措施，因此，可将理论单位发电量用水量Qt与实际单位发电量取水量Qp的比值定为评价指标，对该厂的用水效率情况进行评价。

4.5 应用简例图3中为典型循环冷却火电厂的设计水量平衡图[3]，因缺乏该电厂实际生产用水情况，在此只在图3的基础上简要说明基于水功能的用水效率评价指标使用方法。每座火电厂均有如图3的设计水量平衡图，根据此图即可进行各部分理论用水的计算（只根据设计水量平衡图可以得到时均理论用水，无法得到单位发电量的理论用水，在实际应用中尚需火电厂设计的时发电量等参数）。

能量转换部分：包括锅炉补给水的汽水损失，理论值Qec=32（m3/h）。

热能传递部分：包括冷却塔中的蒸发损失、风吹损失，以及该热电厂的供热损失，理论值Qet=1086+85+153=1324（m3/h）。

图3 典型火电厂设计水平衡示意

物质传输部分：包括实验室处理用水、脱硫系统用水、除灰系统用水，理论值Qmt=6+150+10=166（m3/h）。

故理论用水量Qt=32+1324+166=1522（m3/h），如有该电厂运行时的实际取水量，即可评价该厂生产过程中的用水效率和节水管理水平。

假定一：该电厂实际运行用水与设计情况一致，即没有发生任何渗漏及其他损失。则该循环湿冷电厂的评价指标，理论用水与实际用水仍有差异，这是因为生产过程中有脱硫系统用水经处理后回用至除灰系统的环节，提高了用水效率。因此即使实际生产与设计用水完全一致，有效的用水管理措施仍然能够在评价指标中得到体现。

假定二：该电厂采用直接空冷工艺，冷却过程中用水约为150m3/h（根据湿冷与空冷工艺用水通常比值估算）。则理论用水量Qt=32+150+166=348（m3/h），再根据假定一，实际运行用水与设计情况一致，实际用水Qp=1506-1315-6+150=335（m3/h），基于水功能的用水效率评价指标，可与循环湿冷电厂的n=98.95%相比较，说明在其他生产环节情况一致时，采用直流空冷工艺电厂的用水水平要高于采用循环湿冷工工艺的电厂。

假定三：该电厂的时均发电量为1 200MW·h。传统评价方法的常见用水指标值见表2。空冷工艺下的详细数据尚缺，故可计算的指标只有单位发电量取水量。单位发电量取水量是衡量火力发电厂合理用水和节约用水的重要指标,它主要与发电厂的生产工艺、技术装备水平和管理水平有关[10]。在其他生产要素完全一致的情况，空冷电厂与湿冷电厂的单位发电量取水量仍不具有可比性，无法比较二者的用水水平，本文提出的基于水功能的评价指标则弥补了此缺陷。重复利用率是反映火力发电厂用水合理性的一个辅助指标。国标中没有这一指标的规定，而行标中则规定其值不小于95%（一般缺水地区），或不小于98%（严重缺水地区）[10]。该指标对于各类型电厂均具有可比性，但不反映电厂的管理水平。冷却水循环率和用水循环比指标只能针对循环冷却电厂进行应用，对于不同工艺的电厂不具有可比性。万元产值取水量是火电厂生产的重要用水指标和经济指标，与发电厂的燃料类型、生产工艺、技术装备水平和管理水平密切相关，无法用来单一考核电厂用水水平。

表2 1200MW循环湿冷电厂的用水指标

综上，本文提出的基于水功能的用水效率指标适用于各类型电厂，仅针对电厂的用水水平进行评价，与电厂的燃料类型、生产工艺、技术装备水平等因素无关，单一考核电厂的用水管理情况。适宜辅助单位发电量取水量、万元产值取水量等传统火电厂用水评价指标，为火电行业考核用水管理提供依据，促进行业用水水平的提高。

5 优缺点与应用前景评述

该基于水功能的用水效率评价方法适用范围广泛，可应用于任何一个火力发电厂；在评价指标计算各部分无缺漏的前提下，简单易行，省时省力；评价结果可用于进行任意几个火力发电厂的用水效率比较，无论评价对象的生产工艺是否具有很大的差异；即使针对不同规模的火力发电厂，其结果也具有可比性；采用直流冷却系统和循环冷却系统的电厂得到的指标值也是具有可比性的。可以认为这种评价方法弥补了传统单位发电取水量指标的不足，适用于分析我国火电行业的用水管理现状。

但是该方法目前只具雏形，需要与火电厂水平衡测试工作相结合，进一步细化其评价指标表，并对针对不同生产设备和工艺进行细分。理想的评价指标表应当具有所有现有火电生产设备和工艺相对应的理论值，形成业内标准，使用时可以直接查找计算，真正达到评价过程最简化，评价结果最客观。

整体看来，该评价方法从所涉用水的物化特性出发，对于繁琐复杂的火电厂生产用水过程进行了划分，以理论值与实际值的相对关系为评价结果，理论上结果客观可信，适用范围广泛。本文主要提出了理论框架，尚需大量的实际工作来进行改进和完善。随着行业内水平衡测试工作的开展与推广，可为该方法提供有力的技术支持和广阔的应用空间。尤其是在当前我国实行最严格的水资源管理制度、落实用水效率控制红线的大环境下，对于火电行业节水管理具有一定的参考价值。

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