我国火力发电行业用耗水情况与节水潜力分析

赵晶， 吴迪， 回晓莹， 韩宇平， 王涛

(1.华北水利水电大学 水资源学院，河南 郑州 450046； 2.中国灌溉发展研究中心，北京 100054； 3.中水北方勘测设计研究有限责任公司，天津 300222)

国家把节水列为生态文明建设与水安全保障的重要内容之一。2014年3月14日,习近平总书记提出“节水优先、空间均衡、系统治理、两手发力”的新时期治水思路，党的十九大报告中明确要求实施国家节水行动，把节水工作上升到国家层面。2019年4月18日，国家发改委和水利部联合印发《国家节水行动方案》，进一步明确工业节水减排、高耗水行业节水增效方案。近年来，随着国家节水工作的不断推进，工业用水总量呈持续下降趋势，工业用水效率大幅提高。2017年，全国万元工业增加值用水量较2010年的下降了48%，但我国的工业用水效率与节水先进国家间仍存在较大差距。2019年，我国万元工业增加值用水量为38.4 m3，折合成万美元工业增加值的用水量为269 m3，高于德国的250 m3、日本的77 m3、新加坡的54 m3和英国的28 m3，甚至高于与我国收入水平相当的巴西和南非等国[1]。工业用水成为我国实现国家节水行动的重点对象[2]。在工业用水组成中，高耗水行业如火力发电、钢铁、石油石化、化工、纺织、造纸、非金属矿物制品、食品等行业总取水量占全部工业用水量的3/4左右[3]，其中电力、热力的生产和供应业的取水量和耗水量均远超过其他高耗水行业，其中该取水量占整个工业总用水量的43.9%。电力、热力的生产和供应业中火力发电业用水量占整个行业用水量的80%左右，火力发电业用水量占工业用水量的比重为38%～40%。目前，我国火力发电业平均用水效率与国外发达国家的相比存在一定的差距，2019年，我国火力发电业单位发电量的耗水量为0.001 2 m3/(kW·h)，高于国外先进水平值[4]，我国火力发电行业的用水效率有待提升，我国火力发电行业节水潜力巨大。目前，我国已有学者开展火力发电业用水水平与用水效率的研究[5-7]，但针对火力发电业节水潜力分析的研究不多[8]。深入研究我国火力发电业的用水水平与用水效率, 计算该行业的节水潜力，对进一步提高工业用水效率与节水水平具有重要的现实和战略意义。文中首先阐述我国及各省市火力发电业的发展现状与用水水平，分析我国及各省市的用水效率与耗水情况，然后设置3类节水情景，分别计算我国火力发电业的节水潜力，并提出该行业的节水措施。

1 我国火力发电行业的发展现状与用水水平

1.1 我国火力发电行业的发展现状

电力行业是我国国民经济的重要基础产业，与国民经济发展息息相关。目前，我国电力装机容量与发电量居世界首位，其中火力发电装机容量从1998年的2.1亿kW，上升到2019年的11.9亿kW，增长了5倍多，2004—2007年我国火力发电业的装机容量增速较快，其中2006年的增速最大，达22%，具体如图1所示。

图1 1998—2019年我国火力发电业装机容量及其增长速率(数据来源于中国能源统计年鉴)

近20年来，我国火力发电量一直呈上升趋势，从1998年5 527亿kW·h，上升到2019年的46 522亿kW·h，增长了8.4倍。目前，火力发电是我国主要的电力来源，自1998年以来火力发电量占总发电量的比重高于80%，2012年以后降至78%左右，2013—2016年平均降至75%左右，2019年降至72%，具体如图2所示。

图2 1998—2019年我国火力发电量及其占总发电量的比重(数据来源于中国能源统计年鉴)

按照冷却方式的不同，火力发电机组可分为循环冷却机组、直流冷却机组和空气冷却机组。从全国范围来看，我国的火力发电机组主要以循环冷却为主，循环冷却装机容量占火力发电业总装机容量的76%，主要分布在内蒙古、山西、河北、山东、广东和河南等地。直流冷却发电机组较少，主要分布在江苏、广东、上海、浙江、湖南、湖北等地，如图3所示。

图3 我国火力发电业循环冷却与直流冷却装机容量(数据来源于中国电力企业联合会)

“十一五”期间，我国火力发电业建设向大容量、高参数、环保型方向发展，关停了一批小火力发电机组，投产了大批60万、100万kW级超临界、超超临界高效环保型火力发电机组，30万kW及以上火力发电机组的比重逐渐增加，2010年底，全国在役火力发电机组中，30万kW及以上机组的比重达到了72.7%，其中在运行的百万千瓦超临界机组达到31台。2011年、2012年、2013年，火力发电机组退役和关停容量分别达955万、615万、803万kW。近年来，我国火力发电厂不同机组的装机容量占总装机容量的比例如图4所示，图中火力发电机组装机容量用V表示。由图4可知：2016年，30万kW及以上机组的比重达到了79.1%；2017年，30万kW及以上机组的比重达到了79.4%；2018年以后，30万kW及以上机组的比重超过80%。

图4 不同容量等级火力发电机组占火力发电业总装机容量的比重(数据来源于中国电力企业联合会)

1.2 火力发电业用水水平

历年火力发电业用水量及其占工业用水量的比重如图5所示。由图5可知：近年来，我国火力发电业的用水量年际变化呈先升后降的趋势，2013年达到用水峰值，约580亿m3，而后呈下降趋势，2017年降至478.3亿m3；火力发电业用水量占工业用水量的比重呈先升后降再升的趋势，由2010年的36.1%上升到2013年的41.3%，2017年降至37.5%，2019年达到42.5%。

图5 历年火力发电业用水量及其占工业用水量的比重(数据来源于中国水资源公报和中国电力企业联合会)

火力发电业是工业中用水量最大的行业。火力发电业用水分为生产用水和非生产用水。生产用水约占火力发电业总用水量的97%，主要包括冷却用水、除尘和除渣用水、脱硫系统气用水，具体如图6所示[9]。图6中，冷却水系统为第一大用水大户，约占热力发电业总用水量的70%；湿法脱硫系统已成为热力发电业的第二大用水户，水分随烟气蒸发，蒸发水约占热力发电业总用水量的20%；生活用水占火力发电业用水的3%，主要包括生活系统和消防系统用水等。火力发电业按冷却形式分为循环冷却(取水量适中、耗水量相对较大)、直流冷却(取水量大、耗水量少)与空气冷却(分直接空气冷却和间接空气冷却，用水量小、耗水量小)。

图6 典型火力发电厂用水消耗分类及各类用水所占比重

不同省区不同冷却方式的火力发电业用水量如图7所示。由图7可以看出，火力发电业用水量最大的省份为江苏省，该省90%以上火力发电业用水量为直流冷却火力发电业用水量，其次为上海市、安徽省、湖北省等地区。北方地区的火力发电系统多采用循环冷却方式，循环冷却火力发电业的用水量相对较少。冷却方式的变化是导致南北方地区火力发电业用水量差异较大的主要原因。总体来说，火力发电业用水量，东部地区的大于中部地区的，中部地区的大于西部地区的，南方地区的大于北方地区的。

图7 不同省区不同冷却方式火力发电业的用水量(数据来源于中国电力企业联合会)

2 我国火力发电业用水效率与耗水情况

2.1 用水效率

2012年我国修订了《取水定额 第1部分：火力发电》(GB/T 18916.1—2012)，该国标中对火力发电业机组单位发电量的取水量定额指标和单位装机容量的取水量定额指标提高了限值要求。该标准颁布后，火力发电业单位发电量的用水量由2010年的0.016 m3/(kW·h)下降到2019年的0.011 m3/(kW·h)，约下降了31%，具体如图8所示。我国各省区火力发电业用水效率如图9所示。

图8 2010—2019年我国火力发电业单位发电量用水量(数据来源于中国能源统计年鉴和中国电力企业联合会)

图9 2016年我国不同省区火力发电业单位发电量的用水量(数据来源于中国能源统计年鉴和中国电力企业联合会)

图9中显示：2016年，全国火力发电业单位发电量的用水量为0.012 m3/(kW·h)；上海地区由于直流冷却机组占比相对较高，单位发电量的用水量最大，为0.067 7 m3/(kW·h)；其次为江苏、湖南与湖北等地区，其单位发电量的用水量分别为0.047 0、0.046 8、0.039 1 m3/(kW·h)；海南、山西、山东、河北、山西与内蒙古等地火力发电业的用水效率高。总体而言，北方省区火力发电业的用水效率高于全国平均水平，尤其京、津、冀地区火力发电业的用水效率远高于全国平均水平。

2016年各省区直流冷却火力发电与循环冷却火力发电业单位发电量的用水量如图10所示。图10中显示，直流冷却火力发电业单位发电量的用水量远高于循环冷却火力发电业单位发电量用水量，全国直流冷却火力发电业的平均单位发电量用水量为循环冷却火力发电业的30倍左右。从全国范围来看：就直流冷却火力发电业而言，江苏的用水效率最低，其次为安徽、湖北、广东、广西与湖南等地区，内蒙、四川、浙江与海南等地区的火力发电业用水效率较高；就循环冷却火力发电业而言，四川省的单位循环火力发电业用水量最大，远高于其他地区的，为0.009 m3/(kW·h)，其次为云南、贵州与吉林等地区的火力发电业用水效率较低，海南、上海与福建等地区的火力发电业用水效率较高。

图10 2016年直流冷却火力发电业与循环冷却火力发电业单位发电量的用水量比较(数据来源于中国电力企业联合会)

2.2 耗水情况

工业耗水量指在生产过程中，由于蒸发、飞散、渗漏、风吹等途径直接消耗的各种水量、直接进入产品的水量和职工生活耗水量的总和。这部分水量从狭义上讲是不能直接回收再利用的水量，一般情况下可用工业取用量减去废污水排放量(一般由循环冷却排污水、脱硫废水、含油废水、含煤废水、排泥废水、除灰废水、其他工业废水和生活污水等构成)求得[10]。根据火力发电业取新水量与废污水排放量间接求得耗水量，结果如图11所示。

图11 2000—2019年我国火力发电业单位发电量的耗水率(数据来源于中国电力企业联合会)

由图11可以看出：火力发电业单位发电量耗水量呈下降趋势，2000—2019年火力发电业发电量增长近3倍，但火力发电业耗水量仅增长24%；火力发电业单位发电量耗水量由2000年的4.1×10-3m3/(kW·h)下降到2019年的1.2×10-3m3/(kW·h)，约下降了71%；火力发电业的耗水率相对较高，2000年的耗水率约为75%。随着节水技术的进步与火力发电机组的优化升级，火力发电业的用水效率不断提高，单位产品取新水量不断下降。随着火力发电业废污水治理力度的加大，火力发电业单位发电量的废污水排放量呈快速下降趋势，故火力发电业的耗水率呈上升趋势，2019年火力发电业的耗水率达到96%。

不同冷却方式不同容量等级机组单位发电量耗水量情况如图12所示。由图12知，火力发电业不同容量等级机组均随着机组容量增加，单位发电量耗水量呈减少趋势。

图12 不同冷却方式不同容量等级机组单位发电量的耗水情况(数据来源于中国电力企业联合会)

3 我国火力发电业的节水潜力分析

3.1 节水潜力计算公式

火力发电业的节水潜力计算公式如下：

QS=HD0。

(1)

式中：QS为节水量，m3；H为火力发电量，kW·h；D0为单位产品节水量，m3/(kW·h)。

D0=D0现状-D0节水。

(2)

式中：D0现状为火电力发电业现状单位产品取水量，m3/(kW·h)；D0先进为采取节水措施后单位产品取水量，m3/(kW·h)。

3.2 单位发电量取水量的确定

根据《中华人民共和国国民经济和社会发展第十二个五年规划纲要》、《中共中央国务院关于加快水利改革发展的决定》(中发〔2011〕1号)要求，为加强工业节水管理，提升工业用水效率，工业和信息化部会同水利部、国家统计局、全国节约用水办公室编制了《重点工业行业用水效率指南》(以下简称《指南》)，《指南》中的火力发电业单位产品取水量指标见表1。

目前，我国火力发电业制定了《火力发电厂节水导则》(DL/T 783—2001)(修订)、《节水型企业 火力发电行业》(GB/T 26925—2011)、电力(燃煤发电企业)行业清洁生产评价指标体系等，规定了不同冷却方式不同容量等级机组单位发电量耗水量情况，见表2。

表1 火力发电业单位产品取水量

表2 火力发电业单位产品取水定额与指标

对比图12与表1和表2发现：循环冷却火力发电不同容量等级机组单位发电量取水量均没有达到《指南》中的先进值，虽然满足取水定额标准，但大于《节水型企业 火力发电行业》(GB/T 26925—2011)的值，甚至高于电力(燃煤发电企业)行业清洁生产评价指标体系的Ⅲ级基准值(国内清洁生产基本水平)；直流冷却火力发电不满足30万kW机组单位发电量耗水量接近《指南》中的先进值，30万kW机组与60万kW机组单位发电量取水量均没有达到《指南》中的先进值；直流冷却火力发电单位发电量取水量虽然满足取水定额标准，但高于《节水型企业 火力发电行业》(GB/T 26952—2011)中的值，甚至高于电力(燃煤发电企业)行业清洁生产评价指标体系的Ⅲ级基准值(国内清洁生产基本水平)。空气冷却火力发电不同容量等级机组单位发电量耗水量均高于《指南》中的先进值，不满30万kW机组与30万kW机组单位发电量取水量高于《指南》中的平均值，仅60万kW机组单位发电量耗水量达到《指南》中的先进值；空气冷却火力发电机组不同容量等级机组单位发电量取水量均在取水定额范围内，除60万kW机组单位发电量耗水量达到《节水型企业 火力发电行业》(GB/T 26925—2011)的要求值，其他容量机组没达到《节水型企业 火力发电行业》(GB/T 26925—2011)的要求值。空气冷却火力发电不足30万kW机组与30万kW机组单位发电量耗水量大于电力(燃煤发电企业)行业清洁生产评价指标体系的Ⅲ级基准值(国内清洁生产基本水平)，仅60万kW机组的单位发电量耗水量满足Ⅲ级基准值要求，但不满足Ⅱ级基准值要求。

可见，我国循环冷却火力发电机组整体单位发电量的耗水量较高，用水效率低于国际先进水平，节水潜力巨大；直流冷却火力发电单位发电量耗水量虽然接近到《指南》中的先进值，但低于电力(燃煤发电企业)行业清洁生产评价指标体系的Ⅲ级基准值(国内清洁生产基本水平)，节水潜力较大；空气冷却火力发电业仅60万kW机组的用水效率达到国际先进水平，但没达到国内清洁生产先进水平，但该装机容量较少，节水潜力有限。

3.3 我国火力发电业节水潜力分析

设置3类节水情景：

1)一般节水情景：单位发电量取水量达到电力(燃煤发电企业)行业清洁生产评价指标体系中的Ⅲ级基准值。

2)强化节水情景：单位发电量取水量达到电力(燃煤发电企业)行业清洁生产评价指标体系中的Ⅱ级基准值。

3)超强节水情景：全部淘汰单机容量小于30万kW的发电机组，单位发电量取水量达到电力(燃煤发电企业)行业清洁生产评价指标体系中的Ⅰ级基准值。

根据公式(2)和(3)计算出不同节水情景下我国火力发电业的取水量，如图13所示。图13中显示：相比于现状，一般节水情景下节水潜力为7.4亿m3，比现状取水量减少10.1%；强化节水情景下节水潜力为10.6亿m3，比现状取水量减少14.5%；超强节水情景下节水潜力为16亿m3，比现状取水量减少21.9%。

图13 不同节水情景下火力发电业的取水量

4 结论与政策建议

4.1 结论

1)我国火力发电业的用水量呈先升后降的趋势，取水增加量主要集中于南方和华东地区。近年来，火力发电厂用水效率大幅提高，其单位发电量的用水量由2010年的0.016 m3/(kW·h)，下降到2019年的0.011 m3/(kW·h)，下降了31%。整体而言，我国北方地区火力发电业的用水效率高于全国平均水平，尤其京、津、冀地区的远高于全国平均水平。循环冷却水力发电不同容量等级机组单位发电量耗水量均没有达到《指南》中的先进值水平，虽然满足取水定额标准，但高于《节水型企业 火力发电行业》(GB/T 26925—2011)的要求值，甚至高于电力(燃煤发电企业)行业清洁生产评价指标体系的Ⅲ级基准值(国内清洁生产基本水平)，节水潜力巨大。直流冷却水力发电单位发电量耗水量虽然接近《指南》中的先进值，但高于电力(燃煤发电企业)行业清洁生产评价指标体系的Ⅲ级基准值(国内清洁生产基本水平)，节水潜力较大。空气冷却火力发电业仅60万kW机组的用水效率达到国际先进水平要求，未达到国内清洁生产先进水平要求。

2)我国火力发电业一般节水情景下的节水潜力为7.4亿m3，强化节水情景下的节水潜力为10.6亿m3，超强节水情景下的节水潜力为16.0亿m3。

4.2 政策建议

1)完善法规建设，形成火力发电业发展的刚性约束机制。遵循《中华人民共和国循环经济促进法》、《中华人民共和国清洁生产促进法》、原国家经贸委等部委颁布的《国家重点行业清洁生产技术导向目录》(第一批、第二批、第三批)、《国家节水行动方案》、《工业企业用水管理导则》、《关于加强重点监控用水单位监督管理工作的通知》、《中国节水技术政策大纲》与地方适应性的相关产业发展政策等要求，制定促进节水技术发展的法规和政策，逐步建立和完善节水政策法规体系，形成火力发电业粗放发展的刚性约束机制。

2)由表1和表2分析结果可知，火力发电机组装机容量越大，单位发电量用水量越少，关停淘汰落后机组和优化发展大容量火力发电机组可明显提高火力发电业用水效率。根据中国电力企业联合会资料，关停20万kW高能耗小机组，按平均每千瓦时4×10-3m3耗水量计，火力发电业单位发电量耗水量将下降0.05×10-3m3/(kW·h)左右；若新增火力发电装机，原则上采用60万kW及以上超临界机组，新建机组水耗若全部达到世界先进水平要求，单位发电量平均耗水量将下降0.984×10-3m3/(kW·h)。

3)应用先进循环冷却节水技术可显著提高火力发电业的节水潜力，如应用高浓缩倍率运行技术、电化学技术和膜处理技术等。若1 000 MW火力发电机组循环冷却水浓缩倍率从2提高到3，节水量可达到800～1 000 m3/h[11]。

4)建立火力发电业节水型标杆企业，树立一批火力发电节水型企业示范典型，总结推广节水型火力发电企业的成功经验，促进火力发电企业节水。