发电厂冷却工艺用水发展现状与展望

刘欣，刘玮，龙国军，张天成，杨文强

（1.西安热工研究院有限公司，陕西西安 710054；2.华能烟台八角热电有限公司，山东烟台 265503）

发电厂是用水最为密集的工业产业之一，其冷却工艺用水占据了发电厂总用水量的主要部分〔1-2〕。冷却水用量受到机组类型、燃料类型、冷却系统类型、气候、水源条件等多种因素影响〔3-4〕。通常，核电机组的用水量大于火力发电机组，火力发电机组的用水量大于核电机组之外的其他类型发电机组〔5〕。此外，可再生能源（如太阳能、光伏、地热等）单位发电量所耗用的水量远低于化石能源〔6〕。当今，地球气候变暖、持续干旱，进一步加剧了水资源短缺的问题〔7〕。

除了水资源紧缺，对水环境的影响也是发电厂冷却工艺面临的一个重要问题。冷却工艺需要大量地取用天然水、排放工业废水，这会显著影响水系统生态平衡。第一，排放的冷却水会造成水体热污染，对水体中生物多样性产生严重的负面影响〔8-9〕。P.J. J. PRINCE等〔10〕报道称，印度一座采用直流冷却的滨海电厂将冷却废水排入一条河流，该河流中的浮游植物和浮游动物的种群密度分别下降了64%和93%，鱼类繁殖也受到了干扰。第二，冷却水系统的各种设施会对水体生物造成机械伤害。P. LEE等〔11〕研究发现某核电站冷却水排水口处的浮游动物碎片量远高于进水口处，这表明水中的浮游动物在通过冷却水管道出口时受到了物理损伤。第三，处理冷却水所使用的化学药剂也会对环境造成污染。S. CAHYANINGSIH等〔12〕比较了某海域接纳电厂冷却排水前后水质的变化情况，结果显示排水中的残余氯对海洋生物有着持续影响，建议在未来水质监测中加入海洋生物多样性和数量影响指标。

冷却水系统的运行效率会受到多种因素的影响，如何有效提高冷却系统运行效率一直是学术界以及工业界关注的焦点。凝汽器管道内部结垢会增加水流阻力，降低出口水压，从而增加水泵能耗，并且降低传热系数，最终导致机组输出功率和热效率降低。根据一项关于核电厂海水冷却系统的研究，随着管道污垢系数由0.000 15 m2·K/W增长至0.000 35 m2·K/W，机组输出功率和热效率分别下降了1.36%和0.448%，最终引起的系统功率损失高达13 319.93 kW〔13〕。系统内微生物大量繁殖累积在管道和设备表面形成生物污泥，增加热阻，降低机组运行可靠性。因此，对冷却水进行合理处理、有效控制水质，是确保冷却系统正常运行的关键。通常会进行模拟试验以研究水处理药剂（阻垢缓蚀剂、杀菌剂等）最佳投加量和加药方式，指导实际工业运行〔14〕。

随着淡水资源的日益紧缺和环境法规政策的日益严格，水资源无疑将成为制约发电厂运行和发展的重要因素之一。笔者在广泛研究相关文献的基础上，阐述了发电厂冷却水技术现状及发展情况；探讨了发电厂冷却水工艺在减少淡水使用、提高用水效率、保护环境等方面的问题，并且提出了一些具有潜在工业应用价值的节水、降耗新工艺和技术；最后，讨论了冷却水系统管理方面存在的机遇与挑战。

1 冷却系统配置与设计

1.1 冷却系统类型

1.1.1 湿式冷却系统

湿式冷却系统分为直流冷却系统和循环冷却系统。直流冷却是指冷却水只进行一次热交换即排放的冷却系统。直流冷却系统取水量很大。据估计，采用直流冷却工艺的发电厂产生单位电量所取用的水量是采用循环冷却工艺发电厂取水量的10~100倍。J. MACKNICK等〔15〕报道了某核电厂采用直流冷却系统单位发电量的取水量为167 L/（kW·h），而另一个配备了循环冷却塔的电厂单位发电量的取水量仅为4.2 L/（kW·h）。直流冷却工艺无需冷却塔和循环管道，系统设计较为简单，但需要大量取水及排水，取水和运输水环节能耗较高，排水还会引起天然水体热污染〔16〕。V. G. GUDE等〔17〕统计显示，全美国大约40%的电厂采用直流冷却系统。O. FRICKO等〔7〕提出了一个综合评估模型，用以估算评价各能源使用部门的用水情况和对水资源的影响，结果表明将发电厂的直流冷却系统改为循环冷却系统后，将会很大程度上减少全球淡水资源的取用和热污染。根据资料显示，为应对日益增长的用水压力，美国已经有越来越多的电厂将直流冷却系统转变为循环冷却系统，单位发电量的取水量有了明显下降〔18〕。美国加利福尼亚州已经明令禁止使用直流冷却系统〔19〕。

1.1.2 干式冷却系统

干式冷却也称为空气冷却，在干旱缺水的地区较多采用。相比于湿式冷却能够通过蒸发散热，干式冷却系统的冷却水并不与大气直接接触，而是通过管道与空气对流传热来达到降温的目的。也正是因此，干式冷却系统几乎没有蒸发损失和风吹损失，耗水量很小。利用这一优势，电厂的选址可以不受水源位置的限制，取水、输水和水处理成本显著降低。然而，干式系统的冷却效率低于湿式系统，其冷却性能和效果在很大程度上受到环境温度和湿度的影响，这也导致了机组效率和发电容量下降。为了提高传热效果，干式冷却系统往往需要更大的换热面积，并配备风机等动力设备辅助换热，这使得干式冷却系统的投资和运行费用都远高于湿式冷却系统〔20〕。据估算，干式冷却系统的造价可高达湿式冷却系统造价的10倍之多〔21〕。干式冷却系统对用水量、经济成本、机组效率的影响因不同机组的特性而有差别，电厂在选取技术和制定政策时应仔细分析和权衡。根据Haibo ZHAI等〔22〕的研究，以年平均值估算，在某燃煤发电机组上加装干式冷却系统并没有显著降低机组效率，仅仅在每年高温夏季（6月及7月）机组效率下降约2%。

1.1.3 辐射空冷系统

辐射空冷是一项新型冷却技术，近年来得到了广泛的关注。宇宙可以被看做是一个温度接近绝对零度的吸热容器，根据普朗克定律，任何具有有限热力温度的物体都会自发地向宇宙持续发射电磁辐射〔23-24〕。地球上物体辐射的能量，大部分会被大气层吸收后再反射回地球，但波长在8~13 µm范围内的红外波可以穿越大气层，进入低温外太空，这段波长被称为“大气窗口”波段〔25-26〕。一些新型材料能够吸收和辐射该波段的能量，展现出良好的冷却性能，具备在工业中应用的潜力〔27〕。随着先进技术的迅速发展，一些具有选择辐射性质的新型结构和新型材料，如超材料、纳米光子材料等，可实现在白昼阳光直射的环境下进行辐射冷却，意味着利用这类材料，可以使水在白天也能冷却到环境温度以下，而不发生蒸发损失，也几乎不消耗额外动力。这使得辐射空冷成为了一种极具吸引力的低碳、节能的冷却技术。目前已有一些研究将辐射空冷技术应用于建筑、机动车、太阳能电池，但针对该技术在电厂中的应用研究很少。A. AILI等〔28〕将辐射空冷技术与传统湿式冷却系统相结合，设计出混合冷却系统，可以使电厂每年耗水量减少30%~90%，而不降低机组效率，还指出将辐射空冷作为一个独立系统运行可以彻底杜绝湿式冷却系统的蒸发水损失，同时机组效率降低平均值远低于干式冷却系统。M.ZEYGHAMI等〔29〕在空冷装置上加装辐射冷却装置，该混合系统克服了干式冷却能量转换效率低的缺点，能够有效提高超临界二氧化碳动力循环机组的冷却效果。图1展示了传统冷却工艺与辐射空冷结合的混合式冷却系统〔28-29〕。

图1 辐射空冷和传统冷却结合的混合冷却系统示意Fig.1 Schematics of the hybrid cooling system of RSC and conventional cooling strategies

自1992年辐射空冷数学模型建立以来，辐射空冷技术不断发展，发展历程见图2〔28-33〕。

图2 辐射空冷技术发展历程Fig.2 A brief timeline of studies about RSC

目前，辐射空冷技术依然处于实验研究阶段。未来的实际应用仍需要更多的探索和突破，包括对系统的设计，对系统用地的考虑，以及天气对系统性能的影响（当地风速、降水量和云量）等〔34〕。

1.2 冷却系统设计、配置与运行参数优化

对冷却系统的设计和配置进行适当改进有助于节约水耗、能耗以及运行成本。例如，将变频风机应用于湿式冷却塔可以精确调节空气流量，从而显著降低水耗以及风机能耗，根据D. S. TAGHIAN等〔35〕的实验结果，风机能耗可降低64.6%，水耗可降低6.4%。Jiaze MA等〔36〕对冷却系统改型设计进行了试验研究，结果显示配备了空气冷却器的冷却水系统可以有效减少热负荷，节约用水，并在一定程度上避免系统结垢。滨海电厂多数采用海水直流冷却工艺〔37〕，海水水位因潮汐作用而频繁变化，进而导致冷却水流量和水泵能耗发生变化。恒速泵只能在几个离散的工况点上进行工作，不利于提高系统效率及降低运行成本。相比之下，变速泵能够调节速度以适应操作条件并获得适当的流量。此外，一些先进技术展现出了在冷却工艺过程中节约水资源、回收废能等方面的应用潜力。例如，发电厂可以将海水与微生物燃料电池〔38〕、厌氧膜生物反应器〔39〕、反电渗析设施〔40〕和压力延迟渗透装置〔41〕联合，从盐水中获取能量。Chuanmin TIAN等〔42〕设计了一种安装在燃煤电厂冷却水排放堰上的微型水力系统，利用水位差产生的势能驱动该微型水力发电装置，可以在不消耗任何化石燃料的情况下发电。但应用这些技术之前，不仅要衡量费用和效益，还要考虑环境和示范效果。

一些研究团队利用数学模型来对冷却系统进行参数优化以达到节水降耗的目的〔43-47〕。通常，冷却水系统运行维护费用包括水泵费用，水处理药剂费用，水处理设施运行费用等，其中水泵运行费用是整体费用的主要部分。冷却水流速对热交换效率和泵能耗的影响恰好相反，采用高流速可以减小换热面积，降低换热器造价，然而同时也会增加水泵能耗和运行费用。A. S. W. MOHAMMED等〔48〕开发了一套参数优化模型，并将该模型应用于某天然气联合发电机组，分别模拟直流冷却工艺和间接干式冷却-湿式冷却混合冷却工艺，通过模型计算和预测调整工艺运行参数，实现将水耗降到最低。Lin XIA等〔49〕针对某海水直流冷却系统建立了一个数学模型，将海水水位、凝结水温度、机组负荷作为自变量，来确定变频水泵的最佳运行速度和启停次数。R. D.SOUZA等〔50〕采用一种综合非线性模型来估算换热器的年运行费用，发现通过调整设备布局和系统压降设计，可以显著降低总成本。Jiaze MA等〔51〕设计了一种串-并联结构，可以同时优化换热器和水泵系统，还设计了辅助泵与主泵联合运转，以降低水泵运行费用，改进后的系统在满足热交换量要求的同时，减少耗水量，大大降低年运行成本。

2 非传统水源的应用

冷却水最常用的水源来自地表淡水和地下淡水。然而在一些淡水资源缺乏的地区，发电企业不得不寻找替代水源，即非传统水源。非传统水源的选取和使用需要考虑水质指标、水处理技术、用水成本、废水排放和相关政策法规的要求等。最常见的非传统水源是再生水和海水。

2.1 再生水

废水处理技术的发展和进步使得电力工业可以将水多次利用，这对减少淡水取用、缓解水资源短缺有着重要意义〔52〕。城市废水（也称为市政污水）和工业废水都可以在适当的处理后作为冷却水补充水源重新利用。美国能源信息管理局发布的统计数据显示，2008年至2014年间，美国的发电企业冷却水供应发生了巨大转变，8.4 GW装机容量的机组完全使用再生水，6.4 GW装机容量的机组部分使用再生水，13.4 GW的并网容量由使用再生水作为冷却水补水的电厂提供〔18〕。在中国，政府部门颁布了水资源管理“三条红线”政策，严格的水资源管理制度促使发电企业进一步加快节水型工业建设〔53〕。Xinxin ZHANG等〔54〕对中国境内621座燃煤发电站进行调研发现，70%的冷却水来自地表水，17%来自再生水，13%来自地下水（图3），表明再生水的使用已超过地下水，成为中国发电厂第二大冷却系统水源。

图3 中国621座燃煤电站冷却水水源占比Fig.3 The proportion of cooling water source of 621 coal-fired power plants in China

污水处理厂通常采用二级处理，其出水仍含有相当高浓度的氨氮、无机盐、有机物，无法满足冷却系统用水水质要求。因此，为了满足冷却水水质标准，需要对再生水进行深度处理。通常采用膜生物反应器（MBR）和浸没式生物过滤器去除水中的碳酸盐、氨氮和悬浮固体〔55〕。A. FOGLIA等〔56〕建议对再生水使用上流式厌氧污泥床进行生物处理，并使用厌氧膜生物反应器进行三级处理。S. PAN等〔21〕报道了某天然气厂通过液压盘式过滤器深度净化废水，从而作为冷却塔补充水。

值得注意的是，某些情况下，很难确保再生水有充足稳定的供应，因此可考虑将非传统水作为淡水的补充，布置并联管道和再生水贮水池等设施〔57〕。

2.2 海水

近年来，海水循环冷却技术引发了越来越多的关注。海水中的总溶解固体可高达55 000 mg/L〔58〕，因此，为了确保系统安全稳定运行，通常控制海水的循环倍率低于2.0。海水经过脱盐处理后则可以显著提高浓缩倍率，但采用海水冷却仍要密切关注系统的腐蚀以及管道泄漏的风险〔59〕。脱盐工艺一般基于两种原理：加热法脱盐和膜法脱盐〔60-66〕。加热脱盐工艺能耗高，运行费用昂贵，目前仍无法大规模应用于海水淡化生产冷却水。随着材料技术的发展，新型膜材料展现出优异的透水性能和离子分离性能，在提高脱盐效率、降低技术成本方面非常有效〔66-69〕。采用太阳能、风能、地热等可再生能源和废热能源，辅以适当的储能设施，可以降低脱盐工艺成本，提高海水淡化工业应用的可能性〔70-72〕。M. M.K. KHOSHGOFTAR等〔73〕在发电厂增设太阳能组件和脱盐工艺系统，改造后可产生33 kg/s的淡化海水，可用做冷却水补水。脱盐废水含有高浓度的盐分，需要经过妥善处置，以减少对环境的影响〔74〕。

非传统水源由于其成分复杂，在使用前需要经过适宜的处理。通常，处理程度较高的再生水和海水应用作循环工艺的补充水，而处理程度较低的应用于直流工艺的补充用水。

3 冷却水处理技术

冷却水系统面临的3个主要问题是结垢、腐蚀和生物污泥〔75〕。冷却水为微生物提供了适宜的生存条件，丰富的有机和无机营养物、适宜的温度、充分的曝气以及光照。微生物在系统里大量繁殖会形成生物黏泥，附着在设备和管道表面，堵塞管道、填料孔和布水嘴等，增加热阻，降低换热效率。微生物产生的胞外聚合物将微生物结合在一起，形成质地紧密结构稳定的膜，很难被杀菌剂瓦解去除。生物泥膜会加速系统腐蚀（称为生物腐蚀），缩短设备和构件的寿命，增加运行维护成本，降低运行可靠性〔76-79〕。通常地下水的微生物含量要低于地表水，但地下水中成垢性离子含量往往高于地表水。成垢离子主要指的是钙离子、镁离子及少量的钡离子和锶离子等，这类离子容易与水中的碳酸根、硫酸根等形成不溶物沉积在设备管道表面〔80〕，增加热阻，降低冷却效果，从而降低机组效率。因此必须对冷却水进行适当的处理，以避免系统结垢、腐蚀和产生生物黏泥。目前常用的冷却水处理技术是采用投加化学药剂，包括杀菌药剂和缓蚀阻垢剂，来防止系统结垢、腐蚀和产生菌藻。

3.1 杀菌药剂

水处理用杀菌剂通常可分为氧化型（如次氯酸钠、二氧化氯、高锰酸钾）和非氧化型（如异噻唑啉酮、氯酚、三氯苯酚和季铵盐）。氯及其化合物具有价格低廉、使用方便、杀菌性能好等优点，因而得到广泛使用〔81〕。氯的杀菌效果取决于水中有效氯（即HClO和ClO-）的浓度，因此在使用时须保持水质在恰当的pH范围〔82〕。去除生物泥膜时，应采用高剂量的氯，以渗透进入泥膜内部。然而，过高的氯会对系统的金属结构造成腐蚀。此外，当水中含有机物（如腐殖酸、黄腐酸等）时，氯容易和这些有机物反应生成三卤甲烷（THMs）副产物，该类物质具有致癌作用，对人类健康和水生生物有害。在许多地区，环境法规严格限制THMs的排放。生物降解被认为是去除水中THMs前体物质和THMs的绿色且廉价的技术〔83〕。

二氧化氯（ClO2）具有很高的氧化电位，可以在更宽的pH范围内（5.0~9.0）对生物泥膜进行处理。ClO2可以阻碍细胞蛋白质合成，破坏细胞膜，并以极低的浓度杀死细菌孢子和病毒。相比于氯容易生成THMs的缺点，ClO2在反应过程中生成亚氯酸盐和氯酸盐，这些物质在水中很稳定且危害较小。S.VENKATNARAYANAN等〔84〕发现ClO2在很低的浓度下能阻碍浮游生物栖息，从而破坏它们的生长繁殖过程。这种杀菌方式更加环境友好。M. ALBLOUSHI等〔85〕研究了某海水冷却系统中用ClO2控制生物污泥的效果，结果显示，即使在总残余氧化剂质量浓度（以Cl2计）低至0.1 mg/L的情况下，ClO2的杀菌效果也优于其他氯。尽管ClO2有诸多优点，但也仍存在一些限制：1）相比氯及其化合物，ClO2更加昂贵；2）ClO2性质活跃、不稳定，对压力和光照十分敏感，因此无法压缩或液化存储、运输，只能在使用现场制备；3）ClO2无法在水中长时间存在，因此不具备持续杀菌效果；4）制备ClO2的设备较为复杂。基于上述原因，将ClO2与氯联合使用是更为合理的方式。

非氧化型杀菌剂通常与氧化型杀菌剂联合交替使用以提高杀菌效果。季铵盐和异噻唑啉酮是两种应用最为广泛的非氧化型杀菌剂。季铵盐可以破坏微生物的细胞膜，诱发自溶酶释放，导致细胞裂解，对真菌、细菌、寄生虫均有较好的杀灭效果〔86-88〕。但季铵盐具有毒性，会对生态系统带来一定的威胁。冷却水中常用的苯扎氯铵被证明对淡水及海水中的藻类有较强毒性〔89〕。异噻唑啉酮也被证明对小鼠和鱼类显示出不可逆的毒性作用〔90-91〕。季铵盐和异噻唑啉酮在自然界中的降解速率较低。A. H.KHAN等〔92〕以苄基二甲基十二烷基氯化铵和苄基二甲基十四烷基氯化铵为研究对象，验证了两种季铵盐在环境中混合存在时可能引发拮抗作用，降低生物降解速率，从而增加了环境残留的风险。异噻唑啉酮是一种杂环，具有生物稳定性，在自然界降解速率较慢〔93〕。冷却水排水中非氧化杀菌剂的处理方式主要包含生物降解和氧化分解。生物降解可以采用移动床生物膜反应器〔94〕，或利用某些可以分解非氧化型杀菌剂的微生物进行处理〔95〕。近年来，深度氧化工艺去除水中的非氧化型杀菌剂受到了关注。例如采用臭氧-氧化石墨烯〔96〕、 光催化氧化〔97〕、电化学氧化〔98〕等。A. H. KHAN等〔99〕用臭氧和双氧水进行深度氧化后可以降低季铵盐混合物的毒性，进而提高生物降解率。Lu PENG等〔100〕采用基于碳纤维毡的流通电极系统来降解水中的异噻唑啉酮残留，以达到缓解生态风险的目的。M. LEE等〔101〕提出了一种混合式氧化系统，该系统结合了紫外-可见光系统、过硫酸盐和Cu2+，可以降解十二烷基三甲基氯化铵和十二烷基二甲基苄基氯化铵。

除了药剂种类和加药剂量，加药方式也影响着杀菌效果。D. RUBIO等〔102〕对比了氯在连续投加和冲击投加下的杀菌效果，结果表明冲击投加杀菌效果更好。根据Xiaolei LI等〔79，103〕的报道，相比于单独使用杀菌剂或缓蚀剂，将二者联合使用可以更加有效地防止系统中的铜材料被生物腐蚀。其他杀菌处理方式，如过氧乙酸〔104〕、臭氧〔85〕、紫外线〔105〕和一些非化学杀菌技术〔106〕尽管有着无毒、无害和环保的优点，但并非电厂冷却水处理的常规方法。

3.2 阻垢缓蚀剂

阻垢剂主要通过破坏矿物质成核过程及阻碍晶体生长来抑制水中沉淀物的生成，从而避免系统结垢〔107〕。含磷阻垢剂因其效果优良、价格低廉而得到广泛使用。但含磷阻垢剂易导致水体污染，且难以降解，对环境具有一定危害性，许多地区对排放污水中磷的含量有着严格的规定，这限制了含磷阻垢剂的应用。为了解决这一问题，一些研究团队致力于开发不含磷的环境友好型阻垢剂，例如基于某些绿色共聚物的无磷阻垢剂和植物提取物等。Xiaojuan ZHANG等〔108〕介绍了用3-氨基-1-丙磺酸修饰聚天冬氨酸分子链，得到改性后的聚天冬氨酸共聚物，分子中的磺酸基团和羧基对钙离子具有很强的螯合能力，从而能避免碳酸钙或硫酸钙沉淀。Guangqing LIU等〔109〕研究了线性树枝状嵌段共聚物作为绿色阻垢剂在冷却水系统中的应用效果，结果表明该共聚物显示出优异的抑制碳酸钙沉淀的能力，在8 mg/L的加药水平下可抑制约97%碳酸钙生成。以植物提取物制备阻垢缓蚀剂因其绿色无污染且适用范围广的优点引起了越来越多地关注〔110〕。植物提取物含有多种化合物质，这些物质通过分子结构中的官能团吸附在金属表面，防止设备发生腐蚀。同时，这些提取物的多种分子结构和官能基团可与水中的成垢离子相结合，从而起到阻垢作用。此外，由于植物提取物种类多样，可以满足不同类型金属在不同pH条件下的防腐和阻垢要求。B. A. ABD-EL-NABEY等〔111〕总结了从植物中提取的具有阻垢缓蚀功能的有效成分。A. KIOKA等〔112〕研究了纳米气泡在地热能发电厂冷却水系统防腐、阻垢方面的应用，纳米气泡是指液体中直径为50~200 nm的球形气泡体。相较于传统的化学药剂，纳米气泡技术是一种更为先进的阻垢缓蚀技术，能够达到良好的防止系统结垢和腐蚀的效果，不产生有害化学物质，成本较低，且纳米气泡在较高的温度、压力和较宽的pH范围内均能保持稳定的性能，因此具有广阔的应用前景。

4 冷却水系统在线监测技术

在线监测仪表可以自动、实时、连续测量水质关键指标，包括电导率、pH、碱度、氯离子、钙离子、硬度、浊度、磷酸盐、溶解氧和氧化还原电位（ORP）等。随着技术的进步，水处理药剂浓度和腐蚀速率也可以在线监测，这使得运行人员能够更加准确地掌握水质情况及水处理效率，更加有效地防止系统结垢、腐蚀及产生生物黏泥，并在出现问题时能够及时采取应对措施。已经有文献报道利用光学技术和电化学传感器在线监测生物泥膜的形成〔113〕。P. TINHAM等〔114〕成功利用红外监测技术研究流动水样中生物泥膜的累积和聚集。尽管该方法并不能测得生物污泥的确切值，但可以用于比较不同工况下的杀菌效果。J. BRUCHMANN等〔115〕开发了一种基于电阻抗光谱和电流测量技术相结合的在线生物传感器平台，可以灵敏地检测到生物污泥对化学处理的反应，从而评估生物泥膜的形成以及水处理药剂的作用效果。P. CRISTIANI等〔116〕介绍了一种包含多种电化学探头的在线监测设备，将该设备应用于冷却水系统，可以监测生物泥膜的生长，以及评价氯或其他氧化型杀菌剂的杀菌效果。得益于这种在线监测技术，冷却水系统可以实现精确优化调控药剂投加量，以期在最小加药量下保护系统不受生物污泥污染，不发生生物腐蚀现象。

5 发电厂的水资源管理和策略

5.1 发电厂与其他工厂间的协作

发电厂与污水处理厂联合协作可以达到互惠共赢的效果。电厂与污水处理厂邻近建设可以使得发电厂以较低的成本将冷却排水输送至污水处理厂进行处置，同时电厂也可以优先使用水处理厂生产的再生水，以降低对淡水的消耗。类似地，使用海水冷却的电厂可以向脱盐厂提供电力能源和咸水，生产出的盐作为副产品，而脱盐水可以回用至电厂作为补给水。发电厂与水厂或脱盐厂的协作模式见图4〔57，117〕。

图4 发电厂-水厂/脱盐厂联合协作模式Fig.4 Co-generation of power plant and wastewater treatment plant and/or desalination plant.

5.2 政策与法规

政府部门应充分发挥引领作用，鼓励发电厂寻求减少冷却水消耗的策略，并关注冷却水带来的环境污染问题。政府部门可以从行政许可的角度进行监管和激励，包括但不限于制定财政水价制度、水权分配、补贴公约和污水排放标准。农业灌溉、市政和其他行业（如石油工业和冶金工业）与发电厂竞争用水，尤其是在温度较高的夏季，这种竞争更加激烈。因此，水资源管理部门在分配用水权时应考虑各单位的用水自给程度、循环利用程度以及排水水质和总量指标。循环用水或者采用非传统水源的单位以及排水指标更为严格的单位应可获得优先用水权，以鼓励电厂升级技术，采用更加节水的方案。据统计，严格的环境法规确实可促使电厂从直流冷却工艺改型为循环冷却工艺〔118〕。Panni LI等〔119〕报道称，尽管环境税对促进大型燃煤发电厂污染物减排的作用有限，但监管部门仍可以考虑提高低税率地区的环境税率，并完善环保税收减免奖励制度，以激励企业减少污染物排放。

建立数据库，整理包括燃料类型、冷却工艺、装机容量、取水和耗水量、污水排放，甚至当地气候等〔120〕基本信息数据，对于估算电厂用水量、水质情况、冷却水工艺技术都具有重要的参考意义。例如，用水量不仅影响到冷却装置位置甚至整个电厂的选址，也是改造和优化冷却系统的关键基础数据。除了上述基础信息，数据库内还应包含一些具体案例，阐明电厂中发生的用水紧缺情况时采取的有效应对措施〔121〕。然而，因为缺乏详细的统计整理，可供公众使用的数据很少，且大多数时候可获得的数据也不够准确，甚至质量很差〔122〕。因此，要使这类数据库发挥作用，需要不同监管部门和电厂之间的协作，确保信息透明共享。同时，应注重考虑企业隐私保护和数据访问的合法性。

6 结论与展望

冷却水关系着机组输出功率，占电厂用水的主要部分。随着淡水储量的急剧减少，传统冷却工艺用水模式已经不再适用。越来越多的发电企业开始寻求对冷却水系统和技术进行改进优化，以降低冷却水用量，提高冷却效率，实现可持续发展。目前，已经在冷却水系统的配置设计、非传统水源的使用、水处理技术优化、发电企业水资源管理和策略等方面取得了一定进展，获得了一些节水降耗效益。未来，仍有以下方面的问题需要进一步研究。

1）辐射空冷是一种被动冷却的方法，具有零蒸发损失和几乎无电力消耗等显著优点。但该技术仍处于研究阶段，由于制造成本较为昂贵，只能适应于较小的制水量，无法完全满足发电厂需求。同时，辐射空冷在白昼使用效果较差也是一个亟待突破的问题。若要大规模应用于电厂，首先需要进一步以辐射冷却材料为研究重点，设法提高冷却效果，抑制对流传热，以降低制造成本，并保证在白昼环境下的应用；其次，应考虑将辐射空冷与传统冷却工艺结合使用，以提高辐射空冷的应用灵活性；最后，还应采取有效的储冷措施，以克服辐射空冷的间歇性。

2）进一步研究非传统水源水处理深度与冷却水补水水质的关系，得出最合理的深度处理方案，优化深度处理与冷却水运行成本。深入研究脱盐工艺与先进膜材料等进一步优化深度处理技术。此外，需要认真评估非传统水源供水的可靠性，探索淡水和非传统水源联用技术，确保冷却水系统补水供给的可靠性。

3）冷却水系统优化并非一个孤立的研究课题，应加强各区域能源部门、水资源部门及其他利益相关方的合作，切实推进资源规划和设施协同增效。此外，建立数据库，实现信息共享，为区域水分配管理提供参考。