沈 旭,王建華,李海紅,肖偉華
(中國水利水電科學(xué)研究院 流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100038)
截至2010年底,我國發(fā)電總裝機(jī)容量約9.6億kW,發(fā)電量42 278億kW·h,已經(jīng)連續(xù)15年居世界第二位。而火電裝機(jī)容量約占總裝機(jī)容量的近74%,其中95%以上是燃煤電廠。預(yù)計(jì)到2015年煤電裝機(jī)容量將達(dá)到9.33億kW。長遠(yuǎn)來看,我國的電源結(jié)構(gòu)在未來幾十年內(nèi)也仍將以火電為主,而火力發(fā)電行業(yè)是我國用水量大和耗水量較高的行業(yè)之一。根據(jù)2005年公開數(shù)據(jù),火電用水量635億m3,占當(dāng)年工業(yè)總用水量(1 278億m3)的49.7%,當(dāng)年全國總用水量(5 578億m3)的11.4%。到2008年,火電用水占全國工業(yè)用水的比例仍高達(dá)40%,且火電廠平均裝機(jī)耗水率比國際先進(jìn)水平高40%~50%,相當(dāng)于1年多耗水15億t[1]。在火電行業(yè)迅速發(fā)展的背后,水資源短缺的問題已成為行業(yè)發(fā)展最大的困擾,各地電廠都在積極尋求解決方案。沿海地區(qū)電廠正積極推廣海水作為直流冷卻水源,在水資源并不豐沛的北方地區(qū)卻尚未尋求到成熟的節(jié)水技術(shù)。因此,面對當(dāng)前有限的水資源量和嚴(yán)峻的電力需求形勢,加強(qiáng)用水過程的管理,積極采用先進(jìn)成熟的節(jié)水技術(shù),提高水資源的利用效率,將是破解電力發(fā)展與水資源短缺矛盾的唯一有效途徑。
加強(qiáng)電力行業(yè)用水效率的管理迫在眉睫,如何選取合適的節(jié)水考核指標(biāo),從而正確分析我國火電行業(yè)用水水平,對火電行業(yè)節(jié)水管理工作具有重要的指導(dǎo)意義。目前主要應(yīng)用于評價我國火力發(fā)電廠用水效率的指標(biāo)如下:萬元產(chǎn)值取水量、單位裝機(jī)容量取水量、重復(fù)利用率、裝機(jī)取水量和單位發(fā)電取水量,每個指標(biāo)都有其一定的局限性。萬元產(chǎn)值取水量由于與電價有關(guān),而電價是隨著時間推移發(fā)生變化的,故該指標(biāo)不宜用于火電行業(yè)節(jié)水分析。單位裝機(jī)容量取水量以實(shí)際的發(fā)電量為依據(jù),可以真實(shí)考核電廠的節(jié)水水平,但其運(yùn)用前提是各發(fā)電機(jī)組平均利用小時數(shù)基本一致,且歷年變化不大,故無法簡單地采用該指標(biāo)評估規(guī)模不一的電廠[2]。重復(fù)利用率指標(biāo)對于直流冷卻電廠和循環(huán)冷卻電廠不具有可比性,對于利用海水冷卻和淡水冷卻的電廠也不具有可比性。裝機(jī)取水量主要用于電廠的規(guī)劃與設(shè)計(jì),單位發(fā)電取水量主要用于對運(yùn)行中的火電廠進(jìn)行考核和管理,一般以年為計(jì)量時間,這兩個指標(biāo)適用于火電行業(yè)節(jié)水分析,但對于不同單機(jī)容量的電廠缺乏可比性,且采用不同冷卻方式的電廠指標(biāo)值差異也很大,根據(jù)中國電力企業(yè)聯(lián)合會2010年統(tǒng)計(jì)的部分火電廠單位發(fā)電取水量情況[3],600MW及以上的機(jī)組,空冷電廠(0.44kg/(kW·h))和直流冷卻電廠(0.43kg/(kW·h))的單位發(fā)電取水量值比較接近,都遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于循環(huán)冷卻電廠(1.96 kg/(kW·h)),而300MW機(jī)組,則是空冷電廠的單位發(fā)電取水量值(0.33kg/(kW·h))小于直流冷卻電廠(0.68kg/(kW·h)),兩者都遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于循環(huán)冷卻電廠(2.03kg/(kW·h))。
綜上,我國火電行業(yè)缺乏一個能夠有效考核不同生產(chǎn)工藝、不同冷卻方式、不同機(jī)組規(guī)模的各類電廠用水水平的指標(biāo)體系,為嚴(yán)格行業(yè)用水管理提供依據(jù),來推動行業(yè)用水效率的提高?;谏鲜霰尘?,本文從水的物理化學(xué)特性出發(fā),從理論上提出了一個可以覆蓋我國各類型火力發(fā)電廠的用水效率評價方法,并對方法的可行性與準(zhǔn)確性進(jìn)行了評析,對火電行業(yè)用水效率管理工作的開展,具有一定的借鑒意義。
火力發(fā)電廠根據(jù)燃料種類、輸出能源、裝機(jī)容量和機(jī)組參數(shù)等可以有不同的分類,而在每類電廠中又可采用不同的冷卻技術(shù)和用水工藝,故沒有統(tǒng)一的生產(chǎn)過程。但它們的運(yùn)行都無一例外地需要水的參與。
以使用汽輪機(jī)為動力的火力發(fā)電廠為例,水作為熱力系統(tǒng)的工作介質(zhì),最大的作用就是轉(zhuǎn)換能量。它吸收燃料的熱量,變成有做功能力的蒸汽,進(jìn)入汽輪機(jī)使熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能,由發(fā)電機(jī)變?yōu)殡娔茌敵?。同時在發(fā)電的其他環(huán)節(jié)中,水還起到冷卻、傳輸物質(zhì)、清潔以及生產(chǎn)保障的作用。
典型火力發(fā)電廠中的用水系統(tǒng)分類如圖1。
圖1 火力發(fā)電廠中的用水系統(tǒng)示意
對于用水工藝不同的火力發(fā)電廠而言,其用水過程的差異主要體現(xiàn)在其熱力系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)中,依據(jù)冷卻介質(zhì)的不同主要可劃分為濕冷機(jī)組和空冷機(jī)組,其中濕冷機(jī)組又可劃分為直流冷卻機(jī)組與循環(huán)冷卻機(jī)組。直流冷卻機(jī)組中作為冷卻介質(zhì)的水在工作后直接排放,不再循環(huán),需要有足夠的水源,對水體會造成一定的熱污染;循環(huán)冷卻機(jī)組中作為冷卻介質(zhì)的水在工作后在冷卻塔中散發(fā)熱量至大氣,有蒸發(fā)、風(fēng)吹等損失,需要不斷補(bǔ)充水量;空冷機(jī)組采用空氣作為冷卻介質(zhì),可以大量節(jié)水,但其一次性投資大、煤耗高。這3種型式機(jī)組的原則性熱力與冷卻系統(tǒng)圖如圖2。
圖2 典型機(jī)組原則性熱力系統(tǒng)
3.1 基于水功能的劃分結(jié)果以典型循環(huán)冷卻電廠為例,依據(jù)水在火力發(fā)電生產(chǎn)中涉及的功能不同,對每種功能用水進(jìn)行評價,首先將典型火電廠生產(chǎn)流程進(jìn)行劃分,可劃分為四大類用水,主要功能分別為能量轉(zhuǎn)換、熱能傳遞、物質(zhì)傳輸和其他生產(chǎn)保障作用的用水。
能量轉(zhuǎn)換用水主要集中在熱力系統(tǒng),將熱能轉(zhuǎn)換為汽輪機(jī)的動能;熱能傳遞用水主要集中在冷卻系統(tǒng)和供熱系統(tǒng)(有供熱任務(wù)的電廠),將熱能傳遞給水(濕冷電廠)或空氣(空冷電廠);物質(zhì)傳輸用水主要起清潔沖洗作用,集中在除灰系統(tǒng)和煙氣凈化系統(tǒng),同時也散亂在管道沖洗、設(shè)備沖洗等一切清潔過程中;其他用水均歸入最后一類,包括化驗(yàn)室、實(shí)驗(yàn)室、廠區(qū)雜用水和綠化、生活、施工用水等,最后這一類用水并不是嚴(yán)格意義上的生產(chǎn)過程用水,并可以根據(jù)廠區(qū)節(jié)水器具普及率等指標(biāo)進(jìn)行用水效率考核,故在本文中火電廠用水只限定為前三類。
3.2 劃分后用水性質(zhì)分析
3.2.1 能量轉(zhuǎn)換類用水性質(zhì) 起能量轉(zhuǎn)換作用的用水主要集中在熱力系統(tǒng),是所有火電廠用水中都不可或缺的部分。這部分用水所涉及的性質(zhì)為水的比熱、汽化熱、臨界溫度等:水的比熱4.2kJ/g、水的汽化熱40.6kJ/mole或540cal/g、若溫度高于374℃,則不可能加壓使水蒸氣液化。這些最為基本的性質(zhì)限制了熱力系統(tǒng)中水作為能量轉(zhuǎn)換介質(zhì)的工作條件。
3.2.2 熱量傳遞類用水性質(zhì) 起熱能傳遞作用的用水主要集中在冷卻系統(tǒng)和供熱系統(tǒng)中,在沒有供熱任務(wù)的電廠中,則主要集中在冷卻系統(tǒng)。這部分用水主要利用的是水的比熱性質(zhì),遵循熱力學(xué)第二定律,作為重要的載熱介質(zhì)。
3.2.3 物質(zhì)傳輸類用水性質(zhì) 起物質(zhì)傳輸作用的用水均為清潔用水,主要集中在除灰系統(tǒng)和煙氣凈化系統(tǒng),以及其他需要清潔用水的環(huán)節(jié)中(在此不一一列出),涉及到的是水的溶劑性質(zhì)以及泥沙推移起動的規(guī)律:水可以溶有大量離子和少量固體物;活性小的金屬和非極性分子物質(zhì)在水中的溶解度較小,但分子量小、極性大且能與水分子產(chǎn)生氫鍵的分子物質(zhì),如氨(NH3)、甲醇(CH3OH)、蔗糖(C12H22O11)皆易溶于水中;水還是電解質(zhì)的優(yōu)良溶劑。
這部分用水構(gòu)成了火電廠排污水的主體,因此在對于排污水水質(zhì)有明確要求的地區(qū)還應(yīng)當(dāng)納入凈化方式中所涉及到的一系列生化反應(yīng)過程,另外為了保證生產(chǎn)系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn),使管道和設(shè)備保持通暢,采取防結(jié)垢、防腐蝕和防生物污染的措施中也會涉及到一系列生化反應(yīng),利用了水的基本化學(xué)性質(zhì)。
依據(jù)以上分類,考慮一種新的火電廠用水效率評價方法。即針對不同分類的用水,依據(jù)其使用原理計(jì)算理論值,將理論值與實(shí)際生產(chǎn)值相比較,從而反映出生產(chǎn)中的用水效率水平。
具體而言,對于主要功能為能量轉(zhuǎn)換、熱能傳遞和物質(zhì)傳輸?shù)挠盟?,依?jù)不同生產(chǎn)工藝的原理分別進(jìn)行理論單位發(fā)電量用水計(jì)算,得到火電廠單位發(fā)電量理論用水量Qt=Qec+Qet+Qmt(Qec為能量轉(zhuǎn)換部分單位發(fā)電量用水量,Qet為熱能轉(zhuǎn)換部分單位發(fā)電量用水量,Qmt為物質(zhì)傳輸部分單位發(fā)電量用水量),與該火電廠單位發(fā)電量實(shí)際用水量相比,即為評價指標(biāo)。
考慮到火電生產(chǎn)實(shí)際過程的復(fù)雜性,這個評價指標(biāo)對于生產(chǎn)過程中的用水可能會有所遺漏,但其涵蓋了所有重要生產(chǎn)過程主體用水,認(rèn)為指標(biāo)可以反映火電生產(chǎn)過程用水水平。
4.1 能量轉(zhuǎn)換部分用水量理論值這部分用水集中在鍋爐設(shè)備和汽輪機(jī)設(shè)備中,用水量與鍋爐型號、鍋爐蒸汽參數(shù)、給水溫度、燃料燃燒程度等因素有關(guān),在系統(tǒng)中循環(huán)使用,其損耗部分對于用水管理才具有意義。因此理論值計(jì)算中主要考慮鍋爐和汽輪機(jī)的補(bǔ)給水量,可按照火電廠設(shè)計(jì)正常運(yùn)行工況計(jì)算或使用經(jīng)驗(yàn)值法計(jì)算?;痣姀S設(shè)計(jì)正常運(yùn)行工況一般假定鍋爐與汽輪機(jī)均按規(guī)格參數(shù)工作,在此條件下進(jìn)行系統(tǒng)用水和能量計(jì)算,過程復(fù)雜[4-5],在此不再列出。經(jīng)驗(yàn)值法相對簡單,但需要資料較多,計(jì)算公式如下:
式中:n為鍋爐臺數(shù);D為單臺鍋爐額定蒸發(fā)量;a1為廠內(nèi)水汽循環(huán)損失率,取值見表1。
表1 發(fā)電廠內(nèi)水汽循環(huán)損失率[6]
4.2 熱能傳遞部分用水量理論值火電生產(chǎn)過程中的主要冷卻用水量均計(jì)入此指標(biāo),可分為凝汽器冷卻水量和輔機(jī)冷卻水量,有供熱任務(wù)的火電廠還需計(jì)入供熱用水量。其中凝汽器冷卻水量與火電廠冷卻方式有關(guān),輔機(jī)冷卻水量與設(shè)備運(yùn)行條件及型號有關(guān),供熱用水量與供熱要求、管道型號等因素有關(guān)。這部分用水量主要為冷卻過程中的蒸發(fā)和風(fēng)吹損失水量,以及對外供熱帶來的損失水量,可按照火電廠設(shè)計(jì)正常運(yùn)行工況計(jì)算或使用實(shí)測法:
式中:Qetn為凝汽器冷卻水量,其計(jì)算由火電廠冷卻方式?jīng)Q定,各類冷卻方式的用水量計(jì)算在此不一一列出;Qetf為輔機(jī)冷卻水量,通常采用實(shí)測法進(jìn)行計(jì)算,為各輔機(jī)設(shè)備冷卻用水量之和;Qetg為對外供熱損失水量,通常采用式(3)計(jì)算。
式中:Dr為閉式熱水網(wǎng)水量;a4為閉式熱水網(wǎng)損失率,通常采用熱水網(wǎng)水量的0.5%~1%或根據(jù)資料;D5為廠內(nèi)用水汽損失;D6為廠外用水汽損失[6]。
4.3 物質(zhì)傳輸部分用水量理論值物質(zhì)傳輸部分用水量為起清潔作用及溶劑作用的用水量總和:
式中:Qmt為物質(zhì)傳輸部分單位發(fā)電量用水量,Qmt1—Qmtn為水力除灰排渣環(huán)節(jié)、濕法脫硫環(huán)節(jié)、濕法除塵環(huán)節(jié)等各個清潔環(huán)節(jié)的損失水量以及化學(xué)水車間、污水處理池等水化學(xué)反應(yīng)環(huán)節(jié)的損失水量,可以采用實(shí)測法或經(jīng)驗(yàn)值法計(jì)算,各個環(huán)節(jié)的具體計(jì)算方法在此不列出,可詳見參考文獻(xiàn)[7]。
4.4 基于水功能的火電用水效率評價指標(biāo)對于某一確定需要評價其用水效率的火電廠,根據(jù)其實(shí)際情況計(jì)算各部分理論值,由Qt=Qec+Qet+Qmt,得到理論單位發(fā)電量用水量Qt的值,即火電廠理論上發(fā)電1kW·h所需用水量,與該廠實(shí)際單位發(fā)電量取水量Qp的值相比較,可以直觀表現(xiàn)出火電廠理論用水與實(shí)際用水的差異,導(dǎo)致這種差異的就是火電廠實(shí)際生產(chǎn)中實(shí)行的各種用水管理措施,因此,可將理論單位發(fā)電量用水量Qt與實(shí)際單位發(fā)電量取水量Qp的比值定為評價指標(biāo),對該廠的用水效率情況進(jìn)行評價。
4.5 應(yīng)用簡例圖3中為典型循環(huán)冷卻火電廠的設(shè)計(jì)水量平衡圖[3],因缺乏該電廠實(shí)際生產(chǎn)用水情況,在此只在圖3的基礎(chǔ)上簡要說明基于水功能的用水效率評價指標(biāo)使用方法。每座火電廠均有如圖3的設(shè)計(jì)水量平衡圖,根據(jù)此圖即可進(jìn)行各部分理論用水的計(jì)算(只根據(jù)設(shè)計(jì)水量平衡圖可以得到時均理論用水,無法得到單位發(fā)電量的理論用水,在實(shí)際應(yīng)用中尚需火電廠設(shè)計(jì)的時發(fā)電量等參數(shù))。
能量轉(zhuǎn)換部分:包括鍋爐補(bǔ)給水的汽水損失,理論值Qec=32(m3/h)。
熱能傳遞部分:包括冷卻塔中的蒸發(fā)損失、風(fēng)吹損失,以及該熱電廠的供熱損失,理論值Qet=1086+85+153=1324(m3/h)。
圖3 典型火電廠設(shè)計(jì)水平衡示意
物質(zhì)傳輸部分:包括實(shí)驗(yàn)室處理用水、脫硫系統(tǒng)用水、除灰系統(tǒng)用水,理論值Qmt=6+150+10=166(m3/h)。
故理論用水量Qt=32+1324+166=1522(m3/h),如有該電廠運(yùn)行時的實(shí)際取水量,即可評價該廠生產(chǎn)過程中的用水效率和節(jié)水管理水平。
假定一:該電廠實(shí)際運(yùn)行用水與設(shè)計(jì)情況一致,即沒有發(fā)生任何滲漏及其他損失。則該循環(huán)濕冷電廠的評價指標(biāo),理論用水與實(shí)際用水仍有差異,這是因?yàn)樯a(chǎn)過程中有脫硫系統(tǒng)用水經(jīng)處理后回用至除灰系統(tǒng)的環(huán)節(jié),提高了用水效率。因此即使實(shí)際生產(chǎn)與設(shè)計(jì)用水完全一致,有效的用水管理措施仍然能夠在評價指標(biāo)中得到體現(xiàn)。
假定二:該電廠采用直接空冷工藝,冷卻過程中用水約為150m3/h(根據(jù)濕冷與空冷工藝用水通常比值估算)。則理論用水量Qt=32+150+166=348(m3/h),再根據(jù)假定一,實(shí)際運(yùn)行用水與設(shè)計(jì)情況一致,實(shí)際用水Qp=1506-1315-6+150=335(m3/h),基于水功能的用水效率評價指標(biāo),可與循環(huán)濕冷電廠的n=98.95%相比較,說明在其他生產(chǎn)環(huán)節(jié)情況一致時,采用直流空冷工藝電廠的用水水平要高于采用循環(huán)濕冷工工藝的電廠。
假定三:該電廠的時均發(fā)電量為1 200MW·h。傳統(tǒng)評價方法的常見用水指標(biāo)值見表2??绽涔に囅碌脑敿?xì)數(shù)據(jù)尚缺,故可計(jì)算的指標(biāo)只有單位發(fā)電量取水量。單位發(fā)電量取水量是衡量火力發(fā)電廠合理用水和節(jié)約用水的重要指標(biāo),它主要與發(fā)電廠的生產(chǎn)工藝、技術(shù)裝備水平和管理水平有關(guān)[10]。在其他生產(chǎn)要素完全一致的情況,空冷電廠與濕冷電廠的單位發(fā)電量取水量仍不具有可比性,無法比較二者的用水水平,本文提出的基于水功能的評價指標(biāo)則彌補(bǔ)了此缺陷。重復(fù)利用率是反映火力發(fā)電廠用水合理性的一個輔助指標(biāo)。國標(biāo)中沒有這一指標(biāo)的規(guī)定,而行標(biāo)中則規(guī)定其值不小于95%(一般缺水地區(qū)),或不小于98%(嚴(yán)重缺水地區(qū))[10]。該指標(biāo)對于各類型電廠均具有可比性,但不反映電廠的管理水平。冷卻水循環(huán)率和用水循環(huán)比指標(biāo)只能針對循環(huán)冷卻電廠進(jìn)行應(yīng)用,對于不同工藝的電廠不具有可比性。萬元產(chǎn)值取水量是火電廠生產(chǎn)的重要用水指標(biāo)和經(jīng)濟(jì)指標(biāo),與發(fā)電廠的燃料類型、生產(chǎn)工藝、技術(shù)裝備水平和管理水平密切相關(guān),無法用來單一考核電廠用水水平。
表2 1200MW循環(huán)濕冷電廠的用水指標(biāo)
綜上,本文提出的基于水功能的用水效率指標(biāo)適用于各類型電廠,僅針對電廠的用水水平進(jìn)行評價,與電廠的燃料類型、生產(chǎn)工藝、技術(shù)裝備水平等因素?zé)o關(guān),單一考核電廠的用水管理情況。適宜輔助單位發(fā)電量取水量、萬元產(chǎn)值取水量等傳統(tǒng)火電廠用水評價指標(biāo),為火電行業(yè)考核用水管理提供依據(jù),促進(jìn)行業(yè)用水水平的提高。
該基于水功能的用水效率評價方法適用范圍廣泛,可應(yīng)用于任何一個火力發(fā)電廠;在評價指標(biāo)計(jì)算各部分無缺漏的前提下,簡單易行,省時省力;評價結(jié)果可用于進(jìn)行任意幾個火力發(fā)電廠的用水效率比較,無論評價對象的生產(chǎn)工藝是否具有很大的差異;即使針對不同規(guī)模的火力發(fā)電廠,其結(jié)果也具有可比性;采用直流冷卻系統(tǒng)和循環(huán)冷卻系統(tǒng)的電廠得到的指標(biāo)值也是具有可比性的。可以認(rèn)為這種評價方法彌補(bǔ)了傳統(tǒng)單位發(fā)電取水量指標(biāo)的不足,適用于分析我國火電行業(yè)的用水管理現(xiàn)狀。
但是該方法目前只具雛形,需要與火電廠水平衡測試工作相結(jié)合,進(jìn)一步細(xì)化其評價指標(biāo)表,并對針對不同生產(chǎn)設(shè)備和工藝進(jìn)行細(xì)分。理想的評價指標(biāo)表應(yīng)當(dāng)具有所有現(xiàn)有火電生產(chǎn)設(shè)備和工藝相對應(yīng)的理論值,形成業(yè)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn),使用時可以直接查找計(jì)算,真正達(dá)到評價過程最簡化,評價結(jié)果最客觀。
整體看來,該評價方法從所涉用水的物化特性出發(fā),對于繁瑣復(fù)雜的火電廠生產(chǎn)用水過程進(jìn)行了劃分,以理論值與實(shí)際值的相對關(guān)系為評價結(jié)果,理論上結(jié)果客觀可信,適用范圍廣泛。本文主要提出了理論框架,尚需大量的實(shí)際工作來進(jìn)行改進(jìn)和完善。隨著行業(yè)內(nèi)水平衡測試工作的開展與推廣,可為該方法提供有力的技術(shù)支持和廣闊的應(yīng)用空間。尤其是在當(dāng)前我國實(shí)行最嚴(yán)格的水資源管理制度、落實(shí)用水效率控制紅線的大環(huán)境下,對于火電行業(yè)節(jié)水管理具有一定的參考價值。
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