陜北煤電基地主要用水系統(tǒng)與節(jié)水技術(shù)研究

王小軍，張 旭，馮 杰，尚熳廷，劉永剛，鄭 皓

（1.南京水利科學(xué)研究院水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點實驗室，210029，南京；2.水利部應(yīng)對氣候變化研究中心，210029，南京；3.中國水利水電科學(xué)研究院，100038，北京；4.合肥工業(yè)大學(xué)，230009，合肥；5.陜西省水利廳，710004，西安）

陜北煤電基地主要用水系統(tǒng)與節(jié)水技術(shù)研究

王小軍1，2，張 旭1，2，馮 杰3，尚熳廷4，劉永剛5，鄭 皓1，2

（1.南京水利科學(xué)研究院水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點實驗室，210029，南京；2.水利部應(yīng)對氣候變化研究中心，210029，南京；3.中國水利水電科學(xué)研究院，100038，北京；4.合肥工業(yè)大學(xué)，230009，合肥；5.陜西省水利廳，710004，西安）

在分析陜北煤電基地開發(fā)現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，梳理煤電開發(fā)涉及的生產(chǎn)用水和生活用水過程，提出適應(yīng)陜北煤電基地開發(fā)在冷卻系統(tǒng)、脫硫系統(tǒng)、輸灰除渣系統(tǒng)等方面可采用的25項主要節(jié)水技術(shù)，為提高水資源利用效率、加快構(gòu)建水安全保障體系提供參考。

水資源管理；陜北煤電基地；節(jié)水；需水管理

陜北煤電基地位于黃河中游陜甘寧晉蒙五?。ㄗ灾螀^(qū)）接壤地帶，是我國現(xiàn)代化大型煤電外送基地建設(shè)的核心區(qū)域。近年，陜北煤電基地建設(shè)開發(fā)步伐不斷加快，基地內(nèi)黃河重要一級支流窟野河出現(xiàn)斷流，我國最大沙漠淡水湖紅堿淖面臨干涸等一系列生態(tài)環(huán)境問題，引起社會各界對煤電開發(fā)中水資源管理與保護(hù)問題的關(guān)注，迫切要求加快制定科學(xué)的水資源規(guī)劃，盡早形成高效節(jié)約的用水模式。為此，在摸清陜北煤電基地開發(fā)現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，分析煤電基地開發(fā)涉及的生產(chǎn)用水和生活用水過程，梳理可采用的主要節(jié)水技術(shù)，為提高水資源利用效率、加快構(gòu)建水安全保障體系提供參考。

一、陜北煤電基地概況

陜北煤電基地包括神府、榆神、榆橫3個煤電基地，涉及府谷、神府、榆神、榆橫4個礦區(qū)，總面積27 338 km2。根據(jù)陜北煤電基地發(fā)展規(guī)劃，到2020年基地將新增火電裝機容量35 300 MW，成為我國現(xiàn)代化大型煤電外送基地建設(shè)的重要組成部分。但基地所處陜北風(fēng)沙灘區(qū)，多年平均降水不足400 mm，部分閉流區(qū)徑流深僅 25 mm，基地內(nèi)水資源極為短缺。同時受區(qū)內(nèi)河流含沙量大、生態(tài)環(huán)境惡劣等因素影響，生態(tài)環(huán)境極為脆弱。加之現(xiàn)有工程調(diào)蓄、調(diào)控能力低，水資源開發(fā)利用難度大。

二、基地主要用水系統(tǒng)及組成

1.生產(chǎn)用水

①冷卻系統(tǒng)用水。電廠冷卻系統(tǒng)有汽輪機冷卻系統(tǒng)和輔機冷卻系統(tǒng)等，各系統(tǒng)間的設(shè)備投資、冷卻工藝等存在差異。通常因冷卻方式不同分直流冷卻和循環(huán)冷卻。其中，直流冷卻系統(tǒng)冷卻水沒有循環(huán)使用，導(dǎo)致用水量大，不適于西北缺水地區(qū)。循環(huán)冷卻系統(tǒng)分敞開式循環(huán)冷卻系統(tǒng)和閉式循環(huán)冷卻系統(tǒng)?？绽湎到y(tǒng)分為混合式凝汽器間接空冷系統(tǒng)、表面式凝汽器間接空冷系統(tǒng)和直接空冷系統(tǒng)。目前基地內(nèi)有循環(huán)冷卻水系統(tǒng)和空氣冷卻系統(tǒng)兩類，冷卻水用量較大。

②煙氣凈化系統(tǒng)用水。煙氣凈化包括脫硫、脫氮和除塵。煙氣脫硫主要有濕法、干法和半干法工藝，其中濕法與半濕法脫硫是煙氣凈化系統(tǒng)主要耗水環(huán)節(jié)。通常在脫硫系統(tǒng)運行中，由于水分蒸發(fā)和石膏產(chǎn)品帶走結(jié)晶水和游離水造成耗水。此外，煙氣粉塵和HF、Hg等雜質(zhì)被吸收到脫硫母液中，增加脫硫系統(tǒng)水量消耗。脫硫工藝用水由煙氣帶走的飽和水蒸氣、脫硫石膏帶走的結(jié)晶水和游離水、排放的脫硫廢水等組成。

③輸灰除渣系統(tǒng)用水。煤粉在鍋爐內(nèi)燃燒產(chǎn)生的固體廢渣由灰、渣排出。一般采用電除塵去除煙氣，通過水力輸灰或氣力輸灰脫除粉塵。水力輸灰以水為載體，將粉煤灰脫除后輸送到灰場。氣力輸灰以空氣為載體，借助壓力設(shè)備輸送粉煤灰，包括除灰空壓機冷卻用水、干灰加濕用水和干灰場噴灑用水。對于水力輸灰、水力除渣，主要有水力沖灰用水、水力除渣用水、渣場沖洗用水、灰場降塵用水等；對于氣力輸灰、水力除渣，主要有沖渣用水、外運干灰增濕用水和灰渣場沖洗用水等。輸灰除渣系統(tǒng)用水由灰渣水運行溫度、現(xiàn)場氣候條件、設(shè)備運行狀況等確定。

④運煤系統(tǒng)用水。電廠運煤系統(tǒng)本身不用水。電廠在正常運行中，為防止輸煤系統(tǒng)產(chǎn)生揚塵及保持良好的工作環(huán)境，除采用防塵設(shè)施外，要定時對輸煤棧橋、轉(zhuǎn)運站、煤倉間、磨煤機室等進(jìn)行水沖洗或?qū)Χ衙簣鲞M(jìn)行噴灑，增濕降塵等。運煤系統(tǒng)用水屬間隙性用水，瞬間用水量大，產(chǎn)生的含煤廢水懸浮物含量高，經(jīng)絮凝、沉降后可重復(fù)利用。

⑤鍋爐補給水系統(tǒng)用水。為保證鍋爐安全運行，需定期或連續(xù)排出部分爐水，補充除鹽水。鍋爐補給水處理是將普通工業(yè)水處理為鍋爐需要的除鹽水。在此過程中，水量消耗包括補給鍋爐用水和交換樹脂再生產(chǎn)的廢水。

2.生活系統(tǒng)用水

電廠生活用水包括職工生活用水（飲用、洗滌、淋浴等）、沖洗及綠化用水（沖洗地面、沖洗設(shè)備、澆灑綠地等）、公共建筑用水、部分生產(chǎn)用水（化驗室用水等）和未預(yù)見用水。生活、消防給水設(shè)計應(yīng)在符合國家及有關(guān)部門現(xiàn)行有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范規(guī)程的基礎(chǔ)上合理確定。

三、基地開發(fā)管理中的主要節(jié)水技術(shù)

1.冷卻系統(tǒng)節(jié)水技術(shù)

陜北煤電基地屬富煤缺水地區(qū)，應(yīng)推廣直接空氣冷卻技術(shù)或間接空氣冷卻技術(shù)來排除廢熱，對已建成的循環(huán)水冷機組，可加快技術(shù)改造；或通過循環(huán)冷卻水系統(tǒng)加酸提高濃縮倍率等技術(shù)促進(jìn)節(jié)水。具體包括：

①直接空氣冷卻技術(shù)。將汽輪機排出的乏汽，由管道引入空冷凝汽器的鋼制散熱器中，通過與空氣直接換熱后冷卻為凝結(jié)水，直接減少常規(guī)二次換熱的中間冷卻介質(zhì)，同時無表面蒸發(fā)，節(jié)水效果顯著?？绽錂C組的正常耗水量為0.1 m3/（s·GW），最低為0.06 m3/（s·GW），僅為普通濕冷機組的1/10～1/6。

②間接空氣冷卻技術(shù)。循環(huán)水進(jìn)入表面式凝汽器的水側(cè)通過表面換熱，冷卻凝汽器汽側(cè)的汽輪機排汽，使凝結(jié)水經(jīng)泵送至汽輪機回?zé)嵯到y(tǒng)。受熱后的循環(huán)水進(jìn)入空冷塔，通過空冷散熱器與空氣進(jìn)行表面換熱，循環(huán)水被空氣冷卻后通過循環(huán)水泵升壓再返回凝汽器，構(gòu)成密閉循環(huán)，水質(zhì)控制和處理容易，且塔內(nèi)空間大，優(yōu)勢十分突出。

③循環(huán)冷卻水系統(tǒng)提高濃縮倍率技術(shù)。采用循環(huán)水系統(tǒng)加酸、MET微電解循環(huán)等技術(shù)提高濃縮倍數(shù)。循環(huán)水系統(tǒng)加酸提高循環(huán)水濃縮倍率技術(shù)是向水體加酸防止循環(huán)水濃縮時析出碳酸鈣；MET微電解循環(huán)水處理技術(shù)設(shè)計出對水系統(tǒng)進(jìn)行阻垢、防腐、殺菌的微電解反應(yīng)器，消除了傳統(tǒng)藥劑對水體的污染。

④循環(huán)水泵運行方式調(diào)節(jié)技術(shù)。通過機組試驗和測算比較補水量、真空度、循環(huán)泵單耗等參數(shù)后，綜合確定循環(huán)水泵運行方式，做到合理取水。

⑤輔機冷卻水變頻溫差控制技術(shù)。通過溫差控制，實現(xiàn)精確控制輔機循環(huán)冷卻水流量，在滿足生產(chǎn)要求下有效減少自然蒸發(fā)。

⑥循環(huán)水余熱利用技術(shù)。通過對低壓缸進(jìn)汽量,供熱抽汽量,機組循環(huán)水和熱網(wǎng)循環(huán)水溫度、流量、不同工況等進(jìn)行比選，確定熱泵容量選型與二次加熱、尖峰調(diào)節(jié)的匹配方式。

⑦輔機循環(huán)冷卻水熱量利用技術(shù)。把輔機循環(huán)冷卻水回水 （20℃～28℃）引入板式換熱器加熱化學(xué)生水，滿足化學(xué)生水加熱的要求（約22℃），既充分利用熱能又有效避免水耗。

⑧內(nèi)源循環(huán)低溫蒸發(fā)技術(shù)。利用蒸汽壓縮系統(tǒng)前端微真空條件實現(xiàn)低溫蒸發(fā)，同時利用壓縮系統(tǒng)前后端壓力和溫差，實現(xiàn)蒸汽能量循環(huán)利用。

⑨循環(huán)冷卻排污水再生技術(shù)。將剩余循環(huán)冷卻水系統(tǒng)排污水作系列處理，用于鍋爐補給或其他用水。

2.脫硫系統(tǒng)節(jié)水技術(shù)

基地內(nèi)煙氣脫硫目前仍以石灰石/石灰—石膏法為主，水耗相對較高。應(yīng)按照《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 13223），加快對脫硫工藝、脫硫廢水處理進(jìn)行改造。具體要點為：

①干法脫硫工藝。使用固相粉狀或粒狀吸收劑、吸附劑或催化劑，在干燥狀態(tài)下與SO2反應(yīng)，并在干態(tài)下處理或再生脫硫劑。脫硫產(chǎn)物為干態(tài)，工藝流程簡單、節(jié)水潛力巨大，但脫硫效率及脫硫劑利用率低、對干燥過程控制要求高，實際中應(yīng)用較少。

②煙氣循環(huán)流化床法加煙氣水回收技術(shù)。通過石灰石加水消化為氫氧化鈣，與壓縮空氣混合后噴入吸收塔內(nèi)，延長吸收劑與煙氣接觸時間，實現(xiàn)高效脫硫。煙氣循環(huán)流化床工藝綜合水耗僅為濕法脫硫的50%～60%。

③低溫?zé)煔饷摿蚣夹g(shù)。將入塔前煙溫與凝結(jié)水經(jīng)處理出口水進(jìn)行熱交換，以降低入塔煙溫，間接減少系統(tǒng)補水量。

④脫硫廢水處理回用技術(shù)。脫硫廢水主要來自石膏脫水和清洗系統(tǒng)，為粉塵和脫硫產(chǎn)物。經(jīng)中和、重金屬沉淀、絮凝反應(yīng)、澄清等工藝后，實現(xiàn)達(dá)標(biāo)排放或送至灰場沖灰。

3.輸灰除渣系統(tǒng)節(jié)水技術(shù)

基地應(yīng)首選干式除灰渣工藝，并對濃縮池、沉灰渣池、渣脫水倉系統(tǒng)的澄清水和鍋爐排渣裝置的溢流水在滿足除灰用水要求下進(jìn)行循環(huán)使用。

①氣力輸灰技術(shù)。將空氣與灰混合，借助空氣流動將其輸送至卸灰處，再經(jīng)收塵裝置將氣灰分離，灰經(jīng)排灰裝置被送入灰?guī)欤M(jìn)而節(jié)約沖灰水。

②干除渣技術(shù)。依靠爐膛壓差吸入作用，少量空氣通過除渣機殼體吸入口進(jìn)入排渣機內(nèi)部冷卻爐渣，同時提供高溫爐渣未燃盡碳繼續(xù)燃燒所需氧氣，系統(tǒng)簡單，技術(shù)改造投資低。

③底渣水系統(tǒng)閉式循環(huán)改造技術(shù)。把省煤器水冷式圓頂閥改為陶瓷閥（無需冷卻水），將渣水循環(huán)泵出口管道接至撈渣機水封槽，代替開式補水。

④沖灰水回用處理技術(shù)。涉及沖灰水中懸浮物、氟處理等技術(shù)。沖灰水中懸浮物去除技術(shù)采用灰格串聯(lián)運行，有效增加沖灰水在灰場停留時間，降低外排沖灰水懸浮物；沖灰水中氟處理技術(shù)采用粉煤灰處理含氟廢水，環(huán)境效益顯著。

4.運煤系統(tǒng)節(jié)水技術(shù)

運煤系統(tǒng)用水主要來自輔機冷卻水排污、脫硫系統(tǒng)廢水回用及自身循環(huán)利用，基本不取新水。應(yīng)加強系統(tǒng)排污水的處理回用，如含煤廢水處理回用等技術(shù)；同時可通過收集雨水，經(jīng)處理后用于輸煤棧橋、轉(zhuǎn)運站等地面沖洗水。

5.鍋爐補給水系統(tǒng)節(jié)水技術(shù)

鍋爐補給水系統(tǒng)耗水用于補充系統(tǒng)蒸汽消耗和排污損失。可通過冷凝水、蒸發(fā)水汽的回收利用技術(shù)減少鍋爐補給用水；系統(tǒng)排水可經(jīng)處理后回用，其中鍋爐補給水處理系統(tǒng)的反沖洗排水懸浮物含量較高，含鹽量低，處理后可作為循環(huán)水系統(tǒng)補給水或其他工業(yè)用水，同時可通過高溫凝結(jié)水除鐵回收利用技術(shù)實現(xiàn)高溫凝結(jié)水回收利用。

6.生活用水系統(tǒng)節(jié)水技術(shù)

加強生活用水管理，做到計量用水，對公共浴室、食堂、衛(wèi)生間等場所采用節(jié)水型器具；生活污水經(jīng)處理合格后回收用于綠化、除灰等；經(jīng)深度處理后可作為循環(huán)冷卻水的補充水。

7.基地取水環(huán)節(jié)節(jié)水技術(shù)

①空冷機組工業(yè)取水處理技術(shù)。電廠供水應(yīng)優(yōu)先利用礦井水、再生水，不足部分取用地表水，嚴(yán)禁取用地下水作為生產(chǎn)用水。目前，基地部分電廠水源仍為從黃河取水，應(yīng)進(jìn)一步加強廢污水處理與回用。

②城市再生水利用技術(shù)。城市再生水處理回用系統(tǒng)主要有生化處理單元和超濾膜過濾單元。生化處理單元通過培養(yǎng)生物膜，進(jìn)而氧化、硝解水體污染因子；超濾膜過濾單元則通過負(fù)壓抽吸截留顆粒物；濾池為超濾單元進(jìn)水提供保障。

③礦坑排水利用技術(shù)。按“清污分流、分質(zhì)處理，分級應(yīng)用”原則，對礦坑排水分類處理。對基本未受污染的礦坑水，可在井下涌水水源附近攔截匯聚，通過專用管道引至井底，再經(jīng)水泵排至地表直接利用；含懸浮物的礦坑水經(jīng)混凝、沉淀、過濾及消毒殺菌后可作生活飲用水及生產(chǎn)用水；高礦化度的礦坑水經(jīng)混凝、沉淀，再以電滲法脫鹽深度處理后可作循環(huán)冷卻水等；酸性礦坑水經(jīng)酸堿中和法處理后可作工業(yè)用水或灌溉用水；含特殊污染物的礦坑水處理后達(dá)標(biāo)排放。目前，基地內(nèi)已有大柳塔、銀河上河、錦界、榆橫電廠一期等電廠利用礦坑水，在基地開發(fā)中具有重要的潛力。

8.基地管理與節(jié)水政策

①“上大壓小”產(chǎn)業(yè)政策。根據(jù)《產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整指導(dǎo)目錄》，非熱電聯(lián)產(chǎn)的新建電廠應(yīng)使用單機容量60萬kW及以上超臨界機組。以空氣冷卻機組為例，單機容量小于300MW的機組單位裝機容量取水量為0.23 m3/（s·GW），單機容量300 MW級的機組單位裝機容量取水量為0.15 m3/（s·GW）。經(jīng)測算，榆林市現(xiàn)有單機容量300 MW及以下火力發(fā)電機組全部更改為單機容量600 MW級及以上機組，可降低單位裝機容量取水量約40%，節(jié)水潛力巨大。

②水務(wù)在線管理技術(shù)。在關(guān)鍵用水系統(tǒng)安裝流量計、壓力變送器、溢流開關(guān)等設(shè)備，實現(xiàn)水量在線監(jiān)測；對溢流和廢水外排在線監(jiān)控。正常運行中自動計算各種損耗，發(fā)生異常時發(fā)出報警提醒，提高管理水平。 ■

[1]中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所，陸地水循環(huán)與地表過程重點實驗室.噬水之煤：煤電基地開發(fā)與水資源研究[M].北京：中國環(huán)境科學(xué)出版社，2012.

[2]Wang Xiaojun,Zhang Jianyun,Liu Jiufu,etc.Water resources planning and managementbased on System Dynamics:A case study of Yulin city [J]. Environment, Development and Sustainability,2011,13（2）.

[3]王小軍，張建云，劉九夫，等.以榆林市工業(yè)用水為例談西北干旱地區(qū)需水管理戰(zhàn)略[J].中國水利，2009（17）.

[4]李井峰，熊日華.煤炭開發(fā)利用水資源需求及應(yīng)對策略研究[J].煤炭工程，2016（7）.

[5]周嵐.淺談火力發(fā)電廠密閉式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的應(yīng)用和設(shè)計[J].山東工業(yè)技術(shù)，2015（2）.

責(zé)任編輯 軒 瑋

Studies on water-consuming system and water-saving technologies for coal and electricity bases in northern Shaanxi

Wang Xiaojun,Zhang Xu,Feng Jie,Shang Manting,Liu Yonggang,Zheng Hao

Industrial and domestic water usage for coal development are evaluated based on analysis on current situation of coal and electricity bases in North Shaanxi.There are 25 key water-saving technologies that can be applied to coal development in North Shaanxi,including cooling and desulfurization as well as ash-slag disposal systems,which can improve water use efficiency and contribute to water security mechanism.

water resources management;coal and electricity bases in northern Shaanxi;water-saving;water demand management

TV213.9

A

1000-1123（2017）09-0012-03

2016-08-10

2017-04-12

王小軍，副主任，教授級高級工程師，主要從事水資源規(guī)劃與管理研究。

國家自然科學(xué)基金（項目編號：51309155）；中國工程院重大咨詢項目專題（專題編號：2016-ZD-08-05-02）；中央分成水資源費（項目編號：1261530210034；1261530210042）；中央財政水資源節(jié)約、管理與保護(hù)項目（項目編號：126302001000150001）；水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點實驗室基本科研業(yè)務(wù)費專項資金項目（項目編號：Y515023）資助。