上海市外高橋火力發(fā)電廠的用水分析與節(jié)水潛力挖掘

唐 健

(上海濟辰水數字科技有限公司,上海 200092)

能源是經濟社會發(fā)展的重要物質基礎,也是碳排放的最主要來源。當前,全球氣候變暖日趨嚴峻,能源資源約束日益加劇,節(jié)能已成為有效保障能源安全、源頭控制碳排放和實現(xiàn)高質量發(fā)展的重要路徑?；鹆Πl(fā)電廠作為城市能源核心輸出點,其用水集中且耗水量大,是名副其實的“用水大戶”。在實現(xiàn)“雙碳”目標的過程中,火力發(fā)電廠面臨“減污減碳、節(jié)能降耗”的雙重壓力,而節(jié)水不僅是節(jié)能減排的關鍵手段,更是實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的必要措施。

為助力實現(xiàn)“雙碳”目標,上海市外高橋火力發(fā)電廠積極應對高耗能、高排放問題,采用指標測算與實測統(tǒng)計分析相結合的方法,深入剖析用水結構及用水結果;著力挖掘節(jié)水技術潛力,確保節(jié)水管理與技術措施切實可行,推動火力發(fā)電行業(yè)走向可持續(xù)發(fā)展。

1 火力發(fā)電廠用水現(xiàn)狀

當前全國的發(fā)電結構以火電為主,融合水電、核電、火電、風電、光伏等多種能源,形成了多元化、可持續(xù)的發(fā)電模式。國家能源局發(fā)布了2022年全國電力工業(yè)統(tǒng)計數據,截至2022年12月底,全國累計發(fā)電裝機容量約25.6億kW,同比增長7.8%。根據2021年國家統(tǒng)計局發(fā)布的《2021年國民經濟和社會發(fā)展統(tǒng)計公報》,2021年,全國發(fā)電量85342.5億kW·h,同比增長9.7%,較2020年提高6個百分點。其中,火力發(fā)電量58058.7億kW·h,同比增長8.9%;水電發(fā)電量13390.0億kW·h,同比降低1.2%;核電發(fā)電量4075.2億kW·h,同比增長11.3%。另據中國電力企業(yè)聯(lián)合會全口徑統(tǒng)計,風電、太陽能發(fā)電量分別為6556.0億kW·h和3270.0億kW·h,同比分別增長40.5%和25.2%。見表1。

表1 2011—2022年全國發(fā)電量結構 單位:億kW·h

隨著發(fā)電量的增加,用水量也大幅度增加?！?021年中國水資源公報》顯示,全國用水總量為5920.2億m3,工業(yè)用水占比達到17.7%,其中火核電直流冷卻水占比高達48.3%,達到507.4億m3。根據數據統(tǒng)計,當前我國火力發(fā)電二氧化碳排放量占全國總排放量超50%,在“雙碳”戰(zhàn)略目標下,火電行業(yè)面臨逐步從能耗“雙控”考核向碳排放總量和強度“雙控”考核轉變,面臨著巨大的節(jié)水壓力和轉型升級的挑戰(zhàn)。

2 “雙碳”目標下火力發(fā)電廠節(jié)水的必要性

火力發(fā)電廠作為城市的用水大戶,其用水量對城市水資源供應具有直接影響。在“雙碳”目標下,火力發(fā)電廠的節(jié)水在節(jié)能減碳、降低環(huán)境影響、提升資源利用效率和增強經濟效益等方面都具有重要意義。

首先,節(jié)水在節(jié)能減碳中發(fā)揮著重要作用?；鹆Πl(fā)電廠在生產過程中需要大量水資源作為冷卻介質,以帶走余熱。通過節(jié)水措施,優(yōu)化資源配置,減少生產過程中的熱量損失,進而降低能源的消耗,達到節(jié)能減碳的目的。同時,通過優(yōu)化用水結構、改進工藝流程和采用高效的節(jié)水設備等優(yōu)化電廠運行,提高能源轉換效率,從而減少碳排放。

其次,節(jié)水對于降低環(huán)境影響具有積極意義。過度用水不僅會導致水資源短缺,還會產生大量廢水,如果處理不當,廢水會對周邊環(huán)境造成影響。采用高效的節(jié)水技術可以確保廢水得到妥善處理,避免對水源和生態(tài)系統(tǒng)的破壞,降低環(huán)境影響。同時,節(jié)水還可以提高廢水處理的效率,降低廢水處理成本和能源消耗,減少火力發(fā)電廠對環(huán)境的負面影響,保護生態(tài)環(huán)境。

同時,節(jié)水有助于更加合理地利用有限的水資源,提高資源利用效率。通過精確控制和優(yōu)化用水量,火力發(fā)電廠能夠避免不必要的浪費,從而提升資源綜合利用效率。通過技術升級和管理創(chuàng)新,以實現(xiàn)資源的最大化利用,提高水資源利用效率,降低能耗和碳排放,實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。

最后,節(jié)水不僅直接降低了火力發(fā)電廠的運營成本,還通過提高水資源利用效率,助力企業(yè)增強市場競爭力,實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。在提升工藝流程、設備更新和高效節(jié)水技術推廣等方面采取的節(jié)水措施,不僅能夠為企業(yè)帶來直接的經濟收益,還可以降低廢水處理費用和環(huán)境風險,進一步增強企業(yè)的經濟效益。

3 “雙碳”目標下火力發(fā)電廠水平衡測試技術及其應用

3.1 水平衡測試技術

水平衡測試是一項法定的基礎性工作,旨在評估單位的用水情況。通過指標測算與實測統(tǒng)計分析相結合的方法,可以對該單位的用水結構及用水結果進行梳理和分析評價。通過這項測試不僅能夠全面掌握單位的用水狀況,優(yōu)化用水結構,而且能夠幫助確定其節(jié)水工作的重點領域,挖掘節(jié)水潛力,實現(xiàn)用水單位節(jié)能減排增效。

當前國家高度重視節(jié)水,為進一步提高用水效能,上海市外高橋發(fā)電廠以水平衡測試為基礎,深入摸排分析全廠用水情況,制定可行的節(jié)水措施和規(guī)劃,為創(chuàng)一流電廠打下堅實的基礎。

3.2 水平衡測試的流程及要點

通過測量、計算和分析火力發(fā)電廠內各種用途的水量,檢測和評估各工藝環(huán)節(jié)用水系統(tǒng)的運行情況。具體工作流程如下:

a.確定測試范圍和目的。在進行水平衡測試前,需要明確測試的范圍和目的,以確定測試參數和設備,并制定測試方案。

b.收集相關資料。收集和整理與水平衡測試相關的資料,如用水工藝流程、供排水管網、用水設施設備、用水類型、水量概況等資料,以便測試時進行比較和分析。

c.測量各用途水量。根據測試方案,選用合適的儀表和設備,對發(fā)電廠內各用途的水量進行實時測量和分析。

d.計算水平衡參數。根據測量數據和經驗公式,計算出水循環(huán)系統(tǒng)的各項參數,同時統(tǒng)計各種用途的用水量,計算出水平衡差值。

e.分析和評估測試結果。根據計算出的測試數據,分析并評估各環(huán)節(jié)用水系統(tǒng)的運行情況,找出問題的根源和解決方案,并向有關部門提交測試報告和建議。

4 “雙碳”目標下上海市外高橋發(fā)電廠水平衡測試

上海外高橋發(fā)電廠以火力發(fā)電為主,總裝機容量為120萬kW·h(4×300MW機組)。

4.1 發(fā)電廠主要用水情況

發(fā)電廠用水主要包括:?新鮮水源及機組循環(huán)用水;?工業(yè)水及除鹽水用水;?發(fā)電機組用水;?其他用水;?生活用水。

現(xiàn)有供、用、排水系統(tǒng)框架見圖1。

圖1 電廠全廠供、用、排水系統(tǒng)

按《火力發(fā)電廠能量平衡導則 第5部分:水平衡試驗》(DL/T 606.5—2009)制定的層次劃分,全廠水系統(tǒng)被劃分為1個大體系和10個中體系。具體劃分情況見表2。

表2 電廠水系統(tǒng)中體系的劃分

按照表2的劃分,夏、冬兩季對各水系統(tǒng)分別進行水量測試、計算;然后開展全廠水平衡測試,對其結果進行評價計算。在水平衡測試過程中,將測出的有關數據進行整理、計算、分析,并繪制企業(yè)水平衡框圖。通過水平衡的摸排、統(tǒng)計、計算、測試、分析,全面了解廠區(qū)用水的構成和從新水量輸入到輸出各個環(huán)節(jié)消耗的情況。

4.2 水平衡測試結果及分析

4.2.1 生產用水和日用新水量

企業(yè)生產用水取自長江原水,其中機組凝汽器和閉冷水系統(tǒng)冷卻器使用的間接冷卻水——機組循環(huán)水占據了取水量的絕大部分。經測試分析,夏季4臺機組共用6臺循環(huán)泵運行,取用水量為355萬m3/a;冬季每臺機組1臺循環(huán)泵運行,4臺機組取用水量為235萬m3/a。上述取水量約占企業(yè)總用水量的99%以上。根據國家有關規(guī)定,機組循環(huán)水不產生污染,僅提高水溫約5～8℃,經長期的科學評估與測算,判斷其對環(huán)境水體不產生影響,故不計入新水量。

通過實際測量,并結合電廠統(tǒng)計數據,經平衡測試,其結果見表3,企業(yè)夏季發(fā)電日新水量8455.6m3/d,冬季發(fā)電日新水量8443.8m3/d,平均發(fā)電日新水量8449.7m3/d。

表3 新水量及主要用水分析 單位:m3/d

4.2.2 生活用水日用新水量

企業(yè)從城市自來水管網取水用于生活用水。經測試,夏季日用水量690.5m3/d,其中,采暖制冷用水量241.3m3/d,實際生活用水量449.2m3/d,約18.7m3/h;冬季日用水量523.3m3/d,其中,采暖制冷用水量90.6m3/d,實際生活用水量432.7m3/d,約18.0m3/h。

4.2.3 各項用水量數據

a.生產總用水量。包括復用水量與新水量。測試結果顯示,總用水量夏季為259641.8m3/d,其中復用水量為250600.1m3/d,包括了工業(yè)循環(huán)水量243482.4m3/d和串用水量7117.7m3/d;總用水量冬季為263937.2m3/d,其中復用水量為254644.3m3/d,包括工業(yè)循環(huán)水量246994.3m3/d和串用水量7650.0m3/d。

b.總排放水量。夏季為4145.2m3/d,外供蒸汽586.1m3/d,消耗及漏失水量為4310.4m3/d;冬季排放水量為4549.1m3/d,外供蒸汽849.1m3/d,消耗及漏失水量為3894.7m3/d。

4.2.4 除鹽水及鍋爐冷凝水回收

機組在夏、冬兩季的蒸發(fā)量分別為53874.0m3/d和55350.0m3/d。根據試驗,夏、冬季補充至鍋爐的除鹽水量分別是1301.1m3/d和1195.7m3/d。冷凝水的回收率夏、冬季分別是97.64%和97.89%,平均值為97.77%,上述數據為扣除對外供熱后的實際補水量。

5 上海市外高橋發(fā)電廠節(jié)水潛力

5.1 用水綜合指標評價

水平測試結果及評價標準見表4,依據測試結果對發(fā)電廠用水情況進行如下評價。

表4 水平衡測試結果及評價標準

*該數值取自《上海市節(jié)水型企業(yè)(單位)評價指標及考核辦法》。

**該數值取自《上海產業(yè)能效指南(2021版)》。

***該數值取自《取水定額第1部分:火力發(fā)電》(GB/T 18916.1—2021)。

****該數值取自《節(jié)水型企業(yè) 火力發(fā)電行業(yè)》(GB/T 26925—2011)。

5.1.1 生產用水分析

水平衡測試結果顯示,企業(yè)日消耗發(fā)電新水量平均為8449.7m3/d,平均發(fā)電水耗為0.52m3/(MW·h),平均裝機耗水量0.08m3/(s·GW),平均發(fā)電除鹽水耗為99.1kg/(MW·h)。

依據《上海產業(yè)能效指南(2021版)》中陳述:電力、熱力、燃氣及水生產和供應業(yè)用水定額,企業(yè)發(fā)電水耗0.52m3/MW·h,低于通用標準限值0.54m3/MW·h(低于先進值0.38m3/MW·h);同時,公司發(fā)電水耗高于《取水定額 第1部分:火力發(fā)電》(GB/T 18916.1—2021)中0.49m3/MW·h的標準限值、《節(jié)水型企業(yè) 火力發(fā)電行業(yè)》(GB/T 26925—2011)中0.34m3/MW·h的標準限值,距離火力發(fā)電行業(yè)節(jié)水型企業(yè)標準還存在一定差距。

按照上海市節(jié)水型企業(yè)評價標準,在定量指標方面,工業(yè)用水重復利用率、間接冷卻水循環(huán)率和鍋爐冷凝水回用率均符合要求。

5.1.2 生活用水量分析

公司生活用水取自市政自來水。根據水平衡試驗,公司實際生活用水量夏、冬季分別是449.2m3/d和432.7m3/d。根據統(tǒng)計的人員,公司生活用水人均消耗量:夏季約139.5L/(人·d),冬季約134.3L/(人·d),均低于上海市標準限額,見表5。

表5 上海市生活用水標準限額

5.1.3 新水量主要用途

公司日新水量夏季為9041.7m3/d,冬季為9292.9m3/d,主要用途為補充公司工業(yè)水、除鹽水和生活用水。

5.1.4 機組補水率

根據全廠補水供給的測試和統(tǒng)計,鍋爐每天平均補水量夏季為1301.1m3/d,冬季為1195.7m3/d。經計算,機組平均補水率夏、冬季分別是2.36%和2.11%。

5.1.5 工業(yè)用水重復利用率

根據全廠水平衡的計算結果,工業(yè)用水重復利用率為96.50%,達到了上海市節(jié)水型企業(yè)的標準。

5.2 發(fā)電廠節(jié)水潛力分析

根據水平衡測試結果,火力發(fā)電廠用水狀況良好,但發(fā)電水耗高于標準限值,需進一步優(yōu)化生產工藝、提高設備效率、提升用水效率,并加強管理,以達到或超過節(jié)水型企業(yè)標準的要求。

5.2.1 優(yōu)化生產工藝

對生產過程中的各個環(huán)節(jié)進行全面評估后發(fā)現(xiàn),火力發(fā)電廠通常需要大量的冷卻水來冷卻鍋爐,因此循環(huán)水的處理非常重要。通過改進蒸發(fā)、結晶等關鍵環(huán)節(jié),可減少用水量和廢水的產生。如:通過改進燃料供應系統(tǒng),降低燃料損失和浪費,從而降低水耗。同時,通過提高循環(huán)水的濃縮倍率來減少補充新鮮水的需求,進一步降低用水量。

5.2.2 提高設備效率

通過改進循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的設計和運行方式,提高冷卻水的再利用率。如:采用高效節(jié)水的冷卻塔、增加冷卻水的濃縮倍率等方法,以減少補充新鮮水的需求。定期維護和檢修設備,確保設備的運行效率和穩(wěn)定性。采用高效節(jié)能設備,如高效換熱器、余熱回收裝置等,降低能源消耗和用水量。

5.2.3 提升用水效率

通過采用先進的廢水處理技術,將化學廢水和脫硫廢水回用至渣水系統(tǒng)做補充水、安裝煤場水電絮凝裝置、將再生廢水進行高低鹽分級回用等,可提高廢水的處理效率和回收利用率。同時,建設智慧能源節(jié)水管理系統(tǒng),可提高用水效率,降低用水成本。

5.2.4 加強管理措施

建立科學的水資源管理體系,制定詳細的用水計劃和用水標準。加強對用水情況的監(jiān)測和分析,及時發(fā)現(xiàn)問題并采取相應措施。開展節(jié)水宣傳教育活動,以提高員工的節(jié)水意識和技能。與政府、行業(yè)協(xié)會等相關方合作,來共同推動節(jié)水工作的發(fā)展。

6 “雙碳”目標下上海市外高橋發(fā)電廠節(jié)水管理措施與建設

節(jié)水就是減碳,隨著“雙碳”戰(zhàn)略的實施,以及我國社會進入了高質量發(fā)展的新階段,應該從用水的全生命周期的系統(tǒng)視角出發(fā),將碳排放量作為指標來參與節(jié)水措施或節(jié)水行為構建,促進節(jié)水與減碳的協(xié)同,更好地支撐節(jié)水工作。

根據發(fā)電廠用水分析與潛力挖掘,用水系統(tǒng)的碳排放主要涉及市政管網供水系統(tǒng)、長江水取水系統(tǒng)、中水回用系統(tǒng)及排水系統(tǒng)。堅持源頭減碳,可以減輕發(fā)電廠工業(yè)用水處理過程的治污減排壓力。

6.1 緊抓源頭取水,提升取水監(jiān)管效率

外高橋發(fā)電廠取用的長江原水絕大部分用于機組凝汽器(冷凝蒸汽)及閉式冷卻系統(tǒng)冷卻器,做間接冷卻水使用。定期監(jiān)測、評估和調整水源的選擇和使用情況,通過科學規(guī)劃和管理,確保合理利用水資源,避免浪費和過度開采。同時對現(xiàn)有取水設施進行維護和升級,定期檢查和維護水管、閥門等設備,修復漏水問題,提高供水系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。只有保證供水系統(tǒng)的正常運行,才能確保機組凝汽器和冷卻系統(tǒng)得到持續(xù)穩(wěn)定的冷卻效果,減少能源消耗和碳排放。

6.2 健全計量設施,完善市政管網供水系統(tǒng)建設

外高橋發(fā)電廠以水平衡測試為基礎,建立完善水量計量系統(tǒng),掌握和記錄各重要用水點的實時用水量。針對廠區(qū)脫硫工藝水箱的入口總管、機組排水槽回用水總管等進行計量,并且建立計量表管理制度。根據設計情況,結合實際使用狀況,下達用水指標,定期進行考核,以確保用水指標的有效實施。同時,優(yōu)化廠區(qū)供水管網的布局和管徑,加強巡檢管道設施,減少管道損失和泄漏,提高供水系統(tǒng)的運行效率。同時,加強管網的維護和管理,定期檢查、清洗和維修管道,確保水質安全和供水穩(wěn)定。

6.3 優(yōu)化用水系統(tǒng),提升用水效率

在廠區(qū)內推廣中水回用技術,將工業(yè)廢水經過處理后用于非飲用用途,如廠區(qū)綠化、道路清洗等。通過減少對淡水資源的依賴,實現(xiàn)節(jié)約用水和降低碳排放的目標。同時,加強中水處理設施的建設和管理,確保水質符合要求,避免因水質問題導致的水資源浪費和環(huán)境污染。同時對工業(yè)廢水進行有效處理,采用先進的污水處理技術,去除其中的有害物質和污染物,使其達到排放標準。通過減少對環(huán)境的污染,保護生態(tài)環(huán)境,實現(xiàn)水資源可持續(xù)利用。

6.4 數字賦能,完善“合同節(jié)水+智慧節(jié)水”管理建設

“合同節(jié)水+智慧節(jié)水”管理是電廠提高用水效率、降低用水成本、保護水資源的重要手段,也是實現(xiàn)智慧能源管理的重要組成部分。智慧節(jié)水管理系統(tǒng)通過智能遠傳計量設備實時監(jiān)測水資源的使用情況和水質狀況,通過云計算和大數據技術對監(jiān)測數據進行分析和處理,為決策提供依據和輔助。同時,系統(tǒng)還能根據監(jiān)測數據進行智能調控,如設定用水配額、預測水源斷供等,從而實現(xiàn)對水資源的精細化管理和智能化調配。

7 總結與展望

隨著環(huán)保意識的不斷提升,電力企業(yè)所面臨的碳排放問題愈加突顯。促進綠色發(fā)展,是電力企業(yè)轉型升級的必由之路。在此背景下,以水平衡測試為基礎,“雙碳”為目標,在重要用水核心源頭加強節(jié)水減碳管理,是電力企業(yè)的重要任務之一。在深入持久地開展節(jié)能減碳工作的同時,電力企業(yè)將不斷加大對節(jié)能環(huán)保技術的研發(fā)和應用,積極探索和運用新型、高效的節(jié)水技術,推動行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展,走出一條資源消耗持續(xù)降低、生態(tài)環(huán)境逐步改善的新路。

作為減碳協(xié)同環(huán)境效益的一種創(chuàng)新思路,未來在推動節(jié)水工作的過程中,與“雙碳”目標的推進相結合,通過發(fā)電廠節(jié)水過程碳排放行為的計算和效益評估,運用“水生命周期”碳足跡核算的方法,核算節(jié)水工作減碳能效,將更有利于闡述水資源節(jié)約的環(huán)境效益和現(xiàn)實意義,強化用水單位節(jié)水動力,拓寬節(jié)水科技創(chuàng)新和市場機制改革的思路。