未來(lái)20年我國(guó)火力發(fā)電用水情況預(yù)測(cè)分析

車(chē)德競(jìng) ，孟潔 ，陳永輝 ，李鵬飛，魏高升

(1.中國(guó)電力科學(xué)研究院，北京市 100192;2.電站設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(華北電力大學(xué))，北京市 102206;3.中電投東北電力有限公司，沈陽(yáng)市 110181)

0 引言

近年來(lái)，隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國(guó)水資源供需矛盾越來(lái)越突出。我國(guó)是以火力發(fā)電為主的國(guó)家，截止2010年底，我國(guó)發(fā)電設(shè)備裝機(jī)容量為96 641.3萬(wàn)kW，同比增長(zhǎng)10.56%，其中火電為70 967.21萬(wàn)kW，約占總?cè)萘康?3.4%［1］，即便在國(guó)家鼓勵(lì)新能源發(fā)電和核能發(fā)電的背景下，火力發(fā)電仍將長(zhǎng)期處于主導(dǎo)地位?；鹆Πl(fā)電企業(yè)是用水和排水大戶，就全國(guó)電力工業(yè)而言，火電取水量占全國(guó)工業(yè)取水量的40%［1］，我國(guó)火電廠平均裝機(jī)耗水率比國(guó)際先進(jìn)水平高40%～50%［2］。隨著我國(guó)水資源的日益緊張和對(duì)環(huán)境保護(hù)要求的提高，火力發(fā)電所面臨的水資源問(wèn)題和環(huán)境問(wèn)題日益突出［2-5］，積極推廣和應(yīng)用火力發(fā)電節(jié)能、節(jié)水技術(shù)是解決上述問(wèn)題，促進(jìn)國(guó)民經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的有力保證。本文在對(duì)國(guó)內(nèi)火電機(jī)組用水情況和節(jié)水技術(shù)進(jìn)行充分調(diào)研的基礎(chǔ)上，對(duì)未來(lái)我國(guó)火電機(jī)組的用水情況進(jìn)行預(yù)測(cè)，供制定我國(guó)電力工業(yè)的發(fā)展規(guī)劃、策略參考。

1 我國(guó)電力需求預(yù)測(cè)

電力與經(jīng)濟(jì)關(guān)系密切，一方面，經(jīng)濟(jì)發(fā)展是電力發(fā)展的內(nèi)在動(dòng)力，經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶動(dòng)電力發(fā)展;另一方面，電力是保證經(jīng)濟(jì)發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，電力發(fā)展促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，二者增長(zhǎng)勢(shì)頭具有很強(qiáng)的相關(guān)性。因此，要對(duì)未來(lái)火電廠用水需求作出預(yù)測(cè)，就必須和經(jīng)濟(jì)、電力負(fù)荷增長(zhǎng)掛鉤，依靠發(fā)電量來(lái)估算。圖1 為我國(guó)2006—2010年GDP 總量、用電量、發(fā)電量、火力發(fā)電量及各自增長(zhǎng)率的關(guān)系［6-15］。

圖1 2006—2010年GDP 總量和用電量、發(fā)電量的關(guān)系Fig.1 Relationship between GDP and electricity consumption，power generation from 2006 to 2010

由圖1 可知，2006—2010年，各年的GDP 總量分別為21 200，25 700，30 700，34 100，40 100億 元;2006—2010年，各年的用電量分別為28 358，32 565，34 379，36 598，41 998億kW·h;2006—2010年，各年的發(fā)電量分別為28 499，32 644，34 510，36 811，42 277億kW·h;2006—2010年，各年的火力發(fā)電量分別為23 742，27 207，28 029，30 116，34 166億kW·h。

圖1 表明我國(guó)GDP 總量和用電量相互關(guān)聯(lián)，兩者增長(zhǎng)趨勢(shì)基本相同，2008年經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)率稍有下降;而火力發(fā)電占整個(gè)發(fā)電量的80%，其增長(zhǎng)速度仍很強(qiáng)勁。

為了使電力需求預(yù)測(cè)更準(zhǔn)確，本文依據(jù)其與經(jīng)濟(jì)之間的量化關(guān)系，通過(guò)預(yù)測(cè)經(jīng)濟(jì)的增長(zhǎng)趨勢(shì)而得出電力需求預(yù)測(cè)值，電力與經(jīng)濟(jì)之間的量化關(guān)系體現(xiàn)在電力消費(fèi)彈性系數(shù)概念上。所謂電力消費(fèi)彈性系數(shù)，是指某一時(shí)期內(nèi)電力消費(fèi)量年平均增長(zhǎng)率與同一時(shí)期國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值(或國(guó)民生產(chǎn)總值)年均增長(zhǎng)率的比值，它是反映電力增長(zhǎng)速度與國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度關(guān)系的一項(xiàng)綜合指標(biāo)。電力消費(fèi)彈性系數(shù)=電力消費(fèi)量年平均增長(zhǎng)速度/國(guó)民經(jīng)濟(jì)年平均增長(zhǎng)速度。表1 為近幾年我國(guó)電力消費(fèi)彈性系數(shù)［11-15］。

表1 近幾年我國(guó)電力彈性系數(shù)Tab.1 Electricity elasticity coefficients in recent years

近幾年來(lái)，我國(guó)的經(jīng)濟(jì)增速和電力消費(fèi)增速均有所加快，電力彈性系數(shù)多數(shù)在1 上下變化。2008年及2009年的彈性系數(shù)降低很多，主要因?yàn)?008年下半年工業(yè)特別是重工業(yè)生產(chǎn)放緩，導(dǎo)致用電明顯放緩。參考發(fā)達(dá)國(guó)家的水平，從長(zhǎng)期來(lái)看，該系數(shù)保持在0.8～1.2 是比較正常的水平，但由于我國(guó)發(fā)展正處于重工業(yè)化階段，工業(yè)(特別是高耗電行業(yè))保持快速發(fā)展，因此決定了我國(guó)電力消費(fèi)系數(shù)將處于一個(gè)比較高的水平。在以下預(yù)測(cè)分析中，設(shè)定彈性系數(shù)在2013—2015年為1.2，2016—2020年降低到1，2021—2030年降低到0.8，達(dá)到發(fā)達(dá)國(guó)家先進(jìn)水平。

鑒于我國(guó)基本國(guó)情和政策，即2020年全面實(shí)現(xiàn)“小康”，本文預(yù)測(cè)國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值在2013—2015年增速為8%，2015—2020年增速為7%，2021—2030年增速為5%。以此為基礎(chǔ)，通過(guò)電力消費(fèi)彈性指數(shù)推導(dǎo)出電力消費(fèi)增長(zhǎng)率，從而再進(jìn)行發(fā)電量和用電量的預(yù)測(cè)。未來(lái)20年我國(guó)用電量預(yù)測(cè)結(jié)果如表2 所示，依此發(fā)展速度，到2030年我國(guó)用電量是2010年的3.3 倍，增長(zhǎng)速度驚人。

表2 未來(lái)20年我國(guó)用電量預(yù)測(cè)Tab.2 Electricity consumption prediction in next twenty years

目前我國(guó)火力發(fā)電量占整個(gè)發(fā)電量的80%，這無(wú)疑對(duì)環(huán)境和資源造成了巨大的壓力。因此，未來(lái)我國(guó)應(yīng)大力發(fā)展清潔能源，逐步加大可再生能源的比例。在現(xiàn)有的能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中，水力發(fā)電占總發(fā)電量的17.4%，在沒(méi)有重大自然災(zāi)害的情況下，我國(guó)的水力發(fā)電將以17.4%為基礎(chǔ)逐步增加比例［16］。對(duì)于核電，雖受到日本福島核電站事故的影響，放慢發(fā)展速度，但并不能改變其增長(zhǎng)的發(fā)展趨勢(shì)。規(guī)劃到2015年，核電裝機(jī)容量達(dá)到4 294萬(wàn)kW;2020年達(dá)到9 000萬(wàn)kW，占整個(gè)發(fā)電量的4.3%;2030年達(dá)到2億kW，占總發(fā)電量的8.5%［17］。風(fēng)力發(fā)電近年來(lái)發(fā)展也很迅速，按照國(guó)家風(fēng)電發(fā)展規(guī)劃，到2020年，我國(guó)風(fēng)電裝機(jī)容量有望達(dá)1.5億kW，到2050年將形成3億～5億kW 的裝機(jī)能力［18］。據(jù)上述分析，到2030年我國(guó)發(fā)電行業(yè)的結(jié)構(gòu)形式如表3 所示。表3表明，未來(lái)20年火力發(fā)電仍會(huì)有較大幅度的增加，2030年火力發(fā)電量是2010年的2.7 倍。

表3 未來(lái)20年我國(guó)發(fā)電結(jié)構(gòu)形式預(yù)測(cè)Tab.3 Power structure prediction in next twenty years

2 我國(guó)火力發(fā)電用水預(yù)測(cè)

2.1 不同冷卻方式火電廠用水分析

火力發(fā)電用水包括兩大部分，即生產(chǎn)用水和生活用水。生產(chǎn)用水主要包括熱力系統(tǒng)用水、冷卻系統(tǒng)用水、水力除塵除渣系統(tǒng)用水和煙氣脫硫系統(tǒng)用水等;生活用水主要包括生活系統(tǒng)用水和消防系統(tǒng)用水及廠區(qū)雜用水等。

關(guān)于火力發(fā)電廠的水耗有2個(gè)重要概念:裝機(jī)水耗和發(fā)電水耗。裝機(jī)水耗是指用于發(fā)電生產(chǎn)的新鮮水總?cè)∷颗c裝機(jī)容量的比值，對(duì)于已經(jīng)運(yùn)行的發(fā)電廠，無(wú)實(shí)際意義;發(fā)電水耗是指用于發(fā)電生產(chǎn)的新鮮水總?cè)∷颗c總發(fā)電量的比值?；鹆Πl(fā)電各部分水耗所占比例與機(jī)組形式又有很大關(guān)系，典型火力發(fā)電廠中各部分水耗所占比例如圖2 所示。

圖2 典型火電廠用水消耗分類(lèi)及各部分所占比例Fig.2 Classification and proportion of water usage in typical thermal power plants

圖2 表明火電廠消耗水量最大的系統(tǒng)為冷卻系統(tǒng)，欲對(duì)火電廠用水進(jìn)行預(yù)測(cè)，需要對(duì)該系統(tǒng)深入研究，并分析各種冷卻方式下的單位耗水率和裝機(jī)水耗。

對(duì)于循環(huán)冷卻火電機(jī)組，從統(tǒng)計(jì)資料來(lái)看，節(jié)水較好的機(jī)組，其單位發(fā)電量耗水率可達(dá)3.6 kg/(kW·h)以下，裝機(jī)耗水率可達(dá)0.8 m3/(s·GW);節(jié)水較差的機(jī)組，其單位發(fā)電量耗水率高達(dá)11.2 kg/(kW·h)，裝機(jī)耗水率達(dá)2.5 m3/(s·GW)。

對(duì)于直流冷卻火電機(jī)組，由于無(wú)蒸發(fā)、風(fēng)吹和排污等損失，其耗水量比循環(huán)冷卻機(jī)組少得多，是節(jié)水型火力發(fā)電的一種重要類(lèi)型。從統(tǒng)計(jì)資料來(lái)看，節(jié)水較好的直流冷卻火電機(jī)組，其單位發(fā)電量耗水率可達(dá)0.65 kg/(kW·h)，裝機(jī)耗水率可達(dá)0.15 m3/(s·GW);節(jié)水較差的機(jī)組單位發(fā)電量耗水率可達(dá)5 kg/(kW·h)，裝機(jī)耗水率達(dá)1.0 m3/(s·GW)。必須說(shuō)明的是，直流冷卻機(jī)組需要廠區(qū)附近有充足的水源，1 臺(tái)裝機(jī)容量為1 000 MW 的火電機(jī)組，采用循環(huán)冷卻方式取用水量為0.6～1 m3/s，若采用直流冷卻方式取用水量為35～40 m3/s［19］，后者用水量驚人。

濱海地區(qū)的機(jī)組，多數(shù)利用海水作為循環(huán)水或輔機(jī)冷卻水，這樣可減少淡水消耗量。例如華能大連電廠2 臺(tái)350 MW 火電機(jī)組使用海水冷卻凝汽器及水熱交換器并將其排水串聯(lián)使用(沖灰)，其余用水為淡水。即化學(xué)用水、工業(yè)用水和生活用水使用淡水，總耗水量很小，只有204 m3/h［19］。

對(duì)于空冷機(jī)組，耗水率與同容量的直流冷卻火電機(jī)組大體相當(dāng)，節(jié)水效果顯著。

通過(guò)以上分析，可得不同類(lèi)型機(jī)組的耗水情況(取平均值)，如表4 所示。

表4 各冷卻方式機(jī)組單位發(fā)電量耗水和取水Tab.4 Water consumption and water intake quality per kW·h for different cooling method

2.2 我國(guó)火力發(fā)電用水方案

在以上分析的基礎(chǔ)上，提出5 種可能性的發(fā)展方案，據(jù)此對(duì)2013—2030年我國(guó)火力發(fā)電用水作出預(yù)測(cè)，以尋求最經(jīng)濟(jì)的耗水率方案。

方案1:維持現(xiàn)有模式，新建機(jī)組與在運(yùn)機(jī)組均與現(xiàn)有用水和冷卻模式成比例。

方案2:作一般性調(diào)整，所有新建機(jī)組使用淡水并采用循環(huán)冷卻方式，其他部分與現(xiàn)有用水情況對(duì)應(yīng)成比例。

方案3:加大超臨界和亞臨界機(jī)組建設(shè)力度，每年的新建機(jī)組中超臨界機(jī)組占總量的40%，亞臨界機(jī)組占30%;新建機(jī)組都采用淡水循環(huán)冷卻方式。

方案4:濱海地區(qū)的新建火電機(jī)組均采用海水直接冷卻方式，占總發(fā)電量的10%，其余新建機(jī)組使用淡水循環(huán)冷卻方式，其他部分與現(xiàn)有用水情況對(duì)應(yīng)成比例(不考慮超臨界和亞臨界機(jī)組，假設(shè)與2008年的機(jī)組類(lèi)型完全相同)。

方案5:20%的新建機(jī)組采用空冷技術(shù)，其余新建機(jī)組采用循環(huán)冷卻方式，濱海地區(qū)的新建火電機(jī)組均采用海水直接冷卻，其他部分與現(xiàn)有用水情況對(duì)應(yīng)成比例。

按照上述各種方案，以2008年為基準(zhǔn)(按照現(xiàn)有比例，2008年單位發(fā)電量的取水是25.64 kg/(kW·h)，單位發(fā)電量耗水率為2.63 kg/(kW·h))，計(jì)算未來(lái)20年不同方案下的火力發(fā)電取水量和耗水量預(yù)測(cè)值，計(jì)算結(jié)果如圖3 所示。

圖3 未來(lái)20年我國(guó)火力發(fā)電取水量和耗水量預(yù)測(cè)Fig.3 Water consumption and water intake prediction of thermal power generation in next twenty years

分析結(jié)果表明，由于直流冷卻方式在國(guó)內(nèi)大量存在，使火電機(jī)組取水量十分驚人，而我國(guó)是個(gè)淡水資源比較匱乏的國(guó)家，除部分地區(qū)外，大部分地區(qū)達(dá)不到這樣的取水要求。因此，為了進(jìn)一步降低取水量，節(jié)約淡水資源，未來(lái)應(yīng)逐步減少這種直流冷卻方式，因此方案1 基本不可能在我國(guó)出現(xiàn)。

和直接冷卻方式相反，循環(huán)冷卻方式的取水量要小得多，在我國(guó)很多地區(qū)，特別在北方地區(qū)應(yīng)用比較廣泛，缺點(diǎn)是耗水量相對(duì)較大。方案2 顯示了最極端的耗水情況，雖然大大減少了取水量，卻顯著增加了耗水量。

方案3 通過(guò)改變機(jī)組的發(fā)電形式和冷卻方式，增加超臨界和亞臨界機(jī)組建設(shè)，一方面提高了發(fā)電效率，減少了煤耗，另一方面減少了單位水耗(相比方案2 可以看出)，這種技術(shù)會(huì)在未來(lái)得到運(yùn)用。

方案4 利用海水冷卻，這是解決水資源短缺問(wèn)題的好辦法，它的耗水量只有淡水直流冷卻的40%，甚至更低，取水基本等于耗水，實(shí)現(xiàn)了冷端損失為“0”。此方案只要突破冷卻材料方面的障礙，在未來(lái)也會(huì)慢慢得以實(shí)施。

方案5 提出了采用空冷技術(shù)，空冷技術(shù)是解決我國(guó)北方地區(qū)缺水情況的最有效措施。近年來(lái)新建機(jī)組基本上都采用了空冷技術(shù)，其取水和耗水都相當(dāng)?shù)停瑢?shí)施建設(shè)也較為容易，但是技術(shù)要求稍高些，耗煤量稍大，電廠占地面積也會(huì)大些，發(fā)展并不像想象中那么快。隨著技術(shù)的進(jìn)步，空冷機(jī)組在我國(guó)乃至全世界都會(huì)受到青睞。

3 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)近年我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展現(xiàn)狀和電力結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的分析、研究，采用電力彈性系數(shù)估測(cè)了我國(guó)未來(lái)20年的電力需求情況，基于5個(gè)火力發(fā)電可能性發(fā)展方案，對(duì)未來(lái)20年火電廠用水情況進(jìn)行了預(yù)測(cè)、分析。研究表明，無(wú)論采用哪種方案(除方案1)，在目前的技術(shù)水平下，雖然火力發(fā)電的取水量增加不是很大，但耗水量的增加量非常驚人，這給未來(lái)的資源和環(huán)境問(wèn)題帶來(lái)很大的挑戰(zhàn)。在未來(lái)的火力發(fā)電發(fā)展中，除逐漸減少直流冷卻方式，加快發(fā)展亞臨界、超臨界和超超臨界機(jī)組，加強(qiáng)濱海地區(qū)海水直接冷卻技術(shù)的應(yīng)用，大力實(shí)施空冷技術(shù)等之外，我國(guó)還應(yīng)加大節(jié)水型技術(shù)的開(kāi)發(fā)和規(guī)?；瘧?yīng)用力度，從而在保護(hù)淡水資源的同時(shí)，促進(jìn)我國(guó)電力工業(yè)的健康發(fā)展。

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［8］中華人民共和國(guó)統(tǒng)計(jì)局.2009 中國(guó)統(tǒng)計(jì)年鑒［M］.北京:中國(guó)統(tǒng)計(jì)出版社，2009.

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［13］《中國(guó)電力年鑒》編輯委員會(huì).2009 中國(guó)電力年鑒［M］.北京:中國(guó)電力出版社，2009.

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