火電企業(yè)取水量估算方法研究

何曉靜，甘升偉，陳方，方紅遠(yuǎn)

（1.揚(yáng)州大學(xué)水利與能源動力工程學(xué)院，江蘇揚(yáng)州225009；2.太湖流域水文水資源監(jiān)測中心，江蘇無錫214024）

火電企業(yè)取水量估算方法研究

何曉靜1，甘升偉2，陳方2，方紅遠(yuǎn)1

（1.揚(yáng)州大學(xué)水利與能源動力工程學(xué)院，江蘇揚(yáng)州225009；2.太湖流域水文水資源監(jiān)測中心，江蘇無錫214024）

火電企業(yè)是僅次于農(nóng)業(yè)的主要用水行業(yè)，其取水量占全國總?cè)∷康?5%左右。由于火電企業(yè)用水類型復(fù)雜、水費(fèi)計(jì)收標(biāo)準(zhǔn)不一，且取水水源水質(zhì)差、取水量大，取水計(jì)量設(shè)施無定期檢修，導(dǎo)致取水計(jì)量產(chǎn)生誤差，因此有必要對火電企業(yè)取水量估算方法進(jìn)行研究，以期加強(qiáng)企業(yè)用水管理和提高水費(fèi)計(jì)收到位率。采用水泵運(yùn)行時(shí)間和銘牌推算法、機(jī)組運(yùn)行時(shí)間推算法等6種取水量估算方法，以典型火電企業(yè)為例，結(jié)合企業(yè)實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)對總?cè)∷?、非直流冷卻取水量進(jìn)行估算，驗(yàn)證估算方法的適用性及合理性，并提出不同工況條件下火電企業(yè)總?cè)∷?、非直流冷卻取水量估算方法的推薦方案，為進(jìn)一步量化、完善火電企業(yè)取水許可監(jiān)督管理制度提供依據(jù)。

火電企業(yè)；總?cè)∷浚环侵绷骼鋮s取水量；估算方法；驗(yàn)證

1 引言

目前，國內(nèi)外關(guān)于火電企業(yè)取水量估算方法的研究并非很深入，火電企業(yè)取水與用水評估方法研究依然比較薄弱。L Badr等通過總結(jié)、比較、分析美國以往關(guān)于熱電廠用水方面的研究，得出直流式濕式循環(huán)冷卻系統(tǒng)的用水情況數(shù)據(jù)開發(fā)較好但干式和混合式冷卻系統(tǒng)的開發(fā)并不完善的結(jié)論[1]；Kit Ng等評估了不同的冷卻技術(shù)和北安娜電站的運(yùn)行策略，建議以現(xiàn)有的冷卻水庫——安娜湖建立一個(gè)核發(fā)電機(jī)組，以減少水量消耗和對湖泊溫度、水位以及下泄流量的不利影響，并探討了用于估算水量消耗以及湖泊水位和下泄流量對應(yīng)關(guān)系的水熱預(yù)算分析方法[2]；宋軒等分析了火電工業(yè)取用水的現(xiàn)狀和特點(diǎn)，采用分段趨勢法，以2000—2006年為實(shí)際值，預(yù)測2007—2010年的火電取用水定額，提出相應(yīng)對策，可指導(dǎo)未來火電工業(yè)的節(jié)水減排[3]；李友輝等分析了火電廠現(xiàn)狀用水定額，采用單位發(fā)電量取水量法對2020及2030年云南省滇中地區(qū)火電廠的用水量進(jìn)行預(yù)測，并以單位裝機(jī)容量取水量法進(jìn)行復(fù)核[4]。韓買良介紹了火力發(fā)電廠水資源利用和水務(wù)管理情況，比較國內(nèi)外的火電廠耗水指標(biāo)，研究了水資源開發(fā)利用和電廠的節(jié)水技術(shù)及改進(jìn)措施等[5，6]；鄭新乾等為滿足水利普查對河湖取水口取水量動態(tài)數(shù)據(jù)獲取的要求，對不同取水計(jì)量方法進(jìn)行研究，并針對不同取水計(jì)量設(shè)施的特點(diǎn)及適用條件，提出切實(shí)可行的計(jì)量方法供參考使用[7]；王晉萍等通過對水泵的配套功率、揚(yáng)程、額定出水量、電度表情況等進(jìn)行認(rèn)真研究計(jì)算，探索出了濟(jì)南黃河灘區(qū)揚(yáng)水站取水量計(jì)算方法[8]；姜蓓蕾、張艷麗等提出在火電行業(yè)中宜采用裝機(jī)取水量和單位發(fā)電取水量作為節(jié)水考核指標(biāo)，并分析了我國火電行業(yè)的廢水回收利用、提高循環(huán)水系統(tǒng)、除灰系統(tǒng)改進(jìn)、海水冷卻技術(shù)、水量計(jì)量和水質(zhì)監(jiān)測等節(jié)水措施[9-11]；左建兵等分析了北京市國華熱電等5大電廠的發(fā)電量、產(chǎn)值變化、取水構(gòu)成、用水效率、用水影響因素、已經(jīng)采取的節(jié)水措施等[12]；沈旭等從水的物理化學(xué)特性出發(fā)，提出了一個(gè)有物理機(jī)制的火力發(fā)電廠用水效率評價(jià)新方法，并對該方法的可行性與準(zhǔn)確性進(jìn)行了評析[13]；黃子謙等分析了我國現(xiàn)行火電類建設(shè)項(xiàng)目用水效率的評價(jià)方法和評價(jià)指標(biāo)的應(yīng)用情況，并提出用水效率評價(jià)的新思路[14]；楊虹等結(jié)合火核電行業(yè)的分布特征和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，應(yīng)用DEA模型對我國各地區(qū)火核電用水特征進(jìn)行了綜合評價(jià)[15]。

為加強(qiáng)企業(yè)用水管理以及提高水費(fèi)計(jì)收到位率，筆者通過分析火電企業(yè)水泵運(yùn)行時(shí)間、機(jī)組運(yùn)行時(shí)間、發(fā)電量、煤耗量等要素與取水量的相關(guān)關(guān)系，研究提出可供參考的取水量估算方法，并以典型火電企業(yè)為例，結(jié)合企業(yè)實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)對總?cè)∷俊⒎侵绷骼鋮s取水量進(jìn)行估算，驗(yàn)證估算方法的適用性及合理性，建議不同工況條件下火電企業(yè)取水量估算方法的推薦方案，以便為進(jìn)一步量化、完善火電企業(yè)取水許可監(jiān)督管理制度提供依據(jù)。

2 常用的取水量估算方法及其適用條件

火電企業(yè)常用的取水量估算方法主要包括水泵運(yùn)行時(shí)間和銘牌推算法、機(jī)組運(yùn)行時(shí)間推算法、電量推算法、煤耗推算法、定額法、多元線性回歸法6種方法，詳見表1。

表1 火電企業(yè)常用的取水量估算方法

表1中，V為企業(yè)取水量（萬m3）；η為水泵效率，一般取值范圍為0.7～0.8；q為水泵額定流量（m3/h）；t為水泵時(shí)段運(yùn)行時(shí)間（h）；t'為企業(yè)時(shí)段機(jī)組運(yùn)行時(shí)間（h）；W為企業(yè)時(shí)段發(fā)電量（萬kW·h）；m為企業(yè)時(shí)段煤耗量（t）；E為火電行業(yè)用水定額（m3/MW·h）；f為企業(yè)取水量與時(shí)段機(jī)組運(yùn)行時(shí)間、發(fā)電量、煤耗量的函數(shù)關(guān)系；N為年內(nèi)計(jì)算時(shí)段數(shù)；ε為相互獨(dú)立且服從N（0，σ2）的隨機(jī)變量；β0、β1、β2、…、βm為系數(shù)。

3 實(shí)例分析

筆者以鎮(zhèn)江市某火電廠為例，該火電廠共4臺水泵（1、2、3、4#）及2臺機(jī)組（5、6#），總裝機(jī)容量為2×630 MW，且具有較好的基礎(chǔ)資料條件。結(jié)合火電廠2015年的實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)，采用上述估算方法分別對該火電廠的總?cè)∷?、非直流冷卻取水量進(jìn)行估算，通過點(diǎn)繪取水量估算值與實(shí)測值，繪制出兩者與時(shí)間的關(guān)系曲線，并分析兩者的擬合程度以及可能產(chǎn)生偏差的原因，驗(yàn)證估算方法的適用性及合理性。

3.1 總?cè)∷抗浪?/p>

采用水泵運(yùn)行時(shí)間和銘牌推算法、機(jī)組運(yùn)行時(shí)間推算法、電量推算法、煤耗推算法、多元線性回歸法5種方法分別對該火電廠的總?cè)∷窟M(jìn)行估算，詳見表2。

表2 火電廠總?cè)∷抗浪阒蹬c實(shí)測值匯總?cè)fm3

由表2可知，采用水泵運(yùn)行時(shí)間和銘牌推算法以及多元線性回歸法估算的火電廠總?cè)∷颗c實(shí)測值擬合程度較好，估算誤差相對較?。徊捎孟嚓P(guān)關(guān)系法（機(jī)組運(yùn)行時(shí)間推算法、電量推算法、煤耗推算法）估算的火電廠總?cè)∷颗c實(shí)測值的總體變化趨勢一致，但1—3月因該方法本身的缺陷，導(dǎo)致前3個(gè)月的估算誤差達(dá)±44%以上，此外，個(gè)別月份因調(diào)停檢修以及火電廠外供蒸汽等問題估算誤差相對較大?；痣姀S總?cè)∷抗浪阒蹬c實(shí)測值的關(guān)系曲線，如圖1所示。

圖1 總?cè)∷抗浪阒蹬c實(shí)測值的曲線

若延長統(tǒng)計(jì)時(shí)段，采用3、6、9個(gè)月滑動平均對火電廠總?cè)∷康钠骄鄬φ`差進(jìn)行分析，由表3可知，采用上述水量估算方法估算的總?cè)∷浚?個(gè)月的運(yùn)行周期即可滿足精度要求。經(jīng)分析，無論在何種工況條件下，水泵運(yùn)行時(shí)間和銘牌推算法、相關(guān)關(guān)系法（機(jī)組運(yùn)行時(shí)間推算法、電量推算法、煤耗推算法）、定額法、多元線性回歸法均可用來估算火電廠的總?cè)∷?。其中，采用水泵運(yùn)行時(shí)間和銘牌推算法可快速、簡便地估算出火電廠的總?cè)∷浚?個(gè)月及以上運(yùn)行周期的平均相對誤差控制在±1.5%以內(nèi)，計(jì)算精度較高，但該方法僅適用于具有額定功率的傳統(tǒng)水泵，不適用于新型的變頻水泵；采用相關(guān)關(guān)系法（機(jī)組運(yùn)行時(shí)間推算法、電量推算法、煤耗推算法）可簡便地估算出火電廠的總?cè)∷浚?個(gè)月及以上運(yùn)行周期的平均相對誤差控制在± 2.3%以內(nèi)，但需注意將火電廠所消耗的煤換算成標(biāo)準(zhǔn)煤，并詳細(xì)記錄機(jī)組的啟停時(shí)間，工作量較大；采用多元線性回歸法可準(zhǔn)確地估算出火電廠的總?cè)∷浚?個(gè)月及以上運(yùn)行周期的平均相對誤差控制在± 0.8%以內(nèi)，計(jì)算精度高，但所需的資料系列較長，計(jì)算相對復(fù)雜，且技術(shù)要求高，實(shí)用性方面的推廣有一定難度。

表3 火電廠取水量平均相對誤差匯總%

3.2 非直流冷卻取水量估算

由于火電廠用水類型不同，其水費(fèi)計(jì)收標(biāo)準(zhǔn)也不同，因此除總?cè)∷客猓€應(yīng)估算火電廠的非直流冷卻取水量，以期提高水費(fèi)計(jì)收到位率?；痣姀S的非直流冷卻取水量可采用機(jī)組運(yùn)行時(shí)間推算法、電量推算法、煤耗推算法、定額法、多元線性回歸法5種方法進(jìn)行估算，詳見表4。

表4 火電廠非直流冷卻取水量估算值與實(shí)測值匯總?cè)fm3

由表4可知，采用相關(guān)關(guān)系法（機(jī)組運(yùn)行時(shí)間推算法、電量推算法、煤耗推算法）估算的火電廠非直流冷卻取水量與實(shí)測值的總體變化趨勢一致，但1—4月因該方法本身的缺陷，導(dǎo)致前4個(gè)月的估算誤差偏大，最大平均相對誤差達(dá)-73.6%；因火電行業(yè)定額標(biāo)準(zhǔn)為最大限額，采用定額法估算的火電廠非直流冷卻取水量與實(shí)測值的擬合程度較差，因此不推薦火電廠采用該方法來估算非直流冷卻取水量；采用多元線性回歸法估算的火電廠非直流冷卻取水量與實(shí)測值的擬合程度尚可，但個(gè)別月份因火電廠用水工藝以及節(jié)水水平等問題，估算誤差相對較大?；痣姀S非直流冷卻取水量估算值與實(shí)測值的關(guān)系曲線，如圖2所示。

若延長統(tǒng)計(jì)時(shí)段，采用3、6、9個(gè)月滑動平均對火電廠非直流冷卻取水量的平均相對誤差進(jìn)行分析，由表3可知，采用上述水量估算方法估算的非直流冷卻取水量，3個(gè)月的運(yùn)行周期即可滿足精度要求。經(jīng)分析，無論在何種工況條件下，定額法、多元線性回歸法均可用來估算火電廠的非直流冷卻取水量。其中，采用定額法可快速地估算出火電廠的非直流冷卻取水量，但因火電行業(yè)定額標(biāo)準(zhǔn)為最大限額，3個(gè)月及以上運(yùn)行周期的平均相對誤差也相對較大，且計(jì)算前應(yīng)扣除火電廠的外供蒸汽量；采用多元線性回歸法可準(zhǔn)確地估算出火電廠的非直流冷卻取水量，3個(gè)月及以上運(yùn)行周期的平均相對誤差控制在±3.9%以內(nèi)，計(jì)算精度相對較高，但所需的資料系列較長，計(jì)算相對復(fù)雜。由于火電廠所涉及的用水部門、用水工藝較多，影響非直流冷卻取水量的因素也相對復(fù)雜，因此在火電廠正常運(yùn)行狀態(tài)下，采用相關(guān)關(guān)系法（機(jī)組運(yùn)行時(shí)間推算法、電量推算法、煤耗推算法）估算的火電廠非直流冷卻取水量相對比較準(zhǔn)確，但在非正常運(yùn)行狀態(tài)下，不宜采用該方法來估算火電廠的非直流冷卻取水量。

圖2 非直流冷卻取水量估算值與實(shí)測值的曲線

4 取水量估算方法建議

為準(zhǔn)確掌握火電企業(yè)的實(shí)際取水情況，筆者在典型火電企業(yè)取水量估算方法實(shí)用性分析的基礎(chǔ)上，提出不同工況條件下火電企業(yè)取水量估算方法的推薦方案及建議方法，為加強(qiáng)企業(yè)用水管理、提高水費(fèi)計(jì)收到位率提供依據(jù)。

（1）正常運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)火電企業(yè)處于正常運(yùn)行狀態(tài)下，取水量與機(jī)組運(yùn)行時(shí)間、發(fā)電量及煤耗量呈現(xiàn)較好的相關(guān)關(guān)系，且月際之間的變化趨勢基本一致，因此可采用相關(guān)關(guān)系法（機(jī)組運(yùn)行時(shí)間推算法、電量推算法、煤耗推算法）、多元線性回歸法來估算企業(yè)的總?cè)∷?、非直流冷卻取水量，但多元線性回歸法所需的資料系列較長，計(jì)算相對復(fù)雜。此外，采用水泵運(yùn)行時(shí)間和銘牌推算法可較準(zhǔn)確地估算出企業(yè)的總?cè)∷?，且估算誤差相對較小，但該方法僅適用于具有額定功率的傳統(tǒng)水泵，不適用于新型變頻水泵；若扣除企業(yè)的外供蒸汽量，采用定額法可快速地估算出企業(yè)的非直流冷卻取水量，但該方法無法用于估算企業(yè)的總?cè)∷浚哂幸欢ǖ木窒扌浴?/p>

（2）非正常運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)火電企業(yè)處于非正常運(yùn)行狀態(tài)下，采用相關(guān)關(guān)系法（機(jī)組運(yùn)行時(shí)間推算法、電量推算法、煤耗推算法）來估算企業(yè)的總?cè)∷肯鄬Ρ容^準(zhǔn)確，但因火電企業(yè)所涉及的用水部門、用水工藝較多，影響非直流冷卻取水量的因素也相對復(fù)雜，因此不宜采用該方法來估算企業(yè)的非直流冷卻取水量。此外，水泵運(yùn)行時(shí)間和銘牌推算法、多元線性回歸法均可準(zhǔn)確估算出企業(yè)的總?cè)∷?。其中，采用水泵運(yùn)行時(shí)間和銘牌推算法可較快速地估算出企業(yè)的總?cè)∷?，且與實(shí)測值擬合程度較好，但該方法僅適用于具有額定功率的傳統(tǒng)水泵，不適用于新型變頻水泵；而采用多元線性回歸法可準(zhǔn)確地估算出企業(yè)的總?cè)∷?，相關(guān)性較好，但計(jì)算較為復(fù)雜，該方法適用于管理水平較高、具有較長實(shí)際運(yùn)行資料系列的火電企業(yè)。

5 結(jié)語

通過分析各估算方法的適用條件，并以實(shí)例驗(yàn)證估算方法的適用性及合理性，水泵運(yùn)行時(shí)間和銘牌推算法、機(jī)組運(yùn)行時(shí)間推算法、電量推算法、煤耗推算法、定額法、多元線性回歸法等水量估算方法均可用于估算火電企業(yè)的取水量。其中，水泵運(yùn)行時(shí)間和銘牌推算法可較快速、簡便地估算火電企業(yè)總?cè)∷?，相關(guān)性較好；無論在何種工況條件下，火電企業(yè)的總?cè)∷颗c機(jī)組運(yùn)行時(shí)間、發(fā)電量、煤耗量呈現(xiàn)較好的相關(guān)關(guān)系，因此可采用相關(guān)關(guān)系法（機(jī)組運(yùn)行時(shí)間推算法、電量推算法、煤耗推算法）來估算企業(yè)的總?cè)∷?；影響非直流冷卻取水量的因素相對比較復(fù)雜，在企業(yè)正常運(yùn)行狀態(tài)下，采用機(jī)組運(yùn)行時(shí)間推算法、電量推算法、煤耗推算法、定額法、多元線性回歸法來估算火電企業(yè)的非直流冷卻取水量相對比較準(zhǔn)確，但在企業(yè)非正常運(yùn)行狀態(tài)下，則不宜采用相關(guān)關(guān)系法（機(jī)組運(yùn)行時(shí)間推算法、電量推算法、煤耗推算法）、定額法來估算企業(yè)的非直流冷卻取水量，建議在對企業(yè)歷史運(yùn)行資料進(jìn)行收集、整理和分析的基礎(chǔ)上，采用多元線性回歸法對火電企業(yè)的非直流冷卻取水量進(jìn)行估算。

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·環(huán)球水信息·

Research on Water Intake Estimation Method for the Thermal Power Enterprise

HE Xiao-jing1，GAN Sheng-wei2，CHEN Fang2，F(xiàn)ANG Hong-yuan1
（1.School of Hydraulic，Energy and Power Engineering，Yangzhou University，Yangzhou 225009，China；2.Hydrology and Water Resources Monitoring Center of Taihu Basin，Wuxi 214024，China）

The thermal power enterprise is the main water-using industry next to agriculture，which water intake is about 15 percent of the total water intake in the whole country.Due to complex water-use type of the thermal power enterprise，various water fee collecting rules，and poor quality of water sources and large amounts of water withdrawal，lack of timely detecting water metering facilities，water metering and monitoring system data often can't accurately reflect the true wateruse situation of once-through thermal power enterprise，therefore，the research on water consumption estimation method for once-through thermal power enterprise has practical necessity.The present work discusses the several kinds of estimation methods for water use amount of once-through thermal power enterprise，such as pump running time and nameplate estimating method，unit running time estimating method，electric quantity estimating method，coal consumption estimating method，norm method，multiple linear regression method and so on.Taking the water use calculation of a practical thermal power plant as an example，the application procedures and applicable conditions are demonstrated for the proposed estimation method.According to the actual operation data of the thermal power plant，the total water consumption and water withdraw of non once-through cooling water system are estimated，and the applicability and rationality of estimation methods are verified.The recommended method is put forward for estimating total water consumption and water withdraw of non once-through cooling water system under different operation conditions of thermal power enterprises，to provide the basis for further improving licensing supervision and management system.

thermal power enterprise；water withdraw amount；water consumption of non once-through cooling water system；estimation method；verification

TV213.4；TV214

：A

：1004-7328（2017）01-0001-06

10.3969/j.issn.1004-7328.2017.01.001

2016—11—18

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51379181）

何曉靜（1991—），女，碩士研究生，研究方向?yàn)樗Y源規(guī)劃及管理。