未來20年我國火力發電用水情況預測分析

車德競 ，孟潔 ，陳永輝 ，李鵬飛，魏高升

(1.中國電力科學研究院，北京市 100192;2.電站設備狀態監測與控制教育部重點實驗室(華北電力大學)，北京市 102206;3.中電投東北電力有限公司，沈陽市 110181)

0 引言

近年來，隨著國民經濟的快速發展，我國水資源供需矛盾越來越突出。我國是以火力發電為主的國家，截止2010年底，我國發電設備裝機容量為96 641.3萬kW，同比增長10.56%，其中火電為70 967.21萬kW，約占總容量的73.4%［1］，即便在國家鼓勵新能源發電和核能發電的背景下，火力發電仍將長期處于主導地位。火力發電企業是用水和排水大戶，就全國電力工業而言，火電取水量占全國工業取水量的40%［1］，我國火電廠平均裝機耗水率比國際先進水平高40%～50%［2］。隨著我國水資源的日益緊張和對環境保護要求的提高，火力發電所面臨的水資源問題和環境問題日益突出［2-5］，積極推廣和應用火力發電節能、節水技術是解決上述問題，促進國民經濟可持續發展的有力保證。本文在對國內火電機組用水情況和節水技術進行充分調研的基礎上，對未來我國火電機組的用水情況進行預測，供制定我國電力工業的發展規劃、策略參考。

1 我國電力需求預測

電力與經濟關系密切，一方面，經濟發展是電力發展的內在動力，經濟發展帶動電力發展;另一方面，電力是保證經濟發展的物質基礎，電力發展促進經濟發展，二者增長勢頭具有很強的相關性。因此，要對未來火電廠用水需求作出預測，就必須和經濟、電力負荷增長掛鉤，依靠發電量來估算。圖1 為我國2006—2010年GDP 總量、用電量、發電量、火力發電量及各自增長率的關系［6-15］。

圖1 2006—2010年GDP 總量和用電量、發電量的關系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，各年的火力發電量分別為23 742，27 207，28 029，30 116，34 166億kW·h。

圖1 表明我國GDP 總量和用電量相互關聯，兩者增長趨勢基本相同，2008年經濟增長率稍有下降;而火力發電占整個發電量的80%，其增長速度仍很強勁。

為了使電力需求預測更準確，本文依據其與經濟之間的量化關系，通過預測經濟的增長趨勢而得出電力需求預測值，電力與經濟之間的量化關系體現在電力消費彈性系數概念上。所謂電力消費彈性系數，是指某一時期內電力消費量年平均增長率與同一時期國內生產總值(或國民生產總值)年均增長率的比值，它是反映電力增長速度與國民經濟發展速度關系的一項綜合指標。電力消費彈性系數=電力消費量年平均增長速度/國民經濟年平均增長速度。表1 為近幾年我國電力消費彈性系數［11-15］。

表1 近幾年我國電力彈性系數Tab.1 Electricity elasticity coefficients in recent years

近幾年來，我國的經濟增速和電力消費增速均有所加快，電力彈性系數多數在1 上下變化。2008年及2009年的彈性系數降低很多，主要因為2008年下半年工業特別是重工業生產放緩，導致用電明顯放緩。參考發達國家的水平，從長期來看，該系數保持在0.8～1.2 是比較正常的水平，但由于我國發展正處于重工業化階段，工業(特別是高耗電行業)保持快速發展，因此決定了我國電力消費系數將處于一個比較高的水平。在以下預測分析中，設定彈性系數在2013—2015年為1.2，2016—2020年降低到1，2021—2030年降低到0.8，達到發達國家先進水平。

鑒于我國基本國情和政策，即2020年全面實現“小康”，本文預測國內生產總值在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，通過電力消費彈性指數推導出電力消費增長率，從而再進行發電量和用電量的預測。未來20年我國用電量預測結果如表2 所示，依此發展速度，到2030年我國用電量是2010年的3.3 倍，增長速度驚人。

表2 未來20年我國用電量預測Tab.2 Electricity consumption prediction in next twenty years

目前我國火力發電量占整個發電量的80%，這無疑對環境和資源造成了巨大的壓力。因此，未來我國應大力發展清潔能源，逐步加大可再生能源的比例。在現有的能源消費結構中，水力發電占總發電量的17.4%，在沒有重大自然災害的情況下，我國的水力發電將以17.4%為基礎逐步增加比例［16］。對于核電，雖受到日本福島核電站事故的影響，放慢發展速度，但并不能改變其增長的發展趨勢。規劃到2015年，核電裝機容量達到4 294萬kW;2020年達到9 000萬kW，占整個發電量的4.3%;2030年達到2億kW，占總發電量的8.5%［17］。風力發電近年來發展也很迅速，按照國家風電發展規劃，到2020年，我國風電裝機容量有望達1.5億kW，到2050年將形成3億～5億kW 的裝機能力［18］。據上述分析，到2030年我國發電行業的結構形式如表3 所示。表3表明，未來20年火力發電仍會有較大幅度的增加，2030年火力發電量是2010年的2.7 倍。

表3 未來20年我國發電結構形式預測Tab.3 Power structure prediction in next twenty years

2 我國火力發電用水預測

2.1 不同冷卻方式火電廠用水分析

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

關于火力發電廠的水耗有2個重要概念:裝機水耗和發電水耗。裝機水耗是指用于發電生產的新鮮水總取水量與裝機容量的比值，對于已經運行的發電廠，無實際意義;發電水耗是指用于發電生產的新鮮水總取水量與總發電量的比值。火力發電各部分水耗所占比例與機組形式又有很大關系，典型火力發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為冷卻系統，欲對火電廠用水進行預測，需要對該系統深入研究，并分析各種冷卻方式下的單位耗水率和裝機水耗。

對于循環冷卻火電機組，從統計資料來看，節水較好的機組，其單位發電量耗水率可達3.6 kg/(kW·h)以下，裝機耗水率可達0.8 m3/(s·GW);節水較差的機組，其單位發電量耗水率高達11.2 kg/(kW·h)，裝機耗水率達2.5 m3/(s·GW)。

對于直流冷卻火電機組，由于無蒸發、風吹和排污等損失，其耗水量比循環冷卻機組少得多，是節水型火力發電的一種重要類型。從統計資料來看，節水較好的直流冷卻火電機組，其單位發電量耗水率可達0.65 kg/(kW·h)，裝機耗水率可達0.15 m3/(s·GW);節水較差的機組單位發電量耗水率可達5 kg/(kW·h)，裝機耗水率達1.0 m3/(s·GW)。必須說明的是，直流冷卻機組需要廠區附近有充足的水源，1 臺裝機容量為1 000 MW 的火電機組，采用循環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。

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

對于空冷機組，耗水率與同容量的直流冷卻火電機組大體相當，節水效果顯著。

通過以上分析，可得不同類型機組的耗水情況(取平均值)，如表4 所示。

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

2.2 我國火力發電用水方案

在以上分析的基礎上，提出5 種可能性的發展方案，據此對2013—2030年我國火力發電用水作出預測，以尋求最經濟的耗水率方案。

方案1:維持現有模式，新建機組與在運機組均與現有用水和冷卻模式成比例。

方案2:作一般性調整，所有新建機組使用淡水并采用循環冷卻方式，其他部分與現有用水情況對應成比例。

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

方案4:濱海地區的新建火電機組均采用海水直接冷卻方式，占總發電量的10%，其余新建機組使用淡水循環冷卻方式，其他部分與現有用水情況對應成比例(不考慮超臨界和亞臨界機組，假設與2008年的機組類型完全相同)。

方案5:20%的新建機組采用空冷技術，其余新建機組采用循環冷卻方式，濱海地區的新建火電機組均采用海水直接冷卻，其他部分與現有用水情況對應成比例。

按照上述各種方案，以2008年為基準(按照現有比例，2008年單位發電量的取水是25.64 kg/(kW·h)，單位發電量耗水率為2.63 kg/(kW·h))，計算未來20年不同方案下的火力發電取水量和耗水量預測值，計算結果如圖3 所示。

圖3 未來20年我國火力發電取水量和耗水量預測Fig.3 Water consumption and water intake prediction of thermal power generation in next twenty years

分析結果表明，由于直流冷卻方式在國內大量存在，使火電機組取水量十分驚人，而我國是個淡水資源比較匱乏的國家，除部分地區外，大部分地區達不到這樣的取水要求。因此，為了進一步降低取水量，節約淡水資源，未來應逐步減少這種直流冷卻方式，因此方案1 基本不可能在我國出現。

和直接冷卻方式相反，循環冷卻方式的取水量要小得多，在我國很多地區，特別在北方地區應用比較廣泛，缺點是耗水量相對較大。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 通過改變機組的發電形式和冷卻方式，增加超臨界和亞臨界機組建設，一方面提高了發電效率，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)，這種技術會在未來得到運用。

方案4 利用海水冷卻，這是解決水資源短缺問題的好辦法，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，實現了冷端損失為“0”。此方案只要突破冷卻材料方面的障礙，在未來也會慢慢得以實施。

方案5 提出了采用空冷技術，空冷技術是解決我國北方地區缺水情況的最有效措施。近年來新建機組基本上都采用了空冷技術，其取水和耗水都相當低，實施建設也較為容易，但是技術要求稍高些，耗煤量稍大，電廠占地面積也會大些，發展并不像想象中那么快。隨著技術的進步，空冷機組在我國乃至全世界都會受到青睞。

3 結語

本文通過對近年我國經濟發展現狀和電力結構特點的分析、研究，采用電力彈性系數估測了我國未來20年的電力需求情況，基于5個火力發電可能性發展方案，對未來20年火電廠用水情況進行了預測、分析。研究表明，無論采用哪種方案(除方案1)，在目前的技術水平下，雖然火力發電的取水量增加不是很大，但耗水量的增加量非常驚人，這給未來的資源和環境問題帶來很大的挑戰。在未來的火力發電發展中，除逐漸減少直流冷卻方式，加快發展亞臨界、超臨界和超超臨界機組，加強濱海地區海水直接冷卻技術的應用，大力實施空冷技術等之外，我國還應加大節水型技術的開發和規模化應用力度，從而在保護淡水資源的同時，促進我國電力工業的健康發展。

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