中國(guó)火力發(fā)電用水脆弱性研究

艾柄均

(華北電力大學(xué)經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院，北京 102206)

0 引言

2018年，全國(guó)水資源總量為 27 462.5億立方米，其中大部分水資源集中在南方地區(qū)，北方地區(qū)僅 5 807.2億立方米，約占全國(guó)的21.15%。2018年全國(guó)供水總量為 6 015.5億立方米，其中北方地區(qū)供水量達(dá) 2 706.4億立方米，約占全國(guó)的45%。據(jù)此可見(jiàn)，我國(guó)水資源分布與使用存在著巨大的矛盾，水資源儲(chǔ)量相對(duì)匱乏的北方地區(qū)卻有著與南方地區(qū)相差不多的供水量。電力生產(chǎn)和水資源密切相關(guān)，火力發(fā)電過(guò)程中需要抽取規(guī)模巨大的水資源用來(lái)冷卻設(shè)備。2018年，我國(guó)火力發(fā)電總量約為全國(guó)發(fā)電總量的70%以上，占據(jù)著絕對(duì)的主導(dǎo)地位。隨著電力行業(yè)的發(fā)展，發(fā)電用水規(guī)模逐漸擴(kuò)大，未來(lái)可能在全國(guó)范圍引發(fā)嚴(yán)重的水資源緊缺問(wèn)題，尤其是北方地區(qū)。同時(shí)受到水資源短缺的限制，電力行業(yè)的脆弱性增加[1]，即發(fā)電受水資源影響程度加重，會(huì)進(jìn)一步產(chǎn)生嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)影響。

針對(duì)能水之間的關(guān)系，現(xiàn)有研究已經(jīng)對(duì)火電用水效率展開(kāi)了討論，并認(rèn)為目前中國(guó)火電用水效率值得進(jìn)一步改善。一些研究量化并預(yù)測(cè)了發(fā)電的用水量[2]，發(fā)現(xiàn)未來(lái)電力行業(yè)會(huì)出現(xiàn)水資源供不應(yīng)求的情況。除此之外，結(jié)合實(shí)際情況，對(duì)能水矛盾進(jìn)行具體量化分析的研究并不多。Varis O 等[3]考慮到治理、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)問(wèn)題、環(huán)境、危害和水壓力六個(gè)壓力因素，并將其作為一個(gè)整體分析了流域水資源的脆弱性。Zheng X 等[4]考慮到火電廠對(duì)水的依賴、各個(gè)地區(qū)的供水壓力以及規(guī)劃和氣候變化帶來(lái)的未來(lái)影響，構(gòu)建了一個(gè)衡量火力發(fā)電對(duì)水資源短缺脆弱性的指標(biāo)體系，但卻沒(méi)有考慮到火電冷卻技術(shù)的應(yīng)用。而實(shí)際上，不同冷卻技術(shù)造成的用水差異是相當(dāng)大的。基于前人的研究成果，考慮不同地區(qū)冷卻技術(shù)的應(yīng)用情況，對(duì)2018年中國(guó)各省火力發(fā)電用水的脆弱性進(jìn)行評(píng)估，并指出脆弱性的嚴(yán)重區(qū)域。由于數(shù)據(jù)有限，僅對(duì)除港澳臺(tái)地區(qū)及海南省之外的30個(gè)省市進(jìn)行計(jì)算分析。

1 研究方法

1.1 火電用水量核算

由于目前國(guó)內(nèi)尚未進(jìn)行有關(guān)發(fā)電用水?dāng)?shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)公布[5]，通過(guò)各省火力發(fā)電總量和全國(guó)火電廠單位用水系數(shù)來(lái)估算2018年中國(guó)30個(gè)省火力發(fā)電用水量。而火電用水系數(shù)與冷卻技術(shù)密切相關(guān)，不同的冷卻技術(shù)造成的火電用水量差異巨大，具體計(jì)算公式如下:

(1)

其中，W指火電總?cè)∷浚珽指火力發(fā)電量，δl指各省火電機(jī)組不同冷卻技術(shù)的發(fā)電占比，Il指火電不同冷卻技術(shù)的用水系數(shù)。2018年，中國(guó)各省火力發(fā)電量來(lái)自各省統(tǒng)計(jì)年鑒，不同冷卻技術(shù)的火電用水系數(shù)如表1。中國(guó)各省火電機(jī)組不同冷卻技術(shù)應(yīng)用比例參考Zhang C等人收集的電廠數(shù)據(jù)[5]。

1.2 火電用水脆弱性評(píng)估

參考聯(lián)合國(guó)政府間氣候變化專門(mén)委員會(huì)(IPCC)的定義，火電用水脆弱性指在缺水情況下，火電發(fā)展受其影響程度，涉及火電生產(chǎn)用水、水資源儲(chǔ)量以及其他用水帶來(lái)競(jìng)爭(zhēng)壓力[4]，具體計(jì)算公式如下：

(2)

其中，V指火電用水脆弱性指數(shù)，S表示供水壓力指數(shù)，即總需水量D與水資源儲(chǔ)量A的比值。總需水量和水資源儲(chǔ)量數(shù)據(jù)來(lái)自中國(guó)水資源公報(bào)。

2 結(jié)果分析

火電用水脆弱性指數(shù)越大代表火電廠對(duì)水的依賴程度越高，而有限的水資源儲(chǔ)量和其他方面用水帶來(lái)的壓力會(huì)加劇火力發(fā)電用水的脆弱性，如果脆弱性指數(shù)值超過(guò)10%，就證明火力發(fā)電廠存在脆弱性問(wèn)題，當(dāng)該數(shù)值達(dá)到20%，火電發(fā)電廠就會(huì)非常容易受到缺水的影響而出現(xiàn)嚴(yán)重后果。基于此，設(shè)置最高值為0.2，分析了2018年全國(guó)火電用水脆弱性分布，發(fā)現(xiàn)區(qū)域集中在華北地區(qū)，說(shuō)明華北火電用水脆弱性最為嚴(yán)重，這與中國(guó)實(shí)際的電水矛盾表現(xiàn)一致。除此之外，寧夏、內(nèi)蒙古以及南方地區(qū)的江蘇、上海等地的火電生產(chǎn)也表現(xiàn)出容易受到缺水的威脅，南方地區(qū)水資源充足，其火電廠基本以傳統(tǒng)水冷卻方式為主，導(dǎo)致火電用水較多。而空氣冷卻技術(shù)的進(jìn)步和推廣使用大大降低了新疆、內(nèi)蒙古、甘肅等北方地區(qū)的火電用水，也降低了缺水對(duì)火電廠帶來(lái)的威脅。

依據(jù)火電用水脆弱性結(jié)果，將分成三類地區(qū)來(lái)分別提供參考性建議：火電脆弱性指數(shù)高于0.2的高度脆弱性地區(qū)(寧夏、遼寧、江蘇以及華北地區(qū))容易出現(xiàn)缺水情況而影響火電的發(fā)展規(guī)劃，建議盡可能淘汰落后產(chǎn)能，避免傳統(tǒng)水冷電廠的擴(kuò)張建造，并逐步用空冷技術(shù)替代水冷技術(shù)。火電脆弱性指數(shù)高于0.1但不超過(guò)0.2的地區(qū)(內(nèi)蒙古、山東、河南、安徽和湖北)也存在缺水問(wèn)題，這些地區(qū)應(yīng)該謹(jǐn)慎規(guī)劃未來(lái)的電廠建設(shè)，盡可能發(fā)展幾乎不用水的可再生能源發(fā)電，即便要建造火電廠，也要通過(guò)采取空冷技術(shù)來(lái)降低用水強(qiáng)度。火電脆弱性指數(shù)低于0.1的其他地區(qū)幾乎不用擔(dān)心缺水情況，要更多的考慮用電需求、經(jīng)濟(jì)成本及大氣污染的限制。

3 結(jié)論

目前，我國(guó)一些地區(qū)的火電發(fā)展面臨著嚴(yán)重的用水脆弱性問(wèn)題，集中在寧夏、遼寧、江蘇以及華北地區(qū)，同時(shí)有些火電生產(chǎn)量大的地區(qū)因冷卻技術(shù)的改善緩解了水脆弱性情況。在未來(lái)的電力規(guī)劃中，有些地區(qū)極可能因?yàn)槿彼霈F(xiàn)嚴(yán)重后果，甚至有的非脆弱地區(qū)會(huì)變?yōu)榇嗳醯貐^(qū)，因此有必要將電力生產(chǎn)用水脆弱性納入未來(lái)電力規(guī)劃的考慮，通過(guò)冷卻技術(shù)的改善以及可再生能源發(fā)電鼓勵(lì)發(fā)展等措施來(lái)避免缺水帶來(lái)的嚴(yán)重后果。除此之外，有限的水資源供應(yīng)與其他方面的大量用水競(jìng)爭(zhēng)也為火電用水帶來(lái)威脅。為了進(jìn)一步緩解脆弱性，需要在合理規(guī)劃電力發(fā)展的同時(shí)也對(duì)水資源進(jìn)行綜合管理，盡量減少脆弱地區(qū)所有用水者的需求。