我國火力發電行業用耗水情況與節水潛力分析

趙晶， 吳迪， 回曉瑩， 韓宇平， 王濤

(1.華北水利水電大學 水資源學院，河南 鄭州 450046； 2.中國灌溉發展研究中心，北京 100054； 3.中水北方勘測設計研究有限責任公司，天津 300222)

國家把節水列為生態文明建設與水安全保障的重要內容之一。2014年3月14日,習近平總書記提出“節水優先、空間均衡、系統治理、兩手發力”的新時期治水思路，黨的十九大報告中明確要求實施國家節水行動，把節水工作上升到國家層面。2019年4月18日，國家發改委和水利部聯合印發《國家節水行動方案》，進一步明確工業節水減排、高耗水行業節水增效方案。近年來，隨著國家節水工作的不斷推進，工業用水總量呈持續下降趨勢，工業用水效率大幅提高。2017年，全國萬元工業增加值用水量較2010年的下降了48%，但我國的工業用水效率與節水先進國家間仍存在較大差距。2019年，我國萬元工業增加值用水量為38.4 m3，折合成萬美元工業增加值的用水量為269 m3，高于德國的250 m3、日本的77 m3、新加坡的54 m3和英國的28 m3，甚至高于與我國收入水平相當的巴西和南非等國[1]。工業用水成為我國實現國家節水行動的重點對象[2]。在工業用水組成中，高耗水行業如火力發電、鋼鐵、石油石化、化工、紡織、造紙、非金屬礦物制品、食品等行業總取水量占全部工業用水量的3/4左右[3]，其中電力、熱力的生產和供應業的取水量和耗水量均遠超過其他高耗水行業，其中該取水量占整個工業總用水量的43.9%。電力、熱力的生產和供應業中火力發電業用水量占整個行業用水量的80%左右，火力發電業用水量占工業用水量的比重為38%～40%。目前，我國火力發電業平均用水效率與國外發達國家的相比存在一定的差距，2019年，我國火力發電業單位發電量的耗水量為0.001 2 m3/(kW·h)，高于國外先進水平值[4]，我國火力發電行業的用水效率有待提升，我國火力發電行業節水潛力巨大。目前，我國已有學者開展火力發電業用水水平與用水效率的研究[5-7]，但針對火力發電業節水潛力分析的研究不多[8]。深入研究我國火力發電業的用水水平與用水效率, 計算該行業的節水潛力，對進一步提高工業用水效率與節水水平具有重要的現實和戰略意義。文中首先闡述我國及各省市火力發電業的發展現狀與用水水平，分析我國及各省市的用水效率與耗水情況，然后設置3類節水情景，分別計算我國火力發電業的節水潛力，并提出該行業的節水措施。

1 我國火力發電行業的發展現狀與用水水平

1.1 我國火力發電行業的發展現狀

電力行業是我國國民經濟的重要基礎產業，與國民經濟發展息息相關。目前，我國電力裝機容量與發電量居世界首位，其中火力發電裝機容量從1998年的2.1億kW，上升到2019年的11.9億kW，增長了5倍多，2004—2007年我國火力發電業的裝機容量增速較快，其中2006年的增速最大，達22%，具體如圖1所示。

圖1 1998—2019年我國火力發電業裝機容量及其增長速率(數據來源于中國能源統計年鑒)

近20年來，我國火力發電量一直呈上升趨勢，從1998年5 527億kW·h，上升到2019年的46 522億kW·h，增長了8.4倍。目前，火力發電是我國主要的電力來源，自1998年以來火力發電量占總發電量的比重高于80%，2012年以后降至78%左右，2013—2016年平均降至75%左右，2019年降至72%，具體如圖2所示。

圖2 1998—2019年我國火力發電量及其占總發電量的比重(數據來源于中國能源統計年鑒)

按照冷卻方式的不同，火力發電機組可分為循環冷卻機組、直流冷卻機組和空氣冷卻機組。從全國范圍來看，我國的火力發電機組主要以循環冷卻為主，循環冷卻裝機容量占火力發電業總裝機容量的76%，主要分布在內蒙古、山西、河北、山東、廣東和河南等地。直流冷卻發電機組較少，主要分布在江蘇、廣東、上海、浙江、湖南、湖北等地，如圖3所示。

圖3 我國火力發電業循環冷卻與直流冷卻裝機容量(數據來源于中國電力企業聯合會)

“十一五”期間，我國火力發電業建設向大容量、高參數、環保型方向發展，關停了一批小火力發電機組，投產了大批60萬、100萬kW級超臨界、超超臨界高效環保型火力發電機組，30萬kW及以上火力發電機組的比重逐漸增加，2010年底，全國在役火力發電機組中，30萬kW及以上機組的比重達到了72.7%，其中在運行的百萬千瓦超臨界機組達到31臺。2011年、2012年、2013年，火力發電機組退役和關停容量分別達955萬、615萬、803萬kW。近年來，我國火力發電廠不同機組的裝機容量占總裝機容量的比例如圖4所示，圖中火力發電機組裝機容量用V表示。由圖4可知：2016年，30萬kW及以上機組的比重達到了79.1%；2017年，30萬kW及以上機組的比重達到了79.4%；2018年以后，30萬kW及以上機組的比重超過80%。

圖4 不同容量等級火力發電機組占火力發電業總裝機容量的比重(數據來源于中國電力企業聯合會)

1.2 火力發電業用水水平

歷年火力發電業用水量及其占工業用水量的比重如圖5所示。由圖5可知：近年來，我國火力發電業的用水量年際變化呈先升后降的趨勢，2013年達到用水峰值，約580億m3，而后呈下降趨勢，2017年降至478.3億m3；火力發電業用水量占工業用水量的比重呈先升后降再升的趨勢，由2010年的36.1%上升到2013年的41.3%，2017年降至37.5%，2019年達到42.5%。

圖5 歷年火力發電業用水量及其占工業用水量的比重(數據來源于中國水資源公報和中國電力企業聯合會)

火力發電業是工業中用水量最大的行業?；鹆Πl電業用水分為生產用水和非生產用水。生產用水約占火力發電業總用水量的97%，主要包括冷卻用水、除塵和除渣用水、脫硫系統氣用水，具體如圖6所示[9]。圖6中，冷卻水系統為第一大用水大戶，約占熱力發電業總用水量的70%；濕法脫硫系統已成為熱力發電業的第二大用水戶，水分隨煙氣蒸發，蒸發水約占熱力發電業總用水量的20%；生活用水占火力發電業用水的3%，主要包括生活系統和消防系統用水等?；鹆Πl電業按冷卻形式分為循環冷卻(取水量適中、耗水量相對較大)、直流冷卻(取水量大、耗水量少)與空氣冷卻(分直接空氣冷卻和間接空氣冷卻，用水量小、耗水量小)。

圖6 典型火力發電廠用水消耗分類及各類用水所占比重

不同省區不同冷卻方式的火力發電業用水量如圖7所示。由圖7可以看出，火力發電業用水量最大的省份為江蘇省，該省90%以上火力發電業用水量為直流冷卻火力發電業用水量，其次為上海市、安徽省、湖北省等地區。北方地區的火力發電系統多采用循環冷卻方式，循環冷卻火力發電業的用水量相對較少。冷卻方式的變化是導致南北方地區火力發電業用水量差異較大的主要原因?？傮w來說，火力發電業用水量，東部地區的大于中部地區的，中部地區的大于西部地區的，南方地區的大于北方地區的。

圖7 不同省區不同冷卻方式火力發電業的用水量(數據來源于中國電力企業聯合會)

2 我國火力發電業用水效率與耗水情況

2.1 用水效率

2012年我國修訂了《取水定額 第1部分：火力發電》(GB/T 18916.1—2012)，該國標中對火力發電業機組單位發電量的取水量定額指標和單位裝機容量的取水量定額指標提高了限值要求。該標準頒布后，火力發電業單位發電量的用水量由2010年的0.016 m3/(kW·h)下降到2019年的0.011 m3/(kW·h)，約下降了31%，具體如圖8所示。我國各省區火力發電業用水效率如圖9所示。

圖8 2010—2019年我國火力發電業單位發電量用水量(數據來源于中國能源統計年鑒和中國電力企業聯合會)

圖9 2016年我國不同省區火力發電業單位發電量的用水量(數據來源于中國能源統計年鑒和中國電力企業聯合會)

圖9中顯示：2016年，全國火力發電業單位發電量的用水量為0.012 m3/(kW·h)；上海地區由于直流冷卻機組占比相對較高，單位發電量的用水量最大，為0.067 7 m3/(kW·h)；其次為江蘇、湖南與湖北等地區，其單位發電量的用水量分別為0.047 0、0.046 8、0.039 1 m3/(kW·h)；海南、山西、山東、河北、山西與內蒙古等地火力發電業的用水效率高?？傮w而言，北方省區火力發電業的用水效率高于全國平均水平，尤其京、津、冀地區火力發電業的用水效率遠高于全國平均水平。

2016年各省區直流冷卻火力發電與循環冷卻火力發電業單位發電量的用水量如圖10所示。圖10中顯示，直流冷卻火力發電業單位發電量的用水量遠高于循環冷卻火力發電業單位發電量用水量，全國直流冷卻火力發電業的平均單位發電量用水量為循環冷卻火力發電業的30倍左右。從全國范圍來看：就直流冷卻火力發電業而言，江蘇的用水效率最低，其次為安徽、湖北、廣東、廣西與湖南等地區，內蒙、四川、浙江與海南等地區的火力發電業用水效率較高；就循環冷卻火力發電業而言，四川省的單位循環火力發電業用水量最大，遠高于其他地區的，為0.009 m3/(kW·h)，其次為云南、貴州與吉林等地區的火力發電業用水效率較低，海南、上海與福建等地區的火力發電業用水效率較高。

圖10 2016年直流冷卻火力發電業與循環冷卻火力發電業單位發電量的用水量比較(數據來源于中國電力企業聯合會)

2.2 耗水情況

工業耗水量指在生產過程中，由于蒸發、飛散、滲漏、風吹等途徑直接消耗的各種水量、直接進入產品的水量和職工生活耗水量的總和。這部分水量從狹義上講是不能直接回收再利用的水量，一般情況下可用工業取用量減去廢污水排放量(一般由循環冷卻排污水、脫硫廢水、含油廢水、含煤廢水、排泥廢水、除灰廢水、其他工業廢水和生活污水等構成)求得[10]。根據火力發電業取新水量與廢污水排放量間接求得耗水量，結果如圖11所示。

圖11 2000—2019年我國火力發電業單位發電量的耗水率(數據來源于中國電力企業聯合會)

由圖11可以看出：火力發電業單位發電量耗水量呈下降趨勢，2000—2019年火力發電業發電量增長近3倍，但火力發電業耗水量僅增長24%；火力發電業單位發電量耗水量由2000年的4.1×10-3m3/(kW·h)下降到2019年的1.2×10-3m3/(kW·h)，約下降了71%；火力發電業的耗水率相對較高，2000年的耗水率約為75%。隨著節水技術的進步與火力發電機組的優化升級，火力發電業的用水效率不斷提高，單位產品取新水量不斷下降。隨著火力發電業廢污水治理力度的加大，火力發電業單位發電量的廢污水排放量呈快速下降趨勢，故火力發電業的耗水率呈上升趨勢，2019年火力發電業的耗水率達到96%。

不同冷卻方式不同容量等級機組單位發電量耗水量情況如圖12所示。由圖12知，火力發電業不同容量等級機組均隨著機組容量增加，單位發電量耗水量呈減少趨勢。

圖12 不同冷卻方式不同容量等級機組單位發電量的耗水情況(數據來源于中國電力企業聯合會)

3 我國火力發電業的節水潛力分析

3.1 節水潛力計算公式

火力發電業的節水潛力計算公式如下：

QS=HD0。

(1)

式中：QS為節水量，m3；H為火力發電量，kW·h；D0為單位產品節水量，m3/(kW·h)。

D0=D0現狀-D0節水。

(2)

式中：D0現狀為火電力發電業現狀單位產品取水量，m3/(kW·h)；D0先進為采取節水措施后單位產品取水量，m3/(kW·h)。

3.2 單位發電量取水量的確定

根據《中華人民共和國國民經濟和社會發展第十二個五年規劃綱要》、《中共中央國務院關于加快水利改革發展的決定》(中發〔2011〕1號)要求，為加強工業節水管理，提升工業用水效率，工業和信息化部會同水利部、國家統計局、全國節約用水辦公室編制了《重點工業行業用水效率指南》(以下簡稱《指南》)，《指南》中的火力發電業單位產品取水量指標見表1。

目前，我國火力發電業制定了《火力發電廠節水導則》(DL/T 783—2001)(修訂)、《節水型企業 火力發電行業》(GB/T 26925—2011)、電力(燃煤發電企業)行業清潔生產評價指標體系等，規定了不同冷卻方式不同容量等級機組單位發電量耗水量情況，見表2。

表1 火力發電業單位產品取水量

表2 火力發電業單位產品取水定額與指標

對比圖12與表1和表2發現：循環冷卻火力發電不同容量等級機組單位發電量取水量均沒有達到《指南》中的先進值，雖然滿足取水定額標準，但大于《節水型企業 火力發電行業》(GB/T 26925—2011)的值，甚至高于電力(燃煤發電企業)行業清潔生產評價指標體系的Ⅲ級基準值(國內清潔生產基本水平)；直流冷卻火力發電不滿足30萬kW機組單位發電量耗水量接近《指南》中的先進值，30萬kW機組與60萬kW機組單位發電量取水量均沒有達到《指南》中的先進值；直流冷卻火力發電單位發電量取水量雖然滿足取水定額標準，但高于《節水型企業 火力發電行業》(GB/T 26952—2011)中的值，甚至高于電力(燃煤發電企業)行業清潔生產評價指標體系的Ⅲ級基準值(國內清潔生產基本水平)?？諝饫鋮s火力發電不同容量等級機組單位發電量耗水量均高于《指南》中的先進值，不滿30萬kW機組與30萬kW機組單位發電量取水量高于《指南》中的平均值，僅60萬kW機組單位發電量耗水量達到《指南》中的先進值；空氣冷卻火力發電機組不同容量等級機組單位發電量取水量均在取水定額范圍內，除60萬kW機組單位發電量耗水量達到《節水型企業 火力發電行業》(GB/T 26925—2011)的要求值，其他容量機組沒達到《節水型企業 火力發電行業》(GB/T 26925—2011)的要求值?？諝饫鋮s火力發電不足30萬kW機組與30萬kW機組單位發電量耗水量大于電力(燃煤發電企業)行業清潔生產評價指標體系的Ⅲ級基準值(國內清潔生產基本水平)，僅60萬kW機組的單位發電量耗水量滿足Ⅲ級基準值要求，但不滿足Ⅱ級基準值要求。

可見，我國循環冷卻火力發電機組整體單位發電量的耗水量較高，用水效率低于國際先進水平，節水潛力巨大；直流冷卻火力發電單位發電量耗水量雖然接近到《指南》中的先進值，但低于電力(燃煤發電企業)行業清潔生產評價指標體系的Ⅲ級基準值(國內清潔生產基本水平)，節水潛力較大；空氣冷卻火力發電業僅60萬kW機組的用水效率達到國際先進水平，但沒達到國內清潔生產先進水平，但該裝機容量較少，節水潛力有限。

3.3 我國火力發電業節水潛力分析

設置3類節水情景：

1)一般節水情景：單位發電量取水量達到電力(燃煤發電企業)行業清潔生產評價指標體系中的Ⅲ級基準值。

2)強化節水情景：單位發電量取水量達到電力(燃煤發電企業)行業清潔生產評價指標體系中的Ⅱ級基準值。

3)超強節水情景：全部淘汰單機容量小于30萬kW的發電機組，單位發電量取水量達到電力(燃煤發電企業)行業清潔生產評價指標體系中的Ⅰ級基準值。

根據公式(2)和(3)計算出不同節水情景下我國火力發電業的取水量，如圖13所示。圖13中顯示：相比于現狀，一般節水情景下節水潛力為7.4億m3，比現狀取水量減少10.1%；強化節水情景下節水潛力為10.6億m3，比現狀取水量減少14.5%；超強節水情景下節水潛力為16億m3，比現狀取水量減少21.9%。

圖13 不同節水情景下火力發電業的取水量

4 結論與政策建議

4.1 結論

1)我國火力發電業的用水量呈先升后降的趨勢，取水增加量主要集中于南方和華東地區。近年來，火力發電廠用水效率大幅提高，其單位發電量的用水量由2010年的0.016 m3/(kW·h)，下降到2019年的0.011 m3/(kW·h)，下降了31%。整體而言，我國北方地區火力發電業的用水效率高于全國平均水平，尤其京、津、冀地區的遠高于全國平均水平。循環冷卻水力發電不同容量等級機組單位發電量耗水量均沒有達到《指南》中的先進值水平，雖然滿足取水定額標準，但高于《節水型企業 火力發電行業》(GB/T 26925—2011)的要求值，甚至高于電力(燃煤發電企業)行業清潔生產評價指標體系的Ⅲ級基準值(國內清潔生產基本水平)，節水潛力巨大。直流冷卻水力發電單位發電量耗水量雖然接近《指南》中的先進值，但高于電力(燃煤發電企業)行業清潔生產評價指標體系的Ⅲ級基準值(國內清潔生產基本水平)，節水潛力較大?？諝饫鋮s火力發電業僅60萬kW機組的用水效率達到國際先進水平要求，未達到國內清潔生產先進水平要求。

2)我國火力發電業一般節水情景下的節水潛力為7.4億m3，強化節水情景下的節水潛力為10.6億m3，超強節水情景下的節水潛力為16.0億m3。

4.2 政策建議

1)完善法規建設，形成火力發電業發展的剛性約束機制。遵循《中華人民共和國循環經濟促進法》、《中華人民共和國清潔生產促進法》、原國家經貿委等部委頒布的《國家重點行業清潔生產技術導向目錄》(第一批、第二批、第三批)、《國家節水行動方案》、《工業企業用水管理導則》、《關于加強重點監控用水單位監督管理工作的通知》、《中國節水技術政策大綱》與地方適應性的相關產業發展政策等要求，制定促進節水技術發展的法規和政策，逐步建立和完善節水政策法規體系，形成火力發電業粗放發展的剛性約束機制。

2)由表1和表2分析結果可知，火力發電機組裝機容量越大，單位發電量用水量越少，關停淘汰落后機組和優化發展大容量火力發電機組可明顯提高火力發電業用水效率。根據中國電力企業聯合會資料，關停20萬kW高能耗小機組，按平均每千瓦時4×10-3m3耗水量計，火力發電業單位發電量耗水量將下降0.05×10-3m3/(kW·h)左右；若新增火力發電裝機，原則上采用60萬kW及以上超臨界機組，新建機組水耗若全部達到世界先進水平要求，單位發電量平均耗水量將下降0.984×10-3m3/(kW·h)。

3)應用先進循環冷卻節水技術可顯著提高火力發電業的節水潛力，如應用高濃縮倍率運行技術、電化學技術和膜處理技術等。若1 000 MW火力發電機組循環冷卻水濃縮倍率從2提高到3，節水量可達到800～1 000 m3/h[11]。

4)建立火力發電業節水型標桿企業，樹立一批火力發電節水型企業示范典型，總結推廣節水型火力發電企業的成功經驗，促進火力發電企業節水。