未来20年我国火力发电用水情况预测分析

2013-08-08车德竞孟洁陈永辉李鹏飞魏高升

电力建设 2013年8期

车德竞，孟洁，陈永辉，李鹏飞，魏高升

(1.中国电力科学研究院，北京市 100192;2.电站设备状态监测与控制教育部重点实验室(华北电力大学)，北京市 102206;3.中电投东北电力有限公司，沈阳市 110181)

0 引言

近年来，随着国民经济的快速发展，我国水资源供需矛盾越来越突出。我国是以火力发电为主的国家，截止2010年底，我国发电设备装机容量为96 641.3万kW，同比增长10.56%，其中火电为70 967.21万kW，约占总容量的73.4%［1］，即便在国家鼓励新能源发电和核能发电的背景下，火力发电仍将长期处于主导地位。火力发电企业是用水和排水大户，就全国电力工业而言，火电取水量占全国工业取水量的40%［1］，我国火电厂平均装机耗水率比国际先进水平高40%～50%［2］。随着我国水资源的日益紧张和对环境保护要求的提高，火力发电所面临的水资源问题和环境问题日益突出［2-5］，积极推广和应用火力发电节能、节水技术是解决上述问题，促进国民经济可持续发展的有力保证。本文在对国内火电机组用水情况和节水技术进行充分调研的基础上，对未来我国火电机组的用水情况进行预测，供制定我国电力工业的发展规划、策略参考。

1 我国电力需求预测

电力与经济关系密切，一方面，经济发展是电力发展的内在动力，经济发展带动电力发展;另一方面，电力是保证经济发展的物质基础，电力发展促进经济发展，二者增长势头具有很强的相关性。因此，要对未来火电厂用水需求作出预测，就必须和经济、电力负荷增长挂钩，依靠发电量来估算。图1 为我国2006—2010年GDP 总量、用电量、发电量、火力发电量及各自增长率的关系［6-15］。

图1 2006—2010年GDP 总量和用电量、发电量的关系Fig.1 Relationship between GDP and electricity consumption，power generation from 2006 to 2010

由图1 可知，2006—2010年，各年的GDP 总量分别为21 200，25 700，30 700，34 100，40 100亿元;2006—2010年，各年的用电量分别为28 358，32 565，34 379，36 598，41 998亿kW·h;2006—2010年，各年的发电量分别为28 499，32 644，34 510，36 811，42 277亿kW·h;2006—2010年，各年的火力发电量分别为23 742，27 207，28 029，30 116，34 166亿kW·h。

图1 表明我国GDP 总量和用电量相互关联，两者增长趋势基本相同，2008年经济增长率稍有下降;而火力发电占整个发电量的80%，其增长速度仍很强劲。

为了使电力需求预测更准确，本文依据其与经济之间的量化关系，通过预测经济的增长趋势而得出电力需求预测值，电力与经济之间的量化关系体现在电力消费弹性系数概念上。所谓电力消费弹性系数，是指某一时期内电力消费量年平均增长率与同一时期国内生产总值(或国民生产总值)年均增长率的比值，它是反映电力增长速度与国民经济发展速度关系的一项综合指标。电力消费弹性系数=电力消费量年平均增长速度/国民经济年平均增长速度。表1 为近几年我国电力消费弹性系数［11-15］。

表1 近几年我国电力弹性系数Tab.1 Electricity elasticity coefficients in recent years

近几年来，我国的经济增速和电力消费增速均有所加快，电力弹性系数多数在1 上下变化。2008年及2009年的弹性系数降低很多，主要因为2008年下半年工业特别是重工业生产放缓，导致用电明显放缓。参考发达国家的水平，从长期来看，该系数保持在0.8～1.2 是比较正常的水平，但由于我国发展正处于重工业化阶段，工业(特别是高耗电行业)保持快速发展，因此决定了我国电力消费系数将处于一个比较高的水平。在以下预测分析中，设定弹性系数在2013—2015年为1.2，2016—2020年降低到1，2021—2030年降低到0.8，达到发达国家先进水平。

鉴于我国基本国情和政策，即2020年全面实现“小康”，本文预测国内生产总值在2013—2015年增速为8%，2015—2020年增速为7%，2021—2030年增速为5%。以此为基础，通过电力消费弹性指数推导出电力消费增长率，从而再进行发电量和用电量的预测。未来20年我国用电量预测结果如表2 所示，依此发展速度，到2030年我国用电量是2010年的3.3 倍，增长速度惊人。

表2 未来20年我国用电量预测Tab.2 Electricity consumption prediction in next twenty years

目前我国火力发电量占整个发电量的80%，这无疑对环境和资源造成了巨大的压力。因此，未来我国应大力发展清洁能源，逐步加大可再生能源的比例。在现有的能源消费结构中，水力发电占总发电量的17.4%，在没有重大自然灾害的情况下，我国的水力发电将以17.4%为基础逐步增加比例［16］。对于核电，虽受到日本福岛核电站事故的影响，放慢发展速度，但并不能改变其增长的发展趋势。规划到2015年，核电装机容量达到4 294万kW;2020年达到9 000万kW，占整个发电量的4.3%;2030年达到2亿kW，占总发电量的8.5%［17］。风力发电近年来发展也很迅速，按照国家风电发展规划，到2020年，我国风电装机容量有望达1.5亿kW，到2050年将形成3亿～5亿kW 的装机能力［18］。据上述分析，到2030年我国发电行业的结构形式如表3 所示。表3表明，未来20年火力发电仍会有较大幅度的增加，2030年火力发电量是2010年的2.7 倍。

表3 未来20年我国发电结构形式预测Tab.3 Power structure prediction in next twenty years

2 我国火力发电用水预测

2.1 不同冷却方式火电厂用水分析

火力发电用水包括两大部分，即生产用水和生活用水。生产用水主要包括热力系统用水、冷却系统用水、水力除尘除渣系统用水和烟气脱硫系统用水等;生活用水主要包括生活系统用水和消防系统用水及厂区杂用水等。

关于火力发电厂的水耗有2个重要概念:装机水耗和发电水耗。装机水耗是指用于发电生产的新鲜水总取水量与装机容量的比值，对于已经运行的发电厂，无实际意义;发电水耗是指用于发电生产的新鲜水总取水量与总发电量的比值。火力发电各部分水耗所占比例与机组形式又有很大关系，典型火力发电厂中各部分水耗所占比例如图2 所示。

图2 典型火电厂用水消耗分类及各部分所占比例Fig.2 Classification and proportion of water usage in typical thermal power plants

图2 表明火电厂消耗水量最大的系统为冷却系统，欲对火电厂用水进行预测，需要对该系统深入研究，并分析各种冷却方式下的单位耗水率和装机水耗。

对于循环冷却火电机组，从统计资料来看，节水较好的机组，其单位发电量耗水率可达3.6 kg/(kW·h)以下，装机耗水率可达0.8 m3/(s·GW);节水较差的机组，其单位发电量耗水率高达11.2 kg/(kW·h)，装机耗水率达2.5 m3/(s·GW)。

对于直流冷却火电机组，由于无蒸发、风吹和排污等损失，其耗水量比循环冷却机组少得多，是节水型火力发电的一种重要类型。从统计资料来看，节水较好的直流冷却火电机组，其单位发电量耗水率可达0.65 kg/(kW·h)，装机耗水率可达0.15 m3/(s·GW);节水较差的机组单位发电量耗水率可达5 kg/(kW·h)，装机耗水率达1.0 m3/(s·GW)。必须说明的是，直流冷却机组需要厂区附近有充足的水源，1 台装机容量为1 000 MW 的火电机组，采用循环冷却方式取用水量为0.6～1 m3/s，若采用直流冷却方式取用水量为35～40 m3/s［19］，后者用水量惊人。

滨海地区的机组，多数利用海水作为循环水或辅机冷却水，这样可减少淡水消耗量。例如华能大连电厂2 台350 MW 火电机组使用海水冷却凝汽器及水热交换器并将其排水串联使用(冲灰)，其余用水为淡水。即化学用水、工业用水和生活用水使用淡水，总耗水量很小，只有204 m3/h［19］。

对于空冷机组，耗水率与同容量的直流冷却火电机组大体相当，节水效果显著。

通过以上分析，可得不同类型机组的耗水情况(取平均值)，如表4 所示。

表4 各冷却方式机组单位发电量耗水和取水Tab.4 Water consumption and water intake quality per kW·h for different cooling method

2.2 我国火力发电用水方案

在以上分析的基础上，提出5 种可能性的发展方案，据此对2013—2030年我国火力发电用水作出预测，以寻求最经济的耗水率方案。

方案1:维持现有模式，新建机组与在运机组均与现有用水和冷却模式成比例。

方案2:作一般性调整，所有新建机组使用淡水并采用循环冷却方式，其他部分与现有用水情况对应成比例。

方案3:加大超临界和亚临界机组建设力度，每年的新建机组中超临界机组占总量的40%，亚临界机组占30%;新建机组都采用淡水循环冷却方式。

方案4:滨海地区的新建火电机组均采用海水直接冷却方式，占总发电量的10%，其余新建机组使用淡水循环冷却方式，其他部分与现有用水情况对应成比例(不考虑超临界和亚临界机组，假设与2008年的机组类型完全相同)。

方案5:20%的新建机组采用空冷技术，其余新建机组采用循环冷却方式，滨海地区的新建火电机组均采用海水直接冷却，其他部分与现有用水情况对应成比例。

按照上述各种方案，以2008年为基准(按照现有比例，2008年单位发电量的取水是25.64 kg/(kW·h)，单位发电量耗水率为2.63 kg/(kW·h))，计算未来20年不同方案下的火力发电取水量和耗水量预测值，计算结果如图3 所示。

图3 未来20年我国火力发电取水量和耗水量预测Fig.3 Water consumption and water intake prediction of thermal power generation in next twenty years

分析结果表明，由于直流冷却方式在国内大量存在，使火电机组取水量十分惊人，而我国是个淡水资源比较匮乏的国家，除部分地区外，大部分地区达不到这样的取水要求。因此，为了进一步降低取水量，节约淡水资源，未来应逐步减少这种直流冷却方式，因此方案1 基本不可能在我国出现。

和直接冷却方式相反，循环冷却方式的取水量要小得多，在我国很多地区，特别在北方地区应用比较广泛，缺点是耗水量相对较大。方案2 显示了最极端的耗水情况，虽然大大减少了取水量，却显著增加了耗水量。

方案3 通过改变机组的发电形式和冷却方式，增加超临界和亚临界机组建设，一方面提高了发电效率，减少了煤耗，另一方面减少了单位水耗(相比方案2 可以看出)，这种技术会在未来得到运用。

方案4 利用海水冷却，这是解决水资源短缺问题的好办法，它的耗水量只有淡水直流冷却的40%，甚至更低，取水基本等于耗水，实现了冷端损失为“0”。此方案只要突破冷却材料方面的障碍，在未来也会慢慢得以实施。

方案5 提出了采用空冷技术，空冷技术是解决我国北方地区缺水情况的最有效措施。近年来新建机组基本上都采用了空冷技术，其取水和耗水都相当低，实施建设也较为容易，但是技术要求稍高些，耗煤量稍大，电厂占地面积也会大些，发展并不像想象中那么快。随着技术的进步，空冷机组在我国乃至全世界都会受到青睐。

3 结语

本文通过对近年我国经济发展现状和电力结构特点的分析、研究，采用电力弹性系数估测了我国未来20年的电力需求情况，基于5个火力发电可能性发展方案，对未来20年火电厂用水情况进行了预测、分析。研究表明，无论采用哪种方案(除方案1)，在目前的技术水平下，虽然火力发电的取水量增加不是很大，但耗水量的增加量非常惊人，这给未来的资源和环境问题带来很大的挑战。在未来的火力发电发展中，除逐渐减少直流冷却方式，加快发展亚临界、超临界和超超临界机组，加强滨海地区海水直接冷却技术的应用，大力实施空冷技术等之外，我国还应加大节水型技术的开发和规模化应用力度，从而在保护淡水资源的同时，促进我国电力工业的健康发展。

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［6］中华人民共和国统计局.2007 中国统计年鉴［M］.北京:中国统计出版社，2007.

［7］中华人民共和国统计局.2008 中国统计年鉴［M］.北京:中国统计出版社，2008.

［8］中华人民共和国统计局.2009 中国统计年鉴［M］.北京:中国统计出版社，2009.

［9］中华人民共和国统计局.2010 中国统计年鉴［M］.北京:中国统计出版社，2010.

［10］中华人民共和国统计局.2011 中国统计年鉴［M］.北京:中国统计出版社，2011.

［11］《中国电力年鉴》编辑委员会.2007 中国电力年鉴［M］.北京:中国电力出版社，2007.

［12］《中国电力年鉴》编辑委员会.2008 中国电力年鉴［M］.北京:中国电力出版社，2008.