王小军，张 旭，冯 杰，尚熳廷，刘永刚，郑 皓

（1.南京水利科学研究院水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，210029，南京；2.水利部应对气候变化研究中心，210029，南京；3.中国水利水电科学研究院，100038，北京；4.合肥工业大学，230009，合肥；5.陕西省水利厅，710004，西安）

陕北煤电基地主要用水系统与节水技术研究

王小军1，2，张 旭1，2，冯 杰3，尚熳廷4，刘永刚5，郑 皓1，2

（1.南京水利科学研究院水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，210029，南京；2.水利部应对气候变化研究中心，210029，南京；3.中国水利水电科学研究院，100038，北京；4.合肥工业大学，230009，合肥；5.陕西省水利厅，710004，西安）

在分析陕北煤电基地开发现状的基础上，梳理煤电开发涉及的生产用水和生活用水过程，提出适应陕北煤电基地开发在冷却系统、脱硫系统、输灰除渣系统等方面可采用的25项主要节水技术，为提高水资源利用效率、加快构建水安全保障体系提供参考。

水资源管理；陕北煤电基地；节水；需水管理

陕北煤电基地位于黄河中游陕甘宁晋蒙五省（自治区）接壤地带，是我国现代化大型煤电外送基地建设的核心区域。近年，陕北煤电基地建设开发步伐不断加快，基地内黄河重要一级支流窟野河出现断流，我国最大沙漠淡水湖红碱淖面临干涸等一系列生态环境问题，引起社会各界对煤电开发中水资源管理与保护问题的关注，迫切要求加快制定科学的水资源规划，尽早形成高效节约的用水模式。为此，在摸清陕北煤电基地开发现状的基础上，分析煤电基地开发涉及的生产用水和生活用水过程，梳理可采用的主要节水技术，为提高水资源利用效率、加快构建水安全保障体系提供参考。

一、陕北煤电基地概况

陕北煤电基地包括神府、榆神、榆横3个煤电基地，涉及府谷、神府、榆神、榆横4个矿区，总面积27 338 km2。根据陕北煤电基地发展规划，到2020年基地将新增火电装机容量35 300 MW，成为我国现代化大型煤电外送基地建设的重要组成部分。但基地所处陕北风沙滩区，多年平均降水不足400 mm，部分闭流区径流深仅 25 mm，基地内水资源极为短缺。同时受区内河流含沙量大、生态环境恶劣等因素影响，生态环境极为脆弱。加之现有工程调蓄、调控能力低，水资源开发利用难度大。

二、基地主要用水系统及组成

1.生产用水

①冷却系统用水。电厂冷却系统有汽轮机冷却系统和辅机冷却系统等，各系统间的设备投资、冷却工艺等存在差异。通常因冷却方式不同分直流冷却和循环冷却。其中，直流冷却系统冷却水没有循环使用，导致用水量大，不适于西北缺水地区。循环冷却系统分敞开式循环冷却系统和闭式循环冷却系统。空冷系统分为混合式凝汽器间接空冷系统、表面式凝汽器间接空冷系统和直接空冷系统。目前基地内有循环冷却水系统和空气冷却系统两类，冷却水用量较大。

②烟气净化系统用水。烟气净化包括脱硫、脱氮和除尘。烟气脱硫主要有湿法、干法和半干法工艺，其中湿法与半湿法脱硫是烟气净化系统主要耗水环节。通常在脱硫系统运行中，由于水分蒸发和石膏产品带走结晶水和游离水造成耗水。此外，烟气粉尘和HF、Hg等杂质被吸收到脱硫母液中，增加脱硫系统水量消耗。脱硫工艺用水由烟气带走的饱和水蒸气、脱硫石膏带走的结晶水和游离水、排放的脱硫废水等组成。

③输灰除渣系统用水。煤粉在锅炉内燃烧产生的固体废渣由灰、渣排出。一般采用电除尘去除烟气，通过水力输灰或气力输灰脱除粉尘。水力输灰以水为载体，将粉煤灰脱除后输送到灰场。气力输灰以空气为载体，借助压力设备输送粉煤灰，包括除灰空压机冷却用水、干灰加湿用水和干灰场喷洒用水。对于水力输灰、水力除渣，主要有水力冲灰用水、水力除渣用水、渣场冲洗用水、灰场降尘用水等；对于气力输灰、水力除渣，主要有冲渣用水、外运干灰增湿用水和灰渣场冲洗用水等。输灰除渣系统用水由灰渣水运行温度、现场气候条件、设备运行状况等确定。

④运煤系统用水。电厂运煤系统本身不用水。电厂在正常运行中，为防止输煤系统产生扬尘及保持良好的工作环境，除采用防尘设施外，要定时对输煤栈桥、转运站、煤仓间、磨煤机室等进行水冲洗或对堆煤场进行喷洒，增湿降尘等。运煤系统用水属间隙性用水，瞬间用水量大，产生的含煤废水悬浮物含量高，经絮凝、沉降后可重复利用。

⑤锅炉补给水系统用水。为保证锅炉安全运行，需定期或连续排出部分炉水，补充除盐水。锅炉补给水处理是将普通工业水处理为锅炉需要的除盐水。在此过程中，水量消耗包括补给锅炉用水和交换树脂再生产的废水。

2.生活系统用水

电厂生活用水包括职工生活用水（饮用、洗涤、淋浴等）、冲洗及绿化用水（冲洗地面、冲洗设备、浇洒绿地等）、公共建筑用水、部分生产用水（化验室用水等）和未预见用水。生活、消防给水设计应在符合国家及有关部门现行有关标准、规范规程的基础上合理确定。

三、基地开发管理中的主要节水技术

1.冷却系统节水技术

陕北煤电基地属富煤缺水地区，应推广直接空气冷却技术或间接空气冷却技术来排除废热，对已建成的循环水冷机组，可加快技术改造；或通过循环冷却水系统加酸提高浓缩倍率等技术促进节水。具体包括：

①直接空气冷却技术。将汽轮机排出的乏汽，由管道引入空冷凝汽器的钢制散热器中，通过与空气直接换热后冷却为凝结水，直接减少常规二次换热的中间冷却介质，同时无表面蒸发，节水效果显著。空冷机组的正常耗水量为0.1 m3/（s·GW），最低为0.06 m3/（s·GW），仅为普通湿冷机组的1/10～1/6。

②间接空气冷却技术。循环水进入表面式凝汽器的水侧通过表面换热，冷却凝汽器汽侧的汽轮机排汽，使凝结水经泵送至汽轮机回热系统。受热后的循环水进入空冷塔，通过空冷散热器与空气进行表面换热，循环水被空气冷却后通过循环水泵升压再返回凝汽器，构成密闭循环，水质控制和处理容易，且塔内空间大，优势十分突出。

③循环冷却水系统提高浓缩倍率技术。采用循环水系统加酸、MET微电解循环等技术提高浓缩倍数。循环水系统加酸提高循环水浓缩倍率技术是向水体加酸防止循环水浓缩时析出碳酸钙；MET微电解循环水处理技术设计出对水系统进行阻垢、防腐、杀菌的微电解反应器，消除了传统药剂对水体的污染。

④循环水泵运行方式调节技术。通过机组试验和测算比较补水量、真空度、循环泵单耗等参数后，综合确定循环水泵运行方式，做到合理取水。

⑤辅机冷却水变频温差控制技术。通过温差控制，实现精确控制辅机循环冷却水流量，在满足生产要求下有效减少自然蒸发。

⑥循环水余热利用技术。通过对低压缸进汽量,供热抽汽量,机组循环水和热网循环水温度、流量、不同工况等进行比选，确定热泵容量选型与二次加热、尖峰调节的匹配方式。

⑦辅机循环冷却水热量利用技术。把辅机循环冷却水回水 （20℃～28℃）引入板式换热器加热化学生水，满足化学生水加热的要求（约22℃），既充分利用热能又有效避免水耗。

⑧内源循环低温蒸发技术。利用蒸汽压缩系统前端微真空条件实现低温蒸发，同时利用压缩系统前后端压力和温差，实现蒸汽能量循环利用。

⑨循环冷却排污水再生技术。将剩余循环冷却水系统排污水作系列处理，用于锅炉补给或其他用水。

2.脱硫系统节水技术

基地内烟气脱硫目前仍以石灰石/石灰—石膏法为主，水耗相对较高。应按照《火电厂大气污染物排放标准》（GB 13223），加快对脱硫工艺、脱硫废水处理进行改造。具体要点为：

①干法脱硫工艺。使用固相粉状或粒状吸收剂、吸附剂或催化剂，在干燥状态下与SO2反应，并在干态下处理或再生脱硫剂。脱硫产物为干态，工艺流程简单、节水潜力巨大，但脱硫效率及脱硫剂利用率低、对干燥过程控制要求高，实际中应用较少。

②烟气循环流化床法加烟气水回收技术。通过石灰石加水消化为氢氧化钙，与压缩空气混合后喷入吸收塔内，延长吸收剂与烟气接触时间，实现高效脱硫。烟气循环流化床工艺综合水耗仅为湿法脱硫的50%～60%。

③低温烟气脱硫技术。将入塔前烟温与凝结水经处理出口水进行热交换，以降低入塔烟温，间接减少系统补水量。

④脱硫废水处理回用技术。脱硫废水主要来自石膏脱水和清洗系统，为粉尘和脱硫产物。经中和、重金属沉淀、絮凝反应、澄清等工艺后，实现达标排放或送至灰场冲灰。

3.输灰除渣系统节水技术

基地应首选干式除灰渣工艺，并对浓缩池、沉灰渣池、渣脱水仓系统的澄清水和锅炉排渣装置的溢流水在满足除灰用水要求下进行循环使用。

①气力输灰技术。将空气与灰混合，借助空气流动将其输送至卸灰处，再经收尘装置将气灰分离，灰经排灰装置被送入灰库，进而节约冲灰水。

②干除渣技术。依靠炉膛压差吸入作用，少量空气通过除渣机壳体吸入口进入排渣机内部冷却炉渣，同时提供高温炉渣未燃尽碳继续燃烧所需氧气，系统简单，技术改造投资低。

③底渣水系统闭式循环改造技术。把省煤器水冷式圆顶阀改为陶瓷阀（无需冷却水），将渣水循环泵出口管道接至捞渣机水封槽，代替开式补水。

④冲灰水回用处理技术。涉及冲灰水中悬浮物、氟处理等技术。冲灰水中悬浮物去除技术采用灰格串联运行，有效增加冲灰水在灰场停留时间，降低外排冲灰水悬浮物；冲灰水中氟处理技术采用粉煤灰处理含氟废水，环境效益显著。

4.运煤系统节水技术

运煤系统用水主要来自辅机冷却水排污、脱硫系统废水回用及自身循环利用，基本不取新水。应加强系统排污水的处理回用，如含煤废水处理回用等技术；同时可通过收集雨水，经处理后用于输煤栈桥、转运站等地面冲洗水。

5.锅炉补给水系统节水技术

锅炉补给水系统耗水用于补充系统蒸汽消耗和排污损失。可通过冷凝水、蒸发水汽的回收利用技术减少锅炉补给用水；系统排水可经处理后回用，其中锅炉补给水处理系统的反冲洗排水悬浮物含量较高，含盐量低，处理后可作为循环水系统补给水或其他工业用水，同时可通过高温凝结水除铁回收利用技术实现高温凝结水回收利用。

6.生活用水系统节水技术

加强生活用水管理，做到计量用水，对公共浴室、食堂、卫生间等场所采用节水型器具；生活污水经处理合格后回收用于绿化、除灰等；经深度处理后可作为循环冷却水的补充水。

7.基地取水环节节水技术

①空冷机组工业取水处理技术。电厂供水应优先利用矿井水、再生水，不足部分取用地表水，严禁取用地下水作为生产用水。目前，基地部分电厂水源仍为从黄河取水，应进一步加强废污水处理与回用。

②城市再生水利用技术。城市再生水处理回用系统主要有生化处理单元和超滤膜过滤单元。生化处理单元通过培养生物膜，进而氧化、硝解水体污染因子；超滤膜过滤单元则通过负压抽吸截留颗粒物；滤池为超滤单元进水提供保障。

③矿坑排水利用技术。按“清污分流、分质处理，分级应用”原则，对矿坑排水分类处理。对基本未受污染的矿坑水，可在井下涌水水源附近拦截汇聚，通过专用管道引至井底，再经水泵排至地表直接利用；含悬浮物的矿坑水经混凝、沉淀、过滤及消毒杀菌后可作生活饮用水及生产用水；高矿化度的矿坑水经混凝、沉淀，再以电渗法脱盐深度处理后可作循环冷却水等；酸性矿坑水经酸碱中和法处理后可作工业用水或灌溉用水；含特殊污染物的矿坑水处理后达标排放。目前，基地内已有大柳塔、银河上河、锦界、榆横电厂一期等电厂利用矿坑水，在基地开发中具有重要的潜力。

8.基地管理与节水政策

①“上大压小”产业政策。根据《产业结构调整指导目录》，非热电联产的新建电厂应使用单机容量60万kW及以上超临界机组。以空气冷却机组为例，单机容量小于300MW的机组单位装机容量取水量为0.23 m3/（s·GW），单机容量300 MW级的机组单位装机容量取水量为0.15 m3/（s·GW）。经测算，榆林市现有单机容量300 MW及以下火力发电机组全部更改为单机容量600 MW级及以上机组，可降低单位装机容量取水量约40%，节水潜力巨大。

②水务在线管理技术。在关键用水系统安装流量计、压力变送器、溢流开关等设备，实现水量在线监测；对溢流和废水外排在线监控。正常运行中自动计算各种损耗，发生异常时发出报警提醒，提高管理水平。 ■

[1]中国科学院地理科学与资源研究所，陆地水循环与地表过程重点实验室.噬水之煤：煤电基地开发与水资源研究[M].北京：中国环境科学出版社，2012.

[2]Wang Xiaojun,Zhang Jianyun,Liu Jiufu,etc.Water resources planning and managementbased on System Dynamics:A case study of Yulin city [J]. Environment, Development and Sustainability,2011,13（2）.

[3]王小军，张建云，刘九夫，等.以榆林市工业用水为例谈西北干旱地区需水管理战略[J].中国水利，2009（17）.

[4]李井峰，熊日华.煤炭开发利用水资源需求及应对策略研究[J].煤炭工程，2016（7）.

[5]周岚.浅谈火力发电厂密闭式循环冷却水系统的应用和设计[J].山东工业技术，2015（2）.

责任编辑 轩 玮

Studies on water-consuming system and water-saving technologies for coal and electricity bases in northern Shaanxi

Wang Xiaojun,Zhang Xu,Feng Jie,Shang Manting,Liu Yonggang,Zheng Hao

Industrial and domestic water usage for coal development are evaluated based on analysis on current situation of coal and electricity bases in North Shaanxi.There are 25 key water-saving technologies that can be applied to coal development in North Shaanxi,including cooling and desulfurization as well as ash-slag disposal systems,which can improve water use efficiency and contribute to water security mechanism.

water resources management;coal and electricity bases in northern Shaanxi;water-saving;water demand management

TV213.9

A

1000-1123（2017）09-0012-03

2016-08-10

2017-04-12

王小军，副主任，教授级高级工程师，主要从事水资源规划与管理研究。

国家自然科学基金（项目编号：51309155）；中国工程院重大咨询项目专题（专题编号：2016-ZD-08-05-02）；中央分成水资源费（项目编号：1261530210034；1261530210042）；中央财政水资源节约、管理与保护项目（项目编号：126302001000150001）；水文水资源与水利工程科学国家重点实验室基本科研业务费专项资金项目（项目编号：Y515023）资助。