全康環(huán)保:摘要：對煤電機組現有較為成熟的節水技術(shù)進(jìn)行分析，研究最新節水技術(shù)的耗水量，評價(jià)新節水技術(shù)的可行性和適用性，對不同容量機組采用常規節水方案和深度節水方案進(jìn)行耗水指標和耗水量的研究與分析，給出不同容量機組的耗水量及耗水指標，為制定電力行業(yè)節水政策、保證電力產(chǎn)業(yè)與水資源協(xié)調發(fā)展提供決策依據和技術(shù)支撐。

關(guān)鍵詞：煤電機組;節水技術(shù);耗水指標;

0 引言

水資源作為基礎性的自然資源和戰略性的經(jīng)濟資源，在保障社會(huì )可持續發(fā)展、維系生態(tài)平衡與和諧環(huán)境方面發(fā)揮著(zhù)重要作用。2019年，國家發(fā)展改革委、水利部聯(lián)合印發(fā)了《國家節水行動(dòng)方案》(發(fā)改環(huán)資規〔2019〕695號)，提出“節水優(yōu)先、空間均衡、系統治理、兩手發(fā)力”的新時(shí)期治水方針，并明確提出近遠期有機銜接的總體控制目標。電力工業(yè)作為國民經(jīng)濟基礎產(chǎn)業(yè)和重要能源行業(yè)，同時(shí)也是工業(yè)用水大戶(hù)，水資源節約與綜合利用是電力工業(yè)可持續發(fā)展的一項重要而緊迫的任務(wù)。我國煤電基地普遍位于水資源緊缺地區，水資源本底條件較差，水資源條件對區域社會(huì )經(jīng)濟發(fā)展的約束較為顯著(zhù)，對電廠(chǎng)用水量和耗水指標要求愈發(fā)嚴格。因此，水資源節約與綜合利用是我國煤電基地可持續發(fā)展的一項必不可少且緊迫的戰略性任務(wù)，在煤電基地采用高效節水技術(shù)，達到國際先進(jìn)耗水定額標準勢在必行。

1 煤電機組節水現狀

1.1 2×660 MW循環(huán)冷卻濕冷機組用水量分析

以2×660 MW循環(huán)冷卻濕冷機組采用常規設計為例對燃煤電廠(chǎng)各系統的耗水量進(jìn)行統計分析，其中主機系統采用循環(huán)冷卻系統，脫硫系統采用濕法脫硫技術(shù)，除灰系統采用干式除灰技術(shù)，除渣系統采用濕除渣技術(shù)。濕冷機組各系統耗水量統計見(jiàn)圖1。

從圖1可以看出，在循環(huán)冷卻濕冷機組中耗水量大的系統為循環(huán)水系統、脫硫系統、除灰渣系統，分別占到總耗水量的84%、6%和3%。

1.2 2×660MW空冷機組用水量分析

汽輪機排汽空冷技術(shù)是指采用翅片管式的空冷凝汽器或散熱器，利用環(huán)境空氣來(lái)冷卻、凝結汽輪機乏汽的冷卻技術(shù)。汽輪機排汽空冷技術(shù)是火力發(fā)電廠(chǎng)重大節水技術(shù)，節水效果顯著(zhù)。以2×660 MW空冷機組采用常規設計為例對燃煤電廠(chǎng)各系統的耗水量進(jìn)行統計分析，其中輔機冷卻水系統采用濕冷系統，脫硫系統采用濕法脫硫技術(shù)和煙氣余熱利用技術(shù)，除灰系統采用干式除灰技術(shù)，除渣系統采用干式除渣技術(shù)?？绽錂C組各系統耗水量統計見(jiàn)圖2。

從圖2可以看出，在空冷機組中耗水量大的系統為脫硫系統、化學(xué)系統、除灰渣系統、輔機濕冷系統，分別占到總耗水量的39%、16%、15%和12%。

空冷機組沒(méi)有循環(huán)冷卻系統中冷卻塔的蒸發(fā)、風(fēng)吹和排污損失，耗水量從濕冷機組的2480 m3/h下降到空冷機組的380 m3/h，下降了約85%。由此可見(jiàn)，汽輪機排汽空冷技術(shù)是最有效的節水技術(shù)。

1.3 其他常規節水技術(shù)

除了汽輪機排汽空冷技術(shù)以外，還有污廢水回用技術(shù)、干式除灰技術(shù)、干式除渣技術(shù)、煙氣余熱利用技術(shù)等節水技術(shù)。項目在規劃設計階段需要科學(xué)應用節水技術(shù)，通過(guò)加強水務(wù)管理，理順梯級用水流程，實(shí)現節水減排。

2 深度節水方案

2.1 輔機冷卻水空冷系統

輔機冷卻水空冷系統是指冷卻水在閉式系統中通過(guò)輔機循環(huán)水泵將水送到輔機設備，經(jīng)過(guò)熱交換的熱水進(jìn)入空冷散熱器中，直接利用環(huán)境空氣冷卻降溫后再回到輔機循環(huán)水泵，通過(guò)輔機循環(huán)水泵進(jìn)行循環(huán)使用。

輔機冷卻系統采用空冷方式，按建設2×660 MW空冷機組測算用水量(氣象條件：夏季頻率10%，氣溫30 ℃)，比輔機冷卻水采用濕冷系統節水45 m3/h，約占全廠(chǎng)總耗水量的12%。

輔機冷卻水空冷系統已被普遍采用，且有多年運行經(jīng)驗。尤其在水資源供需矛盾突出地區，輔機冷卻水空冷系統可以進(jìn)一步節約用水，降低耗水指標。

2.2 煙氣提水技術(shù)

煙氣提水技術(shù)是指在脫硫吸收塔后增設煙氣冷凝塔，脫硫吸收塔排出的飽和凈煙氣通過(guò)冷凝塔降溫、凝結并回收煙氣中的部分水分，回收水用于脫硫系統補水，實(shí)現節水目的。該系統工藝可行、設備成熟、運行可靠，國內首臺火電機組煙氣提水系統于2019年在內蒙古某電廠(chǎng)成功應用，運行情況良好。

實(shí)施煙氣提水技術(shù)可降低機組耗水量，符合國家產(chǎn)業(yè)政策，有較好的社會(huì )效益和環(huán)境效益。該技術(shù)不但可以在新建項目上采用，還可以應用在機組脫硫改造項目上。

2.3 活性焦干法煙氣脫硫技術(shù)

活性焦干法脫硫工藝是以活性焦為吸收劑，利用活性焦內部豐富的孔隙以及表面的官能團、極性氧化物、具有缺陷的C原子，在物理吸附和化學(xué)吸附的雙重作用下將SO2、Hg、As等眾多污染物固定在活性焦內達到凈化煙氣的目的?；钚越垢煞摿蜻^(guò)程中不消耗水，可一次性去除多種污染物。

根據測算，2×660 MW空冷機組采用活性焦干法煙氣脫硫技術(shù)后，耗水量?jì)H為3～7 m3/h，比無(wú)煙氣換熱器的濕法脫硫減少95%的水量，是節省水量較為顯著(zhù)的脫硫工藝。

采用活性焦干法脫硫技術(shù)投資較高，經(jīng)濟性較差，雖不增加電廠(chǎng)本身用水量，但上下游產(chǎn)業(yè)的總用水量會(huì )增加，因此該技術(shù)適宜應用在有配套上下游產(chǎn)業(yè)的地區。

2.4 褐煤干燥乏氣水回收技術(shù)

褐煤干燥乏氣水回收技術(shù)是在以高水分褐煤為燃料的火電廠(chǎng)，采用褐煤干燥提質(zhì)及回收技術(shù)回收乏氣水，常用的包括爐煙干燥及水回收風(fēng)扇磨倉儲式制粉系統的褐煤提水技術(shù)、蒸汽滾筒干燥機集中預干燥及水回收的褐煤提水技術(shù)、蒸汽管回轉式干燥機磨前預干燥及水回收的褐煤提水技術(shù)等。

該技術(shù)系統設計方案集成了各項成熟的工藝，采用各個(gè)設備的單品均已成熟且有工程業(yè)績(jì)，與常規褐煤機組相比，可顯著(zhù)提高鍋爐效率，降低發(fā)電標煤耗和廠(chǎng)用電率，減少了電廠(chǎng)外用水資源的消耗。但褐煤干燥回收水量受機組負荷、原煤含水率、煤量、氣溫等因素影響，需要對褐煤乏氣水回收技術(shù)的安全性和可靠性進(jìn)一步論證。

3 耗水指標和耗水量測算與分析

3.1 節水方案確定

本文針對煤電機組采用常規節水方案和深度節水方案，分別研究測算了耗水量、耗水指標。深度節水方案主要用于水資源供需矛盾突出地區，依據缺水程度遞進(jìn)地分為三個(gè)檔次，依次使用更加高效的節水技術(shù)，方案對比見(jiàn)表1。

其中，對于脫硫系統三項節水技術(shù)，活性焦干法煙氣脫硫技術(shù)成本過(guò)高，現階段不適宜大規模推廣；褐煤乏氣水回收技術(shù)雖有投產(chǎn)業(yè)績(jì)，但系統存在安全隱患；煙氣提水技術(shù)相對以上兩項技術(shù)更經(jīng)濟、更安全、更可靠。因此，在深度節水技術(shù)方案的第二檔次和第三檔次，脫硫系統考慮采用“濕法脫硫+煙氣提水技術(shù)”，提水量暫按脫硫系統內“零補水”進(jìn)行考慮。干除灰干除渣(調濕)即灰渣調濕后運至灰場(chǎng)或綜合利用用戶(hù)；干除灰干除渣(不調濕)即灰渣輸送至全封閉灰渣庫儲存，灰渣全部綜合利用，比如采用全封閉干灰庫儲灰技術(shù)。輔機空冷系統在夏季高溫時(shí)段的噴水量不計入總耗水量。

3.2 空冷機組耗水指標和耗水量測算

電廠(chǎng)位于溫帶地區，夏季頻率10%的氣溫為30 ℃；年生產(chǎn)用水量按7000 h計，年生活用水量按8760 h計；電廠(chǎng)沒(méi)有廢水外排；若輔機采用濕冷系統，輔機系統循環(huán)水溫升為5 ℃。按純凝工況對2×660 MW機組的常規節水方案和深度節水方案進(jìn)行耗水指標及耗水量的研究測算，詳見(jiàn)表2。2×350 MW、2×660 MW、2×1000 MW年總耗水量見(jiàn)圖3。

對于常規節水方案，脫硫系統耗水量約占全廠(chǎng)耗水量的32%～42%，所占比例最高；其次是化學(xué)系統耗水量，約占全廠(chǎng)耗水量的16%。對于深度節水方案第一個(gè)檔次，脫硫系統耗水量約占全廠(chǎng)耗水量的39%～47%，所占比例最高；其次是除灰渣系統耗水量，約占全廠(chǎng)耗水量的17%～20%。對于深度節水方案第二個(gè)檔次，由于進(jìn)一步采用煙氣提水技術(shù)，實(shí)現脫硫系統內“零補水”，大大降低了全廠(chǎng)的耗水量，耗水指標(綜合外用水指標)也相應降低。對于深度節水方案第三個(gè)檔次，由于進(jìn)一步采用灰渣綜合利用方案，此時(shí)除灰渣系統耗水量為0，全廠(chǎng)耗水量進(jìn)一步降低，耗水指標(綜合外用水指標)最低。

3.3 推薦的節水技術(shù)及先進(jìn)定額指標

通過(guò)采用先進(jìn)節水技術(shù)，火力發(fā)電廠(chǎng)設計耗水指標不斷降低。2004年，北方缺水地區空冷機組設計耗水指標按不超過(guò)0.18 m3/(s?GW)控制；2011年，根據GB 50660―2011《大中型火力發(fā)電廠(chǎng)設計規范》，300 MW及以上空冷機組設計耗水指標按不超過(guò)0.12 m3/(s?GW)控制；2014年，國家能源局印發(fā)了《國家能源局關(guān)于推進(jìn)大型煤電外送基地科學(xué)開(kāi)發(fā)的指導意見(jiàn)》(國能電力〔2014〕243號)，文件要求空冷機組的設計耗水指標按不超過(guò)0.1 m3/(s?GW)控制。

經(jīng)測算，對燃煤凝汽式機組，當主汽輪機排汽采用空冷、石灰石―石膏濕法脫硫、干除灰干除渣(調濕)、電動(dòng)給水泵或汽動(dòng)給水泵排汽空冷、輔機冷卻水濕冷系統方案時(shí)，300 MW等級空冷機組設計耗水指標按不超過(guò)0.10 m3/(s?GW)控制，單位裝機量取水量定額指標按不超過(guò)0.11 m3/(s?GW)控制；600 MW及以上空冷機組設計耗水指標按不超過(guò)0.09 m3/(s?GW)控制，單位裝機量取水量定額指標按不超過(guò)0.1 m3/(s?GW)控制。詳見(jiàn)表3。

對于水資源供需矛盾突出地區，當進(jìn)一步采用輔機冷卻水空冷技術(shù)后，設計耗水指標和單位裝機量取水量定額指標可進(jìn)一步降低。300 MW等級空冷機組進(jìn)一步采用空冷輔機冷卻水系統后，設計耗水指標可由不超過(guò)0.10 m3/(s?GW)下降到不超過(guò)0.08 m3/(s?GW)，單位裝機量取水量定額指標可由不超過(guò)0.11 m3/(s?GW)下降到不超過(guò)0.09 m3/(s?GW)。600 MW及以上空冷機組進(jìn)一步采用空冷輔機冷卻水系統后，設計耗水指標可由不超過(guò)0.09 m3/(s?GW)下降到不超過(guò)0.07m3/(s?GW)，單位裝機量取水量定額指標可由不超過(guò)0.1 m3/(s?GW)下降到不超過(guò)0.08 m3/(s?GW)。詳見(jiàn)表4。

對于水資源供需矛盾極為突出地區，當脫硫系統進(jìn)一步采用煙氣提水技術(shù)(僅考慮脫硫系統“零補水”)后，設計耗水指標(綜合外用水指標)和單位裝機量取水量定額指標可進(jìn)一步降低。300 MW等級空冷機組脫硫系統進(jìn)一步采用煙氣提水技術(shù)后，設計耗水指標可由不超過(guò)0.08 m3/(s?GW)下降到不超過(guò)0.05 m3/(s?GW)，單位裝機量取水量定額指標可由不超過(guò)0.09 m3/(s?GW)下降到不超過(guò)0.055 m3/(s?GW)。600 MW及以上空冷機組脫硫系統進(jìn)一步采用煙氣提水技術(shù)后，設計耗水指標可由不超過(guò)0.07 m3/(s?GW)下降到不超過(guò)0.04 m3/(s?GW)，單位裝機量取水量定額指標可由不超過(guò)0.08 m3/(s?GW)下降到不超過(guò)0.045 m3/(s?GW)。詳見(jiàn)表5。

4 結論

1)采用主機空冷技術(shù)是最有效、最經(jīng)濟的節水措施，與濕冷機組相比可以節約85%的耗水量。

2)在采用主機空冷技術(shù)基礎上，繼續采用輔機空冷、煙氣提水、干灰渣綜合利用等深度技術(shù)節水，可以進(jìn)一步節水約70%。

3)對于水資源供需矛盾突出地區，300 MW等級、600 MW及以上空冷機組進(jìn)一步采用空冷輔機冷卻水系統后，設計耗水指標可分別下降到0.08 m3/(s?GW)和0.07 m3/(s?GW)以下；對于水資源供需矛盾極為突出地區，300 MW等級、600 MW及以上空冷機組脫硫系統進(jìn)一步采用煙氣提水技術(shù)后，設計耗水指標可分別下降到0.05 m3/(s?GW)和0.04 m3/(s?GW)以下。

4)今后可通過(guò)深入研究全封閉干灰庫儲灰技術(shù)、煙氣循環(huán)流化床(半)干法脫硫除塵一體化技術(shù)、苦咸水開(kāi)發(fā)利用技術(shù)等深度節水技術(shù)，進(jìn)一步降低煤電機組的耗水指標。

作者簡(jiǎn)介： 鄭經(jīng)緯(1987-)，男，博士，高級工程師，主要從事電力行業(yè)給排水系統和消防系統研究。