鄭經(jīng)緯，王慧杰，李武全，唐燕萍

(1. 中國(guó)能源建設(shè)股份有限公司，北京 100022；2. 水利部水利水電規(guī)劃設(shè)計(jì)總院，北京 100120；3. 電力規(guī)劃設(shè)計(jì)總院，北京 100120)

0 引言

水資源作為基礎(chǔ)性的自然資源和戰(zhàn)略性的經(jīng)濟(jì)資源，在保障社會(huì)可持續(xù)發(fā)展、維系生態(tài)平衡與和諧環(huán)境方面發(fā)揮著重要作用。2019年，國(guó)家發(fā)展改革委、水利部聯(lián)合印發(fā)了《國(guó)家節(jié)水行動(dòng)方案》(發(fā)改環(huán)資規(guī)〔2019〕695號(hào))，提出“節(jié)水優(yōu)先、空間均衡、系統(tǒng)治理、兩手發(fā)力”的新時(shí)期治水方針，并明確提出近遠(yuǎn)期有機(jī)銜接的總體控制目標(biāo)。電力工業(yè)作為國(guó)民經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)和重要能源行業(yè)，同時(shí)也是工業(yè)用水大戶，水資源節(jié)約與綜合利用是電力工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的一項(xiàng)重要而緊迫的任務(wù)。我國(guó)煤電基地普遍位于水資源緊缺地區(qū)，水資源本底條件較差，水資源條件對(duì)區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的約束較為顯著，對(duì)電廠用水量和耗水指標(biāo)要求愈發(fā)嚴(yán)格。因此，水資源節(jié)約與綜合利用是我國(guó)煤電基地可持續(xù)發(fā)展的一項(xiàng)必不可少且緊迫的戰(zhàn)略性任務(wù)，在煤電基地采用高效節(jié)水技術(shù)，達(dá)到國(guó)際先進(jìn)耗水定額標(biāo)準(zhǔn)勢(shì)在必行。

1 煤電機(jī)組節(jié)水現(xiàn)狀

1.1 2×660 MW循環(huán)冷卻濕冷機(jī)組用水量分析

以2×660 MW循環(huán)冷卻濕冷機(jī)組采用常規(guī)設(shè)計(jì)為例對(duì)燃煤電廠各系統(tǒng)的耗水量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，其中主機(jī)系統(tǒng)采用循環(huán)冷卻系統(tǒng)，脫硫系統(tǒng)采用濕法脫硫技術(shù)，除灰系統(tǒng)采用干式除灰技術(shù)，除渣系統(tǒng)采用濕除渣技術(shù)。濕冷機(jī)組各系統(tǒng)耗水量統(tǒng)計(jì)見圖1。

圖1 2×660 MW濕冷機(jī)組常規(guī)設(shè)計(jì)耗水量統(tǒng)計(jì)圖

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

1.2 2×660MW空冷機(jī)組用水量分析

汽輪機(jī)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(jié)汽輪機(jī)乏汽的冷卻技術(shù)。汽輪機(jī)排汽空冷技術(shù)是火力發(fā)電廠重大節(jié)水技術(shù)[1]，節(jié)水效果顯著。以2×660 MW空冷機(jī)組采用常規(guī)設(shè)計(jì)為例對(duì)燃煤電廠各系統(tǒng)的耗水量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，其中輔機(jī)冷卻水系統(tǒng)采用濕冷系統(tǒng)，脫硫系統(tǒng)采用濕法脫硫技術(shù)和煙氣余熱利用技術(shù)，除灰系統(tǒng)采用干式除灰技術(shù)，除渣系統(tǒng)采用干式除渣技術(shù)?？绽錂C(jī)組各系統(tǒng)耗水量統(tǒng)計(jì)見圖2。

圖2 2×660 MW空冷機(jī)組常規(guī)設(shè)計(jì)耗水量統(tǒng)計(jì)圖

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

空冷機(jī)組沒有循環(huán)冷卻系統(tǒng)中冷卻塔的蒸發(fā)、內(nèi)吹和排污損失，耗水量從濕冷機(jī)組的2 480 m3/h下降到空冷機(jī)組的380 m3/h，下降了約85%。由此可見，汽輪機(jī)排汽空冷技術(shù)是最有效的節(jié)水技術(shù)。

1.3 其他常規(guī)節(jié)水技術(shù)

除了汽輪機(jī)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(jié)水技術(shù)[2]。項(xiàng)目在規(guī)劃設(shè)計(jì)階段需要科學(xué)應(yīng)用節(jié)水技術(shù)，通過(guò)加強(qiáng)水務(wù)管理，理順梯級(jí)用水流程，實(shí)現(xiàn)節(jié)水減排。

2 深度節(jié)水方案

2.1 輔機(jī)冷卻水空冷系統(tǒng)

輔機(jī)冷卻水空冷系統(tǒng)是指冷卻水在閉式系統(tǒng)中通過(guò)輔機(jī)循環(huán)水泵將水送到輔機(jī)設(shè)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(jī)循環(huán)水泵，通過(guò)輔機(jī)循環(huán)水泵進(jìn)行循環(huán)使用。

輔機(jī)冷卻系統(tǒng)采用空冷方式，按建設(shè)2×660 MW空冷機(jī)組測(cè)算用水量(氣象條件：夏季頻率10%，氣溫30 ℃)，比輔機(jī)冷卻水采用濕冷系統(tǒng)節(jié)水45 m3/h，約占全廠總耗水量的12%。

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

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(shè)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(jié)并回收煙氣中的部分水分，回收水用于脫硫系統(tǒng)補(bǔ)水，實(shí)現(xiàn)節(jié)水目的。該系統(tǒng)工藝可行、設(shè)備成熟、運(yùn)行可靠，國(guó)內(nèi)首臺(tái)火電機(jī)組煙氣提水系統(tǒng)于2019年在內(nèi)蒙古某電廠成功應(yīng)用，運(yùn)行情況良好。

實(shí)施煙氣提水技術(shù)可降低機(jī)組耗水量，符合國(guó)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(xiàng)目上采用，還可以應(yīng)用在機(jī)組脫硫改造項(xiàng)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(nèi)部豐富的孔隙以及表面的官能團(tuán)、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(nèi)達(dá)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[3]。

根據(jù)測(cè)算，2×660 MW空冷機(jī)組采用活性焦干法煙氣脫硫技術(shù)后，耗水量?jī)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(jié)省水量較為顯著的脫硫工藝。

采用活性焦干法脫硫技術(shù)投資較高，經(jīng)濟(jì)性較差，雖不增加電廠本身用水量，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(yīng)用在有配套上下游產(chǎn)業(yè)的地區(qū)。

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，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內(nèi)扇磨倉(cāng)儲(chǔ)式制粉系統(tǒng)的褐煤提水技術(shù)、蒸汽滾筒干燥機(jī)集中預(yù)干燥及水回收的褐煤提水技術(shù)、蒸汽管回轉(zhuǎn)式干燥機(jī)磨前預(yù)干燥及水回收的褐煤提水技術(shù)等[4]。

該技術(shù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案集成了各項(xiàng)成熟的工藝，采用各個(gè)設(shè)備的單品均已成熟且有工程業(yè)績(jī)，與常規(guī)褐煤機(jī)組相比，可顯著提高鍋爐效率，降低發(fā)電標(biāo)煤耗和廠用電率，減少了電廠外用水資源的消耗。但褐煤干燥回收水量受機(jī)組負(fù)荷、原煤含水率、煤量、氣溫等因素影響，需要對(duì)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(biāo)和耗水量測(cè)算與分析

3.1 節(jié)水方案確定

本文針對(duì)煤電機(jī)組采用常規(guī)節(jié)水方案和深度節(jié)水方案，分別研究測(cè)算了耗水量、耗水指標(biāo)。深度節(jié)水方案主要用于水資源供需矛盾突出地區(qū)，依據(jù)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(jié)水技術(shù)，方案對(duì)比見表1。

表1 常規(guī)節(jié)水方案和深度節(jié)水方案的對(duì)比

其中，對(duì)于脫硫系統(tǒng)三項(xiàng)節(jié)水技術(shù)，活性焦干法煙氣脫硫技術(shù)成本過(guò)高，現(xiàn)階段不適宜大規(guī)模推廣；褐煤乏氣水回收技術(shù)雖有投產(chǎn)業(yè)績(jī)，但系統(tǒng)存在安全隱患；煙氣提水技術(shù)相對(duì)以上兩項(xiàng)技術(shù)更經(jīng)濟(jì)、更安全、更可靠。因此，在深度節(jié)水技術(shù)方案的第二檔次和第三檔次，脫硫系統(tǒng)考慮采用“濕法脫硫+煙氣提水技術(shù)”，提水量暫按脫硫系統(tǒng)內(nèi)“零補(bǔ)水”進(jìn)行考慮。干除灰干除渣(調(diào)濕)即灰渣調(diào)濕后運(yùn)至灰場(chǎng)或綜合利用用戶；干除灰干除渣(不調(diào)濕)即灰渣輸送至全封閉灰渣庫(kù)儲(chǔ)存，灰渣全部綜合利用，比如采用全封閉干灰?guī)靸?chǔ)灰技術(shù)。輔機(jī)空冷系統(tǒng)在夏季高溫時(shí)段的噴水量不計(jì)入總耗水量。

3.2 空冷機(jī)組耗水指標(biāo)和耗水量測(cè)算

電廠位于溫帶地區(qū)，夏季頻率10%的氣溫為30 ℃；年生產(chǎn)用水量按7 000 h計(jì)，年生活用水量按8 760 h計(jì)；電廠沒有廢水外排；若輔機(jī)采用濕冷系統(tǒng)，輔機(jī)系統(tǒng)循環(huán)水溫升為5 ℃。按純凝工況對(duì)2×660 MW機(jī)組的常規(guī)節(jié)水方案和深度節(jié)水方案進(jìn)行耗水指標(biāo)及耗水量的研究測(cè)算，詳見表2。2×350 MW、2×660 MW、2×1 000 MW年總耗水量見圖3。

圖3 空冷電廠年總耗水量測(cè)算圖

表2 2×660 MW空冷電廠耗水指標(biāo)和耗水量估算表

對(duì)于常規(guī)節(jié)水方案，脫硫系統(tǒng)耗水量約占全廠耗水量的32%～42%，所占比例最高；其次是化學(xué)系統(tǒng)耗水量，約占全廠耗水量的16%。對(duì)于深度節(jié)水方案第一個(gè)檔次，脫硫系統(tǒng)耗水量約占全廠耗水量的39%～47%，所占比例最高；其次是除灰渣系統(tǒng)耗水量，約占全廠耗水量的17%～20%。對(duì)于深度節(jié)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(xiàn)脫硫系統(tǒng)內(nèi)“零補(bǔ)水”，大大降低了全廠的耗水量，耗水指標(biāo)(綜合外用水指標(biāo))也相應(yīng)降低。對(duì)于深度節(jié)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(tǒng)耗水量為0，全廠耗水量進(jìn)一步降低，耗水指標(biāo)(綜合外用水指標(biāo))最低。

3.3 推薦的節(jié)水技術(shù)及先進(jìn)定額指標(biāo)

通過(guò)采用先進(jìn)節(jié)水技術(shù)，火力發(fā)電廠設(shè)計(jì)耗水指標(biāo)不斷降低。2004年，北方缺水地區(qū)空冷機(jī)組設(shè)計(jì)耗水指標(biāo)按不超過(guò)0.18 m3/(s·GW)控制；2011年，根據(jù)GB 50660—2011《大中型火力發(fā)電廠設(shè)計(jì)規(guī)范》[5]，300 MW及以上空冷機(jī)組設(shè)計(jì)耗水指標(biāo)按不超過(guò)0.12 m3/(s·GW)控制；2014年，國(guó)家能源局印發(fā)了《國(guó)家能源局關(guān)于推進(jìn)大型煤電外送基地科學(xué)開發(fā)的指導(dǎo)意見》(國(guó)能電力〔2014〕243號(hào))，文件要求空冷機(jī)組的設(shè)計(jì)耗水指標(biāo)按不超過(guò)0.1 m3/(s·GW)控制。

經(jīng)測(cè)算，對(duì)燃煤凝汽式機(jī)組，當(dāng)主汽輪機(jī)排汽采用空冷、石灰石—石膏濕法脫硫、干除灰干除渣(調(diào)濕)、電動(dòng)給水泵或汽動(dòng)給水泵排汽空冷、輔機(jī)冷卻水濕冷系統(tǒng)方案時(shí)，300 MW等級(jí)空冷機(jī)組設(shè)計(jì)耗水指標(biāo)按不超過(guò)0.10 m3/(s·GW)控制，單位裝機(jī)量取水量定額指標(biāo)按不超過(guò)0.11 m3/(s·GW)控制；600 MW及以上空冷機(jī)組設(shè)計(jì)耗水指標(biāo)按不超過(guò)0.09 m3/(s·GW)控制，單位裝機(jī)量取水量定額指標(biāo)按不超過(guò)0.1 m3/(s·GW)控制。詳見表3。

對(duì)于水資源供需矛盾突出地區(qū)，當(dāng)進(jìn)一步采用輔機(jī)冷卻水空冷技術(shù)后，設(shè)計(jì)耗水指標(biāo)和單位裝機(jī)量取水量定額指標(biāo)可進(jìn)一步降低。300 MW等級(jí)空冷機(jī)組進(jìn)一步采用空冷輔機(jī)冷卻水系統(tǒng)后，設(shè)計(jì)耗水指標(biāo)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(jī)量取水量定額指標(biāo)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(jī)組進(jìn)一步采用空冷輔機(jī)冷卻水系統(tǒng)后，設(shè)計(jì)耗水指標(biāo)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(jī)量取水量定額指標(biāo)可由不超過(guò)0.1 m3/(s·GW)下降到不超過(guò)0.08 m3/(s·GW)。詳見表 4。

表4 采用深度節(jié)水方案(第一檔次)耗水指標(biāo)及取水定額 m3/(s·GW)

對(duì)于水資源供需矛盾極為突出地區(qū)，當(dāng)脫硫系統(tǒng)進(jìn)一步采用煙氣提水技術(shù)(僅考慮脫硫系統(tǒng)“零補(bǔ)水”)后，設(shè)計(jì)耗水指標(biāo)(綜合外用水指標(biāo))和單位裝機(jī)量取水量定額指標(biāo)可進(jìn)一步降低。300 MW等級(jí)空冷機(jī)組脫硫系統(tǒng)進(jìn)一步采用煙氣提水技術(shù)后，設(shè)計(jì)耗水指標(biāo)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(jī)量取水量定額指標(biāo)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(jī)組脫硫系統(tǒng)進(jìn)一步采用煙氣提水技術(shù)后，設(shè)計(jì)耗水指標(biāo)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(jī)量取水量定額指標(biāo)可由不超過(guò)0.08 m3/(s·GW)下降到不超過(guò)0.045 m3/(s·GW)。詳見表5。

4 結(jié)論

1)采用主機(jī)空冷技術(shù)是最有效、最經(jīng)濟(jì)的節(jié)水措施，與濕冷機(jī)組相比可以節(jié)約85%的耗水量。

2)在采用主機(jī)空冷技術(shù)基礎(chǔ)上，繼續(xù)采用輔機(jī)空冷、煙氣提水、干灰渣綜合利用等深度技術(shù)節(jié)水，可以進(jìn)一步節(jié)水約70%。

3)對(duì)于水資源供需矛盾突出地區(qū)，300 MW等級(jí)、600 MW及以上空冷機(jī)組進(jìn)一步采用空冷輔機(jī)冷卻水系統(tǒng)后，設(shè)計(jì)耗水指標(biāo)可分別下降到0.08 m3/(s·GW)和0.07 m3/(s·GW)以下；對(duì)于水資源供需矛盾極為突出地區(qū)，300 MW等級(jí)、600 MW及以上空冷機(jī)組脫硫系統(tǒng)進(jìn)一步采用煙氣提水技術(shù)后，設(shè)計(jì)耗水指標(biāo)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?guī)靸?chǔ)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)、苦咸水開發(fā)利用技術(shù)等深度節(jié)水技術(shù)，進(jìn)一步降低煤電機(jī)組的耗水指標(biāo)。