上海市外高桥火力发电厂的用水分析与节水潜力挖掘

唐 健

(上海济辰水数字科技有限公司,上海 200092)

能源是经济社会发展的重要物质基础,也是碳排放的最主要来源。当前,全球气候变暖日趋严峻,能源资源约束日益加剧,节能已成为有效保障能源安全、源头控制碳排放和实现高质量发展的重要路径。火力发电厂作为城市能源核心输出点,其用水集中且耗水量大,是名副其实的“用水大户”。在实现“双碳”目标的过程中,火力发电厂面临“减污减碳、节能降耗”的双重压力,而节水不仅是节能减排的关键手段,更是实现可持续发展的必要措施。

为助力实现“双碳”目标,上海市外高桥火力发电厂积极应对高耗能、高排放问题,采用指标测算与实测统计分析相结合的方法,深入剖析用水结构及用水结果;着力挖掘节水技术潜力,确保节水管理与技术措施切实可行,推动火力发电行业走向可持续发展。

1 火力发电厂用水现状

当前全国的发电结构以火电为主,融合水电、核电、火电、风电、光伏等多种能源,形成了多元化、可持续的发电模式。国家能源局发布了2022年全国电力工业统计数据,截至2022年12月底,全国累计发电装机容量约25.6亿kW,同比增长7.8%。根据2021年国家统计局发布的《2021年国民经济和社会发展统计公报》,2021年,全国发电量85342.5亿kW·h,同比增长9.7%,较2020年提高6个百分点。其中,火力发电量58058.7亿kW·h,同比增长8.9%;水电发电量13390.0亿kW·h,同比降低1.2%;核电发电量4075.2亿kW·h,同比增长11.3%。另据中国电力企业联合会全口径统计,风电、太阳能发电量分别为6556.0亿kW·h和3270.0亿kW·h,同比分别增长40.5%和25.2%。见表1。

表1 2011—2022年全国发电量结构 单位:亿kW·h

随着发电量的增加,用水量也大幅度增加。《2021年中国水资源公报》显示,全国用水总量为5920.2亿m3,工业用水占比达到17.7%,其中火核电直流冷却水占比高达48.3%,达到507.4亿m3。根据数据统计,当前我国火力发电二氧化碳排放量占全国总排放量超50%,在“双碳”战略目标下,火电行业面临逐步从能耗“双控”考核向碳排放总量和强度“双控”考核转变,面临着巨大的节水压力和转型升级的挑战。

2 “双碳”目标下火力发电厂节水的必要性

火力发电厂作为城市的用水大户,其用水量对城市水资源供应具有直接影响。在“双碳”目标下,火力发电厂的节水在节能减碳、降低环境影响、提升资源利用效率和增强经济效益等方面都具有重要意义。

首先,节水在节能减碳中发挥着重要作用。火力发电厂在生产过程中需要大量水资源作为冷却介质,以带走余热。通过节水措施,优化资源配置,减少生产过程中的热量损失,进而降低能源的消耗,达到节能减碳的目的。同时,通过优化用水结构、改进工艺流程和采用高效的节水设备等优化电厂运行,提高能源转换效率,从而减少碳排放。

其次,节水对于降低环境影响具有积极意义。过度用水不仅会导致水资源短缺,还会产生大量废水,如果处理不当,废水会对周边环境造成影响。采用高效的节水技术可以确保废水得到妥善处理,避免对水源和生态系统的破坏,降低环境影响。同时,节水还可以提高废水处理的效率,降低废水处理成本和能源消耗,减少火力发电厂对环境的负面影响,保护生态环境。

同时,节水有助于更加合理地利用有限的水资源,提高资源利用效率。通过精确控制和优化用水量,火力发电厂能够避免不必要的浪费,从而提升资源综合利用效率。通过技术升级和管理创新,以实现资源的最大化利用,提高水资源利用效率,降低能耗和碳排放,实现可持续发展。

最后,节水不仅直接降低了火力发电厂的运营成本,还通过提高水资源利用效率,助力企业增强市场竞争力,实现可持续发展。在提升工艺流程、设备更新和高效节水技术推广等方面采取的节水措施,不仅能够为企业带来直接的经济收益,还可以降低废水处理费用和环境风险,进一步增强企业的经济效益。

3 “双碳”目标下火力发电厂水平衡测试技术及其应用

3.1 水平衡测试技术

水平衡测试是一项法定的基础性工作,旨在评估单位的用水情况。通过指标测算与实测统计分析相结合的方法,可以对该单位的用水结构及用水结果进行梳理和分析评价。通过这项测试不仅能够全面掌握单位的用水状况,优化用水结构,而且能够帮助确定其节水工作的重点领域,挖掘节水潜力,实现用水单位节能减排增效。

当前国家高度重视节水,为进一步提高用水效能,上海市外高桥发电厂以水平衡测试为基础,深入摸排分析全厂用水情况,制定可行的节水措施和规划,为创一流电厂打下坚实的基础。

3.2 水平衡测试的流程及要点

通过测量、计算和分析火力发电厂内各种用途的水量,检测和评估各工艺环节用水系统的运行情况。具体工作流程如下:

a.确定测试范围和目的。在进行水平衡测试前,需要明确测试的范围和目的,以确定测试参数和设备,并制定测试方案。

b.收集相关资料。收集和整理与水平衡测试相关的资料,如用水工艺流程、供排水管网、用水设施设备、用水类型、水量概况等资料,以便测试时进行比较和分析。

c.测量各用途水量。根据测试方案,选用合适的仪表和设备,对发电厂内各用途的水量进行实时测量和分析。

d.计算水平衡参数。根据测量数据和经验公式,计算出水循环系统的各项参数,同时统计各种用途的用水量,计算出水平衡差值。

e.分析和评估测试结果。根据计算出的测试数据,分析并评估各环节用水系统的运行情况,找出问题的根源和解决方案,并向有关部门提交测试报告和建议。

4 “双碳”目标下上海市外高桥发电厂水平衡测试

上海外高桥发电厂以火力发电为主,总装机容量为120万kW·h(4×300MW机组)。

4.1 发电厂主要用水情况

发电厂用水主要包括:ⓐ新鲜水源及机组循环用水;ⓑ工业水及除盐水用水;ⓒ发电机组用水;ⓓ其他用水;ⓔ生活用水。

现有供、用、排水系统框架见图1。

图1 电厂全厂供、用、排水系统

按《火力发电厂能量平衡导则 第5部分:水平衡试验》(DL/T 606.5—2009)制定的层次划分,全厂水系统被划分为1个大体系和10个中体系。具体划分情况见表2。

表2 电厂水系统中体系的划分

按照表2的划分,夏、冬两季对各水系统分别进行水量测试、计算;然后开展全厂水平衡测试,对其结果进行评价计算。在水平衡测试过程中,将测出的有关数据进行整理、计算、分析,并绘制企业水平衡框图。通过水平衡的摸排、统计、计算、测试、分析,全面了解厂区用水的构成和从新水量输入到输出各个环节消耗的情况。

4.2 水平衡测试结果及分析

4.2.1 生产用水和日用新水量

企业生产用水取自长江原水,其中机组凝汽器和闭冷水系统冷却器使用的间接冷却水——机组循环水占据了取水量的绝大部分。经测试分析,夏季4台机组共用6台循环泵运行,取用水量为355万m3/a;冬季每台机组1台循环泵运行,4台机组取用水量为235万m3/a。上述取水量约占企业总用水量的99%以上。根据国家有关规定,机组循环水不产生污染,仅提高水温约5～8℃,经长期的科学评估与测算,判断其对环境水体不产生影响,故不计入新水量。

通过实际测量,并结合电厂统计数据,经平衡测试,其结果见表3,企业夏季发电日新水量8455.6m3/d,冬季发电日新水量8443.8m3/d,平均发电日新水量8449.7m3/d。

表3 新水量及主要用水分析 单位:m3/d

4.2.2 生活用水日用新水量

企业从城市自来水管网取水用于生活用水。经测试,夏季日用水量690.5m3/d,其中,采暖制冷用水量241.3m3/d,实际生活用水量449.2m3/d,约18.7m3/h;冬季日用水量523.3m3/d,其中,采暖制冷用水量90.6m3/d,实际生活用水量432.7m3/d,约18.0m3/h。

4.2.3 各项用水量数据

a.生产总用水量。包括复用水量与新水量。测试结果显示,总用水量夏季为259641.8m3/d,其中复用水量为250600.1m3/d,包括了工业循环水量243482.4m3/d和串用水量7117.7m3/d;总用水量冬季为263937.2m3/d,其中复用水量为254644.3m3/d,包括工业循环水量246994.3m3/d和串用水量7650.0m3/d。

b.总排放水量。夏季为4145.2m3/d,外供蒸汽586.1m3/d,消耗及漏失水量为4310.4m3/d;冬季排放水量为4549.1m3/d,外供蒸汽849.1m3/d,消耗及漏失水量为3894.7m3/d。

4.2.4 除盐水及锅炉冷凝水回收

机组在夏、冬两季的蒸发量分别为53874.0m3/d和55350.0m3/d。根据试验,夏、冬季补充至锅炉的除盐水量分别是1301.1m3/d和1195.7m3/d。冷凝水的回收率夏、冬季分别是97.64%和97.89%,平均值为97.77%,上述数据为扣除对外供热后的实际补水量。

5 上海市外高桥发电厂节水潜力

5.1 用水综合指标评价

水平测试结果及评价标准见表4,依据测试结果对发电厂用水情况进行如下评价。

表4 水平衡测试结果及评价标准

*该数值取自《上海市节水型企业(单位)评价指标及考核办法》。

**该数值取自《上海产业能效指南(2021版)》。

***该数值取自《取水定额第1部分:火力发电》(GB/T 18916.1—2021)。

****该数值取自《节水型企业 火力发电行业》(GB/T 26925—2011)。

5.1.1 生产用水分析

水平衡测试结果显示,企业日消耗发电新水量平均为8449.7m3/d,平均发电水耗为0.52m3/(MW·h),平均装机耗水量0.08m3/(s·GW),平均发电除盐水耗为99.1kg/(MW·h)。

依据《上海产业能效指南(2021版)》中陈述:电力、热力、燃气及水生产和供应业用水定额,企业发电水耗0.52m3/MW·h,低于通用标准限值0.54m3/MW·h(低于先进值0.38m3/MW·h);同时,公司发电水耗高于《取水定额 第1部分:火力发电》(GB/T 18916.1—2021)中0.49m3/MW·h的标准限值、《节水型企业 火力发电行业》(GB/T 26925—2011)中0.34m3/MW·h的标准限值,距离火力发电行业节水型企业标准还存在一定差距。

按照上海市节水型企业评价标准,在定量指标方面,工业用水重复利用率、间接冷却水循环率和锅炉冷凝水回用率均符合要求。

5.1.2 生活用水量分析

公司生活用水取自市政自来水。根据水平衡试验,公司实际生活用水量夏、冬季分别是449.2m3/d和432.7m3/d。根据统计的人员,公司生活用水人均消耗量:夏季约139.5L/(人·d),冬季约134.3L/(人·d),均低于上海市标准限额,见表5。

表5 上海市生活用水标准限额

5.1.3 新水量主要用途

公司日新水量夏季为9041.7m3/d,冬季为9292.9m3/d,主要用途为补充公司工业水、除盐水和生活用水。

5.1.4 机组补水率

根据全厂补水供给的测试和统计,锅炉每天平均补水量夏季为1301.1m3/d,冬季为1195.7m3/d。经计算,机组平均补水率夏、冬季分别是2.36%和2.11%。

5.1.5 工业用水重复利用率

根据全厂水平衡的计算结果,工业用水重复利用率为96.50%,达到了上海市节水型企业的标准。

5.2 发电厂节水潜力分析

根据水平衡测试结果,火力发电厂用水状况良好,但发电水耗高于标准限值,需进一步优化生产工艺、提高设备效率、提升用水效率,并加强管理,以达到或超过节水型企业标准的要求。

5.2.1 优化生产工艺

对生产过程中的各个环节进行全面评估后发现,火力发电厂通常需要大量的冷却水来冷却锅炉,因此循环水的处理非常重要。通过改进蒸发、结晶等关键环节,可减少用水量和废水的产生。如:通过改进燃料供应系统,降低燃料损失和浪费,从而降低水耗。同时,通过提高循环水的浓缩倍率来减少补充新鲜水的需求,进一步降低用水量。

5.2.2 提高设备效率

通过改进循环冷却水系统的设计和运行方式,提高冷却水的再利用率。如:采用高效节水的冷却塔、增加冷却水的浓缩倍率等方法,以减少补充新鲜水的需求。定期维护和检修设备,确保设备的运行效率和稳定性。采用高效节能设备,如高效换热器、余热回收装置等,降低能源消耗和用水量。

5.2.3 提升用水效率

通过采用先进的废水处理技术,将化学废水和脱硫废水回用至渣水系统做补充水、安装煤场水电絮凝装置、将再生废水进行高低盐分级回用等,可提高废水的处理效率和回收利用率。同时,建设智慧能源节水管理系统,可提高用水效率,降低用水成本。

5.2.4 加强管理措施

建立科学的水资源管理体系,制定详细的用水计划和用水标准。加强对用水情况的监测和分析,及时发现问题并采取相应措施。开展节水宣传教育活动,以提高员工的节水意识和技能。与政府、行业协会等相关方合作,来共同推动节水工作的发展。

6 “双碳”目标下上海市外高桥发电厂节水管理措施与建设

节水就是减碳,随着“双碳”战略的实施,以及我国社会进入了高质量发展的新阶段,应该从用水的全生命周期的系统视角出发,将碳排放量作为指标来参与节水措施或节水行为构建,促进节水与减碳的协同,更好地支撑节水工作。

根据发电厂用水分析与潜力挖掘,用水系统的碳排放主要涉及市政管网供水系统、长江水取水系统、中水回用系统及排水系统。坚持源头减碳,可以减轻发电厂工业用水处理过程的治污减排压力。

6.1 紧抓源头取水,提升取水监管效率

外高桥发电厂取用的长江原水绝大部分用于机组凝汽器(冷凝蒸汽)及闭式冷却系统冷却器,做间接冷却水使用。定期监测、评估和调整水源的选择和使用情况,通过科学规划和管理,确保合理利用水资源,避免浪费和过度开采。同时对现有取水设施进行维护和升级,定期检查和维护水管、阀门等设备,修复漏水问题,提高供水系统的可靠性和稳定性。只有保证供水系统的正常运行,才能确保机组凝汽器和冷却系统得到持续稳定的冷却效果,减少能源消耗和碳排放。

6.2 健全计量设施,完善市政管网供水系统建设

外高桥发电厂以水平衡测试为基础,建立完善水量计量系统,掌握和记录各重要用水点的实时用水量。针对厂区脱硫工艺水箱的入口总管、机组排水槽回用水总管等进行计量,并且建立计量表管理制度。根据设计情况,结合实际使用状况,下达用水指标,定期进行考核,以确保用水指标的有效实施。同时,优化厂区供水管网的布局和管径,加强巡检管道设施,减少管道损失和泄漏,提高供水系统的运行效率。同时,加强管网的维护和管理,定期检查、清洗和维修管道,确保水质安全和供水稳定。

6.3 优化用水系统,提升用水效率

在厂区内推广中水回用技术,将工业废水经过处理后用于非饮用用途,如厂区绿化、道路清洗等。通过减少对淡水资源的依赖,实现节约用水和降低碳排放的目标。同时,加强中水处理设施的建设和管理,确保水质符合要求,避免因水质问题导致的水资源浪费和环境污染。同时对工业废水进行有效处理,采用先进的污水处理技术,去除其中的有害物质和污染物,使其达到排放标准。通过减少对环境的污染,保护生态环境,实现水资源可持续利用。

6.4 数字赋能,完善“合同节水+智慧节水”管理建设

“合同节水+智慧节水”管理是电厂提高用水效率、降低用水成本、保护水资源的重要手段,也是实现智慧能源管理的重要组成部分。智慧节水管理系统通过智能远传计量设备实时监测水资源的使用情况和水质状况,通过云计算和大数据技术对监测数据进行分析和处理,为决策提供依据和辅助。同时,系统还能根据监测数据进行智能调控,如设定用水配额、预测水源断供等,从而实现对水资源的精细化管理和智能化调配。

7 总结与展望

随着环保意识的不断提升,电力企业所面临的碳排放问题愈加突显。促进绿色发展,是电力企业转型升级的必由之路。在此背景下,以水平衡测试为基础,“双碳”为目标,在重要用水核心源头加强节水减碳管理,是电力企业的重要任务之一。在深入持久地开展节能减碳工作的同时,电力企业将不断加大对节能环保技术的研发和应用,积极探索和运用新型、高效的节水技术,推动行业的可持续发展,走出一条资源消耗持续降低、生态环境逐步改善的新路。

作为减碳协同环境效益的一种创新思路,未来在推动节水工作的过程中,与“双碳”目标的推进相结合,通过发电厂节水过程碳排放行为的计算和效益评估,运用“水生命周期”碳足迹核算的方法,核算节水工作减碳能效,将更有利于阐述水资源节约的环境效益和现实意义,强化用水单位节水动力,拓宽节水科技创新和市场机制改革的思路。