天津市火電廠綜合用水定額編制研究
劉云婷 李克勛 孫 琦
（ 南開大學環境科學與工程學院）
0前言
火力發電屬于高耗水行業，就全國電力工業而言，火電取水量占全國工業取水量的 40%。根據《取水定額 第1部分：火力發電》（GB/T 18916.1-2012）的要求，單位發電量取水量定額為2.4~3.2m3/（MW·h）。2010年，天津市火力發電裝機容量為11933.5MW，2011年發電量是619.08億kW·h，比2010年增長11.1%。根據天津市第一次全國水利普查統計，2011年電力行業的總用水量為18785m3，占天津市工業總用水量的22%。
根據《天津市工業經濟發展“十二五”規劃》，到2015年，新增本地裝機8000MW到10000MW。隨著裝機容量的增大，電廠耗水量也隨之增加。近年來，針對火電廠的用水結構、節水潛力及對策展開了大量的研究，推動了火電廠節水工作的進展。
2003年天津市頒布了相應的定額，《工業產品取水定額（DBl2／T101—2003）》，但2003版火電定額距現在已有十多年，近年來由于科學技術的快速發展，生產工藝的改進，各企業單位節水水平的提高，急切需要一個符合當下水平的合理的定額值作為指示和標準。本文對天津市各個類型的火電廠用水情況進行抽樣調查，就天津市火力發電行業綜合取水定額編制進行研究。
天津市火電廠的用水定額編制屬于綜合用水定額編制，與單項用水定額相比較，它主要是針對某個行業而非某類產品，用水構成也包括生活、生產、消防用水等多個方面，這有利于用水管理部門的日常管理。
1 天津市火電廠用水現狀分析
1.1 用水構成
火電廠的用水結構主要分為生產用水、生活用水和消防用水三大部分。生產用水主要包括熱力系統用水（鍋爐補給水）、冷卻系統用水、供熱系統用水、除灰系統用水和煙氣凈化系統用水；生活用水包括生活系統用水、化驗室和實驗室用水、綠化施工系統用水和廠區雜用水。由于消防用水的不確定性，其用水量不計入用水定額之內。
本次調查研究的火電廠用水主要是生產用水（包括鍋爐、汽輪機、發電機、化學水處理四類設備的用水）、輔助生產用水（包括機修、運輸、空壓站等）和附屬生產用水（辦公樓、食堂、浴室、綠化、企業職工生活用水等）。用水構成見下表1和圖1。
從表1和圖1可以看出，天津市大多數電廠用水量大的子系統為循環冷卻水系統、化學除鹽單元和煙氣脫硫單元，分別約占總用水量的70.92%、17.48%和7.91%，而其它用水單元（包括除渣、除灰、輸煤系統，檢修，生活用水）的用水量則相對較少，只占總用水量的3.69%。
由于循環冷卻水系統的功能是將冷卻水送至凝氣器去冷卻汽輪機低壓缸排汽，以維持凝氣器的真空，使汽水循環得以繼續。天津市火電廠循環冷卻水系統大都屬于敞開式冷卻，因冷卻塔蒸發，排污，風吹（飛濺）而從循環冷卻水系統中損失的水量，需要進行及時補充，因此循環冷卻水系統補水耗水量大。化學除鹽系統主要是給鍋爐補水，火力發電機組主要是利用鍋爐將水加熱成蒸汽，然后進入汽輪機，蒸汽膨脹沖動汽輪機的轉子，帶動發電機發電。取自水源的原水，經混凝澄清及離子交換除鹽處理后，制成高純度的除鹽水，作為鍋爐補給水。因此，化學除鹽系統耗水量大。脫硫系統耗水和發電量成正比，當電廠發電量越大，燃煤越多，含硫量逐漸升高，脫硫系統耗水量也逐漸增大。由于大多數電廠都采用的是干式除塵和輸灰系統，因此除塵和輸灰系統的用水量較小，不作為火電廠用水定額編制的重點用水系統考慮。
1.2用水量影響因素分析
本研究調查了天津市17家火電廠2011年的用水情況及相關因素，并運用SPSS軟件，對裝機容量、發電量以及在職人數（包括正式工、合同工和臨時工）與取水量進行相關性分析，見表2。得到結論：發電量與用水量的相關系數為0.846，在0.01水平上顯著相關。裝機容量與耗水量的相關系數為0.711，在0.01水平上顯著相關。職工人數與取水量的相關系數為0.204，沒有相關性。把發電量和裝機容量作相關性分析，可以看出，發電量的變化與裝機容量大小基本呈現相同的變化趨勢。機組容量越大，單位時間內發電越多。經分析，可以考慮火電取水綜合用水定額的核算單元為單位發電量，而裝機容量也是影響取水的重要因素，所以制定定額時需要按照裝機容量分類考慮。
2 火力發電綜合用水定額的制定
2.1 基礎用水定額
采用科學合理的用水定額的編制方法，是保證用水定額的先進性、科學性、合理性和可行性的關鍵手段。制定用水定額常采用的方法主要有經驗法（三點法）、統計分析法、類比法（影響因素分析法和同類定額校驗法）、時間序列法、理論測定法等。統計分析法方法簡單，可操作性強，便于組織實施，結果準確、可靠，但需要大量的統計資料，而且要求定額制定人員有一定的數理統計知識。由于調查資料反映的是火電廠過去己經達到的生產用水水平，此方法沒有也不可能消除其中不合理的因素，所以需要配合類比法和經驗法綜合考慮。本次定額編制主要采用統計分析法與影響因素分析法、同類定額校驗法、經驗法相結合的方法。進行奇異值分析后，選取數理統計方法中的簡單平均法、加權平均法、二次平均法和概率測算法，得到不同滿足率下的基礎用水定額值，見表3。
綜合上述四種計算方法，根據火電廠的用水現狀和節水潛力，進行專家咨詢，確定基礎用水定額為2.30 kg/（kW·h），單位滿足率為75%。
2.2 調節系數
由于不同類型火電廠的設備和工藝不同，用水量存在差異，為保證用水定額的公正性與公平性，針對不同類型的火電廠還需要引入調節系數對基礎用水定額進行修正。根據用水量的影響因素分析，可以得出裝機容量是影響取水的重要因素，所以，按照單機容量對各電廠進行具體分析。
（1）單機容量≥500MW時
對所選樣本用四種統計方法計算得出的定額值見表4。通過專家咨詢，最終確定單機容量≥500MW火力發電綜合用水定額為2.14kg/（kW·h）。
（2）單機容量200~500MW時
對所選樣本用四種統計方法計算得出的定額值見表5。綜合考慮，進行專家咨詢，將200-500MW級的火電綜合用水定額確定為2.4kg/（kW·h）。
（3）單機容量＜200MW時
此類單機容量的電廠具體分為一般電廠和垃圾焚燒電廠兩類，經過與企業溝通，進行專家咨詢，運用經驗法，確定一般電廠的定額值為2.7 kg/（kW·h），垃圾焚燒電廠的定額值為5.6kg/（kW·h）。根據不同單機容量的初始定額和基礎用水定額，兩者相除計算得到實測的調節系數，見表6。
2.3 定額的最終確定
按照單機容量具體分析得：單機容量≥500MW，火力發電取水定額初始值為2.14kg/（kW·h）。單機容量200~500MW，火力發電取水定額初始值為2.4kg/（kW·h）。單機容量＜200MW，火力發電取水定額初始值為2.7kg/（kW·h）。最后召開專家咨詢會，對初步制定的綜合用水定額值進行分析論證。鑒于天津市火電廠用水水源分析，存在電廠使用再生水的情況，并且某些火電廠再生水水量約占到新取水量的80%，再生水的使用將是天津市電廠用水的發展趨勢，所以最終定額如表7。
3 定額的合理性分析
3.1 定額值與實際用水量的比較
對用水定額進行先進性判別，針對已經確定的用水定額，首先與各企業實際的單位發電取水量進行比較，即定額回算：定額初始值*發電量與實際用水量進行比較。對定額值與實際值差值比例作圖，見圖2。
如圖2所示，正數代表定額值大于實際值，負數代表定額值小于實際值。企業用水差值比例處于-20%~20%之間，定額值符合企業用水要求。做定額值與實際值的差值的正太分布圖和P-P圖進行分析，見下圖3和圖4。
用SPSS做出定額值與實際值的正態分布圖和P-P圖。可以看出定額值整體上符合正態分布，滿足合理性要求。
3.2 與2003版定額比較
2003年頒布的天津市《工業產品取水定額（DBl2／T101—2003）》中，火力發電的用水定額為1.381-1.77m3/MW·h，熱力發電的用水定額為2.115~2.75 m3/ MW·h。此次定額修訂，未采取舊版定額分類方式，是因為越來越多的電廠均為熱電聯產，所調查的電廠中只有兩家為純凝機組電廠。而機組對耗水量的影響也比較大，所以此次定額修訂按單機容量大小進行分類制定。
與2003年天津市的工業用水定額相比，由于生產工藝的改進，設備的更新，以及節水措施的實施使得用水量下降，單位產品耗水量下降。與之前相比，用水定額的減小關鍵是由于各電廠冷卻水的濃縮倍率的提高，75%的電廠濃縮倍率在3以上；以及冷卻水重復利用率的提高，90%的電廠冷卻水復用率均在97%以上，并且70%以上的電廠脫硫系統的取水來自于冷卻循環水的排污水，這一節水措施大大降低了新鮮水的取水量，達到了節能減排的雙重效果。盡管如此，由于近年脫硫裝置的使用，使得電廠取水量比原先增大，即使選取污水回用，由于水質的下降，使得取水量還是有所增大，另外大多數電廠高效利用再生水，也會相比新鮮水有較大的取水量。所以此次定額只比舊版定額略微減小。
3.3 與國標定額比較
2012年頒布的國標火力發電取水定額GB/T18916.1-2012見表8和表9。根據天津市火電廠單機容量的特點，同一電廠中大部分的單機容量是大于200MW和小于200MW的，而單機容量為200MW~300MW之間的較少，所以將天津市火電廠按照單機容量分為以下三種：單機容量＜200MW， 200MW級 （200MW≤單機容量＜500M的機組），600MW級及以上（單機容量≥500MW）。
國標中火力發電取水定額大于天津市火力發電的取水定額，天津市火電行業用水水平相對較高，天津市的火電定額處于全國領先水平。
4 結論
本次用水定額編制過程分析了火電廠的用水構成和現有的節水情況，綜合考慮了不同火電廠的技術工藝以及影響火電廠用水的各項因素，主要包括裝機容量、發電量和在職人數等，并引入調節系數對基礎定額進行修正，力求使定額具有科學性、可操作性、公平性以及繼承性。本次火電用水定額為2.30kg/（kW·h），相比舊版熱力發電定額減小，關鍵是由于各電廠冷卻水的濃縮倍率的提高和水的重復利用率的提高。同時，生產工藝的改進，設備的更新，以及節水措施的實施等也是定額減小的原因之一。
