基于高效節水技術的煤電機組耗水指標研究

0 引言

水資源作為基礎性的自然資源和戰略性的經濟資源，在保障社會可持續發展、維系生態平衡與和諧環境方面發揮著重要作用。2019年，國家發展改革委、水利部聯合印發了《國家節水行動方案》(發改環資〔2019〕695號)，提出“節水優先、空間均衡、系統治理、兩手發力”的新時期治水方針，并明確提出近遠期有機銜接的總體控制目標。電力工業作為國民經濟基礎產業和重要能源行業，同時也是工業用水大戶，水資源節約與綜合利用是電力工業可持續發展的一項重要而緊迫的任務。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經濟發展的約束較為顯著，對電廠用水量和耗水指標要求愈發嚴格。因此，水資源節約與綜合利用是我國煤電基地可持續發展的一項必不可少且緊迫的戰略性任務，在煤電基地采用高效節水技術，達到國際先進耗水定額標準勢在必行。

1 煤電機組節水現狀

1.1 2×660 mw循環冷卻濕冷機組用水量分析

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

從圖1可以看出，在循環冷卻濕冷機組中耗水量大的系統為循環水系統、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是指采用翅片管式的空冷凝汽器或散熱器，利用環境空氣來冷卻、凝結汽輪機乏汽的冷卻技術。汽輪機排汽空冷技術是火力發電廠重大節水技術，節水效果顯著。以2×660 mw空冷機組采用常規設計為例對燃煤電廠各系統的耗水量進行統計分析，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和煙氣余熱利用技術，除灰系統采用干式除灰技術，除渣系統采用干式除渣技術?？绽錂C組各系統耗水量統計見圖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%。

空冷機組沒有循環冷卻系統中冷卻塔的蒸發、風吹和排污損失，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，汽輪機排汽空冷技術是最有效的節水技術。

1.3 其他常規節水技術

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

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輔機循環水泵將水送到輔機設備，經過熱交換的熱水進入空冷散熱器中，直接利用環境空氣冷卻降溫后再回到輔機循環水泵，通過輔機循環水泵進行循環使用。

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一步節約用水，降低耗水指標。

2.2 煙氣提水技術

煙氣提水技術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年在內蒙古某電廠成功應用，運行情況良好。

實施煙氣提水技術可降低機組耗水量，符合國家產業政策，有較好的社會效益和環境效益。該技術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

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^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后，耗水量僅為3～7 m3/h，比無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的脫硫工藝。

采用活性焦干法脫硫技術投資較高，經濟性較差，雖不增加電廠本身用水量，但上下游產業的總用水量會增加，因此該技術適宜應用在有配套上下游產業的地區。

2.4 褐煤干燥乏氣水回收技術

褐煤干燥乏氣水回收技術是在以高水分褐煤為燃料的火電廠，采用褐煤干燥提質及回收技術回收乏氣水，常用的包括爐煙干燥及水回收風扇磨倉儲式制粉系統的褐煤提水技術、蒸汽滾筒干燥機集中預干燥及水回收的褐煤提水技術、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等。

該技術系統設計方案集成了各項成熟的工藝，采用各個設備的單品均已成熟且有工程業績，與常規褐煤機組相比，可顯著提高鍋爐效率，降低發電標煤耗和廠用電率，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的安全性和可靠性進一步論證。

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，依據缺水程度遞進地分為三個檔次，依次使用更加高效的節水技術，方案對比見表1。

其中，對于脫硫系統三項節水技術，活性焦干法煙氣脫硫技術成本過高，現階段不適宜大規模推廣；褐煤乏氣水回收技術雖有投產業績，但系統存在安全隱患；煙氣提水技術相對以上兩項技術更經濟、更安全、更可靠。因此，在深度節水技術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”，提水量暫按脫硫系統內“零補水”進行考慮。干除灰干除渣(調濕)即灰渣調濕后運至灰場或綜合利用用戶；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。輔機空冷系統在夏季高溫時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

電廠位于溫帶地區，夏季頻率10%的氣溫為30 ℃；年生產用水量按7000 h計，年生活用水量按8760 h計；電廠沒有廢水外排；若輔機采用濕冷系統，輔機系統循環水溫升為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行耗水指標及耗水量的研究測算，詳見表2。2×350 mw、2×660 mw、2×1000 mw年總耗水量見圖3。

對于常規節水方案，脫硫系統耗水量約占全廠耗水量的32%～42%，所占比例最高；其次是化學系統耗水量，約占全廠耗水量的16%。對于深度節水方案第一個檔次，脫硫系統耗水量約占全廠耗水量的39%～47%，所占比例最高；其次是除灰渣系統耗水量，約占全廠耗水量的17%～20%。對于深度節水方案第二個檔次，由于進一步采用煙氣提水技術，實現脫硫系統內“零補水”，大大降低了全廠的耗水量，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檔次，由于進一步采用灰渣綜合利用方案，此時除灰渣系統耗水量為0，全廠耗水量進一步降低，耗水指標(綜合外用水指標)最低。

3.3 推薦的節水技術及先進定額指標

通過采用先進節水技術，火力發電廠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0.18 m3/(s·gw)控制；2011年，根據gb 50660—2011《大中型火力發電廠設計規范》，300 mw及以上空冷機組設計耗水指標按不超過0.12 m3/(s·gw)控制；2014年，國家能源局印發了《國家能源局關于推進大型煤電外送基地科學開發的指導意見》(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0.1 m3/(s·gw)控制。

經測算，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)、電動給水泵或汽動給水泵排汽空冷、輔機冷卻水濕冷系統方案時，300 mw等級空冷機組設計耗水指標按不超過0.10 m3/(s·gw)控制，單位裝機量取水量定額指標按不超過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0.09 m3/(s·gw)控制，單位裝機量取水量定額指標按不超過0.1 m3/(s·gw)控制。詳見表3。

對于水資源供需矛盾突出地區，當進一步采用輔機冷卻水空冷技術后，設計耗水指標和單位裝機量取水量定額指標可進一步降低。300 mw等級空冷機組進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0.10 m3/(s·gw)下降到不超過0.08 m3/(s·gw)，單位裝機量取水量定額指標可由不超過0.11 m3/(s·gw)下降到不超過0.09 m3/(s·gw)。600 mw及以上空冷機組進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0.09 m3/(s·gw)下降到不超過0.07m3/(s·gw)，單位裝機量取水量定額指標可由不超過0.1 m3/(s·gw)下降到不超過0.08 m3/(s·gw)。詳見表4。

對于水資源供需矛盾極為突出地區，當脫硫系統進一步采用煙氣提水技術(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一步降低。300 mw等級空冷機組脫硫系統進一步采用煙氣提水技術后，設計耗水指標可由不超過0.08 m3/(s·gw)下降到不超過0.05 m3/(s·gw)，單位裝機量取水量定額指標可由不超過0.09 m3/(s·gw)下降到不超過0.055 m3/(s·gw)。600 mw及以上空冷機組脫硫系統進一步采用煙氣提水技術后，設計耗水指標可由不超過0.07 m3/(s·gw)下降到不超過0.04 m3/(s·gw)，單位裝機量取水量定額指標可由不超過0.08 m3/(s·gw)下降到不超過0.045 m3/(s·gw)。詳見表5。

4 結論

1)采用主機空冷技術是最有效、最經濟的節水措施，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節水，可以進一步節水約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一步采用煙氣提水技術后，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)今后可通過深入研究全封閉干灰庫儲灰技術、煙氣循環流化床(半)干法脫硫除塵一體化技術、苦咸水開發利用技術等深度節水技術，進一步降低煤電機組的耗水指標。