天津市火电厂综合用水定额编制研究
刘云婷 李克勋 孙 琦
（ 南开大学环境科学与工程学院）
0前言
火力发电属于高耗水行业，就全国电力工业而言，火电取水量占全国工业取水量的 40%。根据《取水定额 第1部分：火力发电》（GB/T 18916.1-2012）的要求，单位发电量取水量定额为2.4~3.2m3/（MW·h）。2010年，天津市火力发电装机容量为11933.5MW，2011年发电量是619.08亿kW·h，比2010年增长11.1%。根据天津市第一次全国水利普查统计，2011年电力行业的总用水量为18785m3，占天津市工业总用水量的22%。
根据《天津市工业经济发展“十二五”规划》，到2015年，新增本地装机8000MW到10000MW。随着装机容量的增大，电厂耗水量也随之增加。近年来，针对火电厂的用水结构、节水潜力及对策展开了大量的研究，推动了火电厂节水工作的进展。
2003年天津市颁布了相应的定额，《工业产品取水定额（DBl2／T101—2003）》，但2003版火电定额距现在已有十多年，近年来由于科学技术的快速发展，生产工艺的改进，各企业单位节水水平的提高，急切需要一个符合当下水平的合理的定额值作为指示和标准。本文对天津市各个类型的火电厂用水情况进行抽样调查，就天津市火力发电行业综合取水定额编制进行研究。
天津市火电厂的用水定额编制属于综合用水定额编制，与单项用水定额相比较，它主要是针对某个行业而非某类产品，用水构成也包括生活、生产、消防用水等多个方面，这有利于用水管理部门的日常管理。
1 天津市火电厂用水现状分析
1.1 用水构成
火电厂的用水结构主要分为生产用水、生活用水和消防用水三大部分。生产用水主要包括热力系统用水（锅炉补给水）、冷却系统用水、供热系统用水、除灰系统用水和烟气净化系统用水；生活用水包括生活系统用水、化验室和实验室用水、绿化施工系统用水和厂区杂用水。由于消防用水的不确定性，其用水量不计入用水定额之内。
本次调查研究的火电厂用水主要是生产用水（包括锅炉、汽轮机、发电机、化学水处理四类设备的用水）、辅助生产用水（包括机修、运输、空压站等）和附属生产用水（办公楼、食堂、浴室、绿化、企业职工生活用水等）。用水构成见下表1和图1。
从表1和图1可以看出，天津市大多数电厂用水量大的子系统为循环冷却水系统、化学除盐单元和烟气脱硫单元，分别约占总用水量的70.92%、17.48%和7.91%，而其它用水单元（包括除渣、除灰、输煤系统，检修，生活用水）的用水量则相对较少，只占总用水量的3.69%。
由于循环冷却水系统的功能是将冷却水送至凝气器去冷却汽轮机低压缸排汽，以维持凝气器的真空，使汽水循环得以继续。天津市火电厂循环冷却水系统大都属于敞开式冷却，因冷却塔蒸发，排污，风吹（飞溅）而从循环冷却水系统中损失的水量，需要进行及时补充，因此循环冷却水系统补水耗水量大。化学除盐系统主要是给锅炉补水，火力发电机组主要是利用锅炉将水加热成蒸汽，然后进入汽轮机，蒸汽膨胀冲动汽轮机的转子，带动发电机发电。取自水源的原水，经混凝澄清及离子交换除盐处理后，制成高纯度的除盐水，作为锅炉补给水。因此，化学除盐系统耗水量大。脱硫系统耗水和发电量成正比，当电厂发电量越大，燃煤越多，含硫量逐渐升高，脱硫系统耗水量也逐渐增大。由于大多数电厂都采用的是干式除尘和输灰系统，因此除尘和输灰系统的用水量较小，不作为火电厂用水定额编制的重点用水系统考虑。
1.2用水量影响因素分析
本研究调查了天津市17家火电厂2011年的用水情况及相关因素，并运用SPSS软件，对装机容量、发电量以及在职人数（包括正式工、合同工和临时工）与取水量进行相关性分析，见表2。得到结论：发电量与用水量的相关系数为0.846，在0.01水平上显著相关。装机容量与耗水量的相关系数为0.711，在0.01水平上显著相关。职工人数与取水量的相关系数为0.204，没有相关性。把发电量和装机容量作相关性分析，可以看出，发电量的变化与装机容量大小基本呈现相同的变化趋势。机组容量越大，单位时间内发电越多。经分析，可以考虑火电取水综合用水定额的核算单元为单位发电量，而装机容量也是影响取水的重要因素，所以制定定额时需要按照装机容量分类考虑。
2 火力发电综合用水定额的制定
2.1 基础用水定额
采用科学合理的用水定额的编制方法，是保证用水定额的先进性、科学性、合理性和可行性的关键手段。制定用水定额常采用的方法主要有经验法（三点法）、统计分析法、类比法（影响因素分析法和同类定额校验法）、时间序列法、理论测定法等。统计分析法方法简单，可操作性强，便于组织实施，结果准确、可靠，但需要大量的统计资料，而且要求定额制定人员有一定的数理统计知识。由于调查资料反映的是火电厂过去己经达到的生产用水水平，此方法没有也不可能消除其中不合理的因素，所以需要配合类比法和经验法综合考虑。本次定额编制主要采用统计分析法与影响因素分析法、同类定额校验法、经验法相结合的方法。进行奇异值分析后，选取数理统计方法中的简单平均法、加权平均法、二次平均法和概率测算法，得到不同满足率下的基础用水定额值，见表3。
综合上述四种计算方法，根据火电厂的用水现状和节水潜力，进行专家咨询，确定基础用水定额为2.30 kg/（kW·h），单位满足率为75%。
2.2 调节系数
由于不同类型火电厂的设备和工艺不同，用水量存在差异，为保证用水定额的公正性与公平性，针对不同类型的火电厂还需要引入调节系数对基础用水定额进行修正。根据用水量的影响因素分析，可以得出装机容量是影响取水的重要因素，所以，按照单机容量对各电厂进行具体分析。
（1）单机容量≥500MW时
对所选样本用四种统计方法计算得出的定额值见表4。通过专家咨询，最终确定单机容量≥500MW火力发电综合用水定额为2.14kg/（kW·h）。
（2）单机容量200~500MW时
对所选样本用四种统计方法计算得出的定额值见表5。综合考虑，进行专家咨询，将200-500MW级的火电综合用水定额确定为2.4kg/（kW·h）。
（3）单机容量＜200MW时
此类单机容量的电厂具体分为一般电厂和垃圾焚烧电厂两类，经过与企业沟通，进行专家咨询，运用经验法，确定一般电厂的定额值为2.7 kg/（kW·h），垃圾焚烧电厂的定额值为5.6kg/（kW·h）。根据不同单机容量的初始定额和基础用水定额，两者相除计算得到实测的调节系数，见表6。
2.3 定额的最终确定
按照单机容量具体分析得：单机容量≥500MW，火力发电取水定额初始值为2.14kg/（kW·h）。单机容量200~500MW，火力发电取水定额初始值为2.4kg/（kW·h）。单机容量＜200MW，火力发电取水定额初始值为2.7kg/（kW·h）。最后召开专家咨询会，对初步制定的综合用水定额值进行分析论证。鉴于天津市火电厂用水水源分析，存在电厂使用再生水的情况，并且某些火电厂再生水水量约占到新取水量的80%，再生水的使用将是天津市电厂用水的发展趋势，所以最终定额如表7。
3 定额的合理性分析
3.1 定额值与实际用水量的比较
对用水定额进行先进性判别，针对已经确定的用水定额，首先与各企业实际的单位发电取水量进行比较，即定额回算：定额初始值*发电量与实际用水量进行比较。对定额值与实际值差值比例作图，见图2。
如图2所示，正数代表定额值大于实际值，负数代表定额值小于实际值。企业用水差值比例处于-20%~20%之间，定额值符合企业用水要求。做定额值与实际值的差值的正太分布图和P-P图进行分析，见下图3和图4。
用SPSS做出定额值与实际值的正态分布图和P-P图。可以看出定额值整体上符合正态分布，满足合理性要求。
3.2 与2003版定额比较
2003年颁布的天津市《工业产品取水定额（DBl2／T101—2003）》中，火力发电的用水定额为1.381-1.77m3/MW·h，热力发电的用水定额为2.115~2.75 m3/ MW·h。此次定额修订，未采取旧版定额分类方式，是因为越来越多的电厂均为热电联产，所调查的电厂中只有两家为纯凝机组电厂。而机组对耗水量的影响也比较大，所以此次定额修订按单机容量大小进行分类制定。
与2003年天津市的工业用水定额相比，由于生产工艺的改进，设备的更新，以及节水措施的实施使得用水量下降，单位产品耗水量下降。与之前相比，用水定额的减小关键是由于各电厂冷却水的浓缩倍率的提高，75%的电厂浓缩倍率在3以上；以及冷却水重复利用率的提高，90%的电厂冷却水复用率均在97%以上，并且70%以上的电厂脱硫系统的取水来自于冷却循环水的排污水，这一节水措施大大降低了新鲜水的取水量，达到了节能减排的双重效果。尽管如此，由于近年脱硫装置的使用，使得电厂取水量比原先增大，即使选取污水回用，由于水质的下降，使得取水量还是有所增大，另外大多数电厂高效利用再生水，也会相比新鲜水有较大的取水量。所以此次定额只比旧版定额略微减小。
3.3 与国标定额比较
2012年颁布的国标火力发电取水定额GB/T18916.1-2012见表8和表9。根据天津市火电厂单机容量的特点，同一电厂中大部分的单机容量是大于200MW和小于200MW的，而单机容量为200MW~300MW之间的较少，所以将天津市火电厂按照单机容量分为以下三种：单机容量＜200MW， 200MW级 （200MW≤单机容量＜500M的机组），600MW级及以上（单机容量≥500MW）。
国标中火力发电取水定额大于天津市火力发电的取水定额，天津市火电行业用水水平相对较高，天津市的火电定额处于全国领先水平。
4 结论
本次用水定额编制过程分析了火电厂的用水构成和现有的节水情况，综合考虑了不同火电厂的技术工艺以及影响火电厂用水的各项因素，主要包括装机容量、发电量和在职人数等，并引入调节系数对基础定额进行修正，力求使定额具有科学性、可操作性、公平性以及继承性。本次火电用水定额为2.30kg/（kW·h），相比旧版热力发电定额减小，关键是由于各电厂冷却水的浓缩倍率的提高和水的重复利用率的提高。同时，生产工艺的改进，设备的更新，以及节水措施的实施等也是定额减小的原因之一。
