Disscussion on the Design Philosophy to Meet Water Consumption Index of Circulation Cooling Combined-Cycle Peak-Regulation Power Plant in South China

随着环境保护、节能减排的倡导，节水指标成为评价发电厂经济社会效益的一项重要内容，而用水定额要求是其中的一项最重要的指标。

燃气-蒸汽联合循环机组作为清洁能源发电的代表，在国内得到了广泛的应用^［1-3］。大型燃气-蒸汽联合循环机组因其发电容量大、效率高、调峰性能好等优点^［4-6］，越来越多地被选用，其中技术最先进、单机容量最大的H级为最高等级。

目前，国内大型联合循环电厂（燃机电厂）的建设地点大多位于广东、江苏、浙江、上海、福建、海南、香港等南方地区，纯凝调峰和热电联产均有较多应用；北方地区主要位于北京、天津、山东等地，以供热为主。受日益严格的环保要求，目前国内新建的和在建的大型联合循环机组除少数位于海滨采用海水直流循环以外，大多数均采用二次循环冷却，以节约地表淡水取水，减少对水体的热污染。

我国南方地区以热带和亚热带季风气候为主，夏季高温多雨，冬季温和少雨。年平均气温及湿度较高，受夏季风影响大，雨季长，尤其夏季气候炎热、空气湿度大。

本文以广东某2 × 600 MW级H级调峰联合循环电厂项目为例，对典型的南方大型二次循环燃机电厂如何符合用水定额要求，实现高标准节水进行设计研究分析，提出设计思路和措施。

项目新建2 × 600 MW级H级燃气-蒸汽联合循环机组，纯凝调峰运行，采用带机力通风冷却塔的二次循环冷却方式，机组性能保证工况出力为2 × 687.25 MW，机组年利用小时数为3 300 h。

项目厂址位于广东省广州市南沙区、珠江口西岸，属于亚热带季风气候区，且同时受海洋气候调节，具有温暖湿润、日照充足、夏无酷热、冬无严寒等特点。

根据厂址附近气象站的资料显示，多年来全年平均气温为22.4 ℃、全年平均相对湿度为78%、最热三个月平均气温（机组性能保证环境条件）为28.4 ℃、累计频率为10%的湿球温度为25.2 ℃。可见，环境温度和湿度均处于较高水平。

项目循环水补充水水源取自珠江，根据厂址附近水文站的资料显示，多年来全年平均水温为24.6 ℃、最热三个月平均水温为29.7 ℃、累积频率为10%的水温为31.3 ℃。可见，水源温度也处于较高水平。此外，由于厂址位于河道出海口附近，水源有着较为严重的咸潮，每年9月至来年4月水体含盐量会不同程度增加，氯根含量最高可达8 000 mg/L。

项目用水需求主要分为两个方面：

1）冷却塔补充水：取自珠江河道，用于弥补冷却塔自然蒸发、风吹和排污带来的循环水量损耗，占全厂用水量90%以上，基本直接决定了项目的节水水平。

2）工业、生活用水：取自市政自来水系统，主要用于厂内锅炉补给水处理、空调补充、锅炉排污冷却等工业用水，以及消防和生活用水，占全厂用水量比例较低。

火力发电厂的用水定额往常执行国家标准《取水定额第1部分：火力发电》（GB/T 18916.1－2021）^［7］的相关要求，如表1所示。

该项目为600 MW等级的二次循环机组，按表1的要求，取水定额为2.35 m³/MWh。

为了进一步保护我国水资源，深入推进节约用水工作，2019年12月水利部印发了《钢铁等十八项工业用水定额》（水节约［2019］373号）^［8］（2020年2月1日起实施），其中对于火力发电中的燃气-蒸汽联合循环发电的用水定额规定如表2所示。

根据表2，该项目用水定额采用先进值0.90 m³/MWh，可见相对于原有国家标准2.35 m³/MWh的指标要求，严格了近3倍。

相应的，广东省也更新了地方标准《用水定额》（DB44/T 1461－2021）^［9］，其中对于电力生产中的燃气-蒸汽联合循环发电的用水定额规定同表2内容一致。

综上，该项目的用水定额应符合最新的水利部发布的政策法规要求及广东省最新用水定额要求，即不超过0.90 m³/MWh。

该项目是典型的南方地区大型二次循环调峰燃机电厂，其节水设计有以下难点：

1）相对于燃煤电厂，燃机电厂用水点少，复用难度高，主要用水点是循环水系统补水及锅炉补给水；尤其相对于热电联产，纯凝调峰燃机的循环水总量高，循环水系统损失的绝对值大。

2）环境温度高，使得冷却塔自然蒸发损失水量明显增加，排污损失也相应增加。比如与华北地区比较，本项目所在地年平均气温22.4 ℃，较华北地区高10 ℃左右，在同样循环水量及冷却倍率情况下，循环水总补水量高15%左右；如与东北及西北地区比较，则差异更大。

3）环境温度、湿度高，会降低燃气机组额定出力，使得单位发电量用水需求高。

4）机组采用夏季气象条件作为考核工况，循环水水温高，为满足机组出力及背压要求，循环水总量需求大。

5）水源具有较严重的咸潮，影响冷却塔浓缩倍率的优选。

上述难点为厂址客观条件造成的，也代表了一批南方地区大型二次循环燃机电厂固有难点：由于气候条件的因素，机组耗水量大，但取水定额指标没有区分气候区划，因此对实现用水指标符合定额要求提出了挑战。

该项目水源分为两个方面：其一为市政自来水，主要用于厂内锅炉补给水处理、空调补充、锅炉排污冷却等工业用水，以及消防和生活用水；其二为冷却塔补充水，取自珠江河道。其中经过工艺系统优化，项目工业生活用水量如表3所示，市政自来水取水量共计43 m³/h，年取水量17.97万m³。

根据前文，该项目绝大部分用水来自冷却塔补充水，其对用水指标的贡献是决定性的，而调整浓缩倍率是减少冷却塔补水的最有效途径^［11］，故本节首先分析浓缩倍率变化对单位取水量的影响。

由于厂址水源受咸潮影响，咸潮期浓缩倍率不宜过大，根据获得的以往全年水质情况，经计算，非咸潮期浓缩倍率取5，咸潮期浓缩倍率取2.5较为适宜。

下面分别按全年浓缩倍率5倍、全年浓缩倍率2.5倍以及非咸潮期浓缩倍率5倍，咸潮期浓缩倍率2.5倍进行全厂水量平衡计算，得出三种计算方式下珠江水取水量及单位发电取水量，如表4和表6所示。

根据表4和表6计算结果，三种不同浓缩倍率的计算方式下，项目单位发电取水量均未达到不超过0.90 m³/MWh的定额要求。其中按照全年浓缩倍率5倍的计算方式略超（可作为进一步优化的方向），其余两种计算方式则超出较多，可见通过提高浓缩倍率的方式对降低单位发电取水量效果显著。

但由于该项目厂址水源受咸潮影响，若全年均按5倍或更高浓缩倍率考虑，在咸潮期浓缩倍率过高，循环水水质很差，导致腐蚀结垢严重，会影响机组安全稳定运行，设计上不合理。

该项目受水源存在咸潮影响的特殊性影响，通过提高浓缩倍率减少单位发电取水量难度较高，而最新用水定额标准中仅显示采用海水直流或二次循环冷却方式时，其取用的海水量不计入取水水量，但未规定对咸潮等特殊情况的处理方式，为此，笔者和项目单位整理了该项目的实际情况和取水计算数据，向用水定额标准编制单位征询并取得了回函。回函表示：按照定额的制修订原则，循环冷却用海水不应纳入用（取）水量范畴，取水为淡水和混合水，其所用淡水应纳入取水量。建议该项目用（取）水定额仍按0.9 m³/MWh进行评价。因此，该项目最终单位发电取水量计算采用如下方式：非咸潮期浓缩倍率采用5倍，咸潮期采用2.5倍，其中，咸潮期扣除相应海水取水量，相应计算见表7所示。

根据表7计算结果，咸潮期浓缩倍率2.5倍，非咸潮期浓缩倍率5倍方案，在扣除海水取水量后，单位发电取水量仅为0.504 m³/MWh，大大低于用水定额0.9 m³/MWh的要求，客观、合理地实现了节水目标。

根据本章研究，可得出以下结论：

1）浓缩倍率的提高对降低单位发电取水量效果显著，在技术可行的情况下，应尽量提高浓缩倍率以实现节水。

2）针对类似该项目水源受咸潮影响的工程，应根据不同时段采取不同浓缩倍率，通过精细化设计减少取水量。

3）计算单位发电取水量指标时，应对水源特征进行分析，对于不属于计算范围内的水量应合理予以剔除，以达到工程设计以及取水指标计算的双重合理性。

除了优化浓缩倍率以外，还有一些其他节水设计思路也在该项目中进行了探讨。

该方法是通过减少循环水总量的基数，从而减少冷却塔蒸发损失、风吹损失的绝对值。

经过冷端优化和设备优选，项目额定工况循环水总量为单台机组43 668 m³/h（冷却倍率79倍、设计背压7.80 kPa），有益于电厂的经济运行。若要进一步减少循环水总量，需提高机组背压，一方面损失一定的经济性；另一方面背压升高会使得机组出力减少，而用水定额是一个单位指标，经笔者实际计算，单位发电容量的用水值变化很小，意义不大。

该方法是通过将冷却塔排水进行回用，从而减少冷却塔补充水量。

对于纯地表淡水作为冷却塔补充水水源的纯凝调峰燃机电厂，将冷却塔排水进行厂内回用是减少水耗的有效途径之一，最为常见的是回用作为锅炉补给水处理系统的水源，两台H级燃机可减少取水量约50 m³/h，有较好的节水效果。

该项目由于受咸潮影响，冷却塔排水水质波动大，特别是咸潮期内已达海水水平，若回用至锅炉补给水处理系统，需要增设海水淡化设施，投资和运行费用过高，不建议采用。

该方法是通过采用城市中水，以获得稍微宽松的用水定额要求。

为鼓励电厂企业积极采用经城市污水处理厂处理合格后的城市中水，《钢铁等十八项工业用水定额》规定：“当机组采用再生水时，循环冷却机组定额调整系数为1.2。”也就是说，对于该项目，若能采用城市中水作为冷却塔补充水水源，定额指标能上调至0.90×1.2=1.08（m³/MWh），即每MW发电容量增加用水指标0.18 m³/h，年总用水量允许增加2×687.25×0.18×0.33=81.645（万m³），比较显著。

但往往容易被忽视的是，由于城市中水通常水质较差，总含盐量、氯离子、硬度、生化指标较同地区的地表淡水高，且不稳定，因此当采用城市中水作为冷却塔补充水时，设计浓缩倍率通常为3~4倍，较低的浓缩倍率导致冷却塔补充水量增加。以该项目为例，若采用中水作为冷却塔补充水水源，当浓缩倍率为3.0时（其余条件不变），单位发电取水量约为1.10 m³/MWh，不满足取水定额要求。若需满足取水定额1.08 m³/MWh的要求，浓缩倍率需至少提高到3.2。该项目由于厂址附近没有合适的城市中水水源，故采用不了该方式，但对于具备水质比较好的城市中水、浓缩倍率若能实现3.5倍左右的电厂项目，则将会是很有效的实现用水满足定额要求的设计途径之一。

该方法是通过加强厂内的水务管理和运行监督，一方面减少“跑冒滴漏”现象，减少设计中的“未预见管网损失”，另一方面通过梯度和分质用水，提高厂内用水利用率，以达到节水目的。

该方法广泛适用于火力发电厂，但燃机工程相较于燃煤工程，厂内淡水用户和废水利用渠道均较少，优化效果不太突出；但即便是对于减少全厂用水贡献不太多，为了提高电厂管理水平、倡导节约用水文化，亦应在燃机电厂中全面推广。

对照最新的《钢铁等十八项工业用水定额》及广东省最新用水定额的要求，基于项目厂址条件和总体技术方案，经过深入分析研究和方案拟定比选，最终实现设计用水指标0.504 m³/MWh，不仅合理经济的符合了用水定额先进值0.90 m³/MWh的要求，而且低于用水定额领先值0.75 m³/MWh，节水效果显著。

通过本文的实例研究，对于南方地区大型二次循环燃气-蒸汽联合循环调峰机组，为符合最新用水定额要求，有以下设计思路可以借鉴：

1）对于地表淡水作为冷却塔补充水水源的，由于环境温度高，冷却塔自然蒸发损失大，应根据水质情况，尽量将浓缩倍率提高至5倍或更高，减少冷却塔排水量，进而降低取水量。

2）循环水受咸潮影响的，应根据咸潮季节、历时和水质情况，分别拟定非咸潮期和咸潮期的浓缩倍率；对于咸潮历时长且严重的，必要时可依据政策和规范，征求相关主管部门意见，相应扣除咸潮期内的海水取水量。

3）循环水总量应通过冷端优化确定，特意提高背压会使得循环水总量与机组发电量同时减少，对于作为单位发电量的用水定额意义不大。

4）冷却塔排水水质较好的，可考虑回用作为锅炉补给水处理系统原水或其他厂内合适用途。

5）可考虑选用水质较好的城市中水作为冷却塔补充水、甚至全厂工业用水的水源，考虑中水水质情况，浓缩倍率建议设计为3.5倍左右。

6）应加强电厂水务管理，深度挖潜电厂节水能力^［12-13］。