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中国 燃煤 机组 用水效率评估 及 用 水定额提标 效果 分析 Assesment on the water eficiency of coal-fired power generating units in China and the efect of strengthening water withdrawal quotas 同济大学 2020年 9月 中国燃煤机组用水效率评估及用水定额 提标 效果 分析 摘要 燃煤发电是 我国 主力电源， 2018年贡献了全国发电量总量的 64%。 燃煤 发电过程用水量 大 。 据测算， 2015年 燃煤发电 淡水 取水 量约 占 全国取水总量的 9%， 是 仅 次 于农业灌溉的第二大用水部门。 在 “ 西电东输 ”能源发展 战略 的 驱动下， 煤电布局 不断 西移， 约三分之二的 燃煤发电量位于高和极高水压力地区 ，水资源与电力生产的空间错配 加剧了西北 等 缺水地区的水资源压力 。面对上述 情况 ，我国出台了一系列管理制度和政策 促进电力工业节水管理 ， 其中， 用 水定额 是基础性 的节水政策 。 由于我国煤电工业 正处于快速的 结构 调整和技术进步过程中 ， 燃煤发电用水效率不断提升，必须阶段性地更新 用 水定额 ，以跟上技术 进步 的步伐 ， 切实指导 缺水 地区 开展节水工作 。 为 此， 2019年 12月水利部印发了 18项 新的 工业用水定额（水节约 2019 373号） ， 对原 定额进行了提标，并首次设定通用值、先进值和领跑值三级指标 体系 ，促进分类对标管理。 本 报告首先 分析了我国 煤电 工业国家和地方 用 水定额 的修编历史和特点 ； 然后 基于全国火电机组能效水平对标 竞赛中报告的大中型燃煤机组 用水 数据， 采用多元回归模型 评估了 燃煤机组 的 用水效率及 其 影响因素 ； 最后， 估算了 落实 新版火电工业用水定额的预期节水量及其货币化节水收益 。 结果 表明， 用水 定额标准的 地区差异性不强 ， 绝大多数地方标准直接采用了国家标准的定额数值 ，难以体现实际用水效率的地区差异 。 近年来，我国燃煤机组用水效率显著提升， 约 90%的 现役 机组 可以 满足 2012年版 原 国家 定额标准，由此可见提标政策是适时 的 、 可行的 。 假定 所有 大中型 燃煤 机组均 达到 提标后 用水 定额的通用值 ， 则 现役机组 可实现节水总量 1.22亿 m3。 在 最严格的执行情景下，假定 水资源稀缺的三北地区达到用水定额领跑值、其他地区达到先进值， 节水潜力可达 8.23亿 m3。 在浙江、内蒙古、河南、河北、山西、甘肃、新疆等 7个节水潜力大、水资源压力大的重点省区，按当地水资源税率和工业用水价格测算的货币化节水收益总额分别为 1.48亿元和 17.8亿元；如果采用模糊综合评估方法，考虑水资源的多元社会经济价值，则节水收益总额可达 27亿元。 为 加强煤电工业 的水资源管理 ，本报告 提出以下 4点政策 建 议 ： （ 1） 统一燃煤机组水资源管理工作中使用的指标术语、 核算方法 和 核算口径 ； （ 2） 完善燃煤电厂用水监测体系 ，建立数据采集 、分析和报告 网络 ； （ 3） 根据不同地区的水资源禀赋和技术条件，制定差异化的地方标准； （ 4） 强制性措施与激励性措施相结合，提高企业节水改造积极性和主动性 。引用建议 ：张超，李佳雯 . 中国燃煤机组用水效率评估及用水定额提标效果分析 . 2020. 能源基金会赠款项目技术报告 , G-1906-29810. 中国燃煤机组用水效率评估及用水定额 提标 效果 分析 目 录 1 引言 . 1 2 燃煤机组用水方式 . 4 2.1燃煤机组主要用水环节及用水指标界定 . 4 2.2燃煤机组冷却技术类型及特点 . 5 3燃煤机组用水（取水）定额政策现状分 析 . 7 3.1用水定额在火电水资源管理中的作用 . 7 3.2国家层面火电用水（取水）定额标准修编 . 8 3.3火电用水（取水）定额地方标准比较分析 . 10 3.3.1地方标准概览 . 10 3.3.2用水（取水） 定额地区差异比较 . 12 4.中国大中型燃煤机组用水效率评价 . 16 4.1数据说明 . 16 4.2机组用水效率评价 . 18 4.2.1单位发电用水量整体变化 . 18 4.2.2直流冷却机组用水效率评价 . 19 4.2.3循环冷却机组用水效率评价 . 21 4.2.4空 气 冷 却 机组用水效率评价 . 23 4.3燃煤机组单位发电用水量多元回归分析 . 25 5.燃煤机组用水定额提标效果分析 . 27 5.1估算数据和方法 . 27 5.2节水总量计算结果 . 31 5.3 分区域计算结果 . 33 6. 用水定额提标的节水量价值评估 . 36 6.1水资源价值模糊综合评估模型 . 36 6.2 评价指标与数据来源 . 39 6.3 分省计算结果分析 . 41 7.结论与建议 . 42 中国燃煤机组用水效率评估及用水定额 提标 效果 分析 图目录 图 1. 研究技术路线图 . 3 图 2. 2000-2017年地方用水（取水）定额更新频次 . 10 图 3. 2000-2017年每年更新省份个数 . 11 图 4. 直流冷却机组用水（取水）定额地方标准比较 . 14 图 5. 循环冷却机组用水（取水）定额地方标准比较 . 14 图 6. 空气冷却机组用水（取水）定额地方标准比较 . 15 图 7. 对标数据覆盖率 . 16 图 8. 2017年对标机组冷却技术空间分布 . 17 图 9. 2013-2017年分冷却技术、分机组容量单位发电用水量变 化 . 18 图 10. 2017年 300MW级直流冷却样本机组单位发电用水量频数分布 . 20 图 11. 2017年 600MW级直流冷却样本机组单位发电用水量频数分布 . 20 图 12. 2017年 300MW级循环冷却样本机组单位发电用水量频数分布 . 21 图 13. 2017年 600MW级循环冷却样本机组单位发电用水量频数分布 . 22 图 14. 我国北方地区不同水源类型的循环冷却机组用 水效率评价 . 22 图 15. 2017年 300MW级循环冷却样本机组单位发电 用 水量空间分布 . 23 图 16. 2017年 300MW级空气冷却样本机组单位发电用水量频数分布 . 24 图 17. 2017年 600MW级空气冷却样本机组单位发电用水量频数分布 . 24 图 18. 不同标准下超标机组比例 . 31 图 19. 2020年不同情景下采用新标准的全国燃煤机组节水 潜力 . 32 图 20. 差异化情景下区分装机容量 、 所用水源的各类循环冷却机组节水量 . 33 图 21. 差异化情景下各区域不同类型机组节水量 . 34 图 22. 差异化情景下分省区水压力、节水潜力象限图 . 34 图 23. 三种货币化的水资源价值模式下的节水效益比 较 . 41 图 24. 直流冷却示意图 . 48 图 25. 循环冷却示意图 . 49 图 26. 空气冷却（间接空冷）示意图 . 50 中国燃煤机组用水效率评估及用水定额 提标 效果 分析 表目录 表 1. 三类冷却技术特点比较 . 6 表 2. GB/T 1820-2002单位发电量取水量定额指标（ m3/MWh） . 8 表 3. GB/T 1820-2002单位装机容量取水量定额指标（ m3/sGW） . 8 表 4. GB/T 18916.1-2012单位发电量取水量定额指标（ m3/MWh） . 8 表 5. GB/T 18916.1-2012单位装机容量取水量定额指标（ m3/sGW） . 8 表 6. 水节约 2019 373号火力发电机组用水定额（ m3/MWh） . 9 表 7. 各省自治区用水（取水）定额地方标准划分方式比较 . 12 表 8. 地方标准高于国家标准的情况汇总（ m3/MWh） . 15 表 9. 多元回归模型参数估计结果 . 26 表 10. 不同类型燃煤机组单位发电用水量均值 . 27 表 11. 2020燃煤机组装机容量和发电量估算 . 29 表 12. 节水潜力计算情景设计 . 30 表 13. 水资源评价指标体系 . 39 中国燃煤机组用水效率评估及用水定额 提标 效果 分析 1 1 引言 燃煤发电是我国主力电源。截至 2018年底，我国煤电装机容量达到 1008GW1，占全国发电装机总量的 53%， 并 且已经超过全球现役煤电装机总量的一半。 2018年燃煤发电量4.5万亿千瓦时， 贡献了 全国发电量总量的 64%1。 在电力工业低碳化发展的背景下，煤电在电源结构中的比重呈不断 下降 趋势 。 不过 ， 我国一次能源 禀赋 的特点决定了 煤炭清洁高效利用是我国能源安全的关键 保障 ， 在未来相当长的时期内， 燃煤发电 仍将作为最主要的电源类型 支撑社会经济发展和电力消费增长 。 以蒸汽循环为基本原理的燃煤发电过程 用水量大，水资源主要用于冷却凝汽器，带走废热，此外锅炉补水、烟气脱硫、辅机冷却、除尘、排渣等众多工艺环节都需要消耗水。据研究测算2， 2015年 我国 燃煤发电 淡水 取水总量约 560亿立方米，相当于当年全国取水总量的 9%3， 是继农业灌溉之后用水量第二大的单一产业部门。除淡水外， 沿海地区大量海水冷却 燃煤 电厂 取用海水量 约 530亿立方米， 占我国海水直接利用量的近一半4。 燃煤发电对 水 的依赖使 不断扩张的 煤电工业成为稀缺 水资源的有力 竞争者，特别是在“西电东输 ”能源发展战略驱动下，新建煤电机组向 西部 缺水地区转移的 趋势十分明显5。水资源和煤炭资源在空间分布上的不匹配，加剧了电力工业发展的 水 压力 和水风险 。 据估算，2000年我国 58.5%的燃煤发电量位于高和极高水压力地区6， 2015年这一比重上升到 66.5%，发电量绝对数更是增加了近 3倍。 “十二五 ”以来 ，西北和蒙东地区大型 煤电基地 建设步伐加快，使电力工业对当地水压力指数的贡献显著上升。 面对上述趋势，迫切需要加强电力工业的水资源管理， 不断 提高燃煤发电 用水 效率 ， 将水资源节约作为煤电清洁化 发展 的重要内容 。过去十余年 来 ， 我国出台了一系列管理制度和政策措施促进电力工业节水管理，例如 ， 建立取水许可制度、建立水资源收费制度、在宁夏和内蒙古开展电厂水权转换试点、在北 方缺水地区 推广 空冷技术、鼓励电厂利用 中水 等非常规 水源7。 在 多种手段的共同作用 下， 燃煤发电用水强度不断下降， 据中国电力企业联合会1 数据来源中电联中国电力行业年度发展报告 2019 2Zhang, C., Zhong, L., Wang, J., Decoupling betwen water use and thermoelectric power generation growth in China. Nature Energy, 2018, 3: 792-799. 3水利部发布的 2015年中国水资源公报显示， 2015年全国总用水量为 6103亿立方米。 4国家海洋局发布的 2015年全国海水利用报告显示， 2015年全国利用海水作为冷却水量为 1126亿吨。 5 Zhang, C., Zhong, L., Wang, J., Decoupling betwen water use and thermoelectric power generation growth in China. Nature Energy, 2018, 3: 792-799. 6水压力（ water stres）通常以某一流域范围内淡水取水量占地表水资源量的比重来衡量，根据世界资源研 究 所 “ 水道 ” （ AquaductTM）全球水风险分析框架的界定，该数值在 0.4-0.8之间为高水资源压力，大于 0.8为极高水资源压力。 7Zhang, C., Zhong, L., Fu, X., Zhao, Z. Managing scarce water resources in Chinas coal power industry. Environmental Management, 2016, 57: 1188-1203. 中国燃煤机组用水效率评估及用水定额 提标 效果 分析 2 统计，全国燃煤发电平均耗水率从 2000年的 4.1 m3/MWh下降到 2018年的 1.23 m3/MWh，降幅达到 70%1。 平均用水效率的提升既有冷却技术结构变化和发电机组大型化带来的结构变化因素，也有 技术改进 和 厂内水循环利用等全过程节水带来的技术进步因素。 在煤电工业水资源管理的各类政策措施中， 用 水定额 发挥着 基础性的作用8。 用 水定额体现了 当前技术条件下，特定类型的发电机组在设计和运行阶段应达到的用水水平。以单位装机 用 水量 （ m3/sGW） 核定 的定额指标是 新建 电厂设计 阶段开展 水资源论证 和 取水许可审批 的主要依据，以单位发电量 用 水量（ m3/MWh）核定的定额指标 是 电厂运行过程中 实际 用水量的 限额 ，也是评价电厂水资源利用水平的标杆。 随着火电工业技术进步， 我国 火电 用 水定额经历了三次修编。第一版 定额发布于 2002年 8月（ GB/T 18820-2002）， 被 使用了近十年时间，于 2011年 11月废止 。 第二版定额发布于 2012年 6 月（ GB/T 18916.1-2012），在第一版基础上 增加了空气冷却机组 用 水指标 。2019年 12月 水利部印发了 18项工业用水定额 （水节约 2019 373号） ， 其中火力发电部分替代 2012年版国标。新版定额首次将用水指标划分为领跑值、先进值和通用值三个层次，并对机组容量进行了更加细化的分类，同时首次涵盖了天然气联合循环电厂。新版定额的一系列改进 体现了 水行政主管部门 通过 分类 对标先进水平持续推动火电工业节水的意图。 本研究报告的主要目的是在评价我国燃煤 机组 用水水平现状的基础上，分析实施新版用水定额的 预期节水效果 ，从而加深我们对节水政策的认识和理解 。 报告主要内容分为 五个部分：首先介绍燃煤 发电机组 三类主要冷却 技术 的用水方式特征（第 2章） ； 其次 ， 回顾 并比较了 国家和 地方燃煤发电 用 水定额修编的历史（第 3章）；再次，分析了燃煤发电机组用水水平现状和影响因素，突出了技术差异和地区差异（第 4章）；最后，第 5章和第 6章分别测算了实施新定额的预期节水量和重点省份节水的 货币化 价值。 8 Zhang, C., Zhong, L., Fu, X., Zhao, Z., 2016. Managing scarce water resources in Chinas coal power industry. Environmental Management, 2016,57, 1188-1203. 中国燃煤机组用水效率评估及用水定额 提标 效果 分析 3 图 1. 研究技术路线图 研究步骤研究内容研究法电用定额国家标准分析电用定额地标准分析统计分析用定额差异比较分冷却技术类型燃煤机组用效率评价燃煤机组单位发电用量多元回归分析多元回归分析定额提标节量估算情景分析模糊综合评价法熵权法权重计算提标政策执情景设计基于概率密度函数的单位发电节量估算全国中型燃煤机组清单构建描述性统计发挥用定额效能、促进煤电资源效率提升 统指标术语和核算径 完善数据采集、分析和报告络 制定差异化地标准 强制性措施与激励性措施结合政策现状分析用水效率评价提标效果计算政策建议节量货币化价值评估模糊综合评估模型构建中型燃煤机组发电量估算全国、分区域、分技术类型节量估算概率密度函数计算评价指标数据收集整理资源税、业供价格数据收集整理熵权法指标权重计算节量货币化价值多角度评估与比较中国燃煤机组用水效率评估及用水定额 提标 效果 分析 4 2 燃煤 机组 用水方式 2.1燃煤 机组 主要用水环节 及用水指标界定 以煤为燃料的火力 发电 是 最常用的发电方式， 基本过程是 通过 以水为工质的朗肯循环将燃料燃烧的热能转化为电能 。燃煤锅炉首先燃烧 煤 粉 产生高压蒸汽，蒸汽经透平机械膨胀做功，带动发电机产生电力，透平后的乏汽进入凝汽器冷却 后 凝结为液态水， 凝结水被重新送回 锅炉 ， 再次吸热 转化为蒸汽 用于透平发电 。 国家能源局发布的 2019年全国电力工业统计数据显示， 我国 6000千瓦及以上 燃煤发电 平均 供电标准煤耗为 307克标准煤 /千瓦时9，换言之， 燃煤 发电 的 平均 综合热效率 为 40%左右。 这意味着煤炭燃烧 释放的热 量只 有约 五分之二 转化为电能， 剩余部分热量主要以 废热 的 形式 耗散，其中一部分从锅炉排放的烟气中散失，另一部分则由凝汽器冷却过程带走10。传统燃煤电厂以水为冷却介质，冷却水在凝汽器中与乏汽换热，再 通过 升温或蒸发的 方式 带走废热。因此， 凝汽器冷却是传统水冷电厂用水量最大的 环节。 直流冷却和循环冷却是两种最常见的水冷技术，其用水方式和特点存在很大差异（见 2.2节、附录 1）。除水以外，空气也可以作为冷却介质 ， 空气冷却技术 是 我国 火电工业应对缺水的关键适应性技术 。 燃煤发电的其他工艺过程也都需要消耗水，主要包括湿法脱硫系统制备石灰石浆液，用于吸收烟气中的二氧化硫；水力除灰系统用水来排除煤炭燃烧后的灰渣；锅炉补水 用于弥补工质蒸发损失；除凝汽器以外的其他主辅机设备冷却用水；输煤系统用于抑尘的喷淋和冲洗用水等。一般而言，上述工艺过程中脱硫系统消耗的水量最大。 先 进燃煤电厂 普遍根据 各工艺环节对水质的不同要求，进行 串级用水和 废水 厂内回用， 可以大幅减少取用原水的数量11。 需要注意的是， 三次修编的 用 水定额 中 所使用的 术语 名称和核算范围并不 一致 ，须加以仔细辨析，以免误用。 2012版国标（ GB/T 18916.1-2012） 采用的是“ 取水定额 ”这一术语， 将 取 水量定义 为 “ 从各种常规水资源提取的水量 ” ， 范围 包括地表水、地下水、城镇供水工程等 。 定额规定 直流冷却电厂取水量 “ 不包括从 江、河、湖等 水体取水用于凝汽器及其他换热器开式冷却并排回原水体的水量 ” 。 由此可见，该定义 排除了水量 最大 的 凝汽器 直流冷却用 水 ，同时也不包括污水厂中水、矿井水、海水淡化水等 非常规水 源 。这 与 学术 研究文献中采用 较为普遍 的 全口径 取水量 核算范围 存在差异， 也与水利部门 编制 的水资源公报中全社会用水量的统计口径存在差异（水资源公报 报告的 用水量包含以淡水为水源的火电直流冷却水）。 9 参见： ww.nea.gov/2020-01/20/c_138720881.htm 10 采用背压式汽轮机的热电联产电厂回收凝汽器乏汽热量用于供热，与纯凝式电厂相比拥有更高的综合热效率。 11Jiang, D., Ramaswami, A. The thirsty water-electricity nexus: field data on the scale and seasonality of thermoelectric power generations water intensity in China. Environmental Research Leter, 2015, 10: 024015. 中国燃煤机组用水效率评估及用水定额 提标 效果 分析 5 水节约 2019 373号 文件中的 新版 定额没有沿用“取水定额” 这一 名称，而是改为“用水定额”。 “ 用水量 ”的核算口径有所扩大， 指 电厂 “ 取自常规水源和非常规水源，并被第一次利用的水量总和 ” ， 不过 同样不包括直流冷却水。 将非常规水源纳入统计是为了适应当前电力工业水源类型多元化的发展趋势，特别是在北方缺水地区 ， 城市污水厂中水用于火电厂冷却的比重日益提高。 新定额 与 旧定额 相比核算范围有所放宽，对于循环冷却和空气冷却电厂而言，等同于全口径取水量 ； 但对于直流冷却电厂而言， 依然 排除了 凝汽器 直流冷却水，并非 全口径取水量 。 此外， 无论是旧版还是新版定额，均未核定耗水量指标， 说明 用水 定额编制过程中没有特别 考虑电厂 的 排水环节。 本研究报告 的计算分析 以新版定额核算范围 为依据 ， 用水效率评价和 节水量 的 计算 均 不包含直流冷却水 。 本报告中， 为了 与现行定额的表述保持一致，除直接引用早期定额的文件名称和相关内容外，我们采用“用水定额”这一术语来同时指代早期的“取水定额”。 2.2燃煤机组 冷却 技术类型 及特点 直流冷却、循环 冷却 和空气冷却是我国燃煤 机组 采用的三种主要冷却方式， 三种技术的水资源利用方式、环境影响和经济性均存在很大差异，技术选择主要由水资源可得性、水文条件和技术经济考量等因素决定。 三类冷却技术的取水量、耗水量 大致 范围，及其环境影响、经济性和适宜条件 等特点 如表 1所列。 三类冷却技术的基本原理参见 附录 1。 在我国现役机组中，循环 冷却 机组 规模最大 ，约占燃煤发电量的 52%，广泛分布于所有省份和各大流域，对水文和气象 条件 的适应性最强 。 淡水直流冷却机组约占 燃煤发电量的13%， 主要分布于南方水资源丰富地区，特别是水量充沛的长江干流、长江三角洲和珠江三角洲等地区，由于 淡水 直流冷却对河流径流扰动大、引发热污染问题， 近年 新建机组已 较少采用，随着现有机组的退役，其 数量呈 不断 下降 趋势 。 海水 冷却和空气冷却机组近十年发展迅速，占比分别 达到 15%和 20%。 燃煤电厂冷却是我国海水直接利用量最大的用途， 海水冷却机组分布于沿海各省份，以直流冷却形式为主，有少量海水循环冷却机组。 在水资源匮乏的 北方 地区 ， 空气冷却技术已大量替代水冷技术，在新建燃煤电厂中得到广泛应用 ，特别是山西、内蒙古、宁夏、新疆等大型煤电基地建设区域。