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【摘 要】针对黄河流域资源的状况，通过分析火电厂不同冷却方式的特点，探讨采用合理的生产工艺，节约用水，减少废水排放，促进黄河水资源可持续利用。
【关键词】黄河流域；水资源；火电厂冷却方式；节约用水；可持续利用
随着社会经济发展和生活水平提高，用电需求快速增加，我国北方尤其是黄河流域西北地区，火力发电成为主要解决途径。而黄河流域宁、蒙、陕、山四省（区）丰富的煤炭资源，为建设火电厂提供了有利条件。但黄河流域属资源性缺水地区，特别是宁、蒙两区尤其紧缺。随着我国中西部大开发、西电东送和中部崛起等战略的实施，黄河供水区社会经济发展步伐加快，用水需求旺盛，水资源供需矛盾日趋尖锐。
2012年1月12日国务院以国发〔2012〕3号颁布《国务院关于实行最严格水资源管理制度的意见》，提出了实行最严格水资源管理制度三条红线具体分阶段目标和完成时间。其中，对万元工业增加值用水量要求到2015年要比2010年下降30%以上，到2020年要降到65立方米以下，到2030年降低到40立方米以下。这就需要全面加强节约用水管理、强化用水定额、加快推进节水技术改造。
作为工业用水大户之一的火力发电厂，在推行“上大压小”以提高用水效益的同时，还需要对发电机组的耗水量规定严格的要求。冷却用水是火电厂主要且用水量大的生产部门，因此探讨黄河流域火电厂采用合理的冷却方式，以提高用水效率，促进水资源可持续利用，支撑社会经济快速发展，实现资源优化配置。
一、黄河流域资源概况
（一）煤炭资源概况
黄河流域矿产资源丰富，具有巨大的开发潜力。其中，煤炭资源在全国占有重要地位，已探明煤产地685处，保有储量4492亿吨，占全国煤炭储量的46.5%，预测煤炭资源总储量1.5万亿吨左右。
黄河流域属全国能源富足地区，也是21世纪全国能源开发的重点地区；我国“十二五”规划中重点建设的五大综合能源基地中，山西和鄂尔多斯盆地就地处黄河流域。根据全国国土开发和经济发展规划，包括宁夏、内蒙古、陕西、山西和河南西部在内的黄河流域广大区域，是我国西部十大矿产资源集中区之一，将逐步建成以煤、电、铝、化工等工业为重点的综合性工业开发区，成为全国重要的煤炭和电力生产基地，也是“西电东送”的主要输出区域之一。
（二）水资源概况
1.黄河水资源贫乏
黄河流域总面积79.5万平方千米，占全国国土面积的8.3％；多年平均河川径流量580亿立方米，仅占全国总量的2%；流域内人均水资源量527立方米，只有全国均值的22％；耕地亩均水量294立方米，仅为全国均值的16％。
2.引黄耗水量增加过快
根据1987年国务院颁布的黄河可供水量分水方案，以“黄河天然径流量580亿立方米”作为分配基数，其可供耗水量为370亿立方米，剩余的210亿立方米为黄河的输沙和环境水量，具体年份将根据黄河来水情况，按照“丰增枯减”原则进行调整。
随着沿黄地区工农业生产的不断发展，引黄耗水量迅速增加。20世纪50年代均耗水量为120亿立方米，近期耗水量增加到300亿立方米左右，加上其他未控人类活动的影响，实际耗水量更大，部分省（区）引黄耗水量超过了分配耗水指标。表1给出了2010年沿黄各省（区）耗黄河地表水量，从表中可看出，黄河流域总耗地表水为309.16亿立方米，接近2010年流域实际分配耗水指标，而甘肃、内蒙古和山东等省（区）耗水量已超出分配指标。
根据黄河流域水资源综合规划成果，黄河多年平均天然径流量由原来的580亿立方米减少为535亿立方米，需水量则成增加趋势。以正常来水年份为例，在不考虑跨流域调水情况下，2020年供需缺口将达75亿立方米，2030年增至104亿立方米，缺水已成为黄河流域和相关地区经济社会可持续发展的主要制约因素。
缓解黄河水资源供需矛盾的途径之一是通过法规和制度建设，强制执行行业用水定额，积极开展节水型社会建设，树立科学发展观，以科学技术为支撑，提高黄河水资源的利用效率和效益。对于黄河流域新建火电厂必须选择合理的冷却方式，取水许可才能通过行政审批。
二、火电厂冷却方式
凝汽式燃煤电厂根据汽轮机凝汽设备的冷却方式主要分为湿式冷却系统和干式冷却系统两大类。
（一）湿式冷却系统
采用湿式冷却系统的电厂称为湿冷电厂，其冷却系统主要有开式冷却系统和闭式冷却系统之分。
1．开式冷却系统。以江、河、湖、海和水库的水作为冷却水的供水系统为湿式开式冷却系统。水资源充沛的地区，采用开式冷却居多。开式冷却系统在夏季高温，排水温度较高，对环境产生热污染，生态平衡易受到破坏。
2．闭式冷却系统。采用湿式冷却塔，冷却水在凝汽器和冷却塔之间进行循环的冷却方式是湿式闭式冷却系统。水资源不太充沛的地区，采用闭式冷却居多。闭式冷却系统冷却水的表面蒸发和排污约占全厂耗水量的65%以上，冷却系统耗水量大，易形成和国民经济其他部门争水的现象，过度的耗水，导致区域性水资源供需矛盾突出，甚至使生态环境遭到永久性破坏。
（二）干式冷却系统
发电厂采用翅片管式的空冷散热器，直接或间接用环境空气来冷凝汽轮机的排汽，称为发电厂空冷。采用空冷技术的冷却系统称为空冷系统。用于发电厂的空冷系统可分为直接空冷系统和间接空冷系统两种方式。
1．直接空冷系统。直接空冷系统工艺流程为汽轮机排汽通过粗大的排汽管道至室外的空冷凝汽器内，轴流冷却风机使空气流过冷却器外表面，将排汽冷凝成水，凝结水再经泵送回锅炉。汽轮机的排汽直接用空气来冷凝，空气与蒸汽间进行热交换，没有循环水系统。
2．表面式凝汽器间接空冷系统。表面式凝汽器间接空冷系统是指汽轮机排汽以水为中间介质，将排汽与空气之间的热交换分两次进行：一次为蒸汽与冷却水之间在表面式凝汽器中换热；一次为冷却水和空气在空冷塔里换热。系统流程为：汽机排汽进入凝汽器由凝汽器管束内的冷却水进行表面换热，凝汽器循环水排水由循环水泵打至空冷塔内的空冷散热器，空冷塔冷却水出水再回到汽机房凝汽器内作闭式循环。
该系统与常规的湿冷系统基本相仿,不同之处是用空冷塔代替湿冷塔,用密闭式循环冷却系统代替敞开式循环冷却系统, 循环水采用除盐水。
3．混合式凝汽器间接空冷系统。混合式凝汽器间接空冷系统采用具有凝结水水质的循环水，在喷射混合式凝汽器中喷成水膜与汽轮机排汽直接接触将其凝结。循环水吸热升温后大部分经循环水泵送到空冷塔的空冷散热器冷却，通过水轮机调压并回收部分能量后进入凝汽器。少量循环水量的凝结水经凝结水泵送到凝结水精处理装置，在经凝结水升压泵送到汽轮机回热系统。
（三）干湿冷电厂耗水对比
根据2010年中电联发布全国火电600MW级机组能效水平对标结果，其中空冷电厂统计了37台600MW机组，综合耗水指标平均为0.169m3/s•GW；而同规模湿冷电厂统计了99台闭式循环机组，综合耗水指标平均为0.525m3/s•GW。规模相同的空冷电厂比湿冷电厂节约耗水量65%以上。
（四）经济性比较
空冷机组比湿冷机组的背压高，其循环热效率比湿冷机组低约5%；空冷机组的厂用电率高，其热耗一般比湿冷机组高6~9%；空冷电厂的造价比湿冷电厂高，且空冷系统部分的投资约占全厂投资的6~9%，就冷却系统投资而言，湿冷、直接空冷、间接空冷投资比约为2:3:5。表2给出了500MW燃煤火力发电厂自然通风湿式冷却、机械通风直接空冷、自然通风间接空冷方式下，冷却系统的投资差异。
表2 不同冷却方式冷却系统的投资对比 （%）
冷却系统 厂址
德里 赫尔辛基 马德拉斯
自然通风湿式冷却 100 90 110
机械通风直接空冷 160 125 160
自然通风间接空冷 245 200 250
由表2可以看出，在同一地区，自然通风间接空冷系统投资最高，机械通风直接空冷系统投资居中；而对不同地区，受气候条件、厂址环境与水源条件不同等因素的影响，其投资有所差异。
（五）干湿冷却系统优缺点
采用空冷系统的电厂具有节约用水，无退水对环境的污染、自动化程度高、占地少等优点，但存在初建投资较高，发电标准煤耗率较大、夏季气温高的短暂时间机组出力受限的缺点。采用湿冷系统的湿冷电厂，虽然上述问题较少，但存在耗水量较大，有一定的排污，年运行费用高（水价高情况）的缺点。
三、黄河流域不同地区火电厂冷却方式的适应性
黄河上、中游地区水资源紧缺问题较严重，部分省（区）已超指标用水（如宁夏、内蒙古、甘肃），相关政策要求新建火电厂必须采用空冷技术。
黄河下游地区，降水量较上中游多，人口密集，火电厂建设地点周边或有居民居住，或存在生产企业，且夏季供电缺口较大。而湿冷机组具有技术相对成熟，夏季满发可利用率高、噪音小等特点。所以，现有的电厂大多采用湿式循环冷却方式；但随着下游地区水资源供需矛盾的日益突出和空冷技术的不断改进完善，空冷机组将逐步成为未来火电发展的新趋势。
四、结语
黄河流域煤炭资源丰富，为建设火电厂提供了有利条件。但黄河流域属资源性缺水地区，尤其上中游水资源供需矛盾突出，电厂采用空冷技术已成为必然。随着国家实行最严格的水资源管理，强化用水定额和废水限排政策的实施，黄河下游地区火电厂也应逐步发展空冷机组，节约用水、避免污染，提高水资源利用率，促进水资源的可持续利用。
参考文献
[1] 苏茂林，安新代，等.黄河水资源管理与调度[M]，郑州：黄河水利出版社，2008.9
[2] 李晓芸，张华，等.火电厂用水与节水技术[M]，北京：中国水利水电出版社，2008
[3] 温高.发电厂空冷技术[M]，北京：中国电力出版社，2008
于咏梅（1979-），女，助理工程师，主要从事水文水资源和建设项目用水分析计算工作。
曹 茜（1979-），女，工程师，主要从事水资源论证工作。
【关键词】黄河流域；水资源；火电厂冷却方式；节约用水；可持续利用
随着社会经济发展和生活水平提高，用电需求快速增加，我国北方尤其是黄河流域西北地区，火力发电成为主要解决途径。而黄河流域宁、蒙、陕、山四省（区）丰富的煤炭资源，为建设火电厂提供了有利条件。但黄河流域属资源性缺水地区，特别是宁、蒙两区尤其紧缺。随着我国中西部大开发、西电东送和中部崛起等战略的实施，黄河供水区社会经济发展步伐加快，用水需求旺盛，水资源供需矛盾日趋尖锐。
2012年1月12日国务院以国发〔2012〕3号颁布《国务院关于实行最严格水资源管理制度的意见》，提出了实行最严格水资源管理制度三条红线具体分阶段目标和完成时间。其中，对万元工业增加值用水量要求到2015年要比2010年下降30%以上，到2020年要降到65立方米以下，到2030年降低到40立方米以下。这就需要全面加强节约用水管理、强化用水定额、加快推进节水技术改造。
作为工业用水大户之一的火力发电厂，在推行“上大压小”以提高用水效益的同时，还需要对发电机组的耗水量规定严格的要求。冷却用水是火电厂主要且用水量大的生产部门，因此探讨黄河流域火电厂采用合理的冷却方式，以提高用水效率，促进水资源可持续利用，支撑社会经济快速发展，实现资源优化配置。
一、黄河流域资源概况
（一）煤炭资源概况
黄河流域矿产资源丰富，具有巨大的开发潜力。其中，煤炭资源在全国占有重要地位，已探明煤产地685处，保有储量4492亿吨，占全国煤炭储量的46.5%，预测煤炭资源总储量1.5万亿吨左右。
黄河流域属全国能源富足地区，也是21世纪全国能源开发的重点地区；我国“十二五”规划中重点建设的五大综合能源基地中，山西和鄂尔多斯盆地就地处黄河流域。根据全国国土开发和经济发展规划，包括宁夏、内蒙古、陕西、山西和河南西部在内的黄河流域广大区域，是我国西部十大矿产资源集中区之一，将逐步建成以煤、电、铝、化工等工业为重点的综合性工业开发区，成为全国重要的煤炭和电力生产基地，也是“西电东送”的主要输出区域之一。
（二）水资源概况
1.黄河水资源贫乏
黄河流域总面积79.5万平方千米，占全国国土面积的8.3％；多年平均河川径流量580亿立方米，仅占全国总量的2%；流域内人均水资源量527立方米，只有全国均值的22％；耕地亩均水量294立方米，仅为全国均值的16％。
2.引黄耗水量增加过快
根据1987年国务院颁布的黄河可供水量分水方案，以“黄河天然径流量580亿立方米”作为分配基数，其可供耗水量为370亿立方米，剩余的210亿立方米为黄河的输沙和环境水量，具体年份将根据黄河来水情况，按照“丰增枯减”原则进行调整。
随着沿黄地区工农业生产的不断发展，引黄耗水量迅速增加。20世纪50年代均耗水量为120亿立方米，近期耗水量增加到300亿立方米左右，加上其他未控人类活动的影响，实际耗水量更大，部分省（区）引黄耗水量超过了分配耗水指标。表1给出了2010年沿黄各省（区）耗黄河地表水量，从表中可看出，黄河流域总耗地表水为309.16亿立方米，接近2010年流域实际分配耗水指标，而甘肃、内蒙古和山东等省（区）耗水量已超出分配指标。
根据黄河流域水资源综合规划成果，黄河多年平均天然径流量由原来的580亿立方米减少为535亿立方米，需水量则成增加趋势。以正常来水年份为例，在不考虑跨流域调水情况下，2020年供需缺口将达75亿立方米，2030年增至104亿立方米，缺水已成为黄河流域和相关地区经济社会可持续发展的主要制约因素。
缓解黄河水资源供需矛盾的途径之一是通过法规和制度建设，强制执行行业用水定额，积极开展节水型社会建设，树立科学发展观，以科学技术为支撑，提高黄河水资源的利用效率和效益。对于黄河流域新建火电厂必须选择合理的冷却方式，取水许可才能通过行政审批。
二、火电厂冷却方式
凝汽式燃煤电厂根据汽轮机凝汽设备的冷却方式主要分为湿式冷却系统和干式冷却系统两大类。
（一）湿式冷却系统
采用湿式冷却系统的电厂称为湿冷电厂，其冷却系统主要有开式冷却系统和闭式冷却系统之分。
1．开式冷却系统。以江、河、湖、海和水库的水作为冷却水的供水系统为湿式开式冷却系统。水资源充沛的地区，采用开式冷却居多。开式冷却系统在夏季高温，排水温度较高，对环境产生热污染，生态平衡易受到破坏。
2．闭式冷却系统。采用湿式冷却塔，冷却水在凝汽器和冷却塔之间进行循环的冷却方式是湿式闭式冷却系统。水资源不太充沛的地区，采用闭式冷却居多。闭式冷却系统冷却水的表面蒸发和排污约占全厂耗水量的65%以上，冷却系统耗水量大，易形成和国民经济其他部门争水的现象，过度的耗水，导致区域性水资源供需矛盾突出，甚至使生态环境遭到永久性破坏。
（二）干式冷却系统
发电厂采用翅片管式的空冷散热器，直接或间接用环境空气来冷凝汽轮机的排汽，称为发电厂空冷。采用空冷技术的冷却系统称为空冷系统。用于发电厂的空冷系统可分为直接空冷系统和间接空冷系统两种方式。
1．直接空冷系统。直接空冷系统工艺流程为汽轮机排汽通过粗大的排汽管道至室外的空冷凝汽器内，轴流冷却风机使空气流过冷却器外表面，将排汽冷凝成水，凝结水再经泵送回锅炉。汽轮机的排汽直接用空气来冷凝，空气与蒸汽间进行热交换，没有循环水系统。
2．表面式凝汽器间接空冷系统。表面式凝汽器间接空冷系统是指汽轮机排汽以水为中间介质，将排汽与空气之间的热交换分两次进行：一次为蒸汽与冷却水之间在表面式凝汽器中换热；一次为冷却水和空气在空冷塔里换热。系统流程为：汽机排汽进入凝汽器由凝汽器管束内的冷却水进行表面换热，凝汽器循环水排水由循环水泵打至空冷塔内的空冷散热器，空冷塔冷却水出水再回到汽机房凝汽器内作闭式循环。
该系统与常规的湿冷系统基本相仿,不同之处是用空冷塔代替湿冷塔,用密闭式循环冷却系统代替敞开式循环冷却系统, 循环水采用除盐水。
3．混合式凝汽器间接空冷系统。混合式凝汽器间接空冷系统采用具有凝结水水质的循环水，在喷射混合式凝汽器中喷成水膜与汽轮机排汽直接接触将其凝结。循环水吸热升温后大部分经循环水泵送到空冷塔的空冷散热器冷却，通过水轮机调压并回收部分能量后进入凝汽器。少量循环水量的凝结水经凝结水泵送到凝结水精处理装置，在经凝结水升压泵送到汽轮机回热系统。
（三）干湿冷电厂耗水对比
根据2010年中电联发布全国火电600MW级机组能效水平对标结果，其中空冷电厂统计了37台600MW机组，综合耗水指标平均为0.169m3/s•GW；而同规模湿冷电厂统计了99台闭式循环机组，综合耗水指标平均为0.525m3/s•GW。规模相同的空冷电厂比湿冷电厂节约耗水量65%以上。
（四）经济性比较
空冷机组比湿冷机组的背压高，其循环热效率比湿冷机组低约5%；空冷机组的厂用电率高，其热耗一般比湿冷机组高6~9%；空冷电厂的造价比湿冷电厂高，且空冷系统部分的投资约占全厂投资的6~9%，就冷却系统投资而言，湿冷、直接空冷、间接空冷投资比约为2:3:5。表2给出了500MW燃煤火力发电厂自然通风湿式冷却、机械通风直接空冷、自然通风间接空冷方式下，冷却系统的投资差异。
表2 不同冷却方式冷却系统的投资对比 （%）
冷却系统 厂址
德里 赫尔辛基 马德拉斯
自然通风湿式冷却 100 90 110
机械通风直接空冷 160 125 160
自然通风间接空冷 245 200 250
由表2可以看出，在同一地区，自然通风间接空冷系统投资最高，机械通风直接空冷系统投资居中；而对不同地区，受气候条件、厂址环境与水源条件不同等因素的影响，其投资有所差异。
（五）干湿冷却系统优缺点
采用空冷系统的电厂具有节约用水，无退水对环境的污染、自动化程度高、占地少等优点，但存在初建投资较高，发电标准煤耗率较大、夏季气温高的短暂时间机组出力受限的缺点。采用湿冷系统的湿冷电厂，虽然上述问题较少，但存在耗水量较大，有一定的排污，年运行费用高（水价高情况）的缺点。
三、黄河流域不同地区火电厂冷却方式的适应性
黄河上、中游地区水资源紧缺问题较严重，部分省（区）已超指标用水（如宁夏、内蒙古、甘肃），相关政策要求新建火电厂必须采用空冷技术。
黄河下游地区，降水量较上中游多，人口密集，火电厂建设地点周边或有居民居住，或存在生产企业，且夏季供电缺口较大。而湿冷机组具有技术相对成熟，夏季满发可利用率高、噪音小等特点。所以，现有的电厂大多采用湿式循环冷却方式；但随着下游地区水资源供需矛盾的日益突出和空冷技术的不断改进完善，空冷机组将逐步成为未来火电发展的新趋势。
四、结语
黄河流域煤炭资源丰富，为建设火电厂提供了有利条件。但黄河流域属资源性缺水地区，尤其上中游水资源供需矛盾突出，电厂采用空冷技术已成为必然。随着国家实行最严格的水资源管理，强化用水定额和废水限排政策的实施，黄河下游地区火电厂也应逐步发展空冷机组，节约用水、避免污染，提高水资源利用率，促进水资源的可持续利用。
参考文献
[1] 苏茂林，安新代，等.黄河水资源管理与调度[M]，郑州：黄河水利出版社，2008.9
[2] 李晓芸，张华，等.火电厂用水与节水技术[M]，北京：中国水利水电出版社，2008
[3] 温高.发电厂空冷技术[M]，北京：中国电力出版社，2008
于咏梅（1979-），女，助理工程师，主要从事水文水资源和建设项目用水分析计算工作。
曹 茜（1979-），女，工程师，主要从事水资源论证工作。