火電企業取水量估算方法研究

何曉靜，甘升偉，陳方，方紅遠

（1.揚州大學水利與能源動力工程學院，江蘇揚州225009；2.太湖流域水文水資源監測中心，江蘇無錫214024）

火電企業取水量估算方法研究

何曉靜1，甘升偉2，陳方2，方紅遠1

（1.揚州大學水利與能源動力工程學院，江蘇揚州225009；2.太湖流域水文水資源監測中心，江蘇無錫214024）

火電企業是僅次于農業的主要用水行業，其取水量占全國總取水量的15%左右。由于火電企業用水類型復雜、水費計收標準不一，且取水水源水質差、取水量大，取水計量設施無定期檢修，導致取水計量產生誤差，因此有必要對火電企業取水量估算方法進行研究，以期加強企業用水管理和提高水費計收到位率。采用水泵運行時間和銘牌推算法、機組運行時間推算法等6種取水量估算方法，以典型火電企業為例，結合企業實際運行數據對總取水量、非直流冷卻取水量進行估算，驗證估算方法的適用性及合理性，并提出不同工況條件下火電企業總取水量、非直流冷卻取水量估算方法的推薦方案，為進一步量化、完善火電企業取水許可監督管理制度提供依據。

火電企業；總取水量；非直流冷卻取水量；估算方法；驗證

1 引言

目前，國內外關于火電企業取水量估算方法的研究并非很深入，火電企業取水與用水評估方法研究依然比較薄弱。L Badr等通過總結、比較、分析美國以往關于熱電廠用水方面的研究，得出直流式濕式循環冷卻系統的用水情況數據開發較好但干式和混合式冷卻系統的開發并不完善的結論[1]；Kit Ng等評估了不同的冷卻技術和北安娜電站的運行策略，建議以現有的冷卻水庫——安娜湖建立一個核發電機組，以減少水量消耗和對湖泊溫度、水位以及下泄流量的不利影響，并探討了用于估算水量消耗以及湖泊水位和下泄流量對應關系的水熱預算分析方法[2]；宋軒等分析了火電工業取用水的現狀和特點，采用分段趨勢法，以2000—2006年為實際值，預測2007—2010年的火電取用水定額，提出相應對策，可指導未來火電工業的節水減排[3]；李友輝等分析了火電廠現狀用水定額，采用單位發電量取水量法對2020及2030年云南省滇中地區火電廠的用水量進行預測，并以單位裝機容量取水量法進行復核[4]。韓買良介紹了火力發電廠水資源利用和水務管理情況，比較國內外的火電廠耗水指標，研究了水資源開發利用和電廠的節水技術及改進措施等[5，6]；鄭新乾等為滿足水利普查對河湖取水口取水量動態數據獲取的要求，對不同取水計量方法進行研究，并針對不同取水計量設施的特點及適用條件，提出切實可行的計量方法供參考使用[7]；王晉萍等通過對水泵的配套功率、揚程、額定出水量、電度表情況等進行認真研究計算，探索出了濟南黃河灘區揚水站取水量計算方法[8]；姜蓓蕾、張艷麗等提出在火電行業中宜采用裝機取水量和單位發電取水量作為節水考核指標，并分析了我國火電行業的廢水回收利用、提高循環水系統、除灰系統改進、海水冷卻技術、水量計量和水質監測等節水措施[9-11]；左建兵等分析了北京市國華熱電等5大電廠的發電量、產值變化、取水構成、用水效率、用水影響因素、已經采取的節水措施等[12]；沈旭等從水的物理化學特性出發，提出了一個有物理機制的火力發電廠用水效率評價新方法，并對該方法的可行性與準確性進行了評析[13]；黃子謙等分析了我國現行火電類建設項目用水效率的評價方法和評價指標的應用情況，并提出用水效率評價的新思路[14]；楊虹等結合火核電行業的分布特征和結構特點，應用DEA模型對我國各地區火核電用水特征進行了綜合評價[15]。

為加強企業用水管理以及提高水費計收到位率，筆者通過分析火電企業水泵運行時間、機組運行時間、發電量、煤耗量等要素與取水量的相關關系，研究提出可供參考的取水量估算方法，并以典型火電企業為例，結合企業實際運行數據對總取水量、非直流冷卻取水量進行估算，驗證估算方法的適用性及合理性，建議不同工況條件下火電企業取水量估算方法的推薦方案，以便為進一步量化、完善火電企業取水許可監督管理制度提供依據。

2 常用的取水量估算方法及其適用條件

火電企業常用的取水量估算方法主要包括水泵運行時間和銘牌推算法、機組運行時間推算法、電量推算法、煤耗推算法、定額法、多元線性回歸法6種方法，詳見表1。

表1 火電企業常用的取水量估算方法

表1中，V為企業取水量（萬m3）；η為水泵效率，一般取值范圍為0.7～0.8；q為水泵額定流量（m3/h）；t為水泵時段運行時間（h）；t'為企業時段機組運行時間（h）；W為企業時段發電量（萬kW·h）；m為企業時段煤耗量（t）；E為火電行業用水定額（m3/MW·h）；f為企業取水量與時段機組運行時間、發電量、煤耗量的函數關系；N為年內計算時段數；ε為相互獨立且服從N（0，σ2）的隨機變量；β0、β1、β2、…、βm為系數。

3 實例分析

筆者以鎮江市某火電廠為例，該火電廠共4臺水泵（1、2、3、4#）及2臺機組（5、6#），總裝機容量為2×630 MW，且具有較好的基礎資料條件。結合火電廠2015年的實際運行數據，采用上述估算方法分別對該火電廠的總取水量、非直流冷卻取水量進行估算，通過點繪取水量估算值與實測值，繪制出兩者與時間的關系曲線，并分析兩者的擬合程度以及可能產生偏差的原因，驗證估算方法的適用性及合理性。

3.1 總取水量估算

采用水泵運行時間和銘牌推算法、機組運行時間推算法、電量推算法、煤耗推算法、多元線性回歸法5種方法分別對該火電廠的總取水量進行估算，詳見表2。

表2 火電廠總取水量估算值與實測值匯總萬m3

由表2可知，采用水泵運行時間和銘牌推算法以及多元線性回歸法估算的火電廠總取水量與實測值擬合程度較好，估算誤差相對較小；采用相關關系法（機組運行時間推算法、電量推算法、煤耗推算法）估算的火電廠總取水量與實測值的總體變化趨勢一致，但1—3月因該方法本身的缺陷，導致前3個月的估算誤差達±44%以上，此外，個別月份因調停檢修以及火電廠外供蒸汽等問題估算誤差相對較大。火電廠總取水量估算值與實測值的關系曲線，如圖1所示。

圖1 總取水量估算值與實測值的曲線

若延長統計時段，采用3、6、9個月滑動平均對火電廠總取水量的平均相對誤差進行分析，由表3可知，采用上述水量估算方法估算的總取水量，3個月的運行周期即可滿足精度要求。經分析，無論在何種工況條件下，水泵運行時間和銘牌推算法、相關關系法（機組運行時間推算法、電量推算法、煤耗推算法）、定額法、多元線性回歸法均可用來估算火電廠的總取水量。其中，采用水泵運行時間和銘牌推算法可快速、簡便地估算出火電廠的總取水量，且3個月及以上運行周期的平均相對誤差控制在±1.5%以內，計算精度較高，但該方法僅適用于具有額定功率的傳統水泵，不適用于新型的變頻水泵；采用相關關系法（機組運行時間推算法、電量推算法、煤耗推算法）可簡便地估算出火電廠的總取水量，3個月及以上運行周期的平均相對誤差控制在± 2.3%以內，但需注意將火電廠所消耗的煤換算成標準煤，并詳細記錄機組的啟停時間，工作量較大；采用多元線性回歸法可準確地估算出火電廠的總取水量，3個月及以上運行周期的平均相對誤差控制在± 0.8%以內，計算精度高，但所需的資料系列較長，計算相對復雜，且技術要求高，實用性方面的推廣有一定難度。

表3 火電廠取水量平均相對誤差匯總%

3.2 非直流冷卻取水量估算

由于火電廠用水類型不同，其水費計收標準也不同，因此除總取水量外，還應估算火電廠的非直流冷卻取水量，以期提高水費計收到位率。火電廠的非直流冷卻取水量可采用機組運行時間推算法、電量推算法、煤耗推算法、定額法、多元線性回歸法5種方法進行估算，詳見表4。

表4 火電廠非直流冷卻取水量估算值與實測值匯總萬m3

由表4可知，采用相關關系法（機組運行時間推算法、電量推算法、煤耗推算法）估算的火電廠非直流冷卻取水量與實測值的總體變化趨勢一致，但1—4月因該方法本身的缺陷，導致前4個月的估算誤差偏大，最大平均相對誤差達-73.6%；因火電行業定額標準為最大限額，采用定額法估算的火電廠非直流冷卻取水量與實測值的擬合程度較差，因此不推薦火電廠采用該方法來估算非直流冷卻取水量；采用多元線性回歸法估算的火電廠非直流冷卻取水量與實測值的擬合程度尚可，但個別月份因火電廠用水工藝以及節水水平等問題，估算誤差相對較大。火電廠非直流冷卻取水量估算值與實測值的關系曲線，如圖2所示。

若延長統計時段，采用3、6、9個月滑動平均對火電廠非直流冷卻取水量的平均相對誤差進行分析，由表3可知，采用上述水量估算方法估算的非直流冷卻取水量，3個月的運行周期即可滿足精度要求。經分析，無論在何種工況條件下，定額法、多元線性回歸法均可用來估算火電廠的非直流冷卻取水量。其中，采用定額法可快速地估算出火電廠的非直流冷卻取水量，但因火電行業定額標準為最大限額，3個月及以上運行周期的平均相對誤差也相對較大，且計算前應扣除火電廠的外供蒸汽量；采用多元線性回歸法可準確地估算出火電廠的非直流冷卻取水量，3個月及以上運行周期的平均相對誤差控制在±3.9%以內，計算精度相對較高，但所需的資料系列較長，計算相對復雜。由于火電廠所涉及的用水部門、用水工藝較多，影響非直流冷卻取水量的因素也相對復雜，因此在火電廠正常運行狀態下，采用相關關系法（機組運行時間推算法、電量推算法、煤耗推算法）估算的火電廠非直流冷卻取水量相對比較準確，但在非正常運行狀態下，不宜采用該方法來估算火電廠的非直流冷卻取水量。

圖2 非直流冷卻取水量估算值與實測值的曲線

4 取水量估算方法建議

為準確掌握火電企業的實際取水情況，筆者在典型火電企業取水量估算方法實用性分析的基礎上，提出不同工況條件下火電企業取水量估算方法的推薦方案及建議方法，為加強企業用水管理、提高水費計收到位率提供依據。

（1）正常運行狀態。當火電企業處于正常運行狀態下，取水量與機組運行時間、發電量及煤耗量呈現較好的相關關系，且月際之間的變化趨勢基本一致，因此可采用相關關系法（機組運行時間推算法、電量推算法、煤耗推算法）、多元線性回歸法來估算企業的總取水量、非直流冷卻取水量，但多元線性回歸法所需的資料系列較長，計算相對復雜。此外，采用水泵運行時間和銘牌推算法可較準確地估算出企業的總取水量，且估算誤差相對較小，但該方法僅適用于具有額定功率的傳統水泵，不適用于新型變頻水泵；若扣除企業的外供蒸汽量，采用定額法可快速地估算出企業的非直流冷卻取水量，但該方法無法用于估算企業的總取水量，具有一定的局限性。

（2）非正常運行狀態。當火電企業處于非正常運行狀態下，采用相關關系法（機組運行時間推算法、電量推算法、煤耗推算法）來估算企業的總取水量相對比較準確，但因火電企業所涉及的用水部門、用水工藝較多，影響非直流冷卻取水量的因素也相對復雜，因此不宜采用該方法來估算企業的非直流冷卻取水量。此外，水泵運行時間和銘牌推算法、多元線性回歸法均可準確估算出企業的總取水量。其中，采用水泵運行時間和銘牌推算法可較快速地估算出企業的總取水量，且與實測值擬合程度較好，但該方法僅適用于具有額定功率的傳統水泵，不適用于新型變頻水泵；而采用多元線性回歸法可準確地估算出企業的總取水量，相關性較好，但計算較為復雜，該方法適用于管理水平較高、具有較長實際運行資料系列的火電企業。

5 結語

通過分析各估算方法的適用條件，并以實例驗證估算方法的適用性及合理性，水泵運行時間和銘牌推算法、機組運行時間推算法、電量推算法、煤耗推算法、定額法、多元線性回歸法等水量估算方法均可用于估算火電企業的取水量。其中，水泵運行時間和銘牌推算法可較快速、簡便地估算火電企業總取水量，相關性較好；無論在何種工況條件下，火電企業的總取水量與機組運行時間、發電量、煤耗量呈現較好的相關關系，因此可采用相關關系法（機組運行時間推算法、電量推算法、煤耗推算法）來估算企業的總取水量；影響非直流冷卻取水量的因素相對比較復雜，在企業正常運行狀態下，采用機組運行時間推算法、電量推算法、煤耗推算法、定額法、多元線性回歸法來估算火電企業的非直流冷卻取水量相對比較準確，但在企業非正常運行狀態下，則不宜采用相關關系法（機組運行時間推算法、電量推算法、煤耗推算法）、定額法來估算企業的非直流冷卻取水量，建議在對企業歷史運行資料進行收集、整理和分析的基礎上，采用多元線性回歸法對火電企業的非直流冷卻取水量進行估算。

[1]L Badr，G Boardman，J Bigger.Review of water use in U.S. thermoelectric power plants[J].Journal of Energy Engineering，2012，138（4）：246-257.

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[4]李友輝，徐澎波，陳敏建.云南省滇中地區火力發電廠用水量預測[J].電力建設，2006，27（4）：14-17.

[5]韓買良.火力發電行業用水分析及對策[J].工業水處理，2010，30（2）：4-7.

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[7]鄭乾新，吳春熠，劉銳.河湖取水口取水計量方法探討[J].人民珠江，2011（6）：17-18，47.

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[15]楊虹，張海濤，謝叢叢.基于DEA模型的火核電行業用水特征分析[J].南水北調與水利科技，2015（2）：374-377.

·環球水信息·

Research on Water Intake Estimation Method for the Thermal Power Enterprise

HE Xiao-jing1，GAN Sheng-wei2，CHEN Fang2，FANG Hong-yuan1
（1.School of Hydraulic，Energy and Power Engineering，Yangzhou University，Yangzhou 225009，China；2.Hydrology and Water Resources Monitoring Center of Taihu Basin，Wuxi 214024，China）

The thermal power enterprise is the main water-using industry next to agriculture，which water intake is about 15 percent of the total water intake in the whole country.Due to complex water-use type of the thermal power enterprise，various water fee collecting rules，and poor quality of water sources and large amounts of water withdrawal，lack of timely detecting water metering facilities，water metering and monitoring system data often can't accurately reflect the true wateruse situation of once-through thermal power enterprise，therefore，the research on water consumption estimation method for once-through thermal power enterprise has practical necessity.The present work discusses the several kinds of estimation methods for water use amount of once-through thermal power enterprise，such as pump running time and nameplate estimating method，unit running time estimating method，electric quantity estimating method，coal consumption estimating method，norm method，multiple linear regression method and so on.Taking the water use calculation of a practical thermal power plant as an example，the application procedures and applicable conditions are demonstrated for the proposed estimation method.According to the actual operation data of the thermal power plant，the total water consumption and water withdraw of non once-through cooling water system are estimated，and the applicability and rationality of estimation methods are verified.The recommended method is put forward for estimating total water consumption and water withdraw of non once-through cooling water system under different operation conditions of thermal power enterprises，to provide the basis for further improving licensing supervision and management system.

thermal power enterprise；water withdraw amount；water consumption of non once-through cooling water system；estimation method；verification

TV213.4；TV214

：A

：1004-7328（2017）01-0001-06

10.3969/j.issn.1004-7328.2017.01.001

2016—11—18

國家自然科學基金項目（51379181）

何曉靜（1991—），女，碩士研究生，研究方向為水資源規劃及管理。