發電廠冷卻工藝用水發展現狀與展望

劉欣，劉瑋，龍國軍，張天成，楊文強

（1.西安熱工研究院有限公司，陜西西安 710054；2.華能煙臺八角熱電有限公司，山東煙臺 265503）

發電廠是用水最為密集的工業產業之一，其冷卻工藝用水占據了發電廠總用水量的主要部分〔1-2〕。冷卻水用量受到機組類型、燃料類型、冷卻系統類型、氣候、水源條件等多種因素影響〔3-4〕。通常，核電機組的用水量大于火力發電機組，火力發電機組的用水量大于核電機組之外的其他類型發電機組〔5〕。此外，可再生能源（如太陽能、光伏、地熱等）單位發電量所耗用的水量遠低于化石能源〔6〕。當今，地球氣候變暖、持續干旱，進一步加劇了水資源短缺的問題〔7〕。

除了水資源緊缺，對水環境的影響也是發電廠冷卻工藝面臨的一個重要問題。冷卻工藝需要大量地取用天然水、排放工業廢水，這會顯著影響水系統生態平衡。第一，排放的冷卻水會造成水體熱污染，對水體中生物多樣性產生嚴重的負面影響〔8-9〕。P.J. J. PRINCE等〔10〕報道稱，印度一座采用直流冷卻的濱海電廠將冷卻廢水排入一條河流，該河流中的浮游植物和浮游動物的種群密度分別下降了64%和93%，魚類繁殖也受到了干擾。第二，冷卻水系統的各種設施會對水體生物造成機械傷害。P. LEE等〔11〕研究發現某核電站冷卻水排水口處的浮游動物碎片量遠高于進水口處，這表明水中的浮游動物在通過冷卻水管道出口時受到了物理損傷。第三，處理冷卻水所使用的化學藥劑也會對環境造成污染。S. CAHYANINGSIH等〔12〕比較了某海域接納電廠冷卻排水前后水質的變化情況，結果顯示排水中的殘余氯對海洋生物有著持續影響，建議在未來水質監測中加入海洋生物多樣性和數量影響指標。

冷卻水系統的運行效率會受到多種因素的影響，如何有效提高冷卻系統運行效率一直是學術界以及工業界關注的焦點。凝汽器管道內部結垢會增加水流阻力，降低出口水壓，從而增加水泵能耗，并且降低傳熱系數，最終導致機組輸出功率和熱效率降低。根據一項關于核電廠海水冷卻系統的研究，隨著管道污垢系數由0.000 15 m2·K/W增長至0.000 35 m2·K/W，機組輸出功率和熱效率分別下降了1.36%和0.448%，最終引起的系統功率損失高達13 319.93 kW〔13〕。系統內微生物大量繁殖累積在管道和設備表面形成生物污泥，增加熱阻，降低機組運行可靠性。因此，對冷卻水進行合理處理、有效控制水質，是確保冷卻系統正常運行的關鍵。通常會進行模擬試驗以研究水處理藥劑（阻垢緩蝕劑、殺菌劑等）最佳投加量和加藥方式，指導實際工業運行〔14〕。

隨著淡水資源的日益緊缺和環境法規政策的日益嚴格，水資源無疑將成為制約發電廠運行和發展的重要因素之一。筆者在廣泛研究相關文獻的基礎上，闡述了發電廠冷卻水技術現狀及發展情況；探討了發電廠冷卻水工藝在減少淡水使用、提高用水效率、保護環境等方面的問題，并且提出了一些具有潛在工業應用價值的節水、降耗新工藝和技術；最后，討論了冷卻水系統管理方面存在的機遇與挑戰。

1 冷卻系統配置與設計

1.1 冷卻系統類型

1.1.1 濕式冷卻系統

濕式冷卻系統分為直流冷卻系統和循環冷卻系統。直流冷卻是指冷卻水只進行一次熱交換即排放的冷卻系統。直流冷卻系統取水量很大。據估計，采用直流冷卻工藝的發電廠產生單位電量所取用的水量是采用循環冷卻工藝發電廠取水量的10~100倍。J. MACKNICK等〔15〕報道了某核電廠采用直流冷卻系統單位發電量的取水量為167 L/（kW·h），而另一個配備了循環冷卻塔的電廠單位發電量的取水量僅為4.2 L/（kW·h）。直流冷卻工藝無需冷卻塔和循環管道，系統設計較為簡單，但需要大量取水及排水，取水和運輸水環節能耗較高，排水還會引起天然水體熱污染〔16〕。V. G. GUDE等〔17〕統計顯示，全美國大約40%的電廠采用直流冷卻系統。O. FRICKO等〔7〕提出了一個綜合評估模型，用以估算評價各能源使用部門的用水情況和對水資源的影響，結果表明將發電廠的直流冷卻系統改為循環冷卻系統后，將會很大程度上減少全球淡水資源的取用和熱污染。根據資料顯示，為應對日益增長的用水壓力，美國已經有越來越多的電廠將直流冷卻系統轉變為循環冷卻系統，單位發電量的取水量有了明顯下降〔18〕。美國加利福尼亞州已經明令禁止使用直流冷卻系統〔19〕。

1.1.2 干式冷卻系統

干式冷卻也稱為空氣冷卻，在干旱缺水的地區較多采用。相比于濕式冷卻能夠通過蒸發散熱，干式冷卻系統的冷卻水并不與大氣直接接觸，而是通過管道與空氣對流傳熱來達到降溫的目的。也正是因此，干式冷卻系統幾乎沒有蒸發損失和風吹損失，耗水量很小。利用這一優勢，電廠的選址可以不受水源位置的限制，取水、輸水和水處理成本顯著降低。然而，干式系統的冷卻效率低于濕式系統，其冷卻性能和效果在很大程度上受到環境溫度和濕度的影響，這也導致了機組效率和發電容量下降。為了提高傳熱效果，干式冷卻系統往往需要更大的換熱面積，并配備風機等動力設備輔助換熱，這使得干式冷卻系統的投資和運行費用都遠高于濕式冷卻系統〔20〕。據估算，干式冷卻系統的造價可高達濕式冷卻系統造價的10倍之多〔21〕。干式冷卻系統對用水量、經濟成本、機組效率的影響因不同機組的特性而有差別，電廠在選取技術和制定政策時應仔細分析和權衡。根據Haibo ZHAI等〔22〕的研究，以年平均值估算，在某燃煤發電機組上加裝干式冷卻系統并沒有顯著降低機組效率，僅僅在每年高溫夏季（6月及7月）機組效率下降約2%。

1.1.3 輻射空冷系統

輻射空冷是一項新型冷卻技術，近年來得到了廣泛的關注。宇宙可以被看做是一個溫度接近絕對零度的吸熱容器，根據普朗克定律，任何具有有限熱力溫度的物體都會自發地向宇宙持續發射電磁輻射〔23-24〕。地球上物體輻射的能量，大部分會被大氣層吸收后再反射回地球，但波長在8~13 μm范圍內的紅外波可以穿越大氣層，進入低溫外太空，這段波長被稱為“大氣窗口”波段〔25-26〕。一些新型材料能夠吸收和輻射該波段的能量，展現出良好的冷卻性能，具備在工業中應用的潛力〔27〕。隨著先進技術的迅速發展，一些具有選擇輻射性質的新型結構和新型材料，如超材料、納米光子材料等，可實現在白晝陽光直射的環境下進行輻射冷卻，意味著利用這類材料，可以使水在白天也能冷卻到環境溫度以下，而不發生蒸發損失，也幾乎不消耗額外動力。這使得輻射空冷成為了一種極具吸引力的低碳、節能的冷卻技術。目前已有一些研究將輻射空冷技術應用于建筑、機動車、太陽能電池，但針對該技術在電廠中的應用研究很少。A. AILI等〔28〕將輻射空冷技術與傳統濕式冷卻系統相結合，設計出混合冷卻系統，可以使電廠每年耗水量減少30%~90%，而不降低機組效率，還指出將輻射空冷作為一個獨立系統運行可以徹底杜絕濕式冷卻系統的蒸發水損失，同時機組效率降低平均值遠低于干式冷卻系統。M.ZEYGHAMI等〔29〕在空冷裝置上加裝輻射冷卻裝置，該混合系統克服了干式冷卻能量轉換效率低的缺點，能夠有效提高超臨界二氧化碳動力循環機組的冷卻效果。圖1展示了傳統冷卻工藝與輻射空冷結合的混合式冷卻系統〔28-29〕。

圖1 輻射空冷和傳統冷卻結合的混合冷卻系統示意Fig.1 Schematics of the hybrid cooling system of RSC and conventional cooling strategies

自1992年輻射空冷數學模型建立以來，輻射空冷技術不斷發展，發展歷程見圖2〔28-33〕。

圖2 輻射空冷技術發展歷程Fig.2 A brief timeline of studies about RSC

目前，輻射空冷技術依然處于實驗研究階段。未來的實際應用仍需要更多的探索和突破，包括對系統的設計，對系統用地的考慮，以及天氣對系統性能的影響（當地風速、降水量和云量）等〔34〕。

1.2 冷卻系統設計、配置與運行參數優化

對冷卻系統的設計和配置進行適當改進有助于節約水耗、能耗以及運行成本。例如，將變頻風機應用于濕式冷卻塔可以精確調節空氣流量，從而顯著降低水耗以及風機能耗，根據D. S. TAGHIAN等〔35〕的實驗結果，風機能耗可降低64.6%，水耗可降低6.4%。Jiaze MA等〔36〕對冷卻系統改型設計進行了試驗研究，結果顯示配備了空氣冷卻器的冷卻水系統可以有效減少熱負荷，節約用水，并在一定程度上避免系統結垢。濱海電廠多數采用海水直流冷卻工藝〔37〕，海水水位因潮汐作用而頻繁變化，進而導致冷卻水流量和水泵能耗發生變化。恒速泵只能在幾個離散的工況點上進行工作，不利于提高系統效率及降低運行成本。相比之下，變速泵能夠調節速度以適應操作條件并獲得適當的流量。此外，一些先進技術展現出了在冷卻工藝過程中節約水資源、回收廢能等方面的應用潛力。例如，發電廠可以將海水與微生物燃料電池〔38〕、厭氧膜生物反應器〔39〕、反電滲析設施〔40〕和壓力延遲滲透裝置〔41〕聯合，從鹽水中獲取能量。Chuanmin TIAN等〔42〕設計了一種安裝在燃煤電廠冷卻水排放堰上的微型水力系統，利用水位差產生的勢能驅動該微型水力發電裝置，可以在不消耗任何化石燃料的情況下發電。但應用這些技術之前，不僅要衡量費用和效益，還要考慮環境和示范效果。

一些研究團隊利用數學模型來對冷卻系統進行參數優化以達到節水降耗的目的〔43-47〕。通常，冷卻水系統運行維護費用包括水泵費用，水處理藥劑費用，水處理設施運行費用等，其中水泵運行費用是整體費用的主要部分。冷卻水流速對熱交換效率和泵能耗的影響恰好相反，采用高流速可以減小換熱面積，降低換熱器造價，然而同時也會增加水泵能耗和運行費用。A. S. W. MOHAMMED等〔48〕開發了一套參數優化模型，并將該模型應用于某天然氣聯合發電機組，分別模擬直流冷卻工藝和間接干式冷卻-濕式冷卻混合冷卻工藝，通過模型計算和預測調整工藝運行參數，實現將水耗降到最低。Lin XIA等〔49〕針對某海水直流冷卻系統建立了一個數學模型，將海水水位、凝結水溫度、機組負荷作為自變量，來確定變頻水泵的最佳運行速度和啟停次數。R. D.SOUZA等〔50〕采用一種綜合非線性模型來估算換熱器的年運行費用，發現通過調整設備布局和系統壓降設計，可以顯著降低總成本。Jiaze MA等〔51〕設計了一種串-并聯結構，可以同時優化換熱器和水泵系統，還設計了輔助泵與主泵聯合運轉，以降低水泵運行費用，改進后的系統在滿足熱交換量要求的同時，減少耗水量，大大降低年運行成本。

2 非傳統水源的應用

冷卻水最常用的水源來自地表淡水和地下淡水。然而在一些淡水資源缺乏的地區，發電企業不得不尋找替代水源，即非傳統水源。非傳統水源的選取和使用需要考慮水質指標、水處理技術、用水成本、廢水排放和相關政策法規的要求等。最常見的非傳統水源是再生水和海水。

2.1 再生水

廢水處理技術的發展和進步使得電力工業可以將水多次利用，這對減少淡水取用、緩解水資源短缺有著重要意義〔52〕。城市廢水（也稱為市政污水）和工業廢水都可以在適當的處理后作為冷卻水補充水源重新利用。美國能源信息管理局發布的統計數據顯示，2008年至2014年間，美國的發電企業冷卻水供應發生了巨大轉變，8.4 GW裝機容量的機組完全使用再生水，6.4 GW裝機容量的機組部分使用再生水，13.4 GW的并網容量由使用再生水作為冷卻水補水的電廠提供〔18〕。在中國，政府部門頒布了水資源管理“三條紅線”政策，嚴格的水資源管理制度促使發電企業進一步加快節水型工業建設〔53〕。Xinxin ZHANG等〔54〕對中國境內621座燃煤發電站進行調研發現，70%的冷卻水來自地表水，17%來自再生水，13%來自地下水（圖3），表明再生水的使用已超過地下水，成為中國發電廠第二大冷卻系統水源。

圖3 中國621座燃煤電站冷卻水水源占比Fig.3 The proportion of cooling water source of 621 coal-fired power plants in China

污水處理廠通常采用二級處理，其出水仍含有相當高濃度的氨氮、無機鹽、有機物，無法滿足冷卻系統用水水質要求。因此，為了滿足冷卻水水質標準，需要對再生水進行深度處理。通常采用膜生物反應器（MBR）和浸沒式生物過濾器去除水中的碳酸鹽、氨氮和懸浮固體〔55〕。A. FOGLIA等〔56〕建議對再生水使用上流式厭氧污泥床進行生物處理，并使用厭氧膜生物反應器進行三級處理。S. PAN等〔21〕報道了某天然氣廠通過液壓盤式過濾器深度凈化廢水，從而作為冷卻塔補充水。

值得注意的是，某些情況下，很難確保再生水有充足穩定的供應，因此可考慮將非傳統水作為淡水的補充，布置并聯管道和再生水貯水池等設施〔57〕。

2.2 海水

近年來，海水循環冷卻技術引發了越來越多的關注。海水中的總溶解固體可高達55 000 mg/L〔58〕，因此，為了確保系統安全穩定運行，通常控制海水的循環倍率低于2.0。海水經過脫鹽處理后則可以顯著提高濃縮倍率，但采用海水冷卻仍要密切關注系統的腐蝕以及管道泄漏的風險〔59〕。脫鹽工藝一般基于兩種原理：加熱法脫鹽和膜法脫鹽〔60-66〕。加熱脫鹽工藝能耗高，運行費用昂貴，目前仍無法大規模應用于海水淡化生產冷卻水。隨著材料技術的發展，新型膜材料展現出優異的透水性能和離子分離性能，在提高脫鹽效率、降低技術成本方面非常有效〔66-69〕。采用太陽能、風能、地熱等可再生能源和廢熱能源，輔以適當的儲能設施，可以降低脫鹽工藝成本，提高海水淡化工業應用的可能性〔70-72〕。M. M.K. KHOSHGOFTAR等〔73〕在發電廠增設太陽能組件和脫鹽工藝系統，改造后可產生33 kg/s的淡化海水，可用做冷卻水補水。脫鹽廢水含有高濃度的鹽分，需要經過妥善處置，以減少對環境的影響〔74〕。

非傳統水源由于其成分復雜，在使用前需要經過適宜的處理。通常，處理程度較高的再生水和海水應用作循環工藝的補充水，而處理程度較低的應用于直流工藝的補充用水。

3 冷卻水處理技術

冷卻水系統面臨的3個主要問題是結垢、腐蝕和生物污泥〔75〕。冷卻水為微生物提供了適宜的生存條件，豐富的有機和無機營養物、適宜的溫度、充分的曝氣以及光照。微生物在系統里大量繁殖會形成生物黏泥，附著在設備和管道表面，堵塞管道、填料孔和布水嘴等，增加熱阻，降低換熱效率。微生物產生的胞外聚合物將微生物結合在一起，形成質地緊密結構穩定的膜，很難被殺菌劑瓦解去除。生物泥膜會加速系統腐蝕（稱為生物腐蝕），縮短設備和構件的壽命，增加運行維護成本，降低運行可靠性〔76-79〕。通常地下水的微生物含量要低于地表水，但地下水中成垢性離子含量往往高于地表水。成垢離子主要指的是鈣離子、鎂離子及少量的鋇離子和鍶離子等，這類離子容易與水中的碳酸根、硫酸根等形成不溶物沉積在設備管道表面〔80〕，增加熱阻，降低冷卻效果，從而降低機組效率。因此必須對冷卻水進行適當的處理，以避免系統結垢、腐蝕和產生生物黏泥。目前常用的冷卻水處理技術是采用投加化學藥劑，包括殺菌藥劑和緩蝕阻垢劑，來防止系統結垢、腐蝕和產生菌藻。

3.1 殺菌藥劑

水處理用殺菌劑通常可分為氧化型（如次氯酸鈉、二氧化氯、高錳酸鉀）和非氧化型（如異噻唑啉酮、氯酚、三氯苯酚和季銨鹽）。氯及其化合物具有價格低廉、使用方便、殺菌性能好等優點，因而得到廣泛使用〔81〕。氯的殺菌效果取決于水中有效氯（即HClO和ClO-）的濃度，因此在使用時須保持水質在恰當的pH范圍〔82〕。去除生物泥膜時，應采用高劑量的氯，以滲透進入泥膜內部。然而，過高的氯會對系統的金屬結構造成腐蝕。此外，當水中含有機物（如腐殖酸、黃腐酸等）時，氯容易和這些有機物反應生成三鹵甲烷（THMs）副產物，該類物質具有致癌作用，對人類健康和水生生物有害。在許多地區，環境法規嚴格限制THMs的排放。生物降解被認為是去除水中THMs前體物質和THMs的綠色且廉價的技術〔83〕。

二氧化氯（ClO2）具有很高的氧化電位，可以在更寬的pH范圍內（5.0~9.0）對生物泥膜進行處理。ClO2可以阻礙細胞蛋白質合成，破壞細胞膜，并以極低的濃度殺死細菌孢子和病毒。相比于氯容易生成THMs的缺點，ClO2在反應過程中生成亞氯酸鹽和氯酸鹽，這些物質在水中很穩定且危害較小。S.VENKATNARAYANAN等〔84〕發現ClO2在很低的濃度下能阻礙浮游生物棲息，從而破壞它們的生長繁殖過程。這種殺菌方式更加環境友好。M. ALBLOUSHI等〔85〕研究了某海水冷卻系統中用ClO2控制生物污泥的效果，結果顯示，即使在總殘余氧化劑質量濃度（以Cl2計）低至0.1 mg/L的情況下，ClO2的殺菌效果也優于其他氯。盡管ClO2有諸多優點，但也仍存在一些限制：1）相比氯及其化合物，ClO2更加昂貴；2）ClO2性質活躍、不穩定，對壓力和光照十分敏感，因此無法壓縮或液化存儲、運輸，只能在使用現場制備；3）ClO2無法在水中長時間存在，因此不具備持續殺菌效果；4）制備ClO2的設備較為復雜。基于上述原因，將ClO2與氯聯合使用是更為合理的方式。

非氧化型殺菌劑通常與氧化型殺菌劑聯合交替使用以提高殺菌效果。季銨鹽和異噻唑啉酮是兩種應用最為廣泛的非氧化型殺菌劑。季銨鹽可以破壞微生物的細胞膜，誘發自溶酶釋放，導致細胞裂解，對真菌、細菌、寄生蟲均有較好的殺滅效果〔86-88〕。但季銨鹽具有毒性，會對生態系統帶來一定的威脅。冷卻水中常用的苯扎氯銨被證明對淡水及海水中的藻類有較強毒性〔89〕。異噻唑啉酮也被證明對小鼠和魚類顯示出不可逆的毒性作用〔90-91〕。季銨鹽和異噻唑啉酮在自然界中的降解速率較低。A. H.KHAN等〔92〕以芐基二甲基十二烷基氯化銨和芐基二甲基十四烷基氯化銨為研究對象，驗證了兩種季銨鹽在環境中混合存在時可能引發拮抗作用，降低生物降解速率，從而增加了環境殘留的風險。異噻唑啉酮是一種雜環，具有生物穩定性，在自然界降解速率較慢〔93〕。冷卻水排水中非氧化殺菌劑的處理方式主要包含生物降解和氧化分解。生物降解可以采用移動床生物膜反應器〔94〕，或利用某些可以分解非氧化型殺菌劑的微生物進行處理〔95〕。近年來，深度氧化工藝去除水中的非氧化型殺菌劑受到了關注。例如采用臭氧-氧化石墨烯〔96〕、 光催化氧化〔97〕、電化學氧化〔98〕等。A. H. KHAN等〔99〕用臭氧和雙氧水進行深度氧化后可以降低季銨鹽混合物的毒性，進而提高生物降解率。Lu PENG等〔100〕采用基于碳纖維氈的流通電極系統來降解水中的異噻唑啉酮殘留，以達到緩解生態風險的目的。M. LEE等〔101〕提出了一種混合式氧化系統，該系統結合了紫外-可見光系統、過硫酸鹽和Cu2+，可以降解十二烷基三甲基氯化銨和十二烷基二甲基芐基氯化銨。

除了藥劑種類和加藥劑量，加藥方式也影響著殺菌效果。D. RUBIO等〔102〕對比了氯在連續投加和沖擊投加下的殺菌效果，結果表明沖擊投加殺菌效果更好。根據Xiaolei LI等〔79，103〕的報道，相比于單獨使用殺菌劑或緩蝕劑，將二者聯合使用可以更加有效地防止系統中的銅材料被生物腐蝕。其他殺菌處理方式，如過氧乙酸〔104〕、臭氧〔85〕、紫外線〔105〕和一些非化學殺菌技術〔106〕盡管有著無毒、無害和環保的優點，但并非電廠冷卻水處理的常規方法。

3.2 阻垢緩蝕劑

阻垢劑主要通過破壞礦物質成核過程及阻礙晶體生長來抑制水中沉淀物的生成，從而避免系統結垢〔107〕。含磷阻垢劑因其效果優良、價格低廉而得到廣泛使用。但含磷阻垢劑易導致水體污染，且難以降解，對環境具有一定危害性，許多地區對排放污水中磷的含量有著嚴格的規定，這限制了含磷阻垢劑的應用。為了解決這一問題，一些研究團隊致力于開發不含磷的環境友好型阻垢劑，例如基于某些綠色共聚物的無磷阻垢劑和植物提取物等。Xiaojuan ZHANG等〔108〕介紹了用3-氨基-1-丙磺酸修飾聚天冬氨酸分子鏈，得到改性后的聚天冬氨酸共聚物，分子中的磺酸基團和羧基對鈣離子具有很強的螯合能力，從而能避免碳酸鈣或硫酸鈣沉淀。Guangqing LIU等〔109〕研究了線性樹枝狀嵌段共聚物作為綠色阻垢劑在冷卻水系統中的應用效果，結果表明該共聚物顯示出優異的抑制碳酸鈣沉淀的能力，在8 mg/L的加藥水平下可抑制約97%碳酸鈣生成。以植物提取物制備阻垢緩蝕劑因其綠色無污染且適用范圍廣的優點引起了越來越多地關注〔110〕。植物提取物含有多種化合物質，這些物質通過分子結構中的官能團吸附在金屬表面，防止設備發生腐蝕。同時，這些提取物的多種分子結構和官能基團可與水中的成垢離子相結合，從而起到阻垢作用。此外，由于植物提取物種類多樣，可以滿足不同類型金屬在不同pH條件下的防腐和阻垢要求。B. A. ABD-EL-NABEY等〔111〕總結了從植物中提取的具有阻垢緩蝕功能的有效成分。A. KIOKA等〔112〕研究了納米氣泡在地熱能發電廠冷卻水系統防腐、阻垢方面的應用，納米氣泡是指液體中直徑為50~200 nm的球形氣泡體。相較于傳統的化學藥劑，納米氣泡技術是一種更為先進的阻垢緩蝕技術，能夠達到良好的防止系統結垢和腐蝕的效果，不產生有害化學物質，成本較低，且納米氣泡在較高的溫度、壓力和較寬的pH范圍內均能保持穩定的性能，因此具有廣闊的應用前景。

4 冷卻水系統在線監測技術

在線監測儀表可以自動、實時、連續測量水質關鍵指標，包括電導率、pH、堿度、氯離子、鈣離子、硬度、濁度、磷酸鹽、溶解氧和氧化還原電位（ORP）等。隨著技術的進步，水處理藥劑濃度和腐蝕速率也可以在線監測，這使得運行人員能夠更加準確地掌握水質情況及水處理效率，更加有效地防止系統結垢、腐蝕及產生生物黏泥，并在出現問題時能夠及時采取應對措施。已經有文獻報道利用光學技術和電化學傳感器在線監測生物泥膜的形成〔113〕。P. TINHAM等〔114〕成功利用紅外監測技術研究流動水樣中生物泥膜的累積和聚集。盡管該方法并不能測得生物污泥的確切值，但可以用于比較不同工況下的殺菌效果。J. BRUCHMANN等〔115〕開發了一種基于電阻抗光譜和電流測量技術相結合的在線生物傳感器平臺，可以靈敏地檢測到生物污泥對化學處理的反應，從而評估生物泥膜的形成以及水處理藥劑的作用效果。P. CRISTIANI等〔116〕介紹了一種包含多種電化學探頭的在線監測設備，將該設備應用于冷卻水系統，可以監測生物泥膜的生長，以及評價氯或其他氧化型殺菌劑的殺菌效果。得益于這種在線監測技術，冷卻水系統可以實現精確優化調控藥劑投加量，以期在最小加藥量下保護系統不受生物污泥污染，不發生生物腐蝕現象。

5 發電廠的水資源管理和策略

5.1 發電廠與其他工廠間的協作

發電廠與污水處理廠聯合協作可以達到互惠共贏的效果。電廠與污水處理廠鄰近建設可以使得發電廠以較低的成本將冷卻排水輸送至污水處理廠進行處置，同時電廠也可以優先使用水處理廠生產的再生水，以降低對淡水的消耗。類似地，使用海水冷卻的電廠可以向脫鹽廠提供電力能源和咸水，生產出的鹽作為副產品，而脫鹽水可以回用至電廠作為補給水。發電廠與水廠或脫鹽廠的協作模式見圖4〔57，117〕。

圖4 發電廠-水廠/脫鹽廠聯合協作模式Fig.4 Co-generation of power plant and wastewater treatment plant and/or desalination plant.

5.2 政策與法規

政府部門應充分發揮引領作用，鼓勵發電廠尋求減少冷卻水消耗的策略，并關注冷卻水帶來的環境污染問題。政府部門可以從行政許可的角度進行監管和激勵，包括但不限于制定財政水價制度、水權分配、補貼公約和污水排放標準。農業灌溉、市政和其他行業（如石油工業和冶金工業）與發電廠競爭用水，尤其是在溫度較高的夏季，這種競爭更加激烈。因此，水資源管理部門在分配用水權時應考慮各單位的用水自給程度、循環利用程度以及排水水質和總量指標。循環用水或者采用非傳統水源的單位以及排水指標更為嚴格的單位應可獲得優先用水權，以鼓勵電廠升級技術，采用更加節水的方案。據統計，嚴格的環境法規確實可促使電廠從直流冷卻工藝改型為循環冷卻工藝〔118〕。Panni LI等〔119〕報道稱，盡管環境稅對促進大型燃煤發電廠污染物減排的作用有限，但監管部門仍可以考慮提高低稅率地區的環境稅率，并完善環保稅收減免獎勵制度，以激勵企業減少污染物排放。

建立數據庫，整理包括燃料類型、冷卻工藝、裝機容量、取水和耗水量、污水排放，甚至當地氣候等〔120〕基本信息數據，對于估算電廠用水量、水質情況、冷卻水工藝技術都具有重要的參考意義。例如，用水量不僅影響到冷卻裝置位置甚至整個電廠的選址，也是改造和優化冷卻系統的關鍵基礎數據。除了上述基礎信息，數據庫內還應包含一些具體案例，闡明電廠中發生的用水緊缺情況時采取的有效應對措施〔121〕。然而，因為缺乏詳細的統計整理，可供公眾使用的數據很少，且大多數時候可獲得的數據也不夠準確，甚至質量很差〔122〕。因此，要使這類數據庫發揮作用，需要不同監管部門和電廠之間的協作，確保信息透明共享。同時，應注重考慮企業隱私保護和數據訪問的合法性。

6 結論與展望

冷卻水關系著機組輸出功率，占電廠用水的主要部分。隨著淡水儲量的急劇減少，傳統冷卻工藝用水模式已經不再適用。越來越多的發電企業開始尋求對冷卻水系統和技術進行改進優化，以降低冷卻水用量，提高冷卻效率，實現可持續發展。目前，已經在冷卻水系統的配置設計、非傳統水源的使用、水處理技術優化、發電企業水資源管理和策略等方面取得了一定進展，獲得了一些節水降耗效益。未來，仍有以下方面的問題需要進一步研究。

1）輻射空冷是一種被動冷卻的方法，具有零蒸發損失和幾乎無電力消耗等顯著優點。但該技術仍處于研究階段，由于制造成本較為昂貴，只能適應于較小的制水量，無法完全滿足發電廠需求。同時，輻射空冷在白晝使用效果較差也是一個亟待突破的問題。若要大規模應用于電廠，首先需要進一步以輻射冷卻材料為研究重點，設法提高冷卻效果，抑制對流傳熱，以降低制造成本，并保證在白晝環境下的應用；其次，應考慮將輻射空冷與傳統冷卻工藝結合使用，以提高輻射空冷的應用靈活性；最后，還應采取有效的儲冷措施，以克服輻射空冷的間歇性。

2）進一步研究非傳統水源水處理深度與冷卻水補水水質的關系，得出最合理的深度處理方案，優化深度處理與冷卻水運行成本。深入研究脫鹽工藝與先進膜材料等進一步優化深度處理技術。此外，需要認真評估非傳統水源供水的可靠性，探索淡水和非傳統水源聯用技術，確保冷卻水系統補水供給的可靠性。

3）冷卻水系統優化并非一個孤立的研究課題，應加強各區域能源部門、水資源部門及其他利益相關方的合作，切實推進資源規劃和設施協同增效。此外，建立數據庫，實現信息共享，為區域水分配管理提供參考。