我國(guó)未來(lái)20年電力需求分析

我國(guó)未來(lái)20年電力需求分析

0是發(fā)展可持續(xù)發(fā)展能力近年來(lái)，隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，中國(guó)的水資源供需矛盾日益突出。我國(guó)是以火力發(fā)電為主的國(guó)家,截止2010年底,我國(guó)發(fā)電設(shè)備裝機(jī)容量為96641.3萬(wàn)kW,同比增長(zhǎng)10.56%,其中火電為70967.21萬(wàn)kW,約占總?cè)萘康?3.4%,即便在國(guó)家鼓勵(lì)新能源發(fā)電和核能發(fā)電的背景下,火力發(fā)電仍將長(zhǎng)期處于主導(dǎo)地位?；鹆Πl(fā)電企業(yè)是用水和排水大戶,就全國(guó)電力工業(yè)而言,火電取水量占全國(guó)工業(yè)取水量的40%,我國(guó)火電廠平均裝機(jī)耗水率比國(guó)際先進(jìn)水平高40%~50%。隨著我國(guó)水資源的日益緊張和對(duì)環(huán)境保護(hù)要求的提高,火力發(fā)電所面臨的水資源問(wèn)題和環(huán)境問(wèn)題日益突出,積極推廣和應(yīng)用火力發(fā)電節(jié)能、節(jié)水技術(shù)是解決上述問(wèn)題,促進(jìn)國(guó)民經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的有力保證。本文在對(duì)國(guó)內(nèi)火電機(jī)組用水情況和節(jié)水技術(shù)進(jìn)行充分調(diào)研的基礎(chǔ)上,對(duì)未來(lái)我國(guó)火電機(jī)組的用水情況進(jìn)行預(yù)測(cè),供制定我國(guó)電力工業(yè)的發(fā)展規(guī)劃、策略參考。1電力消費(fèi)彈性指數(shù)預(yù)測(cè)值電力與經(jīng)濟(jì)關(guān)系密切,一方面,經(jīng)濟(jì)發(fā)展是電力發(fā)展的內(nèi)在動(dòng)力,經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶動(dòng)電力發(fā)展;另一方面,電力是保證經(jīng)濟(jì)發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ),電力發(fā)展促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展,二者增長(zhǎng)勢(shì)頭具有很強(qiáng)的相關(guān)性。因此,要對(duì)未來(lái)火電廠用水需求作出預(yù)測(cè),就必須和經(jīng)濟(jì)、電力負(fù)荷增長(zhǎng)掛鉤,依靠發(fā)電量來(lái)估算。圖1為我國(guó)2006—2010年GDP總量、用電量、發(fā)電量、火力發(fā)電量及各自增長(zhǎng)率的關(guān)系[6,7,8,9,10,11,12,13,14,15]。由圖1可知,2006—2010年,各年的GDP總量分別為21200,25700,30700,34100,40100億元;2006—2010年,各年的用電量分別為28358,32565,34379,36598,41998億kW·h;2006—2010年,各年的發(fā)電量分別為28499,32644,34510,36811,42277億kW·h;2006—2010年,各年的火力發(fā)電量分別為23742,27207,28029,30116,34166億kW·h。圖1表明我國(guó)GDP總量和用電量相互關(guān)聯(lián),兩者增長(zhǎng)趨勢(shì)基本相同,2008年經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)率稍有下降;而火力發(fā)電占整個(gè)發(fā)電量的80%,其增長(zhǎng)速度仍很強(qiáng)勁。為了使電力需求預(yù)測(cè)更準(zhǔn)確,本文依據(jù)其與經(jīng)濟(jì)之間的量化關(guān)系,通過(guò)預(yù)測(cè)經(jīng)濟(jì)的增長(zhǎng)趨勢(shì)而得出電力需求預(yù)測(cè)值,電力與經(jīng)濟(jì)之間的量化關(guān)系體現(xiàn)在電力消費(fèi)彈性系數(shù)概念上。所謂電力消費(fèi)彈性系數(shù),是指某一時(shí)期內(nèi)電力消費(fèi)量年平均增長(zhǎng)率與同一時(shí)期國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值(或國(guó)民生產(chǎn)總值)年均增長(zhǎng)率的比值,它是反映電力增長(zhǎng)速度與國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度關(guān)系的一項(xiàng)綜合指標(biāo)。電力消費(fèi)彈性系數(shù)=電力消費(fèi)量年平均增長(zhǎng)速度/國(guó)民經(jīng)濟(jì)年平均增長(zhǎng)速度。表1為近幾年我國(guó)電力消費(fèi)彈性系數(shù)。近幾年來(lái),我國(guó)的經(jīng)濟(jì)增速和電力消費(fèi)增速均有所加快,電力彈性系數(shù)多數(shù)在1上下變化。2008年及2009年的彈性系數(shù)降低很多,主要因?yàn)?008年下半年工業(yè)特別是重工業(yè)生產(chǎn)放緩,導(dǎo)致用電明顯放緩。參考發(fā)達(dá)國(guó)家的水平,從長(zhǎng)期來(lái)看,該系數(shù)保持在0.8~1.2是比較正常的水平,但由于我國(guó)發(fā)展正處于重工業(yè)化階段,工業(yè)(特別是高耗電行業(yè))保持快速發(fā)展,因此決定了我國(guó)電力消費(fèi)系數(shù)將處于一個(gè)比較高的水平。在以下預(yù)測(cè)分析中,設(shè)定彈性系數(shù)在2013—2015年為1.2,2016—2020年降低到1,2021—2030年降低到0.8,達(dá)到發(fā)達(dá)國(guó)家先進(jìn)水平。鑒于我國(guó)基本國(guó)情和政策,即2020年全面實(shí)現(xiàn)“小康”,本文預(yù)測(cè)國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值在2013—2015年增速為8%,2015—2020年增速為7%,2021—2030年增速為5%。以此為基礎(chǔ),通過(guò)電力消費(fèi)彈性指數(shù)推導(dǎo)出電力消費(fèi)增長(zhǎng)率,從而再進(jìn)行發(fā)電量和用電量的預(yù)測(cè)。未來(lái)20年我國(guó)用電量預(yù)測(cè)結(jié)果如表2所示,依此發(fā)展速度,到2030年我國(guó)用電量是2010年的3.3倍,增長(zhǎng)速度驚人。目前我國(guó)火力發(fā)電量占整個(gè)發(fā)電量的80%,這無(wú)疑對(duì)環(huán)境和資源造成了巨大的壓力。因此,未來(lái)我國(guó)應(yīng)大力發(fā)展清潔能源,逐步加大可再生能源的比例。在現(xiàn)有的能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中,水力發(fā)電占總發(fā)電量的17.4%,在沒(méi)有重大自然災(zāi)害的情況下,我國(guó)的水力發(fā)電將以17.4%為基礎(chǔ)逐步增加比例。對(duì)于核電,雖受到日本福島核電站事故的影響,放慢發(fā)展速度,但并不能改變其增長(zhǎng)的發(fā)展趨勢(shì)。規(guī)劃到2015年,核電裝機(jī)容量達(dá)到4294萬(wàn)kW;2020年達(dá)到9000萬(wàn)kW,占整個(gè)發(fā)電量的4.3%;2030年達(dá)到2億kW,占總發(fā)電量的8.5%。風(fēng)力發(fā)電近年來(lái)發(fā)展也很迅速,按照國(guó)家風(fēng)電發(fā)展規(guī)劃,到2020年,我國(guó)風(fēng)電裝機(jī)容量有望達(dá)1.5億kW,到2050年將形成3億~5億kW的裝機(jī)能力。據(jù)上述分析,到2030年我國(guó)發(fā)電行業(yè)的結(jié)構(gòu)形式如表3所示。表3表明,未來(lái)20年火力發(fā)電仍會(huì)有較大幅度的增加,2030年火力發(fā)電量是2010年的2.7倍。2中國(guó)火力發(fā)電用水規(guī)劃2.1冷卻系統(tǒng)研究火力發(fā)電用水包括兩大部分,即生產(chǎn)用水和生活用水。生產(chǎn)用水主要包括熱力系統(tǒng)用水、冷卻系統(tǒng)用水、水力除塵除渣系統(tǒng)用水和煙氣脫硫系統(tǒng)用水等;生活用水主要包括生活系統(tǒng)用水和消防系統(tǒng)用水及廠區(qū)雜用水等。關(guān)于火力發(fā)電廠的水耗有2個(gè)重要概念:裝機(jī)水耗和發(fā)電水耗。裝機(jī)水耗是指用于發(fā)電生產(chǎn)的新鮮水總?cè)∷颗c裝機(jī)容量的比值,對(duì)于已經(jīng)運(yùn)行的發(fā)電廠,無(wú)實(shí)際意義;發(fā)電水耗是指用于發(fā)電生產(chǎn)的新鮮水總?cè)∷颗c總發(fā)電量的比值?；鹆Πl(fā)電各部分水耗所占比例與機(jī)組形式又有很大關(guān)系,典型火力發(fā)電廠中各部分水耗所占比例如圖2所示。圖2表明火電廠消耗水量最大的系統(tǒng)為冷卻系統(tǒng),欲對(duì)火電廠用水進(jìn)行預(yù)測(cè),需要對(duì)該系統(tǒng)深入研究,并分析各種冷卻方式下的單位耗水率和裝機(jī)水耗。對(duì)于循環(huán)冷卻火電機(jī)組,從統(tǒng)計(jì)資料來(lái)看,節(jié)水較好的機(jī)組,其單位發(fā)電量耗水率可達(dá)3.6kg/(kW·h)以下,裝機(jī)耗水率可達(dá)0.8m3/(s·GW);節(jié)水較差的機(jī)組,其單位發(fā)電量耗水率高達(dá)11.2kg/(kW·h),裝機(jī)耗水率達(dá)2.5m3/(s·GW)。對(duì)于直流冷卻火電機(jī)組,由于無(wú)蒸發(fā)、風(fēng)吹和排污等損失,其耗水量比循環(huán)冷卻機(jī)組少得多,是節(jié)水型火力發(fā)電的一種重要類(lèi)型。從統(tǒng)計(jì)資料來(lái)看,節(jié)水較好的直流冷卻火電機(jī)組,其單位發(fā)電量耗水率可達(dá)0.65kg/(kW·h),裝機(jī)耗水率可達(dá)0.15m3/(s·GW);節(jié)水較差的機(jī)組單位發(fā)電量耗水率可達(dá)5kg/(kW·h),裝機(jī)耗水率達(dá)1.0m3/(s·GW)。必須說(shuō)明的是,直流冷卻機(jī)組需要廠區(qū)附近有充足的水源,1臺(tái)裝機(jī)容量為1000MW的火電機(jī)組,采用循環(huán)冷卻方式取用水量為0.6~1m3/s,若采用直流冷卻方式取用水量為35~40m3/s,后者用水量驚人。濱海地區(qū)的機(jī)組,多數(shù)利用海水作為循環(huán)水或輔機(jī)冷卻水,這樣可減少淡水消耗量。例如華能大連電廠2臺(tái)350MW火電機(jī)組使用海水冷卻凝汽器及水熱交換器并將其排水串聯(lián)使用(沖灰),其余用水為淡水。即化學(xué)用水、工業(yè)用水和生活用水使用淡水,總耗水量很小,只有204m3/h。對(duì)于空冷機(jī)組,耗水率與同容量的直流冷卻火電機(jī)組大體相當(dāng),節(jié)水效果顯著。通過(guò)以上分析,可得不同類(lèi)型機(jī)組的耗水情況(取平均值),如表4所示。2.2空冷和循環(huán)冷卻結(jié)合應(yīng)用于新建機(jī)組在以上分析的基礎(chǔ)上,提出5種可能性的發(fā)展方案,據(jù)此對(duì)2013—2030年我國(guó)火力發(fā)電用水作出預(yù)測(cè),以尋求最經(jīng)濟(jì)的耗水率方案。方案1:維持現(xiàn)有模式,新建機(jī)組與在運(yùn)機(jī)組均與現(xiàn)有用水和冷卻模式成比例。方案2:作一般性調(diào)整,所有新建機(jī)組使用淡水并采用循環(huán)冷卻方式,其他部分與現(xiàn)有用水情況對(duì)應(yīng)成比例。方案3:加大超臨界和亞臨界機(jī)組建設(shè)力度,每年的新建機(jī)組中超臨界機(jī)組占總量的40%,亞臨界機(jī)組占30%;新建機(jī)組都采用淡水循環(huán)冷卻方式。方案4:濱海地區(qū)的新建火電機(jī)組均采用海水直接冷卻方式,占總發(fā)電量的10%,其余新建機(jī)組使用淡水循環(huán)冷卻方式,其他部分與現(xiàn)有用水情況對(duì)應(yīng)成比例(不考慮超臨界和亞臨界機(jī)組,假設(shè)與2008年的機(jī)組類(lèi)型完全相同)。方案5:20%的新建機(jī)組采用空冷技術(shù),其余新建機(jī)組采用循環(huán)冷卻方式,濱海地區(qū)的新建火電機(jī)組均采用海水直接冷卻,其他部分與現(xiàn)有用水情況對(duì)應(yīng)成比例。按照上述各種方案,以2008年為基準(zhǔn)(按照現(xiàn)有比例,2008年單位發(fā)電量的取水是25.64kg/(kW·h),單位發(fā)電量耗水率為2.63kg/(kW·h)),計(jì)算未來(lái)20年不同方案下的火力發(fā)電取水量和耗水量預(yù)測(cè)值,計(jì)算結(jié)果如圖3所示。分析結(jié)果表明,由于直流冷卻方式在國(guó)內(nèi)大量存在,使火電機(jī)組取水量十分驚人,而我國(guó)是個(gè)淡水資源比較匱乏的國(guó)家,除部分地區(qū)外,大部分地區(qū)達(dá)不到這樣的取水要求。因此,為了進(jìn)一步降低取水量,節(jié)約淡水資源,未來(lái)應(yīng)逐步減少這種直流冷卻方式,因此方案1基本不可能在我國(guó)出現(xiàn)。和直接冷卻方式相反,循環(huán)冷卻方式的取水量要小得多,在我國(guó)很多地區(qū),特別在北方地區(qū)應(yīng)用比較廣泛,缺點(diǎn)是耗水量相對(duì)較大。方案2顯示了最極端的耗水情況,雖然大大減少了取水量,卻顯著增加了耗水量。方案3通過(guò)改變機(jī)組的發(fā)電形式和冷卻方式,增加超臨界和亞臨界機(jī)組建設(shè),一方面提高了發(fā)電效率,減少了煤耗,另一方面減少了單位水耗(相比方案2可以看出),這種技術(shù)會(huì)在未來(lái)得到運(yùn)用。方案4利用海水冷卻,這是解決水資源短缺問(wèn)題的好辦法,它的耗水量只有淡水直流冷卻的40%,甚至更低,取水基本等于耗水,實(shí)現(xiàn)了冷端損失為“0”。此方案只要突破冷卻材料方面的障礙,在未來(lái)也會(huì)慢慢得以實(shí)施。方案5提出了采用空冷技術(shù),空冷技術(shù)是解決我國(guó)北方地區(qū)缺水情況的最有效措施。近年來(lái)新建機(jī)組基本上都采用了空冷技術(shù),其取水和耗水都相當(dāng)?shù)?實(shí)施建設(shè)也較為容易,但是技術(shù)要求稍高些,耗煤量稍大,電廠占地面積也會(huì)大些,發(fā)展并不像想象中那么快。隨著技術(shù)的進(jìn)步,空冷機(jī)組在我國(guó)乃至全世界都會(huì)受到青睞。3火電廠用水研究進(jìn)展本文通過(guò)對(duì)近年我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展現(xiàn)狀和電力結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的分析、研究,采用電力彈性系數(shù)估測(cè)了我國(guó)未來(lái)20年的電力需求情況,基于5個(gè)火力發(fā)電可能性發(fā)展方案,對(duì)未來(lái)20年火電廠用