火力发电行业用水计划核定下达方法研究

火力发电行业用水计划核定下达方法研究

李敏，陈雅芬(水利部珠江水利委员会珠江水利综合技术中心，广东广州510611)《中华人民共和国水法》(以下简称《水法》)《取水许可和水资源费征收管理条例》等法律法规，明确规定中国实行计划用水管理制度，且由水利部印发了《计划用水管理办法》[1]。《计划用水管理办法》第十五条用水单位具有下列情形之一的，管理机关应当核减其年计划用水总量：“(一)用水水平未达到用水定额标准的；(二)使用国家明令淘汰的用水技术、工艺、产品或者设备的；(三)具备利用雨水、再生水等非常规水源条件而不利用的”，上述内容仅为核定用水单位用水计划的原则，不是用水计划的核定标准；另外相关水行政主管部门也没有出台相关文件进一步明确和细化用水计划的核定标准。目前，不同省市县的水行政主管部门结合各自实际情况研究制定了相应的用水计划核定下达的规定，并执行用水计划核定工作。现行水行政主管部门年度用水计划核定下达，大多数以取用水户上报数据和前3年实际用水量为依据，在不超过原审批取水量的前提下直接下达；另外国内部分学者也开展了用水计划核定下达方法方面的类似或相关研究，并提出多元回归法和定额法[2-5]、聚类算法和用水预测算法[6]、水平衡法测试方法[7]等多种方法，但大部分方法并未充分考虑用水定额与实际用水水平，不太符合当下节水优先、限额管理的要求。本研究在分析流域内外部分省(区)市水行政主管部门用水计划核定下达现状和部分学者相关研究的基础上，针对用水计划核定下达方法体系不完善的现状，归纳、总结、提炼已采用或提出的用水计划核定下达方法的优缺点，结合火力发电行业的特点，研究提出火力发电行业用水计划核定下达的“前三年平均效率值法”，并建立数据计算模型，进一步完善用水计划核定下达方法体系，同时促进了用水计划核定下达的合理性。另外，将已有的以及新研究提出的核定下达方法应用于火力发电行业的实际案例中进行适用性分析，并提出适用方法和结论。1用水计划核定下达现状对水利部珠江水利委员会(以下简称为珠江委)、珠江流域内外部分省(自治区)市以及国内学者关于对用水计划核定下达方法的现状情况进行梳理。1.1珠江委珠江委根据各取用水单位的报送材料，统计近3年各个用水项目实际用水量，并结合用水单位报送的本年度用水计划量、近3年实际平均用水量和取水许可批复水量，若申请下一年度用水量不超过前3年实际用水量120%的，直接核定下达；超过120%的，理由充分且合理的，采用申请用水量下达，但不能超过取水许可批复水量；理由不充分的采用近3年实际平均用水量的120%下达。对于水电站、灌区等用水项目，采用业主上报用水计划量。对于未上报下一年度用水计划的，依据审批的取水许可量和近3年实际用水量综合核定后下达。1.2流域内各省(区)市云南省结合年度取用水总量控制指标、企业实际年度用水情况、用水定额、水平衡测试结果等，核定下达用水计划。贵州省主要根据取用水户前3年实际产品产量、用水量和当年计划产品产量核定用水计划。广西壮族自治区根据本行政区域年度用水总量控制指标、用水定额和用水单位近1～3年的实际用水量，核定用水单位的用水计划。广东省根据用水总量控制指标、用水定额、供水单位的供水能力，结合用水单位的用水计划建议、用水项目情况、前3年同期抄表计费水量等用水情况核定用水计划。海南省根据本行政区域年度用水总量控制指标、用水定额和用水单位的用水记录核定用水单位的用水计划，取用水单位年计划取用水量最多不超过前3年平均值1.2倍，并小于许可取用水量。福建省将水平衡测试结果作为重要依据。江西省将用水定额作为主要依据，并结合实际情况进行核减。湖南省根据本行政区域用水总量控制指标、用水定额、供水单位的供水能力等，结合重点用水单位的用水计划建议、用水项目情况、前3年同期抄表计费水量等用水情况核定用水计划。其中广西、江西有核减制度，但无具体的核减标准。广州市规定水行政主管部门每半年下达1次月度用水计划，用水计划根据城市供水能力、以用水户近3年同期抄表计费水量为基数计算的加权平均值、用水户用水量增长趋势确定。取月度抄表计费水量加权平均值、最近12个月内月度用水计划峰值两者中的最大值作为月度用水计划，其中月度抄表计费水量加权平均值=[(1×大前年同月抄表计费水量+2×前年同月抄表计费水量+3×去年同月抄表计费水量)/6]×(1+增长系数)。深圳市用户年度计划用水总量根据水量平衡测试确定的合理用水水平系数、用水平均增长率以及最近3年年度实际用水总量的平均值确定。用户有3年以上用水数据的：用户年度计划用水总量=合理用水水平系数×(1+前3年用水平均增长率)×前3年实际用水总量的平均值。1.3流域外部分省(区)市江苏省按照不低于用水定额的用水水平核定其年用水计划总量，未制定用水定额的，根据该计划用水户近1～3年实际用水量的加权平均值并考虑适当的增减系数核定其年用水计划总量。山东省根据年度用水总量控制指标、用水定额、取用水户近1～3年实际取用水量和缴费情况、取用水户生产计划等确定。吉林省根据用水定额、经济技术条件以及水量分配方案确定的可供本行政区域使用的水量，制定年度用水计划，超计划用水的，按照上一年度用水计划核减其用水量。甘肃省根据本行政区域年度用水总量控制指标、用水定额和用水单位的用水记录，按照总量控制、统筹协调、综合平衡、留有余地的原则，核定用水单位的用水计划。上海市以用水定额为基础核定用水计划并进行月度考核，尚无行业用水定额的，用水计划指标参照用水单位上年度产值单耗和近3年实际用水量以及发展需求核定；未满3年的，参照上年度产值单耗和实际用水量核定[8-9]。北京市根据区域年度用水计划、相关行业用水定额、用水单位的生活、生产经营需要辅以调整系数综合核定[10-11]。天津市根据当年水资源总量，参照区(县)节水办上报的汇总平衡结果、非生活用水户的用水定额和上一年度实际用水量确定。德州市根据各用水户近3年取用水情况、行业用水定额、用水效率情况以及取水许可水量综合确定[12]。1.4国内学者孙明[2]2004年提出可采用用水定额和水平衡测试法编制和核定取用水单位的用水计划，同时指出即使采用用水定额下达用水计划，水平衡测试也是其有益的必要的补充。贺娟[3]2013年采用定额法与多元回归法对三亚市计划用水进行了计算，并确定了规划年限内各年度内各行业的计划用水量。秦毅等[4]2000年提出现行用水定额在实际运用中存在的问题，并将城市用水定额分为规划设计用水定额和计划管理用水定额，并以此对计划管理用水定额提出了计算方法。江亚菲[5]2014年通过构建合理的数学模型，借鉴同类型城市的用水定额成果进行了调整，提出秦皇岛市关于城市生活和工业生产的计划用水定额，通过编制便于应用的计划用水指标体系，指导城市节制用水。陈兴[6]2016年通过对各行业用水特点的了解分析，最后确定用水计划的核定采用2个方向，一是与其他相似企业用水的对比，二是与企业自身历史用水的对比；2个方向引用的方法分别为聚类算法和用水预测算法;聚类算法主要是利用SPSS19.0版中K-means分析模块，找出同行业同类别中用水不合理的用水户。胡海军等[7]2014年选取中国长城葡萄酒有限公司作为测试对象，对企业水平衡测试方案、方法、测试时间及过程进行说明，最后得出测试结果，水平衡测试成果可为相关企业节水管理以及水利等相关部门合理管理水资源提供参考依据。韩国华等[13]2012年运用BP人工神经网络的计算机模拟得出供水量与最高、最低、平均温度等因素关系，并应用该方法对未来一个月的供水量进行了预测。2已有核定下达方法的归纳和总结经对目前流域内外省、市已采用和部分研究学者提出的用水计划核定下达方法的分析和归纳，对已有的方法主要总结为3种，分别为实际用水量平均值法、用水定额法和水平衡测试法，本研究明确提出3个方法的概念、计算公式，设计各种方法计算表格，并分析各个方法的适用条件和优缺点。2.1实际用水量平均值法实际用水量平均值法，即计算前3年实际用水量的算数平均值或者加权平均值作为取用水户当年的用水计划，以2种方法计算的大值为最终确定值。确定的加权平均值计算公式为：3年加权平均用水量=(大前年用水量+2×前年用水量+3×去年用水量)/6，其中加权平均系数的选取参照流域内广州市月度用水计划计算公式确定。2种方法的计算表格见表1、2。表1前3年用水量算数平均值计算建议用水计划下达量表2前3年用水量加权平均值计算建议用水计划下达量此方法要求有历史数据即可，预测的用水计划下达量较贴近实际，但根据实际用水年份、地区发达程度、不同行政级别等确定的加权系数具有较大的不确定性。当用水户年度用水变化较大，或因年内设备检修或停产时间较长，造成用水量明显下降时，加权平均法计算数据则不能代表取用水户实际用水情况。2.2用水定额法用水定额法，即根据本行政区域内的行业用水定额乘以用水户近3年的实际生产能力平均值或者用水户下一年的计划生产能力，得到取用水户用水计划下达量。确定的用水定额法计算公式为：用水计划下达量=用水定额通用值×前3年平均产品产量或下一年的计划产品产量，用水定额通用值取国家和地方标准中的小值。设计的计算表格见表3，2种方法计算结果根据取用水户实际情况选定。表3用水定额法计算建议用水计划下达量此方法要求用水定额标准完善且需及时更新，这是由于一方面随着社会的进步，人民生活水平不断提高，用水定额标准不断调整；另一方面，用水涉及到方方面面，新的用水方式不断涌现，因此该方法适用于生产和用水工艺合理、产品品种稳定、计量完善、具有相应用水定额标准的行业。当取用水户用水水平较低，超出定额标准时，可利用定额限制取用水量，倒逼企业改造工艺，实现节水的目的。2.3水平衡测试法水平衡测试法，即按最新的水平衡测试成果和近3年的平均生产能力，推算本项目年用水量。确定的水平衡测试法计算公式为：下一年度用水计划下达量=电厂满发时每小时用水量×近3年平均年利用小时数或下一年计划发电利用小时；或下一年度用水计划下达量=单位发电量用水量×近3年平均发电量或下一年计划产量。针对不同规模机组，分别计算并相加。计算表格见表4、5。表4水平衡测试发电利用小时数计算建议用水计划下达量表5水平衡测试单位平均发电用水量计算用水计划下达量此方法适用于定期开展水平衡测试并有相关数据的取用水户，根据DL/T606.5—2009《火力发电厂能量平衡导则第5部分：水平衡试验》，水平衡测试必须在机组的常规运行工况下进行，且机组的发电负荷应占全厂总装机容量的80%以上，最好为满发工况。未按期完成水平衡测试工作，或水平衡测试条件不满足相关要求的取用水户，均不适用于此方法。3“前三年平均效率值法”火电行业既是高耗水行业，也是高能源供给行业，对生活、工农业生产有非常重要的作用。大部分火力发电用户企业建立较早，用水工艺有待改进，具有较大的节水空间，同时火力发电取用水户用水过程梳理和用水统计工作相对成熟，用水对象相对单一，用水数据来源准确，便于数据分析。在分析、归纳、总结已采用或提出的用水计划核定下达方法基础上，结合火力发电行业用水特点，研究提出火力发电行业用水计划核定下达的“前三年平均效率值法”。“前三年平均效率值法”，即与实际用水效率和生产规模等因素相关的延伸预测法，是以过去“3年”的数据平均值作为下一年预测值的一种方法，具体数学计算模型为：(1)式中V——年度计划用水量，万m3；Q——下一年计划产量或前3年平均发电量，MW·h；Vui——单位发电量用水量，m3/(MW·h)；Vui1、Vui2、Vui3——大前年、前年、去年的单位发电用水量。经分析研究，该方法具有较好的普适性，既适用于单一规模及混合规模机组，也适用于产品缺乏定额标准、或具有多种产品但未分开统计水量的取用水户，对用水水平条件没有明确限制。当取用水户年度用水或产量差异较大时可采用此方法，适用范围较广，有利于促进取用水户提高用水水平，减少单位产品用水量。同时该方法的计算成果更符合实际用水情况，避免出现实际用水量和核定下达水量差距较大的情况，且更符合当前“节水优先”的相关要求。但当取用水户用水水平较低，单位产品用水量超出定额标准时，不适用于此方法。另外，鉴于数据获取的难易程度，以及数据年份过长时，会涉及到取用水户工艺改造，用水效率及用水水平变化较大的实际情况，综合考虑认为数据计算系列不宜过长，故计算方法研究主要以前3年相关数据为主，具体计算年份可以取用水户实际情况加以调整。4案例分析4.1案例基本情况选取火力发电行业的1个取用水户作为案例分析对象。大唐贵州发耳发电有限公司(以下简称贵州发耳电厂)位于贵州省六盘水市水城县，成立于2005年8月24日，是国家实施“西电东送”战略重要的后续电源，为亚临界燃煤机组，总装机容量4×600MW，属于典型坑口电厂。项目设计年利用小时数为6000h，设计年发电量为144亿kW·h。4.2案例实际取用水情况项目取水水源为北盘江大渡口河邓家寨段，取水地点为贵州省六盘水市水城县发耳布依族苗族彝族乡邓家寨河段，取水方式为提水(发耳电厂泵站)。项目年最大取水许可量为3154万m3，取水用途为发电取水，水源类型为地表水，机组冷却形式为循环冷却，取水许可有效期为2013年1月1日至2022年12月31日。贵州发耳电厂发证以来取用水情况见表6。从表6看出，电厂近几年计划下达量均等于申请用水量，年实际用水量未超计划和许可水量，用水量先减少后增加并趋于平稳，年发电量未超设计发电量；电厂用水水平变化处于稳定阶段，单位发电用水量基本不变，接近贵州省用水定额先进值。表6贵州发耳电厂2013—2020年取用水情况统计4.3案例适用方法及结论贵州发耳电厂2017—2019年逐月用水情况分析见表7，2017—2019年均出现月度实际用水量超计划量的情况，除2018年年实际用水量超计划下达量外，其余年份两者之间差异不大；电厂用水水平较稳定，逐月单位发电用水量均未超定额标准，且接近先进值标准。电厂近3年装机年利用小时数分别为4085.15、4774.81、4728.01h。该电厂2019年9月进行了水平衡测试，测试结果为每小时实际取水量为2538.0m3/h，全厂实际平均单位发电量用水量为1.98m3/(MW·h)。本次采用实际用水量平均值法、用水定额法、水平衡测试法和“前三年平均效率值法”的计算结果对比见表8。表8贵州发耳电厂建议用水计划下达量不同方法计算成果对比单位：万m3电厂为单一装机规模取用水户，从表7、8看出，近3年用水、产量变化不明显，用水水平稳定，因此前3年实际用水量算术平均值以及“前三年平均效率值法”计算的结果接近，实际用水量加权平均方法计算结果偏大；由于单位发电用水量小于定额标准较多，因此采用用水定额法计算结果偏大。由于水平衡试验期间，2台机组的发电总