项目案例简介
本项目主要围绕负荷需求将海水淡化项目所需电力负荷作为光伏发电项目的消纳目标，通过优化整合本地电源侧、电网侧、负荷侧资源多重要素，以安全、绿色、高效为目标，创新电力生产和消费模式，为构建源网荷高度融合的新一代电力系统探索新发展路径。
案例专题：2023综合能源服务暨数智化转型创新优秀项目案例汇编
选送单位：国能河北沧东发电有限责任公司
项目案例背景
绿色低碳经济发展得到了国内和国际的普遍共识，随着绿色经济理念的不断深化和发展，因地制宜地发 展新能源成为重中之重。发展海水淡化利用是增加水资源供给、优化供水结构的重要手段，对我国沿海地区、离岸海岛缓解水资源制约、保障经济社会可持续发展具有重要意义。然而近年来，在风电、光伏发电快速发 展的同时，出现了较严重的弃风、弃光现象，贯彻新思路、新理念促进新能源产业发展迫在眉睫。
目前，沧州渤海新区用水供给源主要有大浪淀水库、杨埕水库以及海水淡化。大浪淀水库和杨埕水库水源均来自跨流域调引的黄河水。由于黄河水源“限量供给、以供定需”的原则，淡水已经成为制约新区发展的瓶颈，选择海水淡化解决淡水资源短缺问题已经成为渤海新区发展的必然选择。
火力发电厂以朗肯循环为基础，能量形式的转化包括化学能到热能，热能到机械能，以及最终机械能到电能，这个过程中也存在大量的能量损失。“电、水、热”联产模式既减少了发电厂的冷源损失，提高了全厂的能源利用率，又可提供质量可靠的淡水，被滨海电厂广泛应用。
应用情况及可推广前景简述
国能河北沧东发电有限责任公司（以下简称沧东公司）四台机组装机容量2520MW，其开创“电、水、热”联产模式，建有2×10000 t/d、1×12500 t/d、1×25000t/d四台低温多效海水淡化装置。装置使用4台机组的二、四段抽汽做为动力及加热蒸汽汽源，出水含盐量≤5mg/L。“电、水、热”联产模式既减少了发电厂的冷源损失，提高了全厂的能源利用率，又可提供质量可靠的淡水，供自用及商用，沧东公司因此每年可以增加500h的发电量，平均发电负荷率可增加8%—10%，机组运行效率得到了有效提升，发电标煤耗降低1.8—2.4gce/kWh，全面提高了电厂运行的经济性。
另外，沧东公司主导了“绿电制绿水”综合利用示范项目，该项目建设有额定容量57.6MW（直流侧安装60MWp）光伏电站及5万吨/天反渗透法海水淡化工程。光伏电站和反渗透海水淡化项目均不涉及征地， 57.6MW光伏项目与5万吨海水淡化项目同期建设，同期投产，年发电量约7747.48万度，优先供给反渗透海水淡化装置用电，剩余电量送入公用电网，极大程度缓解了沧州电网用电压力，实现了“绿电制绿水” 的新能源理念。
同时，5万吨/天反渗透法海水淡化装置与四台5.75万吨/日热法海水淡化装置通过“光伏+火电”动力电昼夜互补模式，全面实现了多能耦合，有效缓解了制约当地经济发展的水资源短缺的困局。
内涵和主要做法
沧东公司四台机组装机容量2520MW，其开创“电、水、热”联产模式，建有2×10000 t/d、1×12500 t/d、1×25000t/d四台热法低温多效海水淡化装置。装置使用4台机组的二、四段抽汽做为动力及加热蒸汽汽源，出水含盐量≤5mg/L。“电、水、热”联产模式既减少了发电厂的冷源损失，提高了全厂的能源利用率，又可提供质量可靠的淡水供电厂自用及商用。
基于渤海新区水市场以工业用水为主，目标市场范围为工业集中的渤海新区港城区和临港经济技术开发区，该公司继而主导了“绿电制绿水”综合利用示范项目，新建反渗透法海水淡化工程利用新能源的电能供应，向渤海新区及沧州地区提供海水淡化水。本项目建设额定容量57.6MW（直流侧安装60MWp）光伏电站及5 万吨/天反渗透法海水淡化工程。
同时，5万吨/天反渗透法海水淡化装置与四台5.75万吨/日热法海水淡化装置通过“光伏+火电”动力电昼夜互补模式，全面实现了多能耦合，有效缓解了制约当地经济发展的水资源短缺的困局。
1、热法低温多效蒸馏海水淡化装置工艺流程简介
低温多效蒸馏海水淡化技术是指盐水最高温度一般不超过70℃的淡化技术，是20世纪80年代成熟的高效淡化技术。低温多效蒸馏工艺原理如下：将一系列的喷淋降膜蒸发器串联布置。加热蒸汽被引入第一效，其冷凝热使几乎等量的海水蒸发，通过多次蒸发和冷凝，后面的蒸发温度均低于前面一效，从而得到多倍于蒸汽量的蒸馏水，最后一效的蒸汽在海水冷凝器中冷凝。第一效冷凝水返回锅炉，而其他效及海水冷凝器的冷凝液收集后作为产品水。
蒸发器管内流通蒸汽，管外喷淋海水，管束外形成降膜蒸发，部分水分蒸发为二次蒸汽。海水蒸发产生的蒸汽进入到下一效的换热管内成为下一效蒸发汽源。效蒸发器加热蒸汽在管内凝结放热后进入淡水汇管， 经过1效和2效蒸发器之间的蒸汽室，因减压部分淡水闪蒸为蒸汽，与1效蒸发器产生的二次蒸汽汇集成为2效蒸发器的加热蒸汽，淡水流程依此类推，直至与最后一效蒸发器的加热蒸汽凝结水汇集后，最终产品水在最后一效用淡水泵收集起来，产品水是平均盐含量小于5mg/L的纯水。
2、热法低温多效蒸馏海水淡化装置抽汽量问题
沧东公司海水淡化装置加热热源为蒸汽，由该公司四台机组汽轮机中压缸末级抽汽提供，四台汽轮发电机组额定工况下具备600t/h（ 2×250t/h+2× 50t/h=600t/h）抽汽能力，最大工况下具备1000t/h（2× 400t/h+2×100t/h=1000t/h）抽汽能力，可供海水淡化设备制淡水用汽，该抽汽蒸汽温度为320℃，压力为0.55MPa，焓值为3103.73kJ/kg，温度和压力远高于海水淡化装置所设计加热蒸汽的温度和压力，需与海水淡化装置末效蒸发器的低温低压抽汽经TVC装置混合并减温减压，达到合适的温度和压力后做为海水淡化装置的加热蒸汽进入第一效蒸发器，第一效蒸发器设计加热蒸汽的温度为65.4℃，压力为25kPa，焓值为1219.47kJ/kg。
计算第一效加热蒸汽量：S=D/GOR，其中D—淡水产量，t/h；GOR—造水比。四台海水淡化装置设计平均造水比为10.12，计算加热蒸汽量为：
S=57500/24/10.12=236.74t/h
根据能量守恒定律，汽轮机抽汽损失率取5%，计算4台海水淡化装置所需抽汽量为：
236.74×1219.47/（1-5%）/3103.73=97.91t/h；
4台总制水量57500t/d低温多效海水淡化装置全年消耗汽轮机抽汽量计算为 ：
97.91 ×8594=841454.38t/a。
同时第一效蒸汽（加热蒸汽）的冷凝水全部回收，返回锅炉系统，冷凝水压力为0.05MPa，温度为40℃，焓值为167.58kJ/kg，冷凝水回收量计算为：236.74×8594=2034543.56t。
3、热法海水淡化成本计算问题
沧东公司4台海水淡化装置输入能源消耗折合标准煤年用量为91553.78吨，其中电力消耗折合标准煤2443.76吨；蒸汽消耗折合标准煤89110.02吨。同时本项目海水淡化装置加热蒸汽冷凝水全部回收，返回电厂锅炉系统，对于本项目而言属于输出能源，回收冷凝水折合标准煤11596.90吨，因此，本项目综合能源消耗折合标准煤为79956.88吨。
沧东公司4台海水淡化装置日产淡水5.75万t，年产淡水2058.5万t，年综合能源消耗量为79956.88tce， 计算单位制水综合能耗为：79956.88×1000/20585000=3.88kgce/t。
由于热法低温多效蒸馏海水淡化项目的实施，沧东公司每年可以增加500h的发电量，电厂的日平均发电负荷率可增加8%—10%，使机组运行效率得到了有效提高，发电标煤耗可降低1.8—2.4gce/kWh，全面提高了电厂运行的经济性。
4、“绿电制绿水”项目征地问题
反渗透法海水淡化工程的建设场地位于沧东电厂现有海水淡化制水站预留的“三角地”，无需新征土地。57.6MW（直流侧安装60MWp）光伏电站项目利用沧东电厂现有灰场建设，占地面积约1005亩，站址位于沧东电厂扩建端西侧，本项目光伏电站和海水淡化项目均不涉及征地。
5、“绿电制绿水”光伏发电系统发电量消纳问题
负荷特性及消纳分析
海水淡化项目高压负荷采用6kV电压等级，低压负荷采用380/220V电压等级。光伏电站提供1路35kV电源，备用电源由沧东电厂现有35kV变电站35kV进线T接引来，降压后供给海水淡化项目负荷使用。海水淡化项目总负荷容量11466.5kW，其中6kV负荷8491.5kW，低压负荷35362975kW。负荷等级主要为二级负荷，制水设备 等均采用双电源供电方案。海水淡化项目负荷稳定，年运行小时7500h以上，年耗电量约为5939.4万kWh。光 伏发电项目年发电量约7747.48万kWh，采用光伏发电与海水淡化项目打捆方式，自发自用余电上网。
通过当地光照时长分析，光伏出力在8:00～15:00时段能够实时满足海水淡化项目全部用电需求；另外，由于光伏装机远大于海水淡化用电需求，在9:00～14:00海水淡化项目无法消纳全部光伏发电量，剩余部分需送入公用电网消纳。据测算，海淡项目每年消纳光伏电量约2345万kWh。
新能源汇集和接入方案
本项目拟利用光伏电力制水，预期海水淡化项目建设规模为5万吨/天，用电负荷总容量约为11.5MW，按年运行7500h估算，年用电量约为5939.4万千瓦时，对应配置新能源容量为57.6MW。光伏发电项目自建220kV 升压站，场内光伏发电单元经35kV线路汇集至220千伏升压站，升压后接入沧东电厂220kV母线。光伏220kV 升压站同时为海水淡化项目提供35kV电源，在海水淡化厂区降压后供给用电负荷使用。海水淡化项目以57.6MW光伏电站作为主要电源，先行利用新能源电力满足用能需求，夜间用电需求由系统满足。
6、“绿电制绿水”淡化水市场需求问题
沧州市渤海新区工业项目聚焦，工业用水需求比例较大，约占总需求量的70%，其中，渤海新区港城区及临港经济技术开发区因为没有农业，工业用水需求占比95%以上。沧东公司海水淡化现状设计产能为5.75 万吨/天，目前签约企业用户48家、意向用户4家，合同用水量9.28万吨/天，由于易高生物、利和知信等用户暂未投产，现状需求量为3.36万吨/天，加上自身生产生活用水，制水量4.4万吨/天，制水量达到设计产能的77%以上。
根据市场调研，渤海新区港城区及港经济技术开发区淡化水需求量2022年为8.98万吨/天、2023年为13.38万吨/天、2026年达到22.32万吨/天。目前存在较大的时长缺口，淡化水时长广阔。
7、“绿电制绿水”热法与反渗透海水淡化工艺选择问题
反渗透、低温多效蒸馏技术是国际上已商业化应用的主流海水淡化技术。我国已掌握反渗透和低温多效蒸馏海水淡化技术，相关技术达到或接近国际先进水平，如研制成功了大型MED海水淡化装置，反渗透海水淡化装置也实现了大型化，关键产品反渗透膜壳已远销海外。目前，沧东公司已建的4台海水淡化装置均为热法低温多效蒸馏海水淡化技术。
蒸馏法工艺在装置规模、预处理系统的要求低、出水水质较好、运行可靠性以及电耗方面具有明显优势，但蒸馏法的总能耗较反渗透法高；在变工况能力上，反渗透法则没有限制，可灵活运行。产品水质方面，反渗透法工艺的产水可直接作为常规工业用水；对于用水品质较高的场景，反渗透法通过设置两级膜工艺（SWRO+BWRO）提高产品水质，获得与蒸馏法水质相当的产品水。
标煤价格按照701.33元/吨（取近三年标煤价格平均值），热法海水淡化造水比按照15测算，吨水成本价格为5.594元/吨；反渗透法工艺在包含海水预处理系统（气浮、过滤）、海水反渗透系统测算，吨水成本价格为4.6元/吨。反渗透法海水淡化制水成本上较热法工艺优势明显，因此综合考虑该项目海水淡化工艺选择反渗透法，即海水反渗透（SWRO）+淡水反渗透（BWRO）方案，反渗透安装容量采用4套1.47万吨/日SWRO 和4套1.25万吨/日BWRO。
8、多能耦合利用问题
基于“火力发电厂+海水淡化”一体化运营的成熟经验，在此基础上通过“光伏+火电”动力电昼夜互补模式，全面实现了5万吨/天反渗透法海水淡化装置与四台5.75万吨/日热法海水淡化装置多能耦合，有效缓解了制约当地经济发展的水资源短缺的困局，同时为滨海电厂能量梯级利用与新能源耦合提供了一种有效的解决方案。
效益及效果
1、社会效益
（1）5万吨/天反渗透法海水淡化装置与四台5.75万吨/日热法海水淡化装置通过“光伏+火电”动力电昼夜互补模式，全面实现了多能耦合，有效缓解了制约当地经济发展的水资源短缺的困局。
（2）光伏电站的建设替代燃煤电厂的建设，可达到充分利用可再生能源、节约不再生化石资源的目的，将大大减少对环境的污染，同时还可节约大量淡水资源，对改善大气环境有积极的作用。光伏电站建设对于当地的环境保护、减少大气污染具有积极的作用，同时该项目零征地，具有明显的节能、环境和社会效益。
2、生态效益
“绿电制绿水”项目安装光伏容量60MWp，建成后预计每年可为当地电网提供电量7747.48万kWh，与相同发电量的火电相比，相当于每年可节约标煤约2.36万吨（以平均标准煤煤耗为305g/kWh计），预计二氧化碳减排量为6.58万吨/年，减少烟尘排放量约2.63吨/年，二氧化硫约12.73吨/年，氮氧化物减排量为11.88 吨/年，减轻环境污染的同时节能减排效益明显。
3、经济效益
沧东公司“火力发电厂+海水淡化”一体化运营模式中热法海水淡化装置的应用，每年增加500h的发电量，日平均发电负荷率增加8%—10%，机组运行效率有效提高，发电标煤耗降低1.8—2.4gce/kWh，全面提高了电厂运行的经济性。
有效弥补了渤海新区港城区及临港经济技术开发区淡化水市场缺口，为当地提供了10万吨/日的稳定海水淡化水源，提升了电力发展的质量与综合效益
选送单位简介
国能河北沧东发电有限责任公司位于河北省沧州市以东约100km的渤海新区港口码头南侧，北距天津市120km，西距黄骅市约55km。电厂装机容量2520MW，其中一期工程2×600MW亚临界燃煤发电机组，二期工程2×660MW超临界燃煤发电机组。一期工程1号机组、2号机组分别于2006年6月、12月投入商业运行，二期工程3号机组、4号机组分别于2009年3月、11月投入商业运行。
目前该公司已分三期建成共计4套海水淡化装置，海水淡化一期01、02海水淡化装置引进法国2×1万吨/ 日低温多效技术和装置，首台设备于2006年3月投入运行；二期海水淡化装置采用独立自主开发的1.25万吨/ 日低温多效海水淡化装置，于2008年底投入运行。三期海水淡化工程，采用自主开发的国产化2.5万吨/日低温多效海水淡化设备，于2013年底投入商业化运营。该公司开创“电、水、热”联产模式，制水能力5.75万吨/日，对外供水3万吨/日，有效缓解了制约当地经济发展的水资源短缺的困局。该公司积极倡导海水淡化“技术产业化”和“运营市场化”，在推动产业技术升级的同时不断扩大向渤海新区供应清洁、安全、稳定的淡水资源，为解决沿海地区水资源困境做出更大贡献。
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