王剛

（江蘇省宏觀經(jīng)濟(jì)研究院，南京210013）

新能源苦咸水淡化研究
——以甘肅省為例

王剛

（江蘇省宏觀經(jīng)濟(jì)研究院，南京210013）

基于“973”非并網(wǎng)風(fēng)電的研究成果，提出將該技術(shù)應(yīng)用于淡水資源短缺、但苦咸水豐富地區(qū)（甘肅?。┑慕ㄗh。繼而，從能耗和節(jié)能減排的角度，分析了該系統(tǒng)大規(guī)模成功應(yīng)用后的效益優(yōu)勢，并提出推廣這種技術(shù)的對(duì)策建議。

非并網(wǎng)；新能源；苦咸水；淡化

1 甘肅省淡水資源嚴(yán)重短缺

甘肅是我國水資源嚴(yán)重短缺省份之一，全省80%以上地區(qū)屬干旱、半干旱區(qū)，降水稀少，降水多集中在7—9月，且多為暴雨洪水，絕大部分難以利用。甘肅人均自產(chǎn)水資源量1 150 m3，不到全國平均水平的一半，平均每畝土地水資源量378 m3，約為全國平均水平的1/4。水資源在地域分布也極不平衡，省內(nèi)黃河流域人口和國民經(jīng)濟(jì)收入均占全省的70%，但自產(chǎn)水資源不到全省的一半，人均水資源不到全省的一半，畝均只有244 m3。2010年，全省需水量達(dá)到了1.560 3×1010m3，而缺水量達(dá)34.5%。農(nóng)業(yè)用水、城市用水、人畜用水全面告急[1，2]。

甘肅省不僅資源型缺水，而且水質(zhì)型缺水也相當(dāng)嚴(yán)重，尤其是在水資源極其緊張的中東部干旱地區(qū)，存在大量的因天然礦化度極高而無法直接利用的苦咸水。如祖厲河、馬蓮河等河流，礦化度一般大于2 000 mg/L。水質(zhì)型缺水進(jìn)一步加劇了這些地區(qū)的缺水程度，導(dǎo)致相當(dāng)數(shù)量的人口飲水困難，對(duì)經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展造成不利影響[3]。

2 甘肅省苦咸水分布及淡化現(xiàn)狀

2.1 苦咸水分布

甘肅省苦咸水及高氟水的分布具有明顯的地帶性，與區(qū)域氣候、水文循環(huán)條件及水資源量具有密切關(guān)系，絕大部分分布于內(nèi)陸河流下游及黃河流域中東部黃土高原干旱、半干旱地區(qū)。

分布于內(nèi)陸河流的地區(qū)主要分布在流域下游的水鹽聚集區(qū)、尾閭湖，以淺層地下水為主；黃河流域主要分布在中東部干旱、半干旱黃土高原地區(qū)，范圍大致為：北部與騰格里沙漠邊緣及寧夏南部戈壁荒漠區(qū)接壤，南部以渭河及涇河干流為界，西至烏梢?guī)X，東達(dá)甘陜邊界，而且這一分布帶被從中楔入的六盤山局部濕潤區(qū)和另類地質(zhì)構(gòu)造帶阻斷，最終形成了在六盤山西部以祖厲河為中心，東部以馬蓮河為中心的東西兩個(gè)苦咸水區(qū)域。整個(gè)區(qū)域包括蘭州、定西、白銀、天水、平?jīng)?、慶陽等6個(gè)地市，區(qū)域總面積達(dá)4.53×104km2。主要苦咸水河流有：黃河干流區(qū)的祖厲河，渭河流域北岸支流秦祁河、大咸河、散渡河、葫蘆河，洮河流域的東峪溝以及涇河流域的馬蓮河等，年徑流在1×105m3以上的河流共有29條。高氟水的分布大致與苦咸水的分布區(qū)域一致[4，5]。

2.2 苦咸水淡化現(xiàn)狀

多年以來，甘肅省水利部門一直十分重視苦咸水淡化技術(shù)的應(yīng)用和推廣，解決了上百萬人吃水難的問題，有效地改善了人民生活和健康，促進(jìn)了經(jīng)濟(jì)發(fā)展。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)實(shí)力的增強(qiáng)，近年來，國家、甘肅省對(duì)苦咸水淡化工作的重視程度越來越高，苦咸水淡化工藝也不斷得到改進(jìn)。2006年甘肅省膜科學(xué)技術(shù)研究院利用新研制成功的反滲透淡化技術(shù)，在寧縣建成每天可淡化3 000 t苦咸水的淡化站，淡化站運(yùn)行后，脫鹽率為98.6%，徹底解決了寧縣縣城1.6萬人的生活和生產(chǎn)用水，成為當(dāng)時(shí)我國西部地區(qū)最大的苦咸水淡化站，同時(shí)也給西北缺水地區(qū)解決供水問題提供了成功范例。2010年12月甘肅省投資1.81億元，在環(huán)縣建設(shè)一個(gè)苦咸水淡化示范工程，新打機(jī)井93眼，新建凈化站93座，配套苦咸水淡化設(shè)備93套，工程的實(shí)施有效解決了環(huán)縣境內(nèi)11個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)、138個(gè)行政村、16.45萬人的飲水安全問題。目前，全省在建和立項(xiàng)的苦咸水淡化工程多達(dá)數(shù)十個(gè)，總投資規(guī)模超過20億元。

2.3 苦咸水淡化能耗分析

近年來，通過技術(shù)引進(jìn)和自主創(chuàng)新，我國海水淡化成本逐漸在降低，但目前海水淡化、苦咸水淡化綜合成本仍在4～5元/m3，每噸水的能源消耗在4 kW·h，占綜合成本的30%以上。我國是能源消耗大國，能源供給主要以化石能源為主，在調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)變經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式的大背景下，為了控制能耗需求的過快增長和減少溫室氣體排放，海水淡化和苦咸水淡化技術(shù)的應(yīng)用一直謹(jǐn)慎緩慢推廣。但在淡水供需矛盾越來越突出的今天，特別是如甘肅省這類嚴(yán)重缺水的地區(qū)，不得不規(guī)劃建設(shè)大規(guī)模苦咸水淡化工程，以緩解淡水資源的不足。據(jù)專家估計(jì)，到2020年甘肅省苦咸水淡化處理能力將提升到每天5×104～1×105m3，每年有3×107m3的淡水是由苦咸水轉(zhuǎn)化而來，如此大的苦咸水淡化處理容量將產(chǎn)生巨大的能源需求，對(duì)能源供給是一大挑戰(zhàn)。

3（風(fēng)、光、網(wǎng)）多能源協(xié)同供電系統(tǒng)理論

國家“973”基礎(chǔ)研究項(xiàng)目“973非并網(wǎng)風(fēng)電大規(guī)模應(yīng)用”突破傳統(tǒng)思維定式，在非并網(wǎng)風(fēng)電多能源協(xié)同供電應(yīng)用于海水淡化方面進(jìn)行了積極探索，取得了一系列科研成果。該系統(tǒng)基本原理是風(fēng)電不接入電網(wǎng)、直接用于海水淡化等高載能負(fù)載。這種可再生能源應(yīng)用模式，有效解決了風(fēng)電上網(wǎng)的難題，對(duì)電網(wǎng)不造成任何影響，且可獨(dú)立運(yùn)行控制，實(shí)現(xiàn)可再生能源100%利用。如果把這種新技術(shù)大規(guī)模成功應(yīng)用于苦咸水淡化，將會(huì)帶來較高的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益（見圖1）[6，7]。

圖1 非并網(wǎng)風(fēng)海水淡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 The system tree of desalination based on non-grid-connected wind power

3.1 系統(tǒng)概況

2007年3月，“大規(guī)模非并網(wǎng)風(fēng)電系統(tǒng)的基礎(chǔ)研究”申報(bào)國家“973”計(jì)劃并獲得立項(xiàng)，2007年開始進(jìn)行大規(guī)模非并網(wǎng)風(fēng)電海水淡化的方案設(shè)計(jì)，2008年進(jìn)行相關(guān)理論研究。2009年先后完成2效和3效低溫多效海水淡化試驗(yàn)平臺(tái)的試制，使用風(fēng)電作為海水淡化裝置唯一能源，并將封閉式循環(huán)熱于低溫蒸發(fā)和多級(jí)高效閃蒸相結(jié)合的海水淡化裝置。2009年開展非并網(wǎng)風(fēng)電應(yīng)用于膜法海水淡化系統(tǒng)研究，在完成工藝設(shè)計(jì)和理論計(jì)算的基礎(chǔ)上，于2010年2月成功設(shè)計(jì)和制造日產(chǎn)5 t的實(shí)驗(yàn)裝置。2010年4月與加拿大自然科學(xué)工程基金會(huì)風(fēng)能戰(zhàn)略研究團(tuán)隊(duì)和加拿大Wentor Technologies Inc.風(fēng)電企業(yè)進(jìn)行大規(guī)模非并網(wǎng)風(fēng)電水淡化國際合作研究，研發(fā)一種既可以獨(dú)立供電又可以風(fēng)網(wǎng)蓄協(xié)調(diào)，風(fēng)電100%全部應(yīng)用，淡化水產(chǎn)量大于100 t/d的工業(yè)性生產(chǎn)成套裝置。2010年10月完成組合式塔式結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，反滲透膜垂直排列，并成功研制日產(chǎn)淡水100 t風(fēng)電海水淡化成套設(shè)備，為改變海上風(fēng)電場輸電上岸為輸?shù)习?，解決大規(guī)模海水淡化點(diǎn)源污染問題奠定基礎(chǔ)。

3.2 示范工程

大豐示范項(xiàng)目系統(tǒng)設(shè)計(jì)為：1臺(tái)30 kW風(fēng)機(jī)及1臺(tái)10 kW風(fēng)機(jī)給一臺(tái)日產(chǎn)淡水100 t膜法海水淡化設(shè)備供電，設(shè)備額定功率為16 kW。在示范工程中，該系統(tǒng)的組成設(shè)備主要包括：非并網(wǎng)風(fēng)機(jī)、新型海水淡化設(shè)備、風(fēng)網(wǎng)蓄智能協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)、風(fēng)電緩存系統(tǒng)等。所有設(shè)備由國家“973”計(jì)劃風(fēng)電項(xiàng)目組和中加國際合作項(xiàng)目組設(shè)計(jì)。南京大學(xué)江蘇省非并網(wǎng)風(fēng)電與高載能工程實(shí)驗(yàn)室研發(fā)了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的非并網(wǎng)風(fēng)電海水淡化監(jiān)控系統(tǒng)，并參與了非并網(wǎng)風(fēng)電與高載能耦合系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)與開發(fā)，原理如圖2所示。

圖2 大規(guī)模風(fēng)電海水淡化系統(tǒng)控制原理圖Fig.2 The system control schematic diagram of the nongrid-connected diverse application of large-scale offshore wind power

3.3 系統(tǒng)運(yùn)行

系統(tǒng)安裝、調(diào)試后，整體運(yùn)行達(dá)到預(yù)期效果，在風(fēng)網(wǎng)智能協(xié)調(diào)供電模式取得成功后，本套系統(tǒng)又進(jìn)行了風(fēng)電獨(dú)立供電海水淡化試驗(yàn)。為此，針對(duì)反滲透（RO）膜對(duì)風(fēng)電這種波動(dòng)的電源高度敏感性，容易造成機(jī)械疲勞，縮短RO單元壽命，項(xiàng)目組創(chuàng)新研發(fā)、設(shè)計(jì)并安裝了智能耦合系統(tǒng)（具有自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)功能）和風(fēng)電緩存系統(tǒng)。通過配置不大于系統(tǒng)額定功率20%的風(fēng)電緩存系統(tǒng)，在風(fēng)電功率較小時(shí)，風(fēng)電與緩存系統(tǒng)協(xié)調(diào)供電，維持系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，既減小了風(fēng)電波動(dòng)對(duì)RO膜的影響，又避免了設(shè)備頻繁開停機(jī)對(duì)設(shè)備的損害，同時(shí)風(fēng)電利用效率在原有基礎(chǔ)上提高30%以上。監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)測量數(shù)據(jù)表明，風(fēng)速在9 m/s時(shí)，僅30 kW風(fēng)機(jī)運(yùn)行，智能耦合系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了風(fēng)電功率、蓄電功率和負(fù)載功率的動(dòng)態(tài)平衡，風(fēng)電獨(dú)立系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，產(chǎn)水量為2.8 t/h，負(fù)載功率為10 kW，單位噸水能耗為3.6 kW·h，基本維持不變。所生產(chǎn)的淡化水清澈透明，電導(dǎo)率為16μS/cm2，經(jīng)大豐市疾控中心檢測和自來水公司檢驗(yàn)，各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到國家飲用水標(biāo)準(zhǔn)。此外，系統(tǒng)還測試了兩臺(tái)風(fēng)機(jī)協(xié)調(diào)控制，為下一步大規(guī)模多風(fēng)機(jī)協(xié)調(diào)應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

4 多能源系統(tǒng)應(yīng)用于苦咸水淡化

4.1 可行性分性

甘肅省內(nèi)可再生能源豐富，風(fēng)能資源儲(chǔ)量為3.395×107kW，技術(shù)可開發(fā)量為2.667×107kW，太陽能總輻射值約為4 700～6 350 MJ/m2。這些寶貴的自然資源是甘肅大力發(fā)展可再生能源電力的前提和基礎(chǔ)。自2003年以來，甘肅省的風(fēng)電裝容量平均保持50%以上的年增長率，2011年風(fēng)機(jī)裝機(jī)總?cè)萘窟_(dá)5 409 MW。面對(duì)電力消耗節(jié)節(jié)攀升，電荒、油荒一次又一次襲來，節(jié)能減排主要寄希望于風(fēng)電產(chǎn)業(yè)，但現(xiàn)實(shí)情況卻遠(yuǎn)非人們預(yù)測的那么樂觀。近年來，不僅在甘肅，在全國范圍內(nèi)風(fēng)機(jī)利用率不高、風(fēng)電不能上網(wǎng)、棄風(fēng)空轉(zhuǎn)等現(xiàn)象普遍存在，一直影響風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展，投入與利潤不匹配也嚴(yán)重挫傷了風(fēng)電開發(fā)商的投資積極性。在我國，一方面是不得不靠煤電來滿足大部分電能需求，另一方面是風(fēng)能資源白白浪費(fèi)，無論是從經(jīng)濟(jì)效益，還是環(huán)境效益來考慮都令人感到嘆息。

為了破解以上難題，可以考慮在甘肅省境內(nèi)開展可再生能源多元化應(yīng)用，即非并網(wǎng)風(fēng)（光）電多能源系統(tǒng)應(yīng)用于苦咸水淡化等高耗能負(fù)載。前期“973”非并網(wǎng)風(fēng)電的研究，對(duì)風(fēng)能多元化利用進(jìn)行了積極的探索，取得了很多有價(jià)值的研究成果，其先期示范工程安全、可靠，經(jīng)濟(jì)效益明顯。甘肅省內(nèi)許多缺水地區(qū)，苦咸水量大且風(fēng)能資源、太陽能資源豐富，再加上風(fēng)能和太陽能具有天然的互補(bǔ)性，如果能夠成功將風(fēng)電、太陽能協(xié)同直接向苦咸水淡化工程供電，不會(huì)對(duì)電網(wǎng)造成沖擊，不但可以破解風(fēng)電上網(wǎng)的難題，而且可能解決風(fēng)電外送的問題。

4.2 優(yōu)勢分析

新型多能源非并網(wǎng)風(fēng)（光）電苦咸水淡化系統(tǒng)將提供一種適應(yīng)風(fēng)、太陽能發(fā)電特性，風(fēng)電、太陽能發(fā)電100%被利用的苦咸水淡化工業(yè)化生產(chǎn)系統(tǒng)，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益，主要包括以下幾個(gè)方面：一是苦咸水淡化能耗低且以風(fēng)電、太陽能為主。非并網(wǎng)風(fēng)（光）電苦咸水淡化系統(tǒng)能源供給主要以風(fēng)電、太陽能為主，先進(jìn)的智能耦合供電控制系統(tǒng)和低溫多級(jí)高效風(fēng)電苦咸水淡化新工藝，能夠確保風(fēng)電、太陽能100%得到利用，使苦咸水淡化噸水能耗不受風(fēng)電波動(dòng)影響，基本保持不變。先期海水淡化示范工程運(yùn)行表明，噸水能耗僅需要3.6 kW·h，其中90%以上為風(fēng)電，這與傳統(tǒng)能源供給以網(wǎng)電為主的海水淡化工程相比，能耗成本要低得多，有效降低海水淡化成本；二是解決了風(fēng)電、太陽能發(fā)電上網(wǎng)難的問題。甘肅省風(fēng)能資源、太陽能資源豐富，近年來風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛，但由于風(fēng)能資源分布與負(fù)荷中心不匹配、電網(wǎng)建設(shè)滯后、以及調(diào)節(jié)容量不足等不利因素，上網(wǎng)難制約了風(fēng)電、太陽能發(fā)電的發(fā)展。即使電網(wǎng)建設(shè)能夠滿足風(fēng)電、太陽能發(fā)電上網(wǎng)的要求，復(fù)雜的輸變電系統(tǒng)和接入電網(wǎng)等配套工程需要大量的資金（約占整個(gè)電場建設(shè)費(fèi)用的30%）。而非并網(wǎng)風(fēng)（光）電多能源苦咸水淡化系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了風(fēng)電、太陽能發(fā)電不上網(wǎng)，突破風(fēng)電在電網(wǎng)中的比例不超過10%的局限，也不會(huì)給電網(wǎng)帶來沖擊。三是雙重優(yōu)惠政策會(huì)進(jìn)一步降低苦咸水淡化成本。非并網(wǎng)風(fēng)（光）電苦咸水淡化包括可再生能源發(fā)電和苦咸水淡化兩個(gè)戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)，這兩個(gè)產(chǎn)業(yè)都是未來我國經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的重要戰(zhàn)略支撐，國家會(huì)從稅收、信貸等多方面，將給予苦咸水淡化產(chǎn)業(yè)類似于支持風(fēng)電、太陽能發(fā)電產(chǎn)業(yè)的優(yōu)惠政策。因此，發(fā)展非并網(wǎng)風(fēng)（光）電苦咸水淡化能夠享受國家給予的雙重優(yōu)惠政策，這會(huì)進(jìn)一步刺激投資人的熱情和降低苦咸水淡化成本。

5 對(duì)策與建議

我國海水、苦咸水淡化利用雖然發(fā)展迅速，但與世界先進(jìn)的海水、苦咸水淡化利用的國家和地區(qū)相比還有一定的差距。目前，非并網(wǎng)風(fēng)（光）電多能源苦咸水淡化技術(shù)，在國際、國內(nèi)都屬首創(chuàng)，在行業(yè)內(nèi)認(rèn)同度比較低，發(fā)展比較緩慢，需要各方的大力支持。一是積極爭取國家補(bǔ)助、地方配套資金對(duì)非并網(wǎng)多能源苦咸水淡化示范工程給予支持，通過多種融資渠道，爭取盡快在甘肅玉門、酒泉地區(qū)風(fēng)能、太陽能豐富且苦咸水豐富的缺水地區(qū)建立日產(chǎn)萬噸以上的示范工程，引導(dǎo)非并網(wǎng)多能源苦咸水淡化的健康發(fā)展；二是由于當(dāng)前苦咸水淡化成本還較高，多數(shù)企業(yè)和居民還不愿主動(dòng)選用淡化水，因此必須在管理體制和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)上加快出臺(tái)政策，讓苦咸水淡化水進(jìn)入市政管網(wǎng)，鼓勵(lì)用戶使用淡化水；三是爭取國家的專項(xiàng)科研基金，對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)一步優(yōu)化和改進(jìn)給予支持；四是加大宣傳力度，擴(kuò)大社會(huì)對(duì)非并網(wǎng)多能源海水、苦咸水淡化技術(shù)的認(rèn)知程度。

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Researchonbrackishwater desalination by new energy—Take Gansu Province for example

Wang Gang
（Jiangsu Academy of Macroeconomic Research，Nanjing 210013，China）

The paper proposes to apply one new technology base on the research results of“973”project of non-grid-connected wind power to gain freshwater in some areas（such as Gansu Province）which is shortage of freshwater resources，but rich in Brackish water.Then，efficiency advantages of the new technology are analyzed from the perspective of energy consumption and energy conservation.Some suggestions about this application of large-scale technology were put forward.

non-grid-connected；new energy；brackish water；desalination

TK89

A

1009-1742（2015）03-0045-05

2014-12-10

國家科技支撐計(jì)劃“兆瓦級(jí)非并網(wǎng)風(fēng)電海水淡化系統(tǒng)研發(fā)及先導(dǎo)性示范”（2013BAB08B04）

王 剛，1979年出生，男，重慶云陽縣人，助理研究員，主要研究方向?yàn)樾履茉炊嘣谩a(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)；E-mail：wg@zjzw.net