工业企业动态水平衡智能测算方法研究

摘要：基于水平衡基本原理，采用先进的信息处理与网络通信、计算机应用与大数据处理等技术，结合企业水循环系统实际现状，文章提出了一种涵盖企业、各用水系统与各用水单元的动态水平衡计算与漏损快速诊断预警方法，并据此设计构建了一套智能管理系统；系统可实现企业水平衡的动态、实时测算及历史水平衡回顾计算，达到对企业供用水的全面监控，在此基础上，实现全厂水系统故障的及时诊断与故障位置的快速定位。以阳城火电厂为例，详细阐述了系统的实现步骤与方法。

关键词：动态水平衡；智能测算；漏损诊断；火电厂

1概述

工业企业是我国的用水大户，其用水总量的大小及用水效率的高低，直接影响到我国节水型社会的全面建设[1]。近些年，国家提出了“节水优先、空间均衡、系统治理、两手发力”治水思路，其中“节水优先”是根本方针，是当前治水的关键环节，从观念、意识、措施等各方面都要把节水放在优先位置[2-4]。节水型社会是水资源集约高效利用、经济社会快速发展、人与自然和谐相处的社会[5]，我们要充分认识节水的重要性，始终坚持并严格落实节水优先方针，像抓节能减排一样抓好节水工作[6]。虽然经过十余年的节水型社会建设，工业节水取得了一定的成绩，工业用水效率得到了显著提高，但距离国外发达国家的先进用水水平还有一定的差距[7，8]。除了目前部分工业企业用水工艺相对落后外，未实现企业内部用水全面监测计量与精细化管理也是一大原因。因此，优化企业水系统网络，搞清楚水在企业里运行的各个环节，尽量减少跑冒滴漏[9]，实现一水多用，重复利用，企业中实施水平衡测试与漏损诊断等都能够有效的节约用水量[10]。当前工业企业水资源管理的当务之急是最大程度地实现节水。近年来，随着我国工业化以及城镇化进程的加速，水体污染日益严重，我国的可用水资源也日渐短缺[11]。工业方面，我国火力发电量占总发电量的80%以上，火电用水量占工业用水量比重较大，约占1/6[12]，如今各种水资源问题已成为电力发展的核心制约因素之一[13]。随着废水排放标准的日益严格及各地不断提高的水资源费征收标准，火电厂深度节水及零排放成为国内外关注的热点[14]。提高电力行业尤其是火力发电厂的节水工作水平，对于全国实现水资源管理目标具有现实而重大的意义[13]。阳城火电厂由阳城国际发电有限责任公司（以下简称阳电一期）和大唐阳城发电有限责任公司（以下简称阳电二期）两个独立法人实体组成，位于山西省阳城县北留镇境内。阳城电厂现有总装机容量3300MW，日用水量约70000吨。一期机组循环水冷却采用逆流式自然通风冷却塔，1～4号机循环水排污水进入污水综合处理系统，处理后的水供化学制水。二期机组循环水采用间接空冷，辅机循环冷却水排水进入一期5号或者6号机循环水塔，5、6号循环水塔排污水进入厂内排水管网，直接外排。全厂未设置工业废水处理系统，产生的工业废水直接外排；生活污水处理系统处理后的水也直接进入排水管外排，造成严重的水资源浪费。此外，脱硫废水和生活污水的外排前并没有严格监测相关水质指标，这将产生重大的环保隐患。目前，全厂用水方式相对较为粗放，生活用水定额远远超过国家/地方相关定额标准；工业用水效率较国内其他先进电厂企业也有一定的差距。由于全厂二级、三级水表安装率相对较低，供水管网“跑冒滴漏”现象时有发生且无法快速定位排查；若发生泄漏、爆管、水锤等故障，将造成严重的水资源浪费，增加企业直接经济成本，降低企业效益。为了解决上述问题，阳城电厂在集团公司的指导下，在电厂领导的直接领导下，准备近期实施全厂废水“零排放”改造工程暨节水改造工程。工程遵循“雨污分离、清污分离，分类回收、分质回用”的原则，优化全厂水平衡系统，通过水的梯级使用，提高水的重复利用率。通过全厂废水综合治理，提高废水回收率，在确保设备安全运行的前提下，大部分废水实现回用，难以处理的高盐废水采用终端处理设备处理，最终基本实现全厂废水“零排放”。本文将在以往研究成果的基础上，提出一套实现企业水平衡自动智能测算与水管网漏损自动智能诊断的方法，相应构建一套智能管理系统，并以阳城火电厂为例，阐述系统实现步骤。

2阳城火电厂水系统概化

阳城火电厂分二期工程建设，一期6×350MW水冷机组循环水冷却采用逆流式自然通风冷却塔，1～4号机循环水排污水进入污水综合处理系统，处理后的水供化学制水。二期2×600MW空冷机组采用间接空冷，辅机循环冷却水排水进入一期5、6号机循环水塔。火电厂水系统分为生产用水和生活用水两部分，按照用水用途和工艺流程可将全厂水系统分为六大子系统，分别为生活用水系统、脱硫用水系统、一期循环水系统、化学除盐水系统、二期辅机循环系统和其他用水系统。火电厂自水源地取水后，经双管道输入平流池，经过滤、沉淀等处理后，成为工业水，供全厂使用，全厂各子系统之间供水、排水互相关联，最终所有废水用于厂区绿化或进行终端处理，实现废水“零排放”。图1为阳城火电厂水系统网络概化图，图中生活用水系统、脱硫用水系统、一期循环水系统、化学除盐水系统、二期辅机循环系统和其他用水系统分别为电厂用水子系统。图2为火电厂一期循环水系统网络概化图，如图所示，最外层虚框内的各个方框为本用水子系统的用水单元，而最外层虚框外的方框为其他用水子系统的用水单元。箭线表示供水或排水关系。图3为用水单元水平衡基本图示。图中，Vcy、V'cy为循环水量，Vf为新水量，Vs、V's为串联水量，Vt为用水量，Vco为耗水量，Vd为排水量，Vl为漏失水量；用水单元水平衡方程如下式所示：Vcy+Vf+Vs=V'cy+Vco+Vd+Vl+V's（1）

3动态水平衡智能测算与漏损诊断系统构建工业企业动态水平衡智能测算与漏损诊断系统构建

3.1系统构建的总体思路是：基于水平衡基本原理，采用先进的信息处理与网络通信、计算机应用与大数据处理等技术，结合企业水循环系统实际现状，提出一种涵盖企业、各用水系统与各用水单元的动态水平衡计算与漏损快速诊断预警方法，并据此设计开发一套智能管理系统；实现企业水平衡的动态、实时测算及历史水平衡回顾计算，达到对企业供用水的全面监控，在此基础上，实现全厂水系统故障的及时诊断与故障位置的快速定位。3.2系统实现方法。系统具体实施方法如下：（1）厘清企业水系统网络，绘制水系统概化图；在每个用水单元进出水端安装水量监测设备，实现实时在线监测。（2）实时采集企业水量流量监测数据，并基于海量实测数据，采用神经网络自适应智能算法和大数据智能挖掘技术，构建实时供水量与用水量、耗水量的相关关系模型，实现不同用水单元的耗水量实时模拟。（3）根据水平衡原理及计算方程，实现全厂不同用水单元、用水系统以及全厂的分、时、日、旬、月、季、年、多年自动水平衡模拟及成果查询、分析与展示。（4）根据实时水平衡结果，在线实时跟踪并优化全厂水资源调配，实现全厂各类供水、用水、耗水、排水全面规划、综合平衡，使水资源在电厂生产和生活中得到合理充分的利用，达到一水多用，阶梯使用，提高重复用水率，降低全厂用水和耗水指标，减少污水排放甚至达到零排放目的。（5）对全厂各用水单元、系统进行实时数据监测、分析、预测及诊断，提供漏损、爆管等异常情况实时报警、建议性操作及人工干预，对预警信息实现层层智能上报，紧急情况下，可实现越级上报。（6）基于超大数据智能搜索访问技术，快速实现历史时期不同层级不同时段的水平衡回顾性计算并直观展示。

4阳城电厂动态水平衡智能测算与漏损诊断系统实现

下面以阳城电厂为例，详细阐述动态水平衡智能测算与漏损诊断系统实现方法，具体步骤如下：（1）根据企业所有用水系统的实际用水及排水情况，将企业分为不同的用水子系统，绘制企业水系统网络概化图，如图1所示；并根据每个用水单元的实际用水情况，绘制每个用水子系统的网络概化图，如图2所示。（2）由图3和公式（1）可知，用水单元水平衡涉及的参数较多，很多参数很难直接测量，如Vco耗水量、Vl漏失水量等；因此，需要适当合并和简化，根据可监测参数之间的数据关系，推算其他参数。对于采用管道输水的用水单元，其蒸发水量可以忽略，若进入产品的水量较少，则耗水量可以忽略不计；对于管道密封性较好的用水单元，其漏失水量也可忽略不计；因此，该用水单元的水量平衡可近似为进入单元的水量等于输出单元的水量与排水量之和。对于具有较大蒸发损失的用水单元，其蒸发损耗不可忽略，故其水平衡应近似为进入单元的水量等于输出单元的水量与耗水量（主要为蒸发损失）、排水量之和。但由于蒸发损失很难监测计量，故只能近似计算。对于排水量，若用水单元排水量不大，或无排水，则排水量也可忽略不计；若用水单元排水量相对较大，但未安装监测设备，则通过进入与输出单元水量之差近似为排水量。因此，对于一个用水单元，若只有进入和输出用水单元的水量监测数据，则需要建立两者之间的相关关系，得到耗水量、排水量、漏失水量的综合值，进而进行水平衡计算。（3）在每个用水单元的进水端和出水端（包括排水端）安装水量在线监测采集传输设备，实现用水单元进水量和出水量的在线监测。（4）实时采集企业水量流量监测数据，并基于海量实测数据，采用神经网络自适应智能算法和大数据智能挖掘技术，构建实时供水量与用水量、耗水量的相关关系模型，实现不同用水单元的耗水量实时模拟计算。（5）根据水平衡原理及计算方程（公式（1）），进行用水单元实时水平衡计算，最终实现全厂不同用水单元、用水系统等不同层级的分、时、日、旬、月、季、年、多年等不同时段的自动水平衡计算及成果查询、分析与展示。（6）根据实时水平衡结果，在线实时跟踪并优化全厂水资源调配，实现全厂各类供水、用水、耗水、排水全面规划、综合平衡，使水资源在电厂生产和生活中得到合理充分的利用，达到一水多用，阶梯使用，提高重复用水率，降低全厂用水和耗水指标，减少污水排放甚至达到零排放目的。（7）对全厂各用水单元、系统进行实时数据监测、分析、预测及诊断，提供漏损、爆管等异常情况实时报警、建议性操作及人工干预，对预警信息实现层层智能上报，紧急情况下，可实现越级上报。（8）基于超大数据智能搜索访问技术，快速实现历史时期不同层级不同时段的水平衡回顾性计算并直观展示。5结束语本文以阳城火电厂为例，在以往研究成果的基础上，提出了一套实现企业水平衡自动智能测算与水管网漏损自动智能诊断的方法，相应构建一套智能管理系统，并详细阐述系统实现步骤。系统基于水平衡基本原理，采用先进的信息处理与网络通信、计算机应用与大数据处理等技术，结合企业水循环系统实际现状，涵盖企业、各用水系统与各用水单元的动态水平衡计算与漏损快速诊断预警，并实现智能管理；系统可实现对企业水平衡的动态、实时测算及历史水平衡回顾计算，达到对企业供用水的全面监控，在此基础上，实现全厂水系统故障的及时诊断与故障位置的快速定位。

参考文献：

[1]雷玉桃，黄丽萍.中国工业用水效率及其影响因素的区域差异研究———基于SFA的省际面板数据[J].中国软科学，2015（04）：155-164.

[2]颜学毛.全面实施水安全战略加快构建水利治理体系和治理能力现代化[N].人民长江报，2020-03-28（005）.

[3]李祎恒，邢鸿飞.以新思路治水促可持续发展[N].人民日报，2015-06-11.

[4]左其亭，刁艺璇.我国工业节水现状及补短板途径讨论[J].西北大学学报（自然科学版），2019，49（06）：848-854.

[5]张爱胜，李锋瑞，康玲芬.节水型社会：理论及其在西北地区的实践与对策[J].中国软科学，2005（10）：26-32.

[6]陈雷.新时期治水兴水的科学指南———深入学习贯彻关于治水的重要论述[J].中国水利，2014（15）：1-3.

[7]祁鲁梁，高红.浅谈发展工业节水技术提高用水效率[J].中国水利，2005（13）：125-127.

[8]李贵宝，罗林，杨延龙.我国工业用水节水标准现状及对策建议[J].水资源开发与管理，2017（02）：51-56.

[9]吴运敏，姜剑，张峻伟.钢铁企业全厂回用水“大循环”运行方式探讨[J].水利发展研究，2017，17（02）：64-66.

[10]胡凯浩.基于企业水平衡测试的工业节水探索[J].科学技术创新，2019（32）：168-169.

[11]徐胜朋，于洋，刘文钊，等.火电企业节水及废水减排的技术与经验———评《火电厂深度节水及废水零排放》[J].灌溉排水学报，2019，38（10）：137.

[12]任志宏，卢淑霞.火力发电企业节水及用水量概念释义[J].工业计量，2018，28（02）：68-70.

[13]潘荔，刘志强，张博.中国火电节水现状分析及措施建议[J].中国电力，2017，50（11）：158-163.

[14]李秀文，齐勇，王鹏，等.火电厂智慧水务关键技术及信息平台建设研究[J].电力大数据，2019，22（05）：56-61.

作者:陈晓清 侯保灯 肖伟华 侯效灵 王丽川 单位:1.中国水利水电科学研究院流域水循环模拟与调控国家重点实验室2.广西大学土木建筑工程学院