工業企業動態水平衡智能測算方法研究

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摘要：基于水平衡基本原理，采用先進的信息處理與網絡通信、計算機應用與大數據處理等技術，結合企業水循環系統實際現狀，文章提出了一種涵蓋企業、各用水系統與各用水單元的動態水平衡計算與漏損快速診斷預警方法，并據此設計構建了一套智能管理系統；系統可實現企業水平衡的動態、實時測算及歷史水平衡回顧計算，達到對企業供用水的全面監控，在此基礎上，實現全廠水系統故障的及時診斷與故障位置的快速定位。以陽城火電廠為例，詳細闡述了系統的實現步驟與方法。

關鍵詞：動態水平衡；智能測算；漏損診斷；火電廠

1概述

工業企業是我國的用水大戶，其用水總量的大小及用水效率的高低，直接影響到我國節水型社會的全面建設[1]。近些年，國家提出了“節水優先、空間均衡、系統治理、兩手發力”治水思路，其中“節水優先”是根本方針，是當前治水的關鍵環節，從觀念、意識、措施等各方面都要把節水放在優先位置[2-4]。節水型社會是水資源集約高效利用、經濟社會快速發展、人與自然和諧相處的社會[5]，我們要充分認識節水的重要性，始終堅持并嚴格落實節水優先方針，像抓節能減排一樣抓好節水工作[6]。雖然經過十余年的節水型社會建設，工業節水取得了一定的成績，工業用水效率得到了顯著提高，但距離國外發達國家的先進用水水平還有一定的差距[7，8]。除了目前部分工業企業用水工藝相對落后外，未實現企業內部用水全面監測計量與精細化管理也是一大原因。因此，優化企業水系統網絡，搞清楚水在企業里運行的各個環節，盡量減少跑冒滴漏[9]，實現一水多用，重復利用，企業中實施水平衡測試與漏損診斷等都能夠有效的節約用水量[10]。當前工業企業水資源管理的當務之急是最大程度地實現節水。近年來，隨著我國工業化以及城鎮化進程的加速，水體污染日益嚴重，我國的可用水資源也日漸短缺[11]。工業方面，我國火力發電量占總發電量的80%以上，火電用水量占工業用水量比重較大，約占1/6[12]，如今各種水資源問題已成為電力發展的核心制約因素之一[13]。隨著廢水排放標準的日益嚴格及各地不斷提高的水資源費征收標準，火電廠深度節水及零排放成為國內外關注的熱點[14]。提高電力行業尤其是火力發電廠的節水工作水平，對于全國實現水資源管理目標具有現實而重大的意義[13]。陽城火電廠由陽城國際發電有限責任公司（以下簡稱陽電一期）和大唐陽城發電有限責任公司（以下簡稱陽電二期）兩個獨立法人實體組成，位于山西省陽城縣北留鎮境內。陽城電廠現有總裝機容量3300MW，日用水量約70000噸。一期機組循環水冷卻采用逆流式自然通風冷卻塔，1～4號機循環水排污水進入污水綜合處理系統，處理后的水供化學制水。二期機組循環水采用間接空冷，輔機循環冷卻水排水進入一期5號或者6號機循環水塔，5、6號循環水塔排污水進入廠內排水管網，直接外排。全廠未設置工業廢水處理系統，產生的工業廢水直接外排；生活污水處理系統處理后的水也直接進入排水管外排，造成嚴重的水資源浪費。此外，脫硫廢水和生活污水的外排前并沒有嚴格監測相關水質指標，這將產生重大的環保隱患。目前，全廠用水方式相對較為粗放，生活用水定額遠遠超過國家/地方相關定額標準；工業用水效率較國內其他先進電廠企業也有一定的差距。由于全廠二級、三級水表安裝率相對較低，供水管網“跑冒滴漏”現象時有發生且無法快速定位排查；若發生泄漏、爆管、水錘等故障，將造成嚴重的水資源浪費，增加企業直接經濟成本，降低企業效益。為了解決上述問題，陽城電廠在集團公司的指導下，在電廠領導的直接領導下，準備近期實施全廠廢水“零排放”改造工程暨節水改造工程。工程遵循“雨污分離、清污分離，分類回收、分質回用”的原則，優化全廠水平衡系統，通過水的梯級使用，提高水的重復利用率。通過全廠廢水綜合治理，提高廢水回收率，在確保設備安全運行的前提下，大部分廢水實現回用，難以處理的高鹽廢水采用終端處理設備處理，最終基本實現全廠廢水“零排放”。本文將在以往研究成果的基礎上，提出一套實現企業水平衡自動智能測算與水管網漏損自動智能診斷的方法，相應構建一套智能管理系統，并以陽城火電廠為例，闡述系統實現步驟。

2陽城火電廠水系統概化

陽城火電廠分二期工程建設，一期6×350MW水冷機組循環水冷卻采用逆流式自然通風冷卻塔，1～4號機循環水排污水進入污水綜合處理系統，處理后的水供化學制水。二期2×600MW空冷機組采用間接空冷，輔機循環冷卻水排水進入一期5、6號機循環水塔。火電廠水系統分為生產用水和生活用水兩部分，按照用水用途和工藝流程可將全廠水系統分為六大子系統，分別為生活用水系統、脫硫用水系統、一期循環水系統、化學除鹽水系統、二期輔機循環系統和其他用水系統。火電廠自水源地取水后，經雙管道輸入平流池，經過濾、沉淀等處理后，成為工業水，供全廠使用，全廠各子系統之間供水、排水互相關聯，最終所有廢水用于廠區綠化或進行終端處理，實現廢水“零排放”。圖1為陽城火電廠水系統網絡概化圖，圖中生活用水系統、脫硫用水系統、一期循環水系統、化學除鹽水系統、二期輔機循環系統和其他用水系統分別為電廠用水子系統。圖2為火電廠一期循環水系統網絡概化圖，如圖所示，最外層虛框內的各個方框為本用水子系統的用水單元，而最外層虛框外的方框為其他用水子系統的用水單元。箭線表示供水或排水關系。圖3為用水單元水平衡基本圖示。圖中，Vcy、V'cy為循環水量，Vf為新水量，Vs、V's為串聯水量，Vt為用水量，Vco為耗水量，Vd為排水量，Vl為漏失水量；用水單元水平衡方程如下式所示：Vcy+Vf+Vs=V'cy+Vco+Vd+Vl+V's（1）

3動態水平衡智能測算與漏損診斷系統構建工業企業動態水平衡智能測算與漏損診斷系統構建

3.1系統構建的總體思路是：基于水平衡基本原理，采用先進的信息處理與網絡通信、計算機應用與大數據處理等技術，結合企業水循環系統實際現狀，提出一種涵蓋企業、各用水系統與各用水單元的動態水平衡計算與漏損快速診斷預警方法，并據此設計開發一套智能管理系統；實現企業水平衡的動態、實時測算及歷史水平衡回顧計算，達到對企業供用水的全面監控，在此基礎上，實現全廠水系統故障的及時診斷與故障位置的快速定位。3.2系統實現方法。系統具體實施方法如下：（1）厘清企業水系統網絡，繪制水系統概化圖；在每個用水單元進出水端安裝水量監測設備，實現實時在線監測。（2）實時采集企業水量流量監測數據，并基于海量實測數據，采用神經網絡自適應智能算法和大數據智能挖掘技術，構建實時供水量與用水量、耗水量的相關關系模型，實現不同用水單元的耗水量實時模擬。（3）根據水平衡原理及計算方程，實現全廠不同用水單元、用水系統以及全廠的分、時、日、旬、月、季、年、多年自動水平衡模擬及成果查詢、分析與展示。（4）根據實時水平衡結果，在線實時跟蹤并優化全廠水資源調配，實現全廠各類供水、用水、耗水、排水全面規劃、綜合平衡，使水資源在電廠生產和生活中得到合理充分的利用，達到一水多用，階梯使用，提高重復用水率，降低全廠用水和耗水指標，減少污水排放甚至達到零排放目的。（5）對全廠各用水單元、系統進行實時數據監測、分析、預測及診斷，提供漏損、爆管等異常情況實時報警、建議性操作及人工干預，對預警信息實現層層智能上報，緊急情況下，可實現越級上報。（6）基于超大數據智能搜索訪問技術，快速實現歷史時期不同層級不同時段的水平衡回顧性計算并直觀展示。

4陽城電廠動態水平衡智能測算與漏損診斷系統實現

下面以陽城電廠為例，詳細闡述動態水平衡智能測算與漏損診斷系統實現方法，具體步驟如下：（1）根據企業所有用水系統的實際用水及排水情況，將企業分為不同的用水子系統，繪制企業水系統網絡概化圖，如圖1所示；并根據每個用水單元的實際用水情況，繪制每個用水子系統的網絡概化圖，如圖2所示。（2）由圖3和公式（1）可知，用水單元水平衡涉及的參數較多，很多參數很難直接測量，如Vco耗水量、Vl漏失水量等；因此，需要適當合并和簡化，根據可監測參數之間的數據關系，推算其他參數。對于采用管道輸水的用水單元，其蒸發水量可以忽略，若進入產品的水量較少，則耗水量可以忽略不計；對于管道密封性較好的用水單元，其漏失水量也可忽略不計；因此，該用水單元的水量平衡可近似為進入單元的水量等于輸出單元的水量與排水量之和。對于具有較大蒸發損失的用水單元，其蒸發損耗不可忽略，故其水平衡應近似為進入單元的水量等于輸出單元的水量與耗水量（主要為蒸發損失）、排水量之和。但由于蒸發損失很難監測計量，故只能近似計算。對于排水量，若用水單元排水量不大，或無排水，則排水量也可忽略不計；若用水單元排水量相對較大，但未安裝監測設備，則通過進入與輸出單元水量之差近似為排水量。因此，對于一個用水單元，若只有進入和輸出用水單元的水量監測數據，則需要建立兩者之間的相關關系，得到耗水量、排水量、漏失水量的綜合值，進而進行水平衡計算。（3）在每個用水單元的進水端和出水端（包括排水端）安裝水量在線監測采集傳輸設備，實現用水單元進水量和出水量的在線監測。（4）實時采集企業水量流量監測數據，并基于海量實測數據，采用神經網絡自適應智能算法和大數據智能挖掘技術，構建實時供水量與用水量、耗水量的相關關系模型，實現不同用水單元的耗水量實時模擬計算。（5）根據水平衡原理及計算方程（公式（1）），進行用水單元實時水平衡計算，最終實現全廠不同用水單元、用水系統等不同層級的分、時、日、旬、月、季、年、多年等不同時段的自動水平衡計算及成果查詢、分析與展示。（6）根據實時水平衡結果，在線實時跟蹤并優化全廠水資源調配，實現全廠各類供水、用水、耗水、排水全面規劃、綜合平衡，使水資源在電廠生產和生活中得到合理充分的利用，達到一水多用，階梯使用，提高重復用水率，降低全廠用水和耗水指標，減少污水排放甚至達到零排放目的。（7）對全廠各用水單元、系統進行實時數據監測、分析、預測及診斷，提供漏損、爆管等異常情況實時報警、建議性操作及人工干預，對預警信息實現層層智能上報，緊急情況下，可實現越級上報。（8）基于超大數據智能搜索訪問技術，快速實現歷史時期不同層級不同時段的水平衡回顧性計算并直觀展示。5結束語本文以陽城火電廠為例，在以往研究成果的基礎上，提出了一套實現企業水平衡自動智能測算與水管網漏損自動智能診斷的方法，相應構建一套智能管理系統，并詳細闡述系統實現步驟。系統基于水平衡基本原理，采用先進的信息處理與網絡通信、計算機應用與大數據處理等技術，結合企業水循環系統實際現狀，涵蓋企業、各用水系統與各用水單元的動態水平衡計算與漏損快速診斷預警，并實現智能管理；系統可實現對企業水平衡的動態、實時測算及歷史水平衡回顧計算，達到對企業供用水的全面監控，在此基礎上，實現全廠水系統故障的及時診斷與故障位置的快速定位。

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作者:陳曉清 侯保燈 肖偉華 侯效靈 王麗川 單位:1.中國水利水電科學研究院流域水循環模擬與調控國家重點實驗室2.廣西大學土木建筑工程學院