工業(yè)企業(yè)動(dòng)態(tài)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(jìn)的信息處理與網(wǎng)絡(luò)通信、計(jì)算機(jī)應(yīng)用與大數(shù)據(jù)處理等技術(shù)，結(jié)合企業(yè)水循環(huán)系統(tǒng)實(shí)際現(xiàn)狀，文章提出了一種涵蓋企業(yè)、各用水系統(tǒng)與各用水單元的動(dòng)態(tài)水平衡計(jì)算與漏損快速診斷預(yù)警方法，并據(jù)此設(shè)計(jì)構(gòu)建了一套智能管理系統(tǒng)；系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)企業(yè)水平衡的動(dòng)態(tài)、實(shí)時(shí)測算及歷史水平衡回顧計(jì)算，達(dá)到對企業(yè)供用水的全面監(jiān)控，在此基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)全廠水系統(tǒng)故障的及時(shí)診斷與故障位置的快速定位。以陽城火電廠為例，詳細(xì)闡述了系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)步驟與方法。

關(guān)鍵詞：動(dòng)態(tài)水平衡；智能測算；漏損診斷；火電廠

1概述

工業(yè)企業(yè)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(jié)水型社會(huì)的全面建設(shè)[1]。近些年，國家提出了“節(jié)水優(yōu)先、空間均衡、系統(tǒng)治理、兩手發(fā)力”治水思路，其中“節(jié)水優(yōu)先”是根本方針，是當(dāng)前治水的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，從觀念、意識、措施等各方面都要把節(jié)水放在優(yōu)先位置[2-4]。節(jié)水型社會(huì)是水資源集約高效利用、經(jīng)濟(jì)社會(huì)快速發(fā)展、人與自然和諧相處的社會(huì)[5]，我們要充分認(rèn)識節(jié)水的重要性，始終堅(jiān)持并嚴(yán)格落實(shí)節(jié)水優(yōu)先方針，像抓節(jié)能減排一樣抓好節(jié)水工作[6]。雖然經(jīng)過十余年的節(jié)水型社會(huì)建設(shè)，工業(yè)節(jié)水取得了一定的成績，工業(yè)用水效率得到了顯著提高，但距離國外發(fā)達(dá)國家的先進(jìn)用水水平還有一定的差距[7，8]。除了目前部分工業(yè)企業(yè)用水工藝相對落后外，未實(shí)現(xiàn)企業(yè)內(nèi)部用水全面監(jiān)測計(jì)量與精細(xì)化管理也是一大原因。因此，優(yōu)化企業(yè)水系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，搞清楚水在企業(yè)里運(yùn)行的各個(gè)環(huán)節(jié)，盡量減少跑冒滴漏[9]，實(shí)現(xiàn)一水多用，重復(fù)利用，企業(yè)中實(shí)施水平衡測試與漏損診斷等都能夠有效的節(jié)約用水量[10]。當(dāng)前工業(yè)企業(yè)水資源管理的當(dāng)務(wù)之急是最大程度地實(shí)現(xiàn)節(jié)水。近年來，隨著我國工業(yè)化以及城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加速，水體污染日益嚴(yán)重，我國的可用水資源也日漸短缺[11]。工業(yè)方面，我國火力發(fā)電量占總發(fā)電量的80%以上，火電用水量占工業(yè)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(fā)展的核心制約因素之一[13]。隨著廢水排放標(biāo)準(zhǔn)的日益嚴(yán)格及各地不斷提高的水資源費(fèi)征收標(biāo)準(zhǔn)，火電廠深度節(jié)水及零排放成為國內(nèi)外關(guān)注的熱點(diǎn)[14]。提高電力行業(yè)尤其是火力發(fā)電廠的節(jié)水工作水平，對于全國實(shí)現(xiàn)水資源管理目標(biāo)具有現(xiàn)實(shí)而重大的意義[13]。陽城火電廠由陽城國際發(fā)電有限責(zé)任公司（以下簡稱陽電一期）和大唐陽城發(fā)電有限責(zé)任公司（以下簡稱陽電二期）兩個(gè)獨(dú)立法人實(shí)體組成，位于山西省陽城縣北留鎮(zhèn)境內(nèi)。陽城電廠現(xiàn)有總裝機(jī)容量3300MW，日用水量約70000噸。一期機(jī)組循環(huán)水冷卻采用逆流式自然通風(fēng)冷卻塔，1～4號機(jī)循環(huán)水排污水進(jìn)入污水綜合處理系統(tǒng)，處理后的水供化學(xué)制水。二期機(jī)組循環(huán)水采用間接空冷，輔機(jī)循環(huán)冷卻水排水進(jìn)入一期5號或者6號機(jī)循環(huán)水塔，5、6號循環(huán)水塔排污水進(jìn)入廠內(nèi)排水管網(wǎng)，直接外排。全廠未設(shè)置工業(yè)廢水處理系統(tǒng)，產(chǎn)生的工業(yè)廢水直接外排；生活污水處理系統(tǒng)處理后的水也直接進(jìn)入排水管外排，造成嚴(yán)重的水資源浪費(fèi)。此外，脫硫廢水和生活污水的外排前并沒有嚴(yán)格監(jiān)測相關(guān)水質(zhì)指標(biāo)，這將產(chǎn)生重大的環(huán)保隱患。目前，全廠用水方式相對較為粗放，生活用水定額遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過國家/地方相關(guān)定額標(biāo)準(zhǔn)；工業(yè)用水效率較國內(nèi)其他先進(jìn)電廠企業(yè)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(wǎng)“跑冒滴漏”現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生且無法快速定位排查；若發(fā)生泄漏、爆管、水錘等故障，將造成嚴(yán)重的水資源浪費(fèi)，增加企業(yè)直接經(jīng)濟(jì)成本，降低企業(yè)效益。為了解決上述問題，陽城電廠在集團(tuán)公司的指導(dǎo)下，在電廠領(lǐng)導(dǎo)的直接領(lǐng)導(dǎo)下，準(zhǔn)備近期實(shí)施全廠廢水“零排放”改造工程暨節(jié)水改造工程。工程遵循“雨污分離、清污分離，分類回收、分質(zhì)回用”的原則，優(yōu)化全廠水平衡系統(tǒng)，通過水的梯級使用，提高水的重復(fù)利用率。通過全廠廢水綜合治理，提高廢水回收率，在確保設(shè)備安全運(yùn)行的前提下，大部分廢水實(shí)現(xiàn)回用，難以處理的高鹽廢水采用終端處理設(shè)備處理，最終基本實(shí)現(xiàn)全廠廢水“零排放”。本文將在以往研究成果的基礎(chǔ)上，提出一套實(shí)現(xiàn)企業(yè)水平衡自動(dòng)智能測算與水管網(wǎng)漏損自動(dòng)智能診斷的方法，相應(yīng)構(gòu)建一套智能管理系統(tǒng)，并以陽城火電廠為例，闡述系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)步驟。

2陽城火電廠水系統(tǒng)概化

陽城火電廠分二期工程建設(shè)，一期6×350MW水冷機(jī)組循環(huán)水冷卻采用逆流式自然通風(fēng)冷卻塔，1～4號機(jī)循環(huán)水排污水進(jìn)入污水綜合處理系統(tǒng)，處理后的水供化學(xué)制水。二期2×600MW空冷機(jī)組采用間接空冷，輔機(jī)循環(huán)冷卻水排水進(jìn)入一期5、6號機(jī)循環(huán)水塔。火電廠水系統(tǒng)分為生產(chǎn)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(tǒng)分為六大子系統(tǒng)，分別為生活用水系統(tǒng)、脫硫用水系統(tǒng)、一期循環(huán)水系統(tǒng)、化學(xué)除鹽水系統(tǒng)、二期輔機(jī)循環(huán)系統(tǒng)和其他用水系統(tǒng)。火電廠自水源地取水后，經(jīng)雙管道輸入平流池，經(jīng)過濾、沉淀等處理后，成為工業(yè)水，供全廠使用，全廠各子系統(tǒng)之間供水、排水互相關(guān)聯(lián)，最終所有廢水用于廠區(qū)綠化或進(jìn)行終端處理，實(shí)現(xiàn)廢水“零排放”。圖1為陽城火電廠水系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)概化圖，圖中生活用水系統(tǒng)、脫硫用水系統(tǒng)、一期循環(huán)水系統(tǒng)、化學(xué)除鹽水系統(tǒng)、二期輔機(jī)循環(huán)系統(tǒng)和其他用水系統(tǒng)分別為電廠用水子系統(tǒng)。圖2為火電廠一期循環(huán)水系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)概化圖，如圖所示，最外層虛框內(nèi)的各個(gè)方框?yàn)楸居盟酉到y(tǒng)的用水單元，而最外層虛框外的方框?yàn)槠渌盟酉到y(tǒng)的用水單元。箭線表示供水或排水關(guān)系。圖3為用水單元水平衡基本圖示。圖中，Vcy、V'cy為循環(huán)水量，Vf為新水量，Vs、V's為串聯(lián)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(dòng)態(tài)水平衡智能測算與漏損診斷系統(tǒng)構(gòu)建工業(yè)企業(yè)動(dòng)態(tài)水平衡智能測算與漏損診斷系統(tǒng)構(gòu)建

3.1系統(tǒng)構(gòu)建的總體思路是：基于水平衡基本原理，采用先進(jìn)的信息處理與網(wǎng)絡(luò)通信、計(jì)算機(jī)應(yīng)用與大數(shù)據(jù)處理等技術(shù)，結(jié)合企業(yè)水循環(huán)系統(tǒng)實(shí)際現(xiàn)狀，提出一種涵蓋企業(yè)、各用水系統(tǒng)與各用水單元的動(dòng)態(tài)水平衡計(jì)算與漏損快速診斷預(yù)警方法，并據(jù)此設(shè)計(jì)開發(fā)一套智能管理系統(tǒng)；實(shí)現(xiàn)企業(yè)水平衡的動(dòng)態(tài)、實(shí)時(shí)測算及歷史水平衡回顧計(jì)算，達(dá)到對企業(yè)供用水的全面監(jiān)控，在此基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)全廠水系統(tǒng)故障的及時(shí)診斷與故障位置的快速定位。3.2系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方法。系統(tǒng)具體實(shí)施方法如下：（1）厘清企業(yè)水系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，繪制水系統(tǒng)概化圖；在每個(gè)用水單元進(jìn)出水端安裝水量監(jiān)測設(shè)備，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)在線監(jiān)測。（2）實(shí)時(shí)采集企業(yè)水量流量監(jiān)測數(shù)據(jù)，并基于海量實(shí)測數(shù)據(jù)，采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)智能算法和大數(shù)據(jù)智能挖掘技術(shù)，構(gòu)建實(shí)時(shí)供水量與用水量、耗水量的相關(guān)關(guān)系模型，實(shí)現(xiàn)不同用水單元的耗水量實(shí)時(shí)模擬。（3）根據(jù)水平衡原理及計(jì)算方程，實(shí)現(xiàn)全廠不同用水單元、用水系統(tǒng)以及全廠的分、時(shí)、日、旬、月、季、年、多年自動(dòng)水平衡模擬及成果查詢、分析與展示。（4）根據(jù)實(shí)時(shí)水平衡結(jié)果，在線實(shí)時(shí)跟蹤并優(yōu)化全廠水資源調(diào)配，實(shí)現(xiàn)全廠各類供水、用水、耗水、排水全面規(guī)劃、綜合平衡，使水資源在電廠生產(chǎn)和生活中得到合理充分的利用，達(dá)到一水多用，階梯使用，提高重復(fù)用水率，降低全廠用水和耗水指標(biāo)，減少污水排放甚至達(dá)到零排放目的。（5）對全廠各用水單元、系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)測、分析、預(yù)測及診斷，提供漏損、爆管等異常情況實(shí)時(shí)報(bào)警、建議性操作及人工干預(yù)，對預(yù)警信息實(shí)現(xiàn)層層智能上報(bào)，緊急情況下，可實(shí)現(xiàn)越級上報(bào)。（6）基于超大數(shù)據(jù)智能搜索訪問技術(shù)，快速實(shí)現(xiàn)歷史時(shí)期不同層級不同時(shí)段的水平衡回顧性計(jì)算并直觀展示。

4陽城電廠動(dòng)態(tài)水平衡智能測算與漏損診斷系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

下面以陽城電廠為例，詳細(xì)闡述動(dòng)態(tài)水平衡智能測算與漏損診斷系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方法，具體步驟如下：（1）根據(jù)企業(yè)所有用水系統(tǒng)的實(shí)際用水及排水情況，將企業(yè)分為不同的用水子系統(tǒng)，繪制企業(yè)水系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)概化圖，如圖1所示；并根據(jù)每個(gè)用水單元的實(shí)際用水情況，繪制每個(gè)用水子系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)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(shù)較多，很多參數(shù)很難直接測量，如Vco耗水量、Vl漏失水量等；因此，需要適當(dāng)合并和簡化，根據(jù)可監(jiān)測參數(shù)之間的數(shù)據(jù)關(guān)系，推算其他參數(shù)。對于采用管道輸水的用水單元，其蒸發(fā)水量可以忽略，若進(jìn)入產(chǎn)品的水量較少，則耗水量可以忽略不計(jì)；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(jì)；因此，該用水單元的水量平衡可近似為進(jìn)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(fā)損失的用水單元，其蒸發(fā)損耗不可忽略，故其水平衡應(yīng)近似為進(jìn)入單元的水量等于輸出單元的水量與耗水量（主要為蒸發(fā)損失）、排水量之和。但由于蒸發(fā)損失很難監(jiān)測計(jì)量，故只能近似計(jì)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(jì)；若用水單元排水量相對較大，但未安裝監(jiān)測設(shè)備，則通過進(jìn)入與輸出單元水量之差近似為排水量。因此，對于一個(gè)用水單元，若只有進(jìn)入和輸出用水單元的水量監(jiān)測數(shù)據(jù)，則需要建立兩者之間的相關(guān)關(guān)系，得到耗水量、排水量、漏失水量的綜合值，進(jìn)而進(jìn)行水平衡計(jì)算。（3）在每個(gè)用水單元的進(jìn)水端和出水端（包括排水端）安裝水量在線監(jiān)測采集傳輸設(shè)備，實(shí)現(xiàn)用水單元進(jìn)水量和出水量的在線監(jiān)測。（4）實(shí)時(shí)采集企業(yè)水量流量監(jiān)測數(shù)據(jù)，并基于海量實(shí)測數(shù)據(jù)，采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)智能算法和大數(shù)據(jù)智能挖掘技術(shù)，構(gòu)建實(shí)時(shí)供水量與用水量、耗水量的相關(guān)關(guān)系模型，實(shí)現(xiàn)不同用水單元的耗水量實(shí)時(shí)模擬計(jì)算。（5）根據(jù)水平衡原理及計(jì)算方程（公式（1）），進(jìn)行用水單元實(shí)時(shí)水平衡計(jì)算，最終實(shí)現(xiàn)全廠不同用水單元、用水系統(tǒng)等不同層級的分、時(shí)、日、旬、月、季、年、多年等不同時(shí)段的自動(dòng)水平衡計(jì)算及成果查詢、分析與展示。（6）根據(jù)實(shí)時(shí)水平衡結(jié)果，在線實(shí)時(shí)跟蹤并優(yōu)化全廠水資源調(diào)配，實(shí)現(xiàn)全廠各類供水、用水、耗水、排水全面規(guī)劃、綜合平衡，使水資源在電廠生產(chǎn)和生活中得到合理充分的利用，達(dá)到一水多用，階梯使用，提高重復(fù)用水率，降低全廠用水和耗水指標(biāo)，減少污水排放甚至達(dá)到零排放目的。（7）對全廠各用水單元、系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)測、分析、預(yù)測及診斷，提供漏損、爆管等異常情況實(shí)時(shí)報(bào)警、建議性操作及人工干預(yù)，對預(yù)警信息實(shí)現(xiàn)層層智能上報(bào)，緊急情況下，可實(shí)現(xiàn)越級上報(bào)。（8）基于超大數(shù)據(jù)智能搜索訪問技術(shù)，快速實(shí)現(xiàn)歷史時(shí)期不同層級不同時(shí)段的水平衡回顧性計(jì)算并直觀展示。5結(jié)束語本文以陽城火電廠為例，在以往研究成果的基礎(chǔ)上，提出了一套實(shí)現(xiàn)企業(yè)水平衡自動(dòng)智能測算與水管網(wǎng)漏損自動(dòng)智能診斷的方法，相應(yīng)構(gòu)建一套智能管理系統(tǒng)，并詳細(xì)闡述系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)步驟。系統(tǒng)基于水平衡基本原理，采用先進(jìn)的信息處理與網(wǎng)絡(luò)通信、計(jì)算機(jī)應(yīng)用與大數(shù)據(jù)處理等技術(shù)，結(jié)合企業(yè)水循環(huán)系統(tǒng)實(shí)際現(xiàn)狀，涵蓋企業(yè)、各用水系統(tǒng)與各用水單元的動(dòng)態(tài)水平衡計(jì)算與漏損快速診斷預(yù)警，并實(shí)現(xiàn)智能管理；系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對企業(yè)水平衡的動(dòng)態(tài)、實(shí)時(shí)測算及歷史水平衡回顧計(jì)算，達(dá)到對企業(yè)供用水的全面監(jiān)控，在此基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)全廠水系統(tǒng)故障的及時(shí)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(xué)研究院流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室2.廣西大學(xué)土木建筑工程學(xué)院