工業(yè)企業(yè)動態(tài)水平衡智能測算與漏損診斷系統(tǒng)及方法研究

陳曉清 侯保燈 肖偉華 侯效靈 王麗川

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：動態(tài)水平衡;智能測算;漏損診斷;火電廠

中圖分類號：TV213.4? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）26-0006-04

Abstract： Based on water balance principle， advanced information processing and network communication， computer application and big data processing technology were applied in this research， and in combination with the practical situation of water circulation system， this paper puts forward a method of dynamic water balance calculation and leakage rapid diagnosis early warning， which can be adopted by enterprises， all water use systems and all water use sectors. We designed and built a set of intelligent management system， which can realize the dynamic， real-time calculation and historical review calculation of the water balance of the enterprise， so as to achieve the comprehensive monitoring of the water supply of the enterprise. On this basis， the system can realize thetimely diagnosis of the fault of the water system of the whole plant and the rapid location of the fault. Taking Yangcheng Thermal Power Plant as an example， the realization steps and methods of the system are described in detail.

Keywords： dynamic water balance; intelligent measurement; leak diagnosis; thermal power plant

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)水型社會是水資源集約高效利用、經(jīng)濟(jì)社會快速發(fā)展、人與自然和諧相處的社會[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)水平衡自動智能測算與水管網(wǎng)漏損自動智能診斷的方法，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?；痣姀S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)?；痣姀S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)建總體思路

工業(yè)企業(yè)動態(tài)水平衡智能測算與漏損診斷系統(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)水平衡自動智能測算與水管網(wǎng)漏損自動智能診斷的方法，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。

參考文獻(xiàn)：

[1]雷玉桃，黃麗萍.中國工業(yè)用水效率及其影響因素的區(qū)域差異研究——基于SFA的省際面板數(shù)據(jù)[J].中國軟科學(xué)，2015（04）：155-164.

[2]顏學(xué)毛.全面實(shí)施水安全戰(zhàn)略加快構(gòu)建水利治理體系和治理能力現(xiàn)代化[N].人民長江報(bào)，2020-03-28（005）.

[3]李祎恒，邢鴻飛.以新思路治水促可持續(xù)發(fā)展[N].人民日報(bào)，2015-06-11.

[4]左其亭，刁藝璇.我國工業(yè)節(jié)水現(xiàn)狀及補(bǔ)短板途徑討論[J].西北大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2019，49（06）：848-854.

[5]張愛勝，李鋒瑞，康玲芬.節(jié)水型社會：理論及其在西北地區(qū)的實(shí)踐與對策[J].中國軟科學(xué)，2005（10）：26-32.

[6]陳雷.新時(shí)期治水興水的科學(xué)指南——深入學(xué)習(xí)貫徹習(xí)近平總書記關(guān)于治水的重要論述[J].中國水利，2014（15）：1-3.

[7]祁魯梁，高紅.淺談發(fā)展工業(yè)節(jié)水技術(shù)提高用水效率[J].中國水利，2005（13）：125-127.

[8]李貴寶，羅林，楊延龍.我國工業(yè)用水節(jié)水標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)狀及對策建議[J].水資源開發(fā)與管理，2017（02）：51-56.

[9]吳運(yùn)敏，姜劍，張峻偉.鋼鐵企業(yè)全廠回用水“大循環(huán)”運(yùn)行方式探討[J].水利發(fā)展研究，2017，17（02）：64-66.

[10]胡凱浩.基于企業(yè)水平衡測試的工業(yè)節(jié)水探索[J].科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新，2019（32）：168-169.

[11]徐勝朋，于洋，劉文釗，等.火電企業(yè)節(jié)水及廢水減排的技術(shù)與經(jīng)驗(yàn)——評《火電廠深度節(jié)水及廢水零排放》[J].灌溉排水學(xué)報(bào)，2019，38（10）：137.

[12]任志宏，盧淑霞.火力發(fā)電企業(yè)節(jié)水及用水量概念釋義[J].工業(yè)計(jì)量，2018，28（02）：68-70.

[13]潘荔，劉志強(qiáng)，張博.中國火電節(jié)水現(xiàn)狀分析及措施建議[J].中國電力，2017，50（11）：158-163.

[14]李秀文，齊勇，王鵬，等.火電廠智慧水務(wù)關(guān)鍵技術(shù)及信息平臺建設(shè)研究[J].電力大數(shù)據(jù)，2019，22（05）：56-61.