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(yè)水循環(huán)系統(tǒng)實際現狀，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(tǒng);系統(tǒng)可實現企業(yè)水平衡的動態(tài)、實時測算及歷史水平衡回顧計算，達到對企業(yè)供用水的全面監(jiān)控，在此基礎上，實現全廠水系統(tǒng)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(tǒng)的實現步驟與方法。

關鍵詞：動態(tài)水平衡;智能測算;漏損診斷;火電廠

中圖分類號：TV213.4? ? ? ?文獻標志碼：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[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，是當前治水的關鍵環(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、經濟社會快速發(fā)展、人與自然和諧相處的社會[5]，我們要充分認識節(jié)水的重要性，始終堅持并嚴格落實節(jié)水優(yōu)先方針，像抓節(jié)能減排一樣抓好節(jié)水工作[6]。

雖然經過十余年的節(jié)水型社會建設，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(yè)企業(yè)用水工藝相對落后外，未實現企業(yè)內部用水全面監(jiān)測計量與精細化管理也是一大原因。因此，優(yōu)化企業(yè)水系統(tǒng)網絡，搞清楚水在企業(yè)里運行的各個環(huán)節(jié)，盡量減少跑冒滴漏[9]，實現一水多用，重復利用，企業(yè)中實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]。當前工業(yè)企業(yè)水資源管理的當務之急是最大程度地實現節(jié)水。

近年來，隨著我國工業(yè)化以及城鎮(zhèn)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(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(jié)水及零排放成為國內外關注的熱點[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(fā)電有限責任公司（以下簡稱陽電一期）和大唐陽城發(fā)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(zhèn)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(huán)水冷卻采用逆流式自然通風冷卻塔，1～4號機循環(huán)水排污水進入污水綜合處理系統(tǒng)，處理后的水供化學制水。二期機組循環(huán)水采用間接空冷，輔機循環(huán)冷卻水排水進入一期5號或者6號機循環(huán)水塔，5、6號循環(huán)水塔排污水進入廠內排水管網，直接外排。全廠未設置工業(yè)廢水處理系統(tǒng)，產生的工業(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(jiān)測相關水質指標，這將產生重大的環(huán)保隱患。

目前，全廠用水方式相對較為粗放，生活用水定額遠遠超過國家/地方相關定額標準;工業(yè)用水效率較國內其他先進電廠企業(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“跑冒滴漏”現象時有發(fā)生且無法快速定位排查;若發(fā)生泄漏、爆管、水錘等故障，將造成嚴重的水資源浪費，增加企業(yè)直接經濟成本，降低企業(yè)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(jié)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(yōu)化全廠水平衡系統(tǒng)，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(yè)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(tǒng)，并以陽城火電廠為例，闡述系統(tǒng)實現步驟。

2 陽城火電廠水系統(tǒng)概化

陽城火電廠分二期工程建設，一期6×350MW水冷機組循環(huán)水冷卻采用逆流式自然通風冷卻塔，1～4號機循環(huán)水排污水進入污水綜合處理系統(tǒng)，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(huán)冷卻水排水進入一期5、6號機循環(huán)水塔。火電廠水系統(tǒng)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(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)、化學除鹽水系統(tǒng)、二期輔機循環(huán)系統(tǒng)和其他用水系統(tǒng)?；痣姀S自水源地取水后，經雙管道輸入平流池，經過濾、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、排水互相關聯，最終所有廢水用于廠區(qū)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(tǒng)網絡概化圖，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)、化學除鹽水系統(tǒng)、二期輔機循環(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(tǒng)的用水單元，而最外層虛框外的方框為其他用水子系統(tǒng)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(huán)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(tài)水平衡智能測算與漏損診斷系統(tǒng)構建

3.1 系統(tǒng)構建總體思路

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(yè)水循環(huán)系統(tǒng)實際現狀，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)水平衡計算與漏損快速診斷預警方法，并據此設計開發(fā)一套智能管理系統(tǒng);實現企業(yè)水平衡的動態(tài)、實時測算及歷史水平衡回顧計算，達到對企業(yè)供用水的全面監(jiān)控，在此基礎上，實現全廠水系統(tǒng)故障的及時診斷與故障位置的快速定位。

3.2 系統(tǒng)實現方法

系統(tǒng)具體實施方法如下：

（1）厘清企業(yè)水系統(tǒng)網絡，繪制水系統(tǒng)概化圖;在每個用水單元進出水端安裝水量監(jiān)測設備，實現實時在線監(jiān)測。

（2）實時采集企業(yè)水量流量監(jiān)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(tǒng)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(yōu)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(guī)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(tǒng)進行實時數據監(jiān)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(tài)水平衡智能測算與漏損診斷系統(tǒng)實現

下面以陽城電廠為例，詳細闡述動態(tài)水平衡智能測算與漏損診斷系統(tǒng)實現方法，具體步驟如下：

（1）根據企業(yè)所有用水系統(tǒng)的實際用水及排水情況，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(tǒng)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(jiān)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(fā)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(fā)損失的用水單元，其蒸發(fā)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(fā)損失）、排水量之和。但由于蒸發(fā)損失很難監(jiān)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(jiān)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(jiān)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(jiān)測采集傳輸設備，實現用水單元進水量和出水量的在線監(jiān)測。

（4）實時采集企業(yè)水量流量監(jiān)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(tǒng)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(yōu)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(guī)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(tǒng)進行實時數據監(jiān)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(yè)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(tǒng)，并詳細闡述系統(tǒng)實現步驟。系統(tǒng)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(yè)水循環(huán)系統(tǒng)實際現狀，涵蓋企業(yè)、各用水系統(tǒng)與各用水單元的動態(tài)水平衡計算與漏損快速診斷預警，并實現智能管理;系統(tǒng)可實現對企業(yè)水平衡的動態(tài)、實時測算及歷史水平衡回顧計算，達到對企業(yè)供用水的全面監(jiān)控，在此基礎上，實現全廠水系統(tǒng)故障的及時診斷與故障位置的快速定位。

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