节水智慧平台在火电厂的应用

2023-01-04王小航陈卓彬

资源节约与环保 2022年4期

关键词：全厂用水量用水

王小航陈卓彬

（1 湛江中粤能源有限公司广东湛江 524033 2 广州居云山信息科技有限公司广东广州 510700）

引言

本文以湛江中粤能源有限公司为例，介绍火电厂的给排水现状，结合电厂近年的给排水管理工作中存在的问题，提出建设节水智慧平台。总结了建设节水智慧平台实施及运行实践情况。

1 改造前现状

1.1 给排水现状

湛江中粤能源有限公司现有两台630MW 机组，机组凝汽器及闭式工业水系统采用海水直流供水冷却，废气治理采用石灰石-石膏湿法脱硫、静电+布袋复合型除尘器（二电二袋）脱硝、湿式电除尘（WESP）及低低温省煤器（MGGH）。全厂污废水治理设施完善，并已完成全厂废水零排放改造。湛江中粤能源有限公司生活用水为市政自来水，生产用水采用湛江赤坎水质净化厂中水为水源，地下水作为备用水源。

湛江赤坎水质净化厂旁设置中水提升泵房，中水经提升泵升压后，通过管道输送至厂区，在电厂内经混凝、澄清、过滤处理后输送至工业消防水池。工业消防水池水主要用于锅炉补给水系统用水、消防系统用水、脱硫系统补充水、厂区绿化用水、锅炉排污系统减温水、循泵冷却系统水箱补水、灰渣调湿系统用水、氨区系统用水和其他杂用水等。

按照废水的来源划分，机组产生的各类污废水主要可分为：净水站反洗和排泥水、化学除盐车间排放的废水、工艺冷却水外排水、脱硫废水、含煤废水、含油废水、生活废水等杂排水。

（1）净水站产生的废水包括：曝气生物滤池反洗水、机械加速澄清池排泥水、石英砂滤池反洗水；（2）化学除盐水系统产生的废水包括：超滤装置反洗水和浓水、反渗透冲洗水和反渗透浓排水、混床再生废水、精处理再生废水、锅炉排污水、化学取样水等；（3）循泵补充水池溢流水：杂用水系统的排水；（4）脱硫废水：湿法烟气脱硫中维持浆液浓度而必须排放的废水；（5）含煤废水：输煤系统皮带栈桥冲洗和输煤区域冲洗所产生的废水；（6）含油废水：主要为主变含油废水坑排水产生的含油废水；（7）生活废水：生产区域和生活区域所产生的生活废水。

1.2 节水改造目标

火电厂水务管理的主要目标是提高用水效率，达到节水和废水减排的目的。要达到这一目标，需要制订各系统的用水指标。湛江中粤能源有限公司作为在役机组，要制订节水细则，各用水、排水系统应设置流量计量和水质监测装置，在确保机组安全运行的前提下，实现节水减排。应重视水平衡测试并形成制度化，对全厂用水和排水的水量、水质进行有效监控，加强对生产和非生产用水的计量和管理，建立健全各级节水统计报表体系，并及时分析数据，指导补水、排水工序的正常操作，落实各项水务管理指标。湛江中粤能源有限公司的水务管理目标主要包括以下几点：

（1）根据国家和地方的相关政策要求，制订适合本厂的用水管理制度。系统配备的各种水量、水质的计量与检测仪器仪表应定期校验，用水计量仪表校验和维护记录形成台账；检测所用标准药剂符合要求，保证检测数据真实有效。

（2）定期进行水平衡试验。火电厂应定期进行水平衡试验，掌握全厂用水、耗水、排水状况，及时发现不合理用水问题。通过水平衡优化，合理调配全厂新鲜水及废水资源，挖掘节水潜力点，降低设备自用水量。对各系统排水进行梯级利用，减少不合理用水和排水。

（3）对废水处理设施、设备定期维护，加强用水管理。在运行过程中，废水处理设置设备要进行必要的维护，以保证其投入率和正常运行，确保对全厂废水资源进行处理回用和梯级利用。

（4）采用更加节水、环保的新技术、新工艺，对电厂用水系统进行节水技术改造，降低全厂平均年发电用水量和废水排放量。

国务院发布的《水污染防治行动计划》对企业严控用水总量、抓好工业用水、提升用水效率提出了更高要求，需要完善主要用、排水系统计量装置，实现主要供、排水系统流量的监视和数据记录，通过及时、准确地检测，为用水管理提供可靠信息，提高电厂管理水平[1]。但由于设计及历史原因，湛江中粤能源有限公司用水系统安装的流量计数量较少，已安装的流量表计也存在选型不当、安装位置不规范、计量不准确等问题，导致无法及时、准确地监测全厂用水情况，未能发挥应有的作用。

2020 年，为了实现节约用水的目标，提高水的重复利用率，电厂优化了全厂水平衡系统，在充分利用原有设备的基础上，通过改造和新购设备，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和复用，实现了水资源的梯级利用，少量难以回用的废水作为脱硫系统的工艺补水。脱硫系统末端产生高倍率浓缩的高盐废水，通过旁路烟道蒸发固化，从而基本实现全厂废水零排放。

2 节水智慧平台

2.1 节水智慧平台搭建必要性

（1）目前电厂水处理系统虽已普遍采用自动控制系统，但大部分自控系统仅有数据采集及简单连锁控制功能，在实际生产过程中，更多以运行人员经验为主，往往不能实现真正的自动控制，不具备分析问题能力。“节水智慧平台”侧重于“智慧”，强调“自动化、信息化、智能化”建设。“智慧”理念成为节约用水，实现管理能力提升的关键因素。

（2）虽然电厂已经进行全厂废水零排放改造工作，但全厂存在多个用水单元（系统），各个用水点的用水量、水质、用水高峰都不一样；大滞后性、波动性、干扰严重是全厂废水零排放控制的难点。

（3）由于各个用水单元分属化学、汽机、环保等不同专业管理，各专业之间信息彼此孤立，上下串联的响应时间较长，不利于系统化管理。在全厂的节水工作中，统筹管理、协作调度起着至关重要的作用。

综上，建立全厂取水、用水、排水综合管理系统，搭建节水智慧平台，统一管理全厂的用排水量，协调各个用排水单元，做好实时全厂水平衡工作对提高电厂用排水信息化、智能化管理有着重要意义。

2.2 节水智慧平台实施

节水智慧平台是指通过信息化、网络化、可视化技术，运用大数据、智能算法、智能决策等技术手段，采集、分析、判断和决策涉水系统的运行操作，最终实现全厂范围内各涉水系统生产过程最优化运行。

节水智慧平台总体架构分为四层结构，第一层为终端仪表，即信息感知层，通过计量设施获取瞬时水量、累计流量、水质、压力等信息，合理、全面布局，获取重要节点数据；第二层为信息传输层，信息传输采用无线远传方式，利用最新的物联网技术，支持待机时间长、对网络连接要求较高设备的高效连接；第三层为数据中心，数据汇集及分析数据管理中心，借助智能节水平台，进行优化运行控制策略，决策优化；第四层为管理应用层，包括业务服务层，结合实际工作需要，搭建相应的应用系统功能。

湛江中粤能源有限公司各个涉水系统（如曝气生物滤池、超滤、反渗透、精处理等系统）均需要对其进出水量、进出水质等进行监控，为此，从技术层面节水智慧平台搭建由三部分组成。分别为数据监测系统、数据处理平台及专家库。

（1）完善监测系统

湛江中粤能源有限公司用水监测系统尚不完备，从而导致部分数据输入依靠人工，数据信息不具有时效性的问题。为了解决并完善时效性滞后的问题，首先根据水平衡导则要求，对最新的水平衡图进行梳理，查找现行系统运转工况下，暂无法计量监控的关键节点。在需要配备计量监控的关键位置处，通过新增在线流量计、水质分析仪，解决用水监测系统尚不完备，部分数据依靠人工导入的问题；同时新建数据实时采集系统，解决数据信息时效滞后的问题；收集历史资料数据和现有的生产技术资料，通过采集全厂各流量表计、在线水质检测仪表数据，建立全厂动态水平衡模型（一级、二级水平衡模型），实时掌握全厂用排水信息。

（2）搭建数据处理平台

数据处理平台主要由门户管理、平衡图管理、数据采集管理、数据信息管理、水务台账信息管理、监测预警与应急管理、大数据统计分析管理等功能模块组成。

①门户管理：本系统进入操作的门户，查询公共信息。系统通过门户设置，可以根据单位发展的不同阶段，配套搭建相应的信息门户，实现门户的个性化、阶段化应用，如个人门户、部门门户、单位门户、领导门户、关联门户等等，从而实现将有用的信息自动推送给有需要的人；有权限限制的信息自动推送给有权限的人。

②平衡图管理：全厂及各分系统的平衡图信息管理，包括基础信息管理、信息标注管理、动态信息显示管理；全厂及各分系统的平衡图信息管理，有助于建立全厂及各分系统实时水平衡，有助于编制全厂动态水平衡测算方案，实现动态水平衡测试。测试建立全厂及各分系统用水平衡，对关键耗水系统建立耗水模型，指导系统补水，针对性提出节水措施；为电厂实现全厂水平衡的动态、实时测算及历史水平衡回顾计算，达到对全厂供用水的全面监控及水平衡计算功能。

③数据采集管理：数据通信管理、数据存储管理、数据实时预警管理。节水智慧平台数据采集的目的是为了测量瞬时水量、累计流量、水质、压力等物理信息，数据通信管理，是指从传感器和其它待测设备等模拟和数字被测单元中自动采集信息的过程。在日常监测过程中，除了读取简单的仪表数值这类基础功能，还需要对一段时间的数据进行科学的分析和处理以取得预测和分析的目的。在这种情况下，可能要求监测时间长，采集要求自动进行，无需人工值守，所有数据必须自动存储。若数据采集系统采集到明显偏离预期的数值，在排除系统异常后，还需能实现数据异常实时预警，以便及时排除系统故障，避免偏离数值进入存储单元。

④数据信息管理：实时数据、历史数据、数据变化曲线图、数据查询。该模块用于查询电厂内瞬时水量、累计流量、水质等物理信息的实时数据、相关标准、警戒范围和运行状态，当某个项目偏离正常范围值时，则该项目的实时数据以红色显示。查询电厂各系统某个时间段的小时均值、日均值、月均值、年均值，以列表和曲线的形式显示。同时，还可以将一个系统不同时间段的数据以及多个系统同一时间段的数据以对比曲线的形式显示。如果选择时间为小时，可查询某站点的历史小时数据，数据可打印或导出到Excel 中[2]。

⑤全厂水务台账信息管理：根据需求，将全厂用水耗水信息以台账形式展示。搭建全厂各用水系统基础数据库，对取水系统实行“建库建档”管理，全面梳理和完善全省用水系统耗水量信息，完善和更新用水系统信息，及时登记录入新增用水系统信息。建立用水系统和区域取水电子台账，通过监测数据采集，形成并存储形成的各用水系统取水电子台账和全厂、部门、各专业系统各级取水电子台账。

⑥监测预警与应急管理：预警策略信息管理、预警管理、预警事件管理、处置预案管理、应急资源管理、事件处置管理。报警浏览器对用水系统报警信息可以按时间、类型、地区、级别等条件进行过滤查询，主要查询用水系统异常倍数和异常次数报警。异常倍数报警是按报警级别显示一段时间内全厂异常用水系统、异常项目、异常倍数和异常发生的时间等信息。异常次数报警是按报警级别，显示一段时间内全厂异常用水系统、异常项目和异常次数等信息。系统将报警类型分为网络故障报警、设备运行异常报警、异常报警及缺数报警等类型，系统提供报警确认及误报删除的功能[2]。

⑦大数据统计分析管理：综合查询管理、统计分析管理。大数据统计分析模型库是统一存放和管理多种目的、用途的模型集合，模型之间相互独立却又彼此联系，共同运行，以解决复杂的用水耗水模型分析问题。按不同的功能分类，模型库中主要包含评价、模拟、优化、预测等模型。这4 种模型作为基础单元，构建起整个模型库体系，且共同构成大数据分析平台的多个子模型模块，如用水耗水评价、调配，以及水质水量预测等模块，为大数据分析平台的业务应用提供专业的决策依据[3]。

（3）建立专家数据库

智慧平台配备的专家数据库能够存储大量的运行数据，并对各系统的历史数据进行统计分析，将实时数据与历史数据对比，评估系统目前的运行状态，并作出指导性决策，有助于运行工作人员及时发现运行过程中产生的问题，及时调整运行条件，保证系统持续稳定运行，节省人力和时间成本。

火力发电厂的机组平均年发电用水量的高低直接影响对电厂水资源的有效利用，而在电厂现有设备环境下，影响电厂机组平均年发电用水量的因素有很多。因此，要更好地对电厂机组耗水率进行预测，必须建立一个合适的数学模型[4]。从数学模型的角度出发，利用多元线性回归方法来计算影响机组平均年发电用水量的各种因素对其的影响程度，从而达到对机组平均年发电用水量的有效预测。根据相关标准规范或理论依据建立全厂及分系统的耗水标准或关键点耗水模型，通过各系统的运行环境和系统的出入口条件，推断出系统的用水量，指导系统用水计划。同时结合专家数据库历史运行数据信息，分析系统历史运行状态，不断修正完善耗水模型，增加模型的准确性和可靠性。数据建模实现了全厂的用水精细化管理，建立了各系统的用水量标准，对各系统的用水提出了指导性建议，减少不必要的水资源浪费。通过数学模型将各系统的用水量及其影响因素关联起来，有助于各系统的运行评估和故障诊断。通过建立标准化和通用化全厂智慧节水节能平台和不断更新的专家数据库系统，打通全厂用水系统，完成全厂用水系统化管理，降低全厂平均年发电用水量。

（4）平台成果

①建立全厂节水智慧平台及专家数据库系统，实现了全面用水系统化管理。②建立全厂及各子系统实时动态平衡图实现不同用水单元的时、日、月、季、年等不同时段，以及不同用水单元、子系统以及全厂等不同等级的自动水平衡动态管理，建立水平衡测算模型，实时计算各系统的用水平衡，并给出指导性意见。③建立脱硫系统补水测算模型，分析影响脱硫水耗的主要因素，指导脱硫系统的补水，减少工艺水投入，降低水耗。④建立脱硫系统物料消耗模型，指导石灰石的投入，节省运行成本。⑤建立海水冷却循环水量测算模型，在不同的季节预测循环泵的运行模式，节省电耗。⑥建立绿化浇灌用水量标准，合理进行绿化浇灌，减少水资源浪费。⑦建立各系统的实时监控和诊断机制，对系统的运行进行监测和评估，并给出故障预测性诊断，节省时间成本。⑧利用大数据对用水系统的历史数据和实时数据进行管理，整理出不同用水单元及全厂的用水报表，便于运行分析，提高工作效率。