基于大数据预测的火电厂原水取水策略优化研究与应用

李锦峰

摘 要：广东粤电中山热电厂有限公司针对一般离子交换制水设备的设计方案不能解决原水电导率高的问题，在不更换和增加设备的基础上，根据取水河道潮汐水位和原水電导的综合数据分析，优化了原水取水的时间段，实行“贮淡避咸”的策略进行取水。这一策略可以保护制水设备寿命、满足用水量需求，既有历史数据的可参考性，又结合了地区潮汐水位变化的特点，因地制宜，保障了机组安全稳定运行，提高了企业的经济效益。

关键词：原水取水；咸潮；制水设备；海水倒灌；反渗透

中图分类号：TM728.3                            文献标识码：A                                  文章编号：2096-6903（2023）10-0101-03

1 研究背景

火电厂原水一般取自江河水，通过一系列净化手段提升水的品质以适应不同系统的需求。例如原水通过沉淀和初步过滤，送往冷却塔前池作为开式循环冷却水。或者通过更高精度的水处理，包括超滤、反渗透、精除盐等设备后，成为除盐水补往锅炉系统[1]。

江河水的品质十分重要，水质过差不仅会增大净化水的成本，也会加重水处理设备的负担。当水质十分恶劣时，甚至可能威胁锅炉和汽机系统的运行安全。因此一般火电厂都会配置一定的设备，在原水取水处就筑造第一道防线，如旋转滤网等，以防止大型的垃圾等杂物进入原水取水系统。此外，部分电厂原水取水也存在“咸潮”现象。

以广东粤电中山热电厂有限公司为例，黄沙沥水道水系分布图如图1所示。其取水自黄沙沥水道，与珠江流域相通，在每年的特定时间段（一般为冬季12月至次年3月），由于“海水倒灌”，发生“咸潮”，原水含盐量会随之大幅提升。咸潮期间，由于河水含盐量剧增，阴、阳床的运行周期和周期制水量大幅度下降，除盐水制备量亦随之大幅度减产，威胁着电厂的安全运行。

火电厂的阴、阳离子交换器内装填的阴、阳离子交换树脂数量是一定的，所以阴、阳离子交换器的总交换容量基本上是固定的。当这些设备的进水含盐量几倍乃至十几倍地升高时，阴、阳离子交换器的周期制水量就会相应地下降至原来的几分之一乃至十几分之一。而且还会因河水含盐量过大，造成阴、阳离子交换器（即阴、阳床）深度失效、再生困难。在短时间内，阴、阳床内的树脂保护层被穿透。如发现不及时，就会污染中间水箱和除盐水箱等设施。

特别值得注意的是，咸潮一旦出现，无法通过简单的过滤设备等进行防范。这是由于咸潮会将大量盐分带入江河水，而盐分在水中主要是以金属离子和氯根离子的形式存在，普通等级的过滤根本无法将盐分从水中过滤出去，而采用除盐设备又会极大地增加取水成本[2]。因此，针对咸潮最好的防范手段是避开咸潮的期间进行取水，理想的取水方式是在咸潮期间不取水或少取水，而咸潮一旦退去就立刻加大取水量，并且在咸潮即将来临时停止取水，最小限度取用含盐量高的原水。

咸潮来临时原水的电导率会迅速增加，这是含盐量高必然会导致的结果，因此通过监测原水电导率的升降，可以判断目前咸潮是否仍然存在。如果只是通过监测原水进水的电导率来判断是否咸潮仍存在，存在一定的缺陷。其对咸潮的判断有局限性，因为要监测原水的电导率需要从黄沙沥水道源源不断地采取水样，这就需要保持补给水泵的运行，从而增大耗电量。采取的水样如果含盐量较高，那么利用手段也是十分有限，也十分不经济。若补给水泵不能一直保持运行，就会导致对咸潮的判断也存在滞后性。如果咸潮退去，也无法第一时间做出准确判断。

因此需要对咸潮来临的规律进行探索，以求对咸潮的来临做出准确的预判。考虑到咸潮来临本质是由于海水倒灌引起，而海水倒灌体现在水位变化上，可以通过对黄沙沥水道的潮汐和咸潮之间的关系进行比对，尝试寻找规律。2023年3月15日至2023年3月20日的黄沙沥水道水位（即吸水口液位）、进水电导率和中山潮汐水位（中国海事服务网发布的横门潮汐表，横门位于图1珠江口附近，距黄沙沥约28 km）的关系曲线如图2所示。

分析图2的数据，得到以下4点结论。第一，河道水位在一天内会有两次涨退潮，周期性比较明显，其中一次涨退潮水位变化会相对更大一些，黄沙沥水道水位（即吸水口液位）与横门潮汐表变化趋势基本一致。

第二，电导率会随着潮汐水位变化也呈现周期性变化，但是两者的波峰波谷并不重叠，将电导率曲线往X轴（时间）负方向前移5 h，见图2虚线，波峰波谷基本一致。

第三，电导率随潮汐水位上升而升高，随潮汐水位下降而降低，即河水含盐量和河水涨退潮是有联系的。这为提前判断河水含盐量变化提供了可靠的依据。

第四，海水倒灌（珠江口）与黄沙沥之间的距离决定了电导率与液位峰值存在5 h的时差。涨退潮的情况能提前从中国海事服务网获取，虽然天气变化会对其产生一定的干扰，但是总体来说可以较为准确地获知涨退潮情况。

2 研究步骤

通过对潮汐水位的变化进行分析进而判断河水含盐量在理论上是可行的，但是只通过少量的数据来进行估计是不准确的。因此需要通过收集大量的数据，拟合出潮汐水位和含盐量的关系曲线，进而在曲线的基础上提前判断出含盐量变化趋势，以“贮淡避咸”作为基本思路，进行取水调整。具体的操作步骤如下。

2.1 收集历史数据

收集前几年咸潮期间的水位记录和进水电导率数据，以周为单位进行整理划分。以周为单位是因为不同时间段的咸潮来临时间和含盐量上涨程度是不同的，需要进行划分以作详细区分。

2.2 曲线拟合

将上述整理好的数据拟合成水位和电导率之间的关系曲线，探寻其中的规律。考虑到测量可能存在一定的误差，并且不是每個时间点都取水，电导率的数据可能存在偏离，因此曲线需要进行调整。其主要目的是拟合出一条可以查找判断规律的曲线。

2.3 曲线分析

由于不同时间段的咸潮来临时间不同，并且含盐量上涨情况也会存在区别，因此以周为单位会得到大量的曲线。通过对曲线的统计分析，理想情况是得到的曲线可以清晰地反映出随着潮汐水位的上涨，含盐量也上升，虽然时间上可能存在偏差，但是在一定的时间段内两者的变化是同步的。在分析曲线的基础上，通过接下来的潮汐数据，可以进一步绘制出含盐量变化的预测图。

2.4 优化取水策略

在得到河水含盐量变化的预测表后，就可以通过“贮淡避咸”的策略进行取水优化。在判断河水含盐量即将大幅上升时，则提前停止取水。在判断河水含盐量即将大幅下降时，立刻以最大取水量进行补水，以保证取到的水样都是相对含盐量较低的。在下一波含盐量上升之前，尽量将清水池和前池补充至最高水位。在判断河水含盐量相对会下降，但是仍然会增加阴阳床负担的情况下，也可以将含盐量相对较低的水通过沉淀和过滤补往冷却塔前池。因为相对于大量盐分对阴阳床的损耗相比，盐分对凝汽器的损害相对较小，并且冷却塔的蒸发量是相对较大的，长期不补水是不实际的。

目前来说，据含盐量变化趋势的取水方式，进水电导率在1 000～1 500 μs/cm的上限之下都是可以接受的。当然也不是含盐量一下降就可以进行取水，因为冬季咸潮严重的时间段，电导率可达5 000 μs/cm以上，从电导率开始下降至合格值需要一定的时间。因此仅仅是对咸潮的变化趋势进行预估是不够的。如果收集的数据足够多，拟合的曲线足够精准，就可以对电导率的数据进行较为精确的预判，从而最大化优化取水的策略。

通过分析，潮汐达到最小值开始取水，随着液位上涨，进水电导率达到1 500 μs/cm左右停止取水，直到下次潮汐达到最小值再次取水。取水方式如图2所示，上三角点为开始取水的时间点，下三角点为停止取水的时间点。在理想的情况下，不仅取水的水质完全合格，并且开始取水的时间和停止取水的时间也是最贴合需要的。在此基础上进一步进行优化，可以规划最佳的取水方案。

3 优化取水策略的必要性分析

针对冬季海水倒灌引起的电厂原水取水含盐量升高问题，可通过收集大量数据，比较电导率升高情况和潮汐水位的变化关系，推测出不同时间段河水含盐量的变化趋势，优化取水策略，从而达到“贮淡避咸”的目的。

水质含盐量高，反渗透膜工作环境恶化，损耗增加，为达到之前相同的净化效果，需要更大的压力，从而需要增加泵的出力，增加了电能损耗。根据广东粤电中山热电厂有限公司最初的设计，在冬季海水倒灌期间，可能需要采用浓水增压泵以增加渗透压。采用优化后的取水方式，可以避免使用浓水增加泵，极大减少了制水成本。此外反渗透在含盐量高的情况下长期工作，可能导致反渗透膜性能下降，严重情况下甚至会损伤反渗透膜。当检查到反渗透出力下降，一般需要厂家或相关维护人员对反渗透进行清洗或者进行修复，从而增加反渗透的维护成本。在优化取水策略后，反渗透维护频率可由每年2次降至每年1次，且不要大量更换失效的反渗透膜，每年可节约成本约12万元。

相较于反渗透的损伤，阴阳床的损耗随河水含盐量上升而增加的程度也非常明显。根据比较以往的数据，阳床、阴床再生后制水量能达到16万t、6万t，咸潮期间若不采取措施，制水量5万t、2万t甚至更少，阴阳床就会快速失效。

优化取水策略后，制水量可大致恢复至正常水平。每次再生阴阳床需要消耗大量除盐水和酸碱液，再加上水泵耗电和废水处理的成本，综合下来每年可减少约3万元。若水质持续较差，阴阳床可能出现树脂大量失效的情况，严重情况下普通再生无法恢复树脂的性能。对此需要完全更换阴阳床的树脂，而优化的取水策略可有效避免此类问题的出现。

在之前咸潮频繁来临的时期，为保障安全用水，当清水池水位下降至3.5 m时会采取用自来水补水的策略。这一方面增加了补水的成本，另一方面也增大了自来水消耗量，影响节水型企业的申报。若咸潮期间采用自来水补水，每年咸潮期间增加的用水成本约2万元，而优化后的取水策略可以做到几乎不使用自来水进行补水，不仅减少了成本，更维护了企业在社会面的形象。

4 应用情况

自2018年冬季发现海水倒灌引起电厂原水取水含盐量升高的现象以来，广东粤电中山热电厂便投入该方案。运行至今，每逢冬季咸潮期间，根据潮汐时间和电导数据综合分析，电厂原水取水一直维持电导率在800～1 500 μs/cm，其中电导率在800 μs/cm以下，原水经处理后进入清水池，电导率在1 500 μs/cm以下则进入冷却塔补水。

应用此方案期间，超滤、反渗透、阴床阳床混床一直运行正常，化学制水设备的运行周期和周期制水量未出现大幅度下降，除盐水制备量亦未大幅度减产，几乎未使用自来水作为清水池补水，开式循环水系统运行无结垢、无损坏等故障，设备可靠性较高。

参考文献

[1] 丁桓如，杜方正，王礼海.膜技术在我国电厂水处理中的应用现状和前景[J].上海电力学院学报，2002，18（3）：24-28.

[2] 李沛文.火电厂预防咸潮保障化学除盐设备安全运行的探讨[J].电力建设，2000（11）：43-44+47.