節(jié)水智慧平臺在火電廠的應用

王小航 陳卓彬

（1 湛江中粵能源有限公司 廣東湛江 524033 2 廣州居云山信息科技有限公司 廣東廣州 510700）

引言

本文以湛江中粵能源有限公司為例，介紹火電廠的給排水現狀，結合電廠近年的給排水管理工作中存在的問題，提出建設節(jié)水智慧平臺。總結了建設節(jié)水智慧平臺實施及運行實踐情況。

1 改造前現狀

1.1 給排水現狀

湛江中粵能源有限公司現有兩臺630MW 機組，機組凝汽器及閉式工業(yè)水系統采用海水直流供水冷卻，廢氣治理采用石灰石-石膏濕法脫硫、靜電+布袋復合型除塵器（二電二袋）脫硝、濕式電除塵（WESP）及低低溫省煤器（MGGH）。全廠污廢水治理設施完善，并已完成全廠廢水零排放改造。湛江中粵能源有限公司生活用水為市政自來水，生產用水采用湛江赤坎水質凈化廠中水為水源，地下水作為備用水源。

湛江赤坎水質凈化廠旁設置中水提升泵房，中水經提升泵升壓后，通過管道輸送至廠區(qū)，在電廠內經混凝、澄清、過濾處理后輸送至工業(yè)消防水池。工業(yè)消防水池水主要用于鍋爐補給水系統用水、消防系統用水、脫硫系統補充水、廠區(qū)綠化用水、鍋爐排污系統減溫水、循泵冷卻系統水箱補水、灰渣調濕系統用水、氨區(qū)系統用水和其他雜用水等。

按照廢水的來源劃分，機組產生的各類污廢水主要可分為：凈水站反洗和排泥水、化學除鹽車間排放的廢水、工藝冷卻水外排水、脫硫廢水、含煤廢水、含油廢水、生活廢水等雜排水。

（1）凈水站產生的廢水包括：曝氣生物濾池反洗水、機械加速澄清池排泥水、石英砂濾池反洗水；（2）化學除鹽水系統產生的廢水包括：超濾裝置反洗水和濃水、反滲透沖洗水和反滲透濃排水、混床再生廢水、精處理再生廢水、鍋爐排污水、化學取樣水等；（3）循泵補充水池溢流水：雜用水系統的排水；（4）脫硫廢水：濕法煙氣脫硫中維持漿液濃度而必須排放的廢水；（5）含煤廢水：輸煤系統皮帶棧橋沖洗和輸煤區(qū)域沖洗所產生的廢水；（6）含油廢水：主要為主變含油廢水坑排水產生的含油廢水；（7）生活廢水：生產區(qū)域和生活區(qū)域所產生的生活廢水。

1.2 節(jié)水改造目標

火電廠水務管理的主要目標是提高用水效率，達到節(jié)水和廢水減排的目的。要達到這一目標，需要制訂各系統的用水指標。湛江中粵能源有限公司作為在役機組，要制訂節(jié)水細則，各用水、排水系統應設置流量計量和水質監(jiān)測裝置，在確保機組安全運行的前提下，實現節(jié)水減排。應重視水平衡測試并形成制度化，對全廠用水和排水的水量、水質進行有效監(jiān)控，加強對生產和非生產用水的計量和管理，建立健全各級節(jié)水統計報表體系，并及時分析數據，指導補水、排水工序的正常操作，落實各項水務管理指標。湛江中粵能源有限公司的水務管理目標主要包括以下幾點：

（1）根據國家和地方的相關政策要求，制訂適合本廠的用水管理制度。系統配備的各種水量、水質的計量與檢測儀器儀表應定期校驗，用水計量儀表校驗和維護記錄形成臺賬；檢測所用標準藥劑符合要求，保證檢測數據真實有效。

（2）定期進行水平衡試驗。火電廠應定期進行水平衡試驗，掌握全廠用水、耗水、排水狀況，及時發(fā)現不合理用水問題。通過水平衡優(yōu)化，合理調配全廠新鮮水及廢水資源，挖掘節(jié)水潛力點，降低設備自用水量。對各系統排水進行梯級利用，減少不合理用水和排水。

（3）對廢水處理設施、設備定期維護，加強用水管理。在運行過程中，廢水處理設置設備要進行必要的維護，以保證其投入率和正常運行，確保對全廠廢水資源進行處理回用和梯級利用。

（4）采用更加節(jié)水、環(huán)保的新技術、新工藝，對電廠用水系統進行節(jié)水技術改造，降低全廠平均年發(fā)電用水量和廢水排放量。

國務院發(fā)布的《水污染防治行動計劃》對企業(yè)嚴控用水總量、抓好工業(yè)用水、提升用水效率提出了更高要求，需要完善主要用、排水系統計量裝置，實現主要供、排水系統流量的監(jiān)視和數據記錄，通過及時、準確地檢測，為用水管理提供可靠信息，提高電廠管理水平[1]。但由于設計及歷史原因，湛江中粵能源有限公司用水系統安裝的流量計數量較少，已安裝的流量表計也存在選型不當、安裝位置不規(guī)范、計量不準確等問題，導致無法及時、準確地監(jiān)測全廠用水情況，未能發(fā)揮應有的作用。

2020 年，為了實現節(jié)約用水的目標，提高水的重復利用率，電廠優(yōu)化了全廠水平衡系統，在充分利用原有設備的基礎上，通過改造和新購設備，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和復用，實現了水資源的梯級利用，少量難以回用的廢水作為脫硫系統的工藝補水。脫硫系統末端產生高倍率濃縮的高鹽廢水，通過旁路煙道蒸發(fā)固化，從而基本實現全廠廢水零排放。

2 節(jié)水智慧平臺

2.1 節(jié)水智慧平臺搭建必要性

（1）目前電廠水處理系統雖已普遍采用自動控制系統，但大部分自控系統僅有數據采集及簡單連鎖控制功能，在實際生產過程中，更多以運行人員經驗為主，往往不能實現真正的自動控制，不具備分析問題能力。“節(jié)水智慧平臺”側重于“智慧”，強調“自動化、信息化、智能化”建設。“智慧”理念成為節(jié)約用水，實現管理能力提升的關鍵因素。

（2）雖然電廠已經進行全廠廢水零排放改造工作，但全廠存在多個用水單元（系統），各個用水點的用水量、水質、用水高峰都不一樣；大滯后性、波動性、干擾嚴重是全廠廢水零排放控制的難點。

（3）由于各個用水單元分屬化學、汽機、環(huán)保等不同專業(yè)管理，各專業(yè)之間信息彼此孤立，上下串聯的響應時間較長，不利于系統化管理。在全廠的節(jié)水工作中，統籌管理、協作調度起著至關重要的作用。

綜上，建立全廠取水、用水、排水綜合管理系統，搭建節(jié)水智慧平臺，統一管理全廠的用排水量，協調各個用排水單元，做好實時全廠水平衡工作對提高電廠用排水信息化、智能化管理有著重要意義。

2.2 節(jié)水智慧平臺實施

節(jié)水智慧平臺是指通過信息化、網絡化、可視化技術，運用大數據、智能算法、智能決策等技術手段，采集、分析、判斷和決策涉水系統的運行操作，最終實現全廠范圍內各涉水系統生產過程最優(yōu)化運行。

節(jié)水智慧平臺總體架構分為四層結構，第一層為終端儀表，即信息感知層，通過計量設施獲取瞬時水量、累計流量、水質、壓力等信息，合理、全面布局，獲取重要節(jié)點數據；第二層為信息傳輸層，信息傳輸采用無線遠傳方式，利用最新的物聯網技術，支持待機時間長、對網絡連接要求較高設備的高效連接；第三層為數據中心，數據匯集及分析數據管理中心，借助智能節(jié)水平臺，進行優(yōu)化運行控制策略，決策優(yōu)化；第四層為管理應用層，包括業(yè)務服務層，結合實際工作需要，搭建相應的應用系統功能。

湛江中粵能源有限公司各個涉水系統（如曝氣生物濾池、超濾、反滲透、精處理等系統）均需要對其進出水量、進出水質等進行監(jiān)控，為此，從技術層面節(jié)水智慧平臺搭建由三部分組成。分別為數據監(jiān)測系統、數據處理平臺及專家?guī)臁?/p>

（1）完善監(jiān)測系統

湛江中粵能源有限公司用水監(jiān)測系統尚不完備，從而導致部分數據輸入依靠人工，數據信息不具有時效性的問題。為了解決并完善時效性滯后的問題，首先根據水平衡導則要求，對最新的水平衡圖進行梳理，查找現行系統運轉工況下，暫無法計量監(jiān)控的關鍵節(jié)點。在需要配備計量監(jiān)控的關鍵位置處，通過新增在線流量計、水質分析儀，解決用水監(jiān)測系統尚不完備，部分數據依靠人工導入的問題；同時新建數據實時采集系統，解決數據信息時效滯后的問題；收集歷史資料數據和現有的生產技術資料，通過采集全廠各流量表計、在線水質檢測儀表數據，建立全廠動態(tài)水平衡模型（一級、二級水平衡模型），實時掌握全廠用排水信息。

（2）搭建數據處理平臺

數據處理平臺主要由門戶管理、平衡圖管理、數據采集管理、數據信息管理、水務臺賬信息管理、監(jiān)測預警與應急管理、大數據統計分析管理等功能模塊組成。

①門戶管理：本系統進入操作的門戶，查詢公共信息。系統通過門戶設置，可以根據單位發(fā)展的不同階段，配套搭建相應的信息門戶，實現門戶的個性化、階段化應用，如個人門戶、部門門戶、單位門戶、領導門戶、關聯門戶等等，從而實現將有用的信息自動推送給有需要的人；有權限限制的信息自動推送給有權限的人。

②平衡圖管理：全廠及各分系統的平衡圖信息管理，包括基礎信息管理、信息標注管理、動態(tài)信息顯示管理；全廠及各分系統的平衡圖信息管理，有助于建立全廠及各分系統實時水平衡，有助于編制全廠動態(tài)水平衡測算方案，實現動態(tài)水平衡測試。測試建立全廠及各分系統用水平衡，對關鍵耗水系統建立耗水模型，指導系統補水，針對性提出節(jié)水措施；為電廠實現全廠水平衡的動態(tài)、實時測算及歷史水平衡回顧計算，達到對全廠供用水的全面監(jiān)控及水平衡計算功能。

③數據采集管理：數據通信管理、數據存儲管理、數據實時預警管理。節(jié)水智慧平臺數據采集的目的是為了測量瞬時水量、累計流量、水質、壓力等物理信息，數據通信管理，是指從傳感器和其它待測設備等模擬和數字被測單元中自動采集信息的過程。在日常監(jiān)測過程中，除了讀取簡單的儀表數值這類基礎功能，還需要對一段時間的數據進行科學的分析和處理以取得預測和分析的目的。在這種情況下，可能要求監(jiān)測時間長，采集要求自動進行，無需人工值守，所有數據必須自動存儲。若數據采集系統采集到明顯偏離預期的數值，在排除系統異常后，還需能實現數據異常實時預警，以便及時排除系統故障，避免偏離數值進入存儲單元。

④數據信息管理：實時數據、歷史數據、數據變化曲線圖、數據查詢。該模塊用于查詢電廠內瞬時水量、累計流量、水質等物理信息的實時數據、相關標準、警戒范圍和運行狀態(tài)，當某個項目偏離正常范圍值時，則該項目的實時數據以紅色顯示。查詢電廠各系統某個時間段的小時均值、日均值、月均值、年均值，以列表和曲線的形式顯示。同時，還可以將一個系統不同時間段的數據以及多個系統同一時間段的數據以對比曲線的形式顯示。如果選擇時間為小時，可查詢某站點的歷史小時數據，數據可打印或導出到Excel 中[2]。

⑤全廠水務臺賬信息管理：根據需求，將全廠用水耗水信息以臺賬形式展示。搭建全廠各用水系統基礎數據庫，對取水系統實行“建庫建檔”管理，全面梳理和完善全省用水系統耗水量信息，完善和更新用水系統信息，及時登記錄入新增用水系統信息。建立用水系統和區(qū)域取水電子臺賬，通過監(jiān)測數據采集，形成并存儲形成的各用水系統取水電子臺賬和全廠、部門、各專業(yè)系統各級取水電子臺賬。

⑥監(jiān)測預警與應急管理：預警策略信息管理、預警管理、預警事件管理、處置預案管理、應急資源管理、事件處置管理。報警瀏覽器對用水系統報警信息可以按時間、類型、地區(qū)、級別等條件進行過濾查詢，主要查詢用水系統異常倍數和異常次數報警。異常倍數報警是按報警級別顯示一段時間內全廠異常用水系統、異常項目、異常倍數和異常發(fā)生的時間等信息。異常次數報警是按報警級別，顯示一段時間內全廠異常用水系統、異常項目和異常次數等信息。系統將報警類型分為網絡故障報警、設備運行異常報警、異常報警及缺數報警等類型，系統提供報警確認及誤報刪除的功能[2]。

⑦大數據統計分析管理：綜合查詢管理、統計分析管理。大數據統計分析模型庫是統一存放和管理多種目的、用途的模型集合，模型之間相互獨立卻又彼此聯系，共同運行，以解決復雜的用水耗水模型分析問題。按不同的功能分類，模型庫中主要包含評價、模擬、優(yōu)化、預測等模型。這4 種模型作為基礎單元，構建起整個模型庫體系，且共同構成大數據分析平臺的多個子模型模塊，如用水耗水評價、調配，以及水質水量預測等模塊，為大數據分析平臺的業(yè)務應用提供專業(yè)的決策依據[3]。

（3）建立專家數據庫

智慧平臺配備的專家數據庫能夠存儲大量的運行數據，并對各系統的歷史數據進行統計分析，將實時數據與歷史數據對比，評估系統目前的運行狀態(tài)，并作出指導性決策，有助于運行工作人員及時發(fā)現運行過程中產生的問題，及時調整運行條件，保證系統持續(xù)穩(wěn)定運行，節(jié)省人力和時間成本。

火力發(fā)電廠的機組平均年發(fā)電用水量的高低直接影響對電廠水資源的有效利用，而在電廠現有設備環(huán)境下，影響電廠機組平均年發(fā)電用水量的因素有很多。因此，要更好地對電廠機組耗水率進行預測，必須建立一個合適的數學模型[4]。從數學模型的角度出發(fā)，利用多元線性回歸方法來計算影響機組平均年發(fā)電用水量的各種因素對其的影響程度，從而達到對機組平均年發(fā)電用水量的有效預測。根據相關標準規(guī)范或理論依據建立全廠及分系統的耗水標準或關鍵點耗水模型，通過各系統的運行環(huán)境和系統的出入口條件，推斷出系統的用水量，指導系統用水計劃。同時結合專家數據庫歷史運行數據信息，分析系統歷史運行狀態(tài)，不斷修正完善耗水模型，增加模型的準確性和可靠性。數據建模實現了全廠的用水精細化管理，建立了各系統的用水量標準，對各系統的用水提出了指導性建議，減少不必要的水資源浪費。通過數學模型將各系統的用水量及其影響因素關聯起來，有助于各系統的運行評估和故障診斷。通過建立標準化和通用化全廠智慧節(jié)水節(jié)能平臺和不斷更新的專家數據庫系統，打通全廠用水系統，完成全廠用水系統化管理，降低全廠平均年發(fā)電用水量。

（4）平臺成果

①建立全廠節(jié)水智慧平臺及專家數據庫系統，實現了全面用水系統化管理。②建立全廠及各子系統實時動態(tài)平衡圖實現不同用水單元的時、日、月、季、年等不同時段，以及不同用水單元、子系統以及全廠等不同等級的自動水平衡動態(tài)管理，建立水平衡測算模型，實時計算各系統的用水平衡，并給出指導性意見。③建立脫硫系統補水測算模型，分析影響脫硫水耗的主要因素，指導脫硫系統的補水，減少工藝水投入，降低水耗。④建立脫硫系統物料消耗模型，指導石灰石的投入，節(jié)省運行成本。⑤建立海水冷卻循環(huán)水量測算模型，在不同的季節(jié)預測循環(huán)泵的運行模式，節(jié)省電耗。⑥建立綠化澆灌用水量標準，合理進行綠化澆灌，減少水資源浪費。⑦建立各系統的實時監(jiān)控和診斷機制，對系統的運行進行監(jiān)測和評估，并給出故障預測性診斷，節(jié)省時間成本。⑧利用大數據對用水系統的歷史數據和實時數據進行管理，整理出不同用水單元及全廠的用水報表，便于運行分析，提高工作效率。

結語

在電廠水源緊缺的背景下，通過節(jié)水智慧平臺的運用、節(jié)水與廢水綜合治理及廢水零排放系統改造，提高了水資源的利用率，減少水資源浪費。全廠平均年發(fā)電用水量由2020 年的0.43m3/MWh 下降至2021 年的0.379m3/MWh，節(jié)水效果顯著。