基于大數據預測的火電廠原水取水策略優化研究與應用

李錦峰

摘 要：廣東粵電中山熱電廠有限公司針對一般離子交換制水設備的設計方案不能解決原水電導率高的問題，在不更換和增加設備的基礎上，根據取水河道潮汐水位和原水電導的綜合數據分析，優化了原水取水的時間段，實行“貯淡避咸”的策略進行取水。這一策略可以保護制水設備壽命、滿足用水量需求，既有歷史數據的可參考性，又結合了地區潮汐水位變化的特點，因地制宜，保障了機組安全穩定運行，提高了企業的經濟效益。

關鍵詞：原水取水；咸潮；制水設備；海水倒灌；反滲透

中圖分類號：TM728.3? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：2096-6903（2023）10-0101-03

1 研究背景

火電廠原水一般取自江河水，通過一系列凈化手段提升水的品質以適應不同系統的需求。例如原水通過沉淀和初步過濾，送往冷卻塔前池作為開式循環冷卻水。或者通過更高精度的水處理，包括超濾、反滲透、精除鹽等設備后，成為除鹽水補往鍋爐系統[1]。

江河水的品質十分重要，水質過差不僅會增大凈化水的成本，也會加重水處理設備的負擔。當水質十分惡劣時，甚至可能威脅鍋爐和汽機系統的運行安全。因此一般火電廠都會配置一定的設備，在原水取水處就筑造第一道防線，如旋轉濾網等，以防止大型的垃圾等雜物進入原水取水系統。此外，部分電廠原水取水也存在“咸潮”現象。

以廣東粵電中山熱電廠有限公司為例，黃沙瀝水道水系分布圖如圖1所示。其取水自黃沙瀝水道，與珠江流域相通，在每年的特定時間段（一般為冬季12月至次年3月），由于“海水倒灌”，發生“咸潮”，原水含鹽量會隨之大幅提升。咸潮期間，由于河水含鹽量劇增，陰、陽床的運行周期和周期制水量大幅度下降，除鹽水制備量亦隨之大幅度減產，威脅著電廠的安全運行。

火電廠的陰、陽離子交換器內裝填的陰、陽離子交換樹脂數量是一定的，所以陰、陽離子交換器的總交換容量基本上是固定的。當這些設備的進水含鹽量幾倍乃至十幾倍地升高時，陰、陽離子交換器的周期制水量就會相應地下降至原來的幾分之一乃至十幾分之一。而且還會因河水含鹽量過大，造成陰、陽離子交換器（即陰、陽床）深度失效、再生困難。在短時間內，陰、陽床內的樹脂保護層被穿透。如發現不及時，就會污染中間水箱和除鹽水箱等設施。

特別值得注意的是，咸潮一旦出現，無法通過簡單的過濾設備等進行防范。這是由于咸潮會將大量鹽分帶入江河水，而鹽分在水中主要是以金屬離子和氯根離子的形式存在，普通等級的過濾根本無法將鹽分從水中過濾出去，而采用除鹽設備又會極大地增加取水成本[2]。因此，針對咸潮最好的防范手段是避開咸潮的期間進行取水，理想的取水方式是在咸潮期間不取水或少取水，而咸潮一旦退去就立刻加大取水量，并且在咸潮即將來臨時停止取水，最小限度取用含鹽量高的原水。

咸潮來臨時原水的電導率會迅速增加，這是含鹽量高必然會導致的結果，因此通過監測原水電導率的升降，可以判斷目前咸潮是否仍然存在。如果只是通過監測原水進水的電導率來判斷是否咸潮仍存在，存在一定的缺陷。其對咸潮的判斷有局限性，因為要監測原水的電導率需要從黃沙瀝水道源源不斷地采取水樣，這就需要保持補給水泵的運行，從而增大耗電量。采取的水樣如果含鹽量較高，那么利用手段也是十分有限，也十分不經濟。若補給水泵不能一直保持運行，就會導致對咸潮的判斷也存在滯后性。如果咸潮退去，也無法第一時間做出準確判斷。

因此需要對咸潮來臨的規律進行探索，以求對咸潮的來臨做出準確的預判。考慮到咸潮來臨本質是由于海水倒灌引起，而海水倒灌體現在水位變化上，可以通過對黃沙瀝水道的潮汐和咸潮之間的關系進行比對，嘗試尋找規律。2023年3月15日至2023年3月20日的黃沙瀝水道水位（即吸水口液位）、進水電導率和中山潮汐水位（中國海事服務網發布的橫門潮汐表，橫門位于圖1珠江口附近，距黃沙瀝約28 km）的關系曲線如圖2所示。

分析圖2的數據，得到以下4點結論。第一，河道水位在一天內會有兩次漲退潮，周期性比較明顯，其中一次漲退潮水位變化會相對更大一些，黃沙瀝水道水位（即吸水口液位）與橫門潮汐表變化趨勢基本一致。

第二，電導率會隨著潮汐水位變化也呈現周期性變化，但是兩者的波峰波谷并不重疊，將電導率曲線往X軸（時間）負方向前移5 h，見圖2虛線，波峰波谷基本一致。

第三，電導率隨潮汐水位上升而升高，隨潮汐水位下降而降低，即河水含鹽量和河水漲退潮是有聯系的。這為提前判斷河水含鹽量變化提供了可靠的依據。

第四，海水倒灌（珠江口）與黃沙瀝之間的距離決定了電導率與液位峰值存在5 h的時差。漲退潮的情況能提前從中國海事服務網獲取，雖然天氣變化會對其產生一定的干擾，但是總體來說可以較為準確地獲知漲退潮情況。

2 研究步驟

通過對潮汐水位的變化進行分析進而判斷河水含鹽量在理論上是可行的，但是只通過少量的數據來進行估計是不準確的。因此需要通過收集大量的數據，擬合出潮汐水位和含鹽量的關系曲線，進而在曲線的基礎上提前判斷出含鹽量變化趨勢，以“貯淡避咸”作為基本思路，進行取水調整。具體的操作步驟如下。

2.1 收集歷史數據

收集前幾年咸潮期間的水位記錄和進水電導率數據，以周為單位進行整理劃分。以周為單位是因為不同時間段的咸潮來臨時間和含鹽量上漲程度是不同的，需要進行劃分以作詳細區分。

2.2 曲線擬合

將上述整理好的數據擬合成水位和電導率之間的關系曲線，探尋其中的規律。考慮到測量可能存在一定的誤差，并且不是每個時間點都取水，電導率的數據可能存在偏離，因此曲線需要進行調整。其主要目的是擬合出一條可以查找判斷規律的曲線。

2.3 曲線分析

由于不同時間段的咸潮來臨時間不同，并且含鹽量上漲情況也會存在區別，因此以周為單位會得到大量的曲線。通過對曲線的統計分析，理想情況是得到的曲線可以清晰地反映出隨著潮汐水位的上漲，含鹽量也上升，雖然時間上可能存在偏差，但是在一定的時間段內兩者的變化是同步的。在分析曲線的基礎上，通過接下來的潮汐數據，可以進一步繪制出含鹽量變化的預測圖。

2.4 優化取水策略

在得到河水含鹽量變化的預測表后，就可以通過“貯淡避咸”的策略進行取水優化。在判斷河水含鹽量即將大幅上升時，則提前停止取水。在判斷河水含鹽量即將大幅下降時，立刻以最大取水量進行補水，以保證取到的水樣都是相對含鹽量較低的。在下一波含鹽量上升之前，盡量將清水池和前池補充至最高水位。在判斷河水含鹽量相對會下降，但是仍然會增加陰陽床負擔的情況下，也可以將含鹽量相對較低的水通過沉淀和過濾補往冷卻塔前池。因為相對于大量鹽分對陰陽床的損耗相比，鹽分對凝汽器的損害相對較小，并且冷卻塔的蒸發量是相對較大的，長期不補水是不實際的。

目前來說，據含鹽量變化趨勢的取水方式，進水電導率在1 000～1 500 μs/cm的上限之下都是可以接受的。當然也不是含鹽量一下降就可以進行取水，因為冬季咸潮嚴重的時間段，電導率可達5 000 μs/cm以上，從電導率開始下降至合格值需要一定的時間。因此僅僅是對咸潮的變化趨勢進行預估是不夠的。如果收集的數據足夠多，擬合的曲線足夠精準，就可以對電導率的數據進行較為精確的預判，從而最大化優化取水的策略。

通過分析，潮汐達到最小值開始取水，隨著液位上漲，進水電導率達到1 500 μs/cm左右停止取水，直到下次潮汐達到最小值再次取水。取水方式如圖2所示，上三角點為開始取水的時間點，下三角點為停止取水的時間點。在理想的情況下，不僅取水的水質完全合格，并且開始取水的時間和停止取水的時間也是最貼合需要的。在此基礎上進一步進行優化，可以規劃最佳的取水方案。

3 優化取水策略的必要性分析

針對冬季海水倒灌引起的電廠原水取水含鹽量升高問題，可通過收集大量數據，比較電導率升高情況和潮汐水位的變化關系，推測出不同時間段河水含鹽量的變化趨勢，優化取水策略，從而達到“貯淡避咸”的目的。

水質含鹽量高，反滲透膜工作環境惡化，損耗增加，為達到之前相同的凈化效果，需要更大的壓力，從而需要增加泵的出力，增加了電能損耗。根據廣東粵電中山熱電廠有限公司最初的設計，在冬季海水倒灌期間，可能需要采用濃水增壓泵以增加滲透壓。采用優化后的取水方式，可以避免使用濃水增加泵，極大減少了制水成本。此外反滲透在含鹽量高的情況下長期工作，可能導致反滲透膜性能下降，嚴重情況下甚至會損傷反滲透膜。當檢查到反滲透出力下降，一般需要廠家或相關維護人員對反滲透進行清洗或者進行修復，從而增加反滲透的維護成本。在優化取水策略后，反滲透維護頻率可由每年2次降至每年1次，且不要大量更換失效的反滲透膜，每年可節約成本約12萬元。

相較于反滲透的損傷，陰陽床的損耗隨河水含鹽量上升而增加的程度也非常明顯。根據比較以往的數據，陽床、陰床再生后制水量能達到16萬t、6萬t，咸潮期間若不采取措施，制水量5萬t、2萬t甚至更少，陰陽床就會快速失效。

優化取水策略后，制水量可大致恢復至正常水平。每次再生陰陽床需要消耗大量除鹽水和酸堿液，再加上水泵耗電和廢水處理的成本，綜合下來每年可減少約3萬元。若水質持續較差，陰陽床可能出現樹脂大量失效的情況，嚴重情況下普通再生無法恢復樹脂的性能。對此需要完全更換陰陽床的樹脂，而優化的取水策略可有效避免此類問題的出現。

在之前咸潮頻繁來臨的時期，為保障安全用水，當清水池水位下降至3.5 m時會采取用自來水補水的策略。這一方面增加了補水的成本，另一方面也增大了自來水消耗量，影響節水型企業的申報。若咸潮期間采用自來水補水，每年咸潮期間增加的用水成本約2萬元，而優化后的取水策略可以做到幾乎不使用自來水進行補水，不僅減少了成本，更維護了企業在社會面的形象。

4 應用情況

自2018年冬季發現海水倒灌引起電廠原水取水含鹽量升高的現象以來，廣東粵電中山熱電廠便投入該方案。運行至今，每逢冬季咸潮期間，根據潮汐時間和電導數據綜合分析，電廠原水取水一直維持電導率在800～1 500 μs/cm，其中電導率在800 μs/cm以下，原水經處理后進入清水池，電導率在1 500 μs/cm以下則進入冷卻塔補水。

應用此方案期間，超濾、反滲透、陰床陽床混床一直運行正常，化學制水設備的運行周期和周期制水量未出現大幅度下降，除鹽水制備量亦未大幅度減產，幾乎未使用自來水作為清水池補水，開式循環水系統運行無結垢、無損壞等故障，設備可靠性較高。

參考文獻

[1] 丁桓如，杜方正，王禮海.膜技術在我國電廠水處理中的應用現狀和前景[J].上海電力學院學報，2002，18（3）：24-28.

[2] 李沛文.火電廠預防咸潮保障化學除鹽設備安全運行的探討[J].電力建設，2000（11）：43-44+47.