2.2 節(jié)水設(shè)計和優(yōu)化運行

循環(huán)冷卻水系統(tǒng)用水占電廠總用水的70%~90%，具有較大的節(jié)水潛力，循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的水損失主要有3種：蒸發(fā)損失、風(fēng)吹損失、排污損失，三者之和約等于整個循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的補水量。

蒸發(fā)損失量約占循環(huán)水量的1.2%~1.6%，受氣溫影響，沒有較好的方法進行回收；風(fēng)吹損失量約占循環(huán)水量的0.3%~0.5%，若安裝收水器可降至0.1%，這部分水量較小可忽略。循環(huán)冷卻水系統(tǒng)耗水、補水、排水受到濃縮倍率的影響，其具體關(guān)系見式（6）、（7）。

循環(huán)冷卻水系統(tǒng)排水量Qp圖片：

循環(huán)冷卻塔補給水量圖片Qb圖片：

式中：Qx——循環(huán)水量，m3/h；K ——濃縮倍率；e ——蒸發(fā)損失系數(shù)，與氣溫有關(guān)，℃-1；Δt ——冷卻塔進出口溫度差，℃；r ——風(fēng)吹損失系數(shù)。

通過在循環(huán)冷卻水系統(tǒng)中添加緩蝕劑和阻垢劑等處理方法來提高循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的濃縮倍率，從而降低用水量，電廠單350 MW機組的濃縮倍率對應(yīng)的排污率見表3。

電廠一期循環(huán)冷卻水系統(tǒng)有6座自然通風(fēng)逆流式冷卻塔，具有較大的節(jié)水潛力，且都保持低濃縮倍率運行。

通過添加緩蝕劑、阻垢劑、除垢劑或陰極電化學(xué)除垢等措施，調(diào)整補給水量，提高濃縮倍率從而達到減少排污率，當(dāng)提高濃縮倍率至4.5時，單機排污量為51.67 m3/h，整個工業(yè)水系統(tǒng)的新鮮水取用量等于耗水量，系統(tǒng)達到供需平衡狀態(tài)，此時新鮮水補給量為2 486 m3/h，減少新鮮水取用量329 m3/h。

提高濃縮倍率的同時必然會增加循環(huán)冷卻水的結(jié)垢及腐蝕傾向，必須依據(jù)對日常水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)進行比對判斷，防止出現(xiàn)結(jié)垢現(xiàn)象。

電廠脫硫系統(tǒng)用水主要包括石灰石制漿用水、設(shè)備冷卻用水、除霧器沖洗用水以及廢水處理系統(tǒng)用水等，水消耗主要來自脫硫產(chǎn)物石膏中帶走的結(jié)晶水以及附著水、煙氣中蒸發(fā)的水分，并有部分的脫硫排水。

脫硫用水對于水質(zhì)的要求低，將難處理的高濃縮倍率循環(huán)冷卻水系統(tǒng)排污水用于脫硫，可以極大程度上減少新鮮水的使用；脫硫排水含有大量的重金屬離子、硫酸鈣和亞硫酸鈣鹽、懸浮物和雜質(zhì)等，難于處理，常用于灰?guī)斓陌铦裼盟?，也可設(shè)置終端處理設(shè)施進行處理達標(biāo)排放或再利用。

2.3 水系統(tǒng)建模與優(yōu)化

2.3.1 水量參數(shù)

（1）新鮮水用量?；谔菁売盟脑韺π迈r水水量進行控制，讓新鮮水量和各用水單元的總耗水量相等，達到整個廠區(qū)的無廢水直接排放，廠區(qū)各個耗水單元的耗水量見表4。

（2）用水單元供需水量。通過提高循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的濃縮倍率，使整個工業(yè)水系統(tǒng)達到供需平衡，此時一期循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的排水量為310 m3/h、需水量為2 486 m3/h；調(diào)整后的化學(xué)除鹽水系統(tǒng)需水量為220 m3/h，排水量為218 m3/h；其他用水系統(tǒng)供需水量取水平衡測試結(jié)果數(shù)據(jù)。各用水系統(tǒng)排水以及需水量數(shù)據(jù)見表5。

2.3.2 配水成本單價的確定

單元之間的配水單價包括水處理費用和水輸送費用，水處理費用根據(jù)常用水處理費用函數(shù)確定。

根據(jù)山西省水資源管理條例，工業(yè)行業(yè)在用水定額內(nèi)取用地下水的水資源稅為2元/m3，不同單元之間水串級使用處理措施見表6。

不同的水源向循環(huán)冷卻水系統(tǒng)配水時，處理的費用與循環(huán)冷卻水的濃縮倍率有關(guān)，具體數(shù)值如下：

不進行處理：K=1.5，c（K）=0元/m3；水質(zhì)穩(wěn)定處理：K=2.25，c（K）=0.05元/m3；弱酸樹脂處理/石灰軟化：K=3.5，c（K）=0.58元/m3；水質(zhì)穩(wěn)定處理+弱酸樹脂處理/石灰軟化：K=5.58，c（K）=0.77元/m3。

通過分析計算，電廠配水成本單價見表7。

2.4 優(yōu)化結(jié)果分析

通過構(gòu)建數(shù)學(xué)模型，借助MATLAB的數(shù)學(xué)計算庫編寫Vogel最佳路徑分析方法程序，根據(jù)用水單價矩陣以及供需水向量數(shù)據(jù)，對各單元的用、排水水量進行優(yōu)化，優(yōu)化后的水平衡數(shù)據(jù)見表8。

2.4.1 合理性分析

對各用水單元用水來源以及排水去向依次做合理性分析：

（1）新鮮水總用量為2 891 m3/h，其中84.2%用于一期循環(huán)水系統(tǒng)，其他分別供二期循環(huán)水系統(tǒng)、化學(xué)除鹽水系統(tǒng)、脫硫用水系統(tǒng)、生活消防用水系統(tǒng)、其他雜用水系統(tǒng)使用。

（2）一期循環(huán)冷卻水系統(tǒng)用水分別來自新鮮水和鍋爐排水，水質(zhì)均可達到用水標(biāo)準(zhǔn)，排水全部供脫硫系統(tǒng)使用。

（3）二期輔機循環(huán)水系統(tǒng)用水全部來自新鮮水，排水全部用于化學(xué)除鹽水系統(tǒng)。二期輔機循環(huán)水系統(tǒng)排水為含油污水，含其他雜質(zhì)較少，可通過添加除油器凈化后供化學(xué)除鹽水系統(tǒng)使用。

（4）一期除灰渣系統(tǒng)用水全部來自化學(xué)除鹽水系統(tǒng)排水，排水供二期除灰渣系統(tǒng)使用。

（5）二期除灰渣系統(tǒng)用水分別來自化學(xué)除鹽水系統(tǒng)和一期除灰渣系統(tǒng)，全部消耗，無外排。

（6）化學(xué)除鹽水系統(tǒng)用水來自新鮮水和二期輔機循環(huán)水系統(tǒng)排水以及生活排污水。化學(xué)除鹽水中一部分除鹽水排向鍋爐，另一部分濃縮污水排向除灰渣系統(tǒng)以及脫硫用水。因生活消防輸水管線分散雜亂，不宜向工業(yè)生產(chǎn)區(qū)域輸水，通過人為調(diào)整將生活排污水處理后用于其他雜用水系統(tǒng)，而化學(xué)除鹽水系統(tǒng)所需的14 m3/h則由新鮮水提供。

（7）鍋爐用水全部來自化學(xué)除鹽水系統(tǒng)，排水供一期循環(huán)水系統(tǒng)使用。

（8）脫硫用水系統(tǒng)用水13%來自新鮮水、72%來自一期循環(huán)冷卻塔排污水、7%來自除灰渣系統(tǒng)排水和8%來自化學(xué)除鹽水排水，并將全部的排水（36 m3/h）排向自身。由于脫硫排水后被分配導(dǎo)致最優(yōu)的路徑無法完全消納其排水，而用于自身運價又偏低，故出現(xiàn)了排往自身的情況。結(jié)合實際情況將這部分水排向脫硫用水處理單元，處理后排往除灰渣系統(tǒng)。

（9）生活用水全部來自新鮮水，排水用于化學(xué)除鹽水系統(tǒng)，調(diào)整后排水排往其他用水系統(tǒng)。

優(yōu)化調(diào)整后的全廠用水平衡情況見圖1。

2.4.2 優(yōu)化效益分析

（1）經(jīng)濟效益分析。優(yōu)化前后效益對比見表9。梯級用水優(yōu)化后新鮮水取用量減少了364 m3/h，取水費用降幅11.2%；新鮮水用量的減少也導(dǎo)致處理水量、費用的大幅度下降，水處理的總費用下降了22.4%；由于達到梯級用水，預(yù)計每年可節(jié)省全部的排污費用255萬元；梯級用水和水系統(tǒng)優(yōu)化后預(yù)計每年可減少總用水費用1 252萬元，降幅達16.5%。

（2）社會、生態(tài)效益。按70%的發(fā)電負(fù)荷計算，優(yōu)化后電廠的綜合發(fā)電水耗率為0.35 m3/（s·GW），比優(yōu)化前降低了10.3%，對于實現(xiàn)經(jīng)濟社會的可持續(xù)發(fā)展具有積極意義。

優(yōu)化后每年可減少取水量以及排污量各318.86萬t，對保護地下水資源以及緩解水資源的供需矛盾具有積極意義，并有利于緩解當(dāng)?shù)氐乃h(huán)境污染問題，對保護水生態(tài)環(huán)境作出積極貢獻。

3 結(jié) 論

通過研究發(fā)現(xiàn)，對現(xiàn)有的工業(yè)用水系統(tǒng)進行用水、耗水水量分析，并進行節(jié)水改造是減少工業(yè)用水量的直接措施。

利用Vogel進行最佳路徑分析，可對用水改造后的水網(wǎng)進行二次改造，讓水盡量串級使用，達到能再用的水盡量拿來用的目的。

借助梯級用水的方法對案例企業(yè)分析得到，在3300 MW的總裝機容量的熱電廠中，實施梯級用水節(jié)水改造以及用水網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化后每年可產(chǎn)生1252萬元的利潤，其中29%的利潤貢獻來自用水網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化、71%來自節(jié)水改造。

本研究基于梯級用水，是對前人工業(yè)水系統(tǒng)集成優(yōu)化理論的簡化，針對工業(yè)系統(tǒng)中用新鮮水去稀釋單元用水以及單元間配水成本消耗問題，以及基于雜質(zhì)負(fù)荷優(yōu)化得到的用水網(wǎng)絡(luò)難于實現(xiàn)等問題，構(gòu)建了簡化的水網(wǎng)絡(luò)用水運輸模型，按照各單元間的配水成本進行水量的分配，在簡化水系統(tǒng)優(yōu)化過程的同時可以得到與當(dāng)下用水系統(tǒng)更加貼合的水網(wǎng)結(jié)構(gòu)。

本研究對于用水單元系統(tǒng)間的水串級使用難度使用配水成本進行刻畫，存在很強的主觀性，所以只適用于水系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)初步調(diào)整中，對于水量的實時調(diào)整需要結(jié)合實時的監(jiān)測水質(zhì)對單元間配水的難度進行刻畫，如水質(zhì)映射的配水成本函數(shù)。