基于梯级用水的工业水系统节水优化研究

doi:10.19965/j.cnki.iwt.2021-0312

摘要/Abstract

摘要：

水系统节水优化是一种从系统层面分析水系统节水潜力的方法，借助数学模型可实现节水的量化研究。阐述了一种基于外排水再利用的水系统节水优化模型，并利用Vogel方法实现模型的求解。以火电企业为典型用水案例进行研究，将案例企业用水系统划分为6个子系统（循环冷却水系统、灰渣水系统、化学除盐水系统、脱硫用水系统、生活消防用水系统、其他杂用水系统），在污水排放改造的基础上构建了基于成本最优的节水优化模型并进行了求解。经案例研究发现，优化带来的经济效益最为明显，其次是节水、生态效益。案例企业优化后综合发电耗水、总用水成本、新鲜水取用量降幅分别为10.3%、13.6%、11.2%，对缓解当地水环境污染以及地下水开采压力具有积极意义。

关键词: 工业节水, 梯级用水, 水系统节水优化, Vogel最佳路径分析

Abstract:

Water saving optimization of water system is a method to analyze the water saving potential of water system from the system level，and the quantitative study of water saving can be realized with the help of mathematical model. An optimization model of water system water saving based on the reuse of external drainage was presented，and the Vogel method was used to solve the model. A case study was carried out with a thermal power enterprise as a typical water use case. The water use system of the case enterprise was divided into six water sub-systems（circulating cooling water system，ash slag water system，chemical desalination water system，desulfurization water system，domestic fire water system，and other miscellaneous systems），and a cost-optimized water-saving optimization model was constructed and solved based on the sewage discharge transformation. The case study found that the economic benefits brought by optimization were the most obvious，followed by water saving and ecological benefits. After the optimization of the case companies，the reduction rates of comprehensive power generation water consumption，total water cost，and fresh water consumption were 10.3%，13.6%，11.2%，respectively，which is of positive significance for alleviating local water environmental pollution and pressure on groundwater extraction.

Key words: industrial water saving, cascade use of water, water saving optimization of water system, Vogel transportation route analysis

中图分类号:

TB495

朱丽姗, 刘军, 侯保灯, 肖伟华, 马静. 基于梯级用水的工业水系统节水优化研究[J]. 工业水处理, 2022, 42(1): 179-186.

Lishan ZHU, Jun LIU, Baodeng HOU, Weihua XIAO, Jing MA. Optimization of water saving in industrial water system based on cascade use of water[J]. Industrial Water Treatment, 2022, 42(1): 179-186.

https://www.iwt.cn/CN/Y2022/V42/I1/179

图/表 10

表 1 用水单元数据

Table 1 Data of water consumption unit

		用水单元				排水量
		$B 1$	$B 2$	…	$B n$	排水量
水源	$A 1$	$x 11, C 11$	$x 12, C 12$	…	$x 1 n, C 1 n$	$a 1$
	$A 2$	$x 21, C 21$	$x 22, C 22$	…	$x 2 n, C 2 n$	$a 2$
	…	…	…	…	…	…
	$A m$	$x m 1, C m 1$	$x m 2, C m 2$		$x m n, C m n$	$a m$
需水量		$b 1$	$b 2$	…	$b n$

表 1 用水单元数据

Table 1 Data of water consumption unit

		用水单元				排水量
		$B 1$	$B 2$	…	$B n$	排水量
水源	$A 1$	$x 11, C 11$	$x 12, C 12$	…	$x 1 n, C 1 n$	$a 1$
	$A 2$	$x 21, C 21$	$x 22, C 22$	…	$x 2 n, C 2 n$	$a 2$
	…	…	…	…	…	…
	$A m$	$x m 1, C m 1$	$x m 2, C m 2$		$x m n, C m n$	$a m$
需水量		$b 1$	$b 2$	…	$b n$

表2 各用水系统耗水途径及需水量

Table 2 Water consumption ways of each water system

用水系统	耗水途径	需水量/（m³·h^-1）
一期循环冷却水系统	蒸发损失及风吹损失	2 699
二期循环冷却水系统	蒸发损失及风吹损失	105
除灰渣系统	捞渣机捞渣带水	93
化学除盐水系统	氢站用水、实验室用水、漏损	209
锅炉用水	蒸汽漏失	110
脱硫用水系统	脱硫烟气蒸发、脱硫烟气带水、脱硫石膏带水	420
生活用水系统	消防用水、绿化用水、消耗以及泄漏	67
其他杂用水系统	输煤抑尘用水、路面抑尘洒水及未知用水	110

表3 单350 MW机组浓缩倍率与节水量关系

Table 3 Relationship between concentration multiple and water saving amount of a single 350 MW generator set

浓缩倍率	1.4	1.5	1.6	1.8	2	2.5	3	3.5	4	4.5
排污率/%	2.8	2.2	1.8	1.3	1.0	0.6	0.4	0.23	0.2	0.17
排污量/（m³·h^-1）	857	673	551	398	306	184	122	70	61	51.67

表4 各单元耗水量 (m³/h)

Table 4 Water consumption of each unit

二期除

灰渣系统

新鲜水

供水量a_i

表5 供需平衡情境下水系统供需水量 (m³/h)

Table 5 Water supply and demand of water system under zero discharge situation

	一期循环冷却水系统	二期辅机循环水系统	一期除灰渣系统	二期除灰渣系统	化学除盐水系统	锅炉用水	脱硫用水	生活消防用水系统	其他杂用水系统	供水量 $a i$
新鲜水	$x 11$	$x 12$	$x 13$	$x 14$	$x 15$	$x 16$	$x 17$	$x 18$	$x 19$	2 891
一期循环冷却水系统排水	$x 22$	$x 22$	$x 23$	$x 24$	$x 25$	$x 26$	$x 27$	$x 28$	$x 29$	310
二期辅机循环水系统排水	$x 33$	$x 32$	$x 33$	$x 34$	$x 35$	$x 36$	$x 37$	$x 38$	$x 39$	79
一期除灰渣排水	$x 44$	$x 42$	$x 43$	$x 44$	$x 45$	$x 46$	$x 47$	$x 48$	$x 49$	20
化学除盐水系统排水	$x 55$	$x 52$	$x 53$	$x 54$	$x 55$	$x 56$	$x 57$	$x 58$	$x 59$	218
锅炉排水	$x 66$	$x 62$	$x 63$	$x 64$	$x 65$	$x 66$	$x 67$	$x 68$	$x 69$	51
脱硫系统排水	$x 77$	$x 72$	$x 73$	$x 74$	$x 75$	$x 76$	$x 77$	$x 78$	$x 79$	36
生活排污水	$x 88$	$x 82$	$x 83$	$x 84$	$x 85$	$x 86$	$x 87$	$x 88$	$x 89$	14
需水量方正汇总行 $b i$	2 486	105	52	44	220	110	433	67	102	3 619

表5 供需平衡情境下水系统供需水量 (m³/h)

Table 5 Water supply and demand of water system under zero discharge situation

	一期循环冷却水系统	二期辅机循环水系统	一期除灰渣系统	二期除灰渣系统	化学除盐水系统	锅炉用水	脱硫用水	生活消防用水系统	其他杂用水系统	供水量 $a i$
新鲜水	$x 11$	$x 12$	$x 13$	$x 14$	$x 15$	$x 16$	$x 17$	$x 18$	$x 19$	2 891
一期循环冷却水系统排水	$x 22$	$x 22$	$x 23$	$x 24$	$x 25$	$x 26$	$x 27$	$x 28$	$x 29$	310
二期辅机循环水系统排水	$x 33$	$x 32$	$x 33$	$x 34$	$x 35$	$x 36$	$x 37$	$x 38$	$x 39$	79
一期除灰渣排水	$x 44$	$x 42$	$x 43$	$x 44$	$x 45$	$x 46$	$x 47$	$x 48$	$x 49$	20
化学除盐水系统排水	$x 55$	$x 52$	$x 53$	$x 54$	$x 55$	$x 56$	$x 57$	$x 58$	$x 59$	218
锅炉排水	$x 66$	$x 62$	$x 63$	$x 64$	$x 65$	$x 66$	$x 67$	$x 68$	$x 69$	51
脱硫系统排水	$x 77$	$x 72$	$x 73$	$x 74$	$x 75$	$x 76$	$x 77$	$x 78$	$x 79$	36
生活排污水	$x 88$	$x 82$	$x 83$	$x 84$	$x 85$	$x 86$	$x 87$	$x 88$	$x 89$	14
需水量方正汇总行 $b i$	2 486	105	52	44	220	110	433	67	102	3 619

表6 火电水系统排污水处理方法及回用途径

Table 6 Disposal methods and reuse of waste water from thermal power system

排污回用途径	循环冷却水系统	除灰渣系统	脱硫用水系统	化学除盐水系统	生活消防用水系统	杂用水系统
循环冷却水排污水	超滤+反渗透	不处理	不处理	超滤+反渗透	过滤+电渗析+消毒	过滤+消毒
锅炉用水排污水	冷却降温	不处理	不处理	除盐+除铁	除悬浮物+除铁+除盐	不处理
化学除盐水排污水	超滤+反渗透	不处理	不处理	超滤+反渗透	过滤+电解析+消毒+吸附	不处理
脱硫废水排污水	不回用	化学沉淀	末端处理	不回用	不回用	不回用
生活用水排污水	水质稳定+深度处理	化粪池、沉淀	生物接触氧化	生物接触氧化	过滤+消毒	生物接触氧化

表7 配水成本单价 (元/m³)

Table 7 Price table of water distribution cost

水价	一期循环冷却水系统	二期辅机循环水系统	一期除灰渣系统	二期除灰渣系统	化学除盐水系统	锅炉用水	脱硫用水	生活消防用水系统	其他杂用水系统
新鲜水	2.17	2.12	2	2	3	—	2	2.16	2
一期循环冷却水系统排水	1.28	1.4	0	3	2.56	—	0	1.45	0.25
二期辅机循环水系统排水	0.73	0.15	0	0	1.53	—	0	0.45	0.15
一期除灰渣排水	1.43	1.43	0.03	0.03	2.95	—	0.03	1.72	0.15
化学除盐水系统排水	1.66	1.66	0	0	2.94	0	0	1.96	1.28
锅炉排水	0	0	0	0	2.74	—	0	1.5	0
脱硫系统排水	1.43	1.43	0.03	0.03	2.95	—	0.03	1.72	0.15
生活排污水	1.08	0.42	0.1	0.01	1.87	—	0.1	1.5	0.42

表 8 优化后的水系统水量平衡数据 (m³/h)

Table 8 Optimized water balance data of water system

	一期循环冷却水系统	二期辅机循环水系统	一期除灰渣系统	二期除灰渣系统	化学除盐水系统	锅炉补水	脱硫用水系统	生活消防用水系统	其他杂用水系统	供水量a_i
新鲜水	2 435	105	0	0	127	0	55	67	102	2 891
一期循环冷却水排水	0	0	0	0	0	0	310	0	0	310
二期辅机循环水排水	0	0	0	0	79	0	0	0	0	79
一期除灰渣排水	0	0	0	20	0	0	0	0	0	20
化学除盐水排水	0	0	52	24	0	110	32	0	0	218
锅炉排污水	51	0	0	0	0	0	0	0	0	51
脱硫系统排水	0	0	0	0	0	0	36	0	0	36
生活排污水	0	0	0	0	14	0	0	0	0	14
需水量b_i	2 486	105	52	44	220	110	433	67	102	3 619

图1 优化后的全厂水平衡图

Fig. 1 Water balance diagram of the whole plant after optimization

表9 优化前后效益对比

Table 9 Comparison of benefits before and after optimization

效益指标	优化前	优化后	变化率/%
综合发电水耗率/（m³·s^-1·GW^-1）	0.39	0.35	-10.3
总用水成本/（元·h^-1）	8 369	7 231	-13.6
取水费用/（万元·a^-1）	5 703	5 065	-11.2
运行处理费用/（万元·a^-1）	1 859	1 449	-22.05
排污费用/（万元·a^-1）	255	0	-100
总费用/（万元·a^-1）	7 586	6 334	-16.5

参考文献 21

1	中华人民共和国水利部. 2019年中国水资源公报［R］. 2020.
	Ministry of water resources of the people's republic of China. China Water Resources Bulletin 2019 ［R］. 2020.
2	谭粤元. 中国工业用水效率研究［D］. 北京：中国地质大学（北京），2018.
	TAN Yueyuan. Study on the utilization efficiency of China’s industrial water ［D］. Beijing：China University of Geosciences（Beijing），2018.
3	李晓芸，张华，席兵. 火电厂用水与节水技术［M］.北京：中国水利水电出版社，2008：140-150.
	LI Xiaoyun， ZHANG Hua， XI Bing. Water and water saving technology in thermal power plants［M］.Beijing：China Water Resources and Hydropower Press，2008：140-150.
4	TAKAMA N， KURIYAMA T， SHIROKO K，et al. Optimal water allocation in a petroleum refinery［J］. Computers & Chemical Engineering，1980，4（4）：251-258. doi:10.1016/0098-1354(80)85005-8
5	WANG Y P， SMITH R. Wastewater minimisation［J］. Chemical Engineering Science，1994，49（7）：981-1006. doi:10.1016/0009-2509(94)80006-5
6	冯霄.节水减污过程水系统集成技术［J］. 中国能源，2002（1）：22-24. doi:10.3969/j.issn.1003-2355.2002.01.008
	FENG Xiao. Water system integration technology for water saving and pollution reduction process［J］. Energy of China，2002（1）：22-24. doi:10.3969/j.issn.1003-2355.2002.01.008
7	刘永健，罗祎青，袁希钢.过程工业水分配网络系统集成的NLP模型［J］.计算机与应用化学，2006（7）：615-618. doi:10.3969/j.issn.1001-4160.2006.07.009
	LIU Yongjian， LUO Yiqing， YUAN Xigang. NLP model for water network synthesize in process industry［J］. Computers and Applied Chemistry，2006（7）：615-618. doi:10.3969/j.issn.1001-4160.2006.07.009
8	刘永忠，段海涛，冯霄.水系统集成优化方案的博弈分析与评价方法［J］.化工学报，2009，60（4）：945-951. doi:10.3321/j.issn:0438-1157.2009.04.020
	LIU Yongzhong， DUAN Haitao， FENG Xiao. Approach to evaluation of optimal schemes for water networks based on game theory［J］. CIESC Journal，2009，60（4）：945-951. doi:10.3321/j.issn:0438-1157.2009.04.020
9	丁力，鄢烈祥，史彬，等. 冷却塔水循环系统的集成优化［J］.计算机与应用化学，2010，27（11）：1469-1472. doi:10.3969/j.issn.1001-4160.2010.11.002
	DING LI， YAN Liexiang， SHI Bin，et al. Integration and optimization of water cooling tower system［J］. Computer and Applied Chemistry，2010，27（11）：1469-1472. doi:10.3969/j.issn.1001-4160.2010.11.002
10	韩政. 炼化企业水系统集成优化研究［D］.北京：清华大学，2011.
	HAN Zheng. Study on water system integration optimization of dalian petroleum refinery ［D］. Beijing：Tsinghua University，2011.
11	李爱红. 多杂质水网络的规律分析与优化设计［D］.天津：河北工业大学，2016. doi:10.1016/j.jclepro.2016.01.052
	LI Aihong. Analysis and design of water networks with multiple contaminants［D］. Tianjin：Hebei University of Technology，2016. doi:10.1016/j.jclepro.2016.01.052
12	张兆宁，卢飞.基于Vogel法求解的单机场地面等待策略模型［J］.交通运输工程与信息学报，2009，7（4）：1-5. doi:10.3969/j.issn.1672-4747.2009.04.001
	ZHANG Zhaoning， LU Fei. Single airport ground⁃holding strategy model solved with vogel method［J］. Journal of Transportation Engineering and Information Technology，2009，7（4）：1-5. doi:10.3969/j.issn.1672-4747.2009.04.001
13	郭锐敏. 火力发电厂二次循环冷却水系统节水理论分析［J］. 福建建筑，2018（8）：127-130.
	GUO Ruimin. Theoretical analysis of water saving for circulating cooling water system in thermal power plant［J］. Fujian Architecture，2018（8）：127-130.
14	马利斌. 环境侧风对自然通风逆流湿式高位收水冷却塔冷却性能的影响与模拟［D］.上海：上海电力大学，2019.
	MA Libin. The influence of ambient crosswind on the cooling performance of natural ventilation counter⁃current wet high water intake cooling tower and its simulation［D］. Shanghai：Shanghai Dianli University，2019.
15	GB/T 12452—2008 企业水平衡测试通则［S］. doi:10.1128/jvi.75.24.12452-12452.2001
	GB/T 12452—2008 General rules of enterprise water balance test ［S］. doi:10.1128/jvi.75.24.12452-12452.2001
16	刘亮，曹婷婷，张岐伟，等. ClO₂与有机磷缓蚀剂复配的RSM-BBD模型优化［J］.工业水处理，2018，38（12）：68-72. doi:10.5004/dwt.2019.24010
	LIU Liang， CAO Tingting， ZHANG Qiwei，et al. Optimization of RSM-BBD model composited with chlorine dioxide and organophosphorus corrosion inhibitor［J］. Industrial Water Treatment，2018，38（12）：68-72. doi:10.5004/dwt.2019.24010
17	王虎传，彭成军，边旭，等. 改性PPG多羧基阻垢剂的合成及阻垢性能研究［J］.工业水处理，2018，38（6）：35-38. doi:10.11894/1005-829x.2018.38(6).035
	WANG Huchuan， PENG Chengjun， BIAN Xu，et al. Research on the synthesis of modified PPG polycarboxylic scale inhibitor and its scale inhibiting capability［J］. Industrial Water Treatment，2018，38（6）：35-38. doi:10.11894/1005-829x.2018.38(6).035
18	栾谨鑫，李鑫浩，王立达，等. 复合网状阴极增强电化学水软化系统性能研究［J］.工业水处理，2020，40（2）：67-70.
	LUAN Jinxin， LI Xinhao， WANG Lida，et al. Research on enhanced performance of electrochemical water softening system by multi⁃meshes coupled cathodes［J］. Industrial Water Treatment，2020，40（2）：67-70.
19	孟秀娟，韩燕. 敞开式循环冷却水水质的监督控制［J］.宁夏电力，2012（6）：56-59.
	MENG Xiujuan， HAN Yan. Monitoring and control of the quality for open-type circulating cooling water［J］. Ningxia Electric Power，2012（6）：56-59.
20	陈忠.电厂脱硫废水零排放控制与研究［J］.中国标准化，2019（24）：287-288.
	CHEN Zhong. Zero⁃discharge control and research on desulfurization wastewater from power plants［J］. China Standardization，2019（24）：287-288.
21	刘希波，尹连庆，何凤鸣，等. 火电厂水系统数学模型的建立与应用［J］. 中国电力，1994（4）：17-21.
	LIU Xibo， YIN Lianqing， HE Fengming，et al. Establishment and application of mathematical model for water system in thermal power plant［J］. China Electric Power，1994（4）：17-21.

[1]	杨文忠,尹晓爽,陈云,刘瑛. 我国工业冷却水处理技术发展回顾与展望[J]. 工业水处理, 2021, 41(9): 1-10.
[2]	郑书忠, 陈军, 王超, 陶蕾, 秦立娟. 新型无磷缓蚀剂在强腐蚀性水中的性能研究[J]. 工业水处理, 2010, 30(12): 42-48,94.
[3]	伍振毅, 宋宗文. 我国工业节水技术创新的研究进展[J]. 工业水处理, 2006, 26(12): 21-24.

选择文件类型/文献管理软件名称

选择包含的内容