CN101667031B - 一种工业水系统耦合式盐量平衡的控制系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

一种工业水系统耦合式盐量平衡的控制系统及其控制方法，属于水处理技术领域通过设定的数学模型与控制系统，对工业水系统盐量平衡进行智能控制其数学模型与控制系统就是将连续采集来的与含盐量有关的各项数据输入PLC或工控机，然后将优化的原水清水量和海水淡化成品水量信号分别传输给原水处理控制系统和海水淡化控制系统并进行调控。这样，含盐量的降低依靠海水淡化的优质产品水和地表原水兑水进行中和稀释，控制水系统浓缩倍数为4～6，实现工业水零排放和循环经济，有效地降低了运行费用本发明能使企业用有限的投入，获取较大的经济效益和环境效益。此外，它对促进企业发展保护环境都有极大的好处。

Description

一种工业水系统耦合式盐量平衡的控制系统及其控制方法

技术领域

本发明属于水处理技术领域，特别涉及一种工业水系统耦合式盐量平衡的控制系统及其控制方法，适用于海水淡化与原水的优化配水、零排放。

背景技术

由于水资源的日益紧缺，为节约用水，提高整个钢铁厂水资源的重复利用率，作为用水大户的钢铁公司相继投入污水处理厂，将经过污水处理厂处理后的水进行回用，以节约水源水的补充量；同时，由于整个钢铁厂水系统浓缩、蒸发等因素，进入污水处理厂的污水水质复杂，含盐量较高，没有深度脱盐处理的污水回用，造成系统的含盐量升高、浓缩倍数提高困难以及加剧系统的腐蚀倾向等。

目前，国内钢铁公司(包括宝钢)基本上都是采用后置式除盐模式，如附图1。该模式的脱盐系统水源为污水处理厂的回用水，和水源相比较，含盐量较高，水质较复杂。故脱盐系统浓盐水的含盐量较高，浓盐水水量较少，浓盐水容易消纳。由于污水处理厂回用水水质复杂，在技术层面，造成深度脱盐处理难度加大。

基于技术层面的因素，有些专家认为采用前置式除盐模式(如附图2)，在水源处脱盐处理比较可靠。由于水源处没有经过浓缩，水质条件较好，导致在这种情况下，假定系统脱盐的总量、脱盐率不变，前置式除盐系统需要处理的水量以及外排的浓水量比后置式的除盐系统大。由于前置式除盐系统的浓盐水量太大，通过抑尘、冲渣和焖渣等途径只能消纳一部分，因此还有大量的浓盐水仍需外排才能降低这个系统的含盐量。

发明内容

本发明的目的在于提供一种工业水系统耦合式盐量平衡的控制系统及其控制方法，实现了不用实施污水深度除盐或原水除盐，含盐量的降低依靠海水淡化的优质产品水和地表源水兑水进行中和稀释，特别涉及海水淡化与原水处理的关系、实现工业水零排放和循环经济，海水淡化的浓盐水进入社会盐场。

本发明的系统主要包括数据采集、可编程序控制器(PLC)、工控机或计算机、控制中心等硬件设施。数据采集位于控制系统的最底层，其探头(或称传感器)安装在相应的采集点，通过电缆将数据采集和PLC或者工控机或者计算机联结，再通过电缆将PLC或者工控机或者计算机联结到控制中心，控制中心是本控制系统的最高层。

本发明的控制方法是：源于耦合式盐量平衡技术，是将水温、含盐量、气象等因素综合起来，进行全过程、全方位和全系统的实时连续监控，充分利用临海的优势，进行海水淡化。

采集原水处理清水池水或称原水清水的含盐量(TDS₁)、海水淡化成品水的含盐量(TDS₂)、干球温度(θ)、湿球温度(τ)和设定水的浓缩倍数(N)，TDS₁和TDS₂均包括在线连续采集的数据和实验室定期水质分析的数据，以在线连续采集的数据为准，定期用实验室定期水质分析的数据进行校核调整，然后将有关数据输入工控机或计算机或PLC，经数据处理后，再依据设定的数学模型得出经济合理的原水清水供水量(Q_M1)和海水淡化水供水量(Q_M2)，这两个信号将分别传给原水处理控制系统(A)和海水淡化控制系统(B)，对原水生产和海水淡化进行智能优化诱导与优化调度。优化调度的核心思想是要实现系统水量和盐量的平衡。将工业水系统作为整体，看作一个大的循环水系统，将优化的原水清水量和海水淡化成品水量信号分别传输给原水处理控制系统和海水淡化控制系统并进行调控。这样，含盐量的降低依靠海水淡化的优质产品水和地表原水兑水进行中和稀释，控制水系统浓缩倍数为4～6，实现工业水零排放和循环经济，有效地降低了运行费用。

耦合式盐量平衡控制系统的控制方法，采用带温度补偿的电导率测量装置间接测量含盐量：

(1)对于海水淡化成品水，取TDS＝k×κ₂₅，其中κ₂₅不含溶解性CO₂对电导的贡献。当产水κ₂₅＝0.1～1μS/cm时，k＝0.50；κ₂₅＝30～80μS/cm时，k＝0.55。统一取k＝0.5。

(2)对于原水清水、工业水，1g TDS＝1.0061gκ₂₅—0.215。

耦合式盐量平衡控制系统的控制方法，采用在线湿球温度仪测量干球温度(θ)、湿球温度(τ)：

(1)参考《工业企业水量平衡测试方法CJ/T41-1999》，测算系统的蒸发损失量为E。

(2)根据各子系统的循环水量R_i，进出系统的水的温差Δt_i以及当时的θ和τ，采用 $E_i=\frac{s(\mathrm{\θ},\mathrm{\τ})\·R_i\·\mathrm{\Δ}{t}_i}{\mathrm{\γ}\left(\mathrm{\θ}\right)}$ 计算蒸发损失量，其中γ(θ)为水在一定温度下的蒸发潜热；s(θ，τ)为气象修正系数，春、秋季一般取70％～80％，夏季取90％～100％，冬季取50％～60％。于是整个系统的蒸发损失量为E＝∑E_i。

本发明是将工业水系统作为整体，看作一个大的循环水系统，不用实施污水深度除盐或原水除盐，将含盐量的降低依靠海水淡化的优质产品水和地表原水兑水进行中和稀释，通过实现水量和盐量的平衡达到工业水零排放。实质上是要系统实现水量和盐量的平衡。

(1)水量平衡

已知系统的循环水量R(m³/h)，控制的循环倍数为N。

设原水量Q_M1(m³/h)，含盐量TDS₁(mg/L)；

海水淡化水量Q_M2(m³/h)，含盐量TDS₂(mg/L)；

则进入系统的工业水含盐量 $\mathrm{TDS}=\frac{Q_{M1}\×{\mathrm{TDS}}_1+Q_{M2}\×{\mathrm{TDS}}_2}{Q_{M1}+Q_{M2}}(\mathrm{mg}/L);$

蒸发量E(m³/h)，含盐量TDS_E≈0mg/L；

风吹损失水量W(m³/h)，含盐量TDS_w＝N·TDS；

抑尘、焖渣、冲渣等消耗水量B(m³/h)；

泄露量L(m³/h)，含盐量TDS_L≈TDS(mg/L)，

平均降雨量P(m³/h)，含盐量TDS_P≈0mg/L；

由水量平衡，Q_M1+Q_M2＝E+W+B+L—P(m³/h)…………………………(i)

(2)盐量平衡

进入系统的盐量：

①由海水淡化水和原水混合后的工业水：

Q_M1×TDS₁+Q_M2×TDS₂＝0.001(Q_M1×TDS₁+Q_M2×TDS₂)(kg/h)

②炉料及混凝剂等带入盐量及循环水水质稳定剂使排污水增加的盐量C(kg/h)

进入系统总盐量m入＝0.001(Q_M1×TDS₁+Q_M2×TDS₂)+C(kg/h)出系统的盐量：

①风吹：W·N·TDS＝0.001W·TDS(kg/h)

②污水厂降低量(污水厂设计处理规模为Dm³/h，设除盐效果为ωmg/L)：0.001D·ω(kg/h)

③灰渣A(t/h)等带走盐分：A·(TDS·N)＝0.001A·N·TDS(kg/h)

④降雨稀释：由于P一般很小，通常情况下可忽略不计

⑤泄漏带走盐量：0.001L·TDS(kg/h)

出系统总盐量m_出＝0.001(W·TDS+D·ω+A·N·TDS+L·TDS)(kg/h)

由盐量平衡，Δm＝m_出—m_入＝0(kg/h)…………………(ii)

满足零排放的充要条件：Δm≥0(kg/h)。

本发明的优点

可以不用实施污水深度除盐或原水除盐，将水量、水温、含盐量、气象等因素有机地结合起来，将含盐量的降低依靠海水淡化的优质产品水和地表源水兑水进行中和稀释，实现工业水零排放和循环经济。从含盐量的理念上，本发明没有蒸发后的固体废弃物排放；况且蒸发结晶的成本非常高，对于大流量的盐水，经济上不太可行。

本发明含盐量的降低依靠海水淡化的优质产品水和地表原水兑水进行中和稀释，控制水系统浓缩倍数为4～6，实现工业水零排放和循环经济，有效地降低了运行费用。本发明能使企业用有限的投入，获取较大的经济效益和环境效益。此外，它对促进企业发展、保护环境都有极大的好处。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。原水清水1、钢铁公司水系统2、蒸发量3、泄露量4、平均降雨量5、高含盐水6、除盐水7、污水处理厂8、回用污水深度除盐站9、(钢铁生产工序)钢铁厂12、钢铁公司水系统13、。

图1是后置式除盐模式工艺流程简图。其中，

图2是前置式除盐模式工艺流程简图。其中，原水清水1、钢铁公司水系统2、蒸发量3、泄露量4、平均降雨量5、高含盐水6、除盐水7、污水处理厂8、(钢铁生产工序)钢铁厂12、钢铁公司水系统13。

图3是耦合式盐量平衡系统工艺流程简图。其中，原水清水1、钢铁公司水系统2、蒸发量3、泄露量4、平均降雨量5、除盐水7、污水处理厂8、海水淡化站11、(钢铁生产工序)钢铁厂12、钢铁公司水系统13、盐场14、原水处理系统15。

图4是耦合式盐量平衡系统控制原理图。其中，A.原水处理控制系统，B.海水淡化控制系统，C.生产指挥中心或者称控制中心，D.在线电导率仪，E.计算机或者PLC，F.在线电导率仪，G.计算机或者PLC，T.在线温度计(测干球温度、湿球温度)。

在线电导率仪D和F分别将采集的电导率信号传送到各自对应的PLC或计算机E和G，再上传到生产指挥中心或者控制中心C中，同时系统的温度、湿度或者蒸发量也上传到控制中心C，C将根据数学模型计算合适的Q_M1和Q_M2，并将优化结果下达到E和G，控制系统B和A将分别通过变频或者开/停水泵执行E和G的控制指令。

具体实施方式

首钢京唐钢铁联合有限责任公司循环水量R≈233000m³/h，浓缩倍数为N。

设原水量Q_M1(m³/h)，含盐量TDS₁≤235mg/L；

海水淡化水量Q_M2(m³/h)，含盐量TDS₂≤5mg/L；

则进入系统的工业水含盐量 $\mathrm{TDS}=\frac{Q_{M1}\×{\mathrm{TDS}}_1+Q_{M2}\×{\mathrm{TDS}}_2}{Q_{M1}+Q_{M2}}(\mathrm{mg}/L);$

蒸发量E(m³/h)，含盐量TDS_E≈0mg/L；

风吹损失水量W≈0.05％R＝116m³/h，含盐量TDS_W＝N·TDS；

抑尘、焖渣、冲渣等消耗水量B≈304m³/h。

由水量平衡，Q_M1+Q_M2＝E+W+B＝E+420(m³/h)………………(i)

(2)盐量平衡

进入系统的盐量：

①工业供水：Q_M1×TDS₁+Q_M2×TDS₂＝0.235Q_M1+0.005Q_M2(kg/h)

②炉料及混凝剂、水质稳定剂等带入量：18.5+48+63＝129.5(kg/h)进入系统总盐量m_入＝0.235Q_M1+0.005Q_M2+129.5(kg/h)

出系统的盐量：

①风吹：116N·TDS＝0.116N·TDS(kg/h)

②污水厂降低量(污水厂设计处理规模为1905m³/h，设除盐效果为ωmg/L)：1.905ω(kg/h)

③灰渣等带走盐分：22t/h×(TDS·N)＝0.022N·TDS(kg/h)

④降雨稀释：不计

⑤泄漏带走：暂不计

出系统总盐量m_出＝0.138N·TDS+1.905ω(kg/h)

由盐量平衡，Δm＝m_出—m_入＝0(kg/h)…………………(ii)

当E＝1500～3000m³/h、N＝4～6、ω≥65mg/L时，均能满足盐量平衡，达到零排放。如当E＝1747.5m³/h(0.75％R)、N＝6、ω＝200mg/L时，原水量Q_M1≤1093m³/h，海水淡化水量Q_M2≥1074.5m³/h即可满足盐量平衡，达到零排放；又如当E＝2330m³/h(100％R)、N＝4、ω＝200mg/L时，原水量QM₁≤1105m³/h，海水淡化水量Q_M2≥1645m³/h即可；再如当E＝2912.5m³/h(1.25％R)、N＝5、ω＝125mg/L时，原水量Q_M1≤522m³/h，海水淡化水量Q_M2≥2810.5m³/h即可。这些都是比较理想的运行模式。

Claims (1)

1.一种工业水系统耦合式盐量平衡控制的方法，其特征在于：采集原水处理清水池水或称原水清水的含盐量TDS₁、海水淡化成品水的含盐量TDS₂、干球温度θ、湿球温度τ和设定水的浓缩倍数N，TDS₁和TDS₂均包括在线连续采集的数据和实验室定期水质分析的数据，以在线连续采集的数据为准，定期用实验室水质分析的数据进行校核调整，然后将有关数据输入工控机或计算机或PLC，经数据处理后，再依据设定的数学模型得出原水清水供水量Q_M1和海水淡化水供水量Q_M2，这两个信号将分别传给原水处理控制系统A和海水淡化控制系统B；

所述数学模型包括水量平衡模型和盐量平衡模型，具体为：

(1)水量平衡：Q_M1+Q_M2＝E+W+B+L-P；其中原水清水供水量Q_M1，含盐量为TDS₁；海水淡化水供水量Q_M2，含盐量TDS₂；进入系统的工业水含盐量

蒸发量为E；风吹损失水量为W；抑尘、焖渣、冲渣消耗水量为B；泄露量为L；平均降雨量为P；

(2)盐量平衡：Δm＝m_出-m_入＝0.001(W·TDS+D·ω+A·N·TDS+L·TDS)-[0.001(Q_M1×TDS₁+Q_M2×TDS₂)+C]＝0；其中炉料及混凝剂带入盐量及循环水水质稳定剂使排污水增加的盐量为C；风吹带走盐量为0.001W·TDS；污水厂设计处理规模为D，除盐效果为ω，污水厂降低盐量为0.001D·ω；灰渣A带走盐分为0.001A·N·TDS；降雨量P进入水系统稀释含盐量的雨量忽略不计；泄漏带走盐量0.001L·TDS；

蒸发损失量E测算的具体方法为：

A.依据《工业企业水量平衡测试方法CJ/T 41-1999》，测算非循环水系统的蒸发损失量为E₀；

B.根据各循环水系统的循环水量R_i，进出系统的水的温差Δt_i以及当时的θ和τ，采用

计算蒸发损失量，其中γ(θ)为水在一定温度下的蒸发潜热；s(θ，τ)为气象修正系数，春、秋季取70％～80％，夏季取90％～100％，冬季取50％～60％；干球温度θ、湿球温度τ是采用在线湿球温度仪测量干球温度θ、湿球温度τ；

C.整个水系统的蒸发损失量为E＝E₀+∑E_i；

所述含盐量是采用带温度补偿的电导率测量装置间接测量含盐量，具体步骤为：

(1)对于海水淡化成品水，取TDS＝k·κ₂₅，其中κ₂₅不含溶解性CO₂对电导的贡献，当产水κ₂₅＝0.1～1μS/cm时，k＝0.50；κ₂₅＝30～80μS/cm时，k＝0.55；

(2)对于原水清水、工业水，lg TDS＝1.006lgκ₂₅-0.215。

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