CN1220120C - 五维水平衡节水技术的控制方法及其控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种五维水平衡节水技术的控制系统及其控制方法。它是把节水、尤其是节约工业用水与水量、水温、水质、气象和水文这五维有机地结合起来，将节水拓展到一个全新的领域——通过设定的数学模型与控制系统，对工业生产补充新水量进行智能优化诱导与过程控制。其数学模型与控制系统就是将连续采集来的与节水有关的各项数据输入可编程序控制器，然后将优化的补充新水量传输给数字调节阀并进行调控。这样，就提高了水的利用率，减少了补充新水量和外排废水量，降低补充新水的净化与外排废水处理的投资和运行费用。本发明能使企业用有限的投入，获取较大的经济效益。此外，它对促进社会发展、保护环境都有极大的好处。

Description

五维水平衡节水技术的控制方法及其控制系统

一.技术领域

本发明涉及一种五维水平衡节水技术的控制方法及其控制系统，它适用于量大面广的工业用水，如冶金、发电、造纸、化工等工业给排水工程领域中节约用水的一项综合技术，也是水环境保护的一项综合技术。

二.背景技术

现有的水平衡控制系统及其控制方法基本上停留在水量本身这一维的范围内，如国家技术监督局批准并分别于1991年3月1日和1994年2月1日实施的《企业水量平衡测试通则(GB/T12452-90)》与《评价企业合理用水技术通则(GB/T7119-93)》，均把企业用水量多寡作为评价企业用水是否合理的唯一尺度。目前，我国有14个省、自治区、直辖市的人均水资源低于国际公认的1750m³的用水紧张线，其中9个省、市低于500m³的严重缺水线，在我国近700个城市中，就有400多个城市常年供水不足，每年由于缺水造成经济损失高达2000亿元以上，超过了我国国内生产总值的2％；我国由于水污染，每年所造成的经济损失也高达2000亿元以上，其中对人体健康损害的价值每年达417.3亿元，死于大气和水污染的人数高达200万。面对这样严峻的事实，如何使水资源合理配置，使水环境走向良性循环，仅靠一维水平衡技术所能解决的问题终归是有限的。

三.发明内容

本发明针对上述存在的问题，提供这样一种五维水平衡节水技术的控制方法及其控制系统，在该控制系统中，将补充新水量Q_m、循环水量Q、排污水量Q_p、干球温度θ、湿球温度τ、回水温度t₁、给水温度t₂、人工输入的补充水质b_z′、自动采集的补充水质b_z、人工输入的循环水质X_z′、自动采集的循环水质X_z和设定的浓缩倍数N等各项数据采集后，输入可编程序控制器进行编程处理，然后将设定的数学模型所确定的优化补充新水量Q_m这一信号传输给数字调节阀1，由数字调节阀1调控补充新水量。同时，设有报表显示和打印，可将存储的数据打印存档。用这种紧紧卡住补充新水量“脖子”的控制方法，改变了过去只考虑水量这一维水平衡的控制方式，把节约工业用水与水量、水温、水质、气象和水文这五维有机地结合起来，提高水的利用率，减少外排废水量，降低补充新水的净化与外排废水处理的投资和运行费用。

其操作和控制方法为：

1.补充新水量Q_m与其余各相关数据的关系

A.工业用水中，在水的重复利用率R不变的情况下，补充新水量Q_m与循环水量Q三者的关系如式(1)所示：

Q_m＝Q·(100-R)％……………………(1)

在循环水热交换过程中，被循环冷却水带走的热量Q_r等于循环水量Q与水的温升Δt的乘积，如式(2)所示：

Q_r＝Q·Δt……………………………(2)由此得出：

$Q=\frac{Q_r}{\mathrm{\Δt}}\·\·\·\·\left(2^{\′}\right)$

将式(2′)代入式(1)中，得出

$Q_m=\frac{Q_r}{\mathrm{\Δt}}(100-R)\%$

由此可见，提高循环冷却水在热交换过程中进、出水的温差与提高水的重复利用率，都可以减少补充新水量。

B.在循环水冷却过程中，经过冷却塔时蒸发散热损失水量Q_c、循环水的浓缩倍数N与补充新水量Q_m的关系为：

$Q_m=\frac{Q_c\·N}{N-1}\·\·\·\·\left(3\right)$

由此得出： $Q_c=\frac{Q_m\·(N-1)}{N}\·\·\·\·\left(3^{\′}\right)$

在循环冷却水系统中的水量损失，除蒸发水量Q_c外，还有外排废水量Q_b，风吹损失水量Q_w和漏失水量Q₁，即.

Q_m＝Q_c+Q_b+Q_w+Q₁……………………………(4)将式(3′)代入式(4)得出

Q_m＝(Q_b+Q_w+Q₁)·N……………………(4′)

从式(3)和(4)可知，减少各种水量的损失与提高水的浓缩倍数，也可以减少补充新水量。

C.减少外排废水量Q_b和漏失水量Q₁，就控制了排污水量Q_P，如式(5)所示：

Q_P＝Q_b+Q₁……………………………………(5)

将式(5)代入式(4′)得出

Q_m＝(Q_P+Q_w)·N…………………………(5′)

2.控制好水的温升Δt是控制补充新水量Q_m的关键，其方法有二：

(1)降低给水温度t₂与提高回水温度t₁，使其温差加大，也就是提高水的温升Δt；

(2)根据补充新水和循环水的水质，投加水质稳定剂，以保证循环水即不结垢也不腐蚀的前提条件下，提高水的温升(Δt)。

3.补充新水量Q_m的调控，应根据气温(包括干球温度与湿球温度)来调控补充水量。在一年之内的气温变化总是呈驼峰状(即中间高，两头低)。因此循环水系统在冷却过程中依靠水的蒸发损失所带走的热量在夏季为90％以上，而冬季为30％以下(在我国的北方地区这一数值就更小，因为循环水在冬季甚至可以不经过冷却塔冷却，就可以满足冷却水的用水之需)，而春秋介于两者之间。可见，如果夏季循环水的蒸发水量Q_c为K的话，冬季的蒸发水量则为K/3，这也就是说循环水系统在夏季的补充水量Q_m＝Q_c·N/(N-1)＝K·N/(N-1)；而冬季的补充水量Q_m′＝K·N/3(N-1)；春秋季的补充水量则介于两者之间。因此，我们就可以在满足循环冷却水的各种用水参数的条件下，根据每日每时的气温变化，建立一套数学模型，并将采集来的有关数据，在可编程序控制器中进行处理，然后将优化的补充新水量，传输给数字调节阀，以调控数字调节阀的开启度。

4.水资源与企业的取水量供需之间的调控，以往企业的取水量(即补充新水量)在一年之中变化甚微，甚至有的企业在冬季采暖期间取水量反而有所增加，而我国大部分地区的降水量有50％～90％集中在夏季，冬季的降水量很少，而春秋亦介于两者之间。水资源(包括地表水和地下水)与降水量息息相关。因此，我国的水资源的丰、枯走势呈驼峰状与气温的峰值和谷值大体耦合。我们依此对补充新水量Q_m进行调控，就可以使企业的取水量与水资源的丰、枯基本适应。

本发明的主要效果：

1.节约了水资源，在一定程度上缓解了我国水资源匮乏的程度；企业可以用很少的投入，获取可观的经济效益。据水利部1998年度的《水资源公报》报导，我国工业用水的总量为2197.4亿m³，取水量(即补充新水量)为1158.95亿m³，重复利用率为53％，外排废水量为171.24亿m³。如果采用上述五维水平衡节水技术的控制系统及其控制方法，至少可以使全国的工业取水量、总用水量和工业外排废水量各减少30％以上，即使按20％计算，每年的经济效益可达400亿元以上。今后我国的水价将包括资源水价、成本水价和环境水价三部分，水价将逐年有较大幅度的增长。可见本发明的经济效益是可观的。

2.改变了多取水，多排水(因为企业的消耗水量往往变化不大)，先污染后治理的方式，一座日处理水量为21.6万m³的污水处理场，其投资达2亿多元，其中生活污水和工业废水的比例1∶9，处理后的水量回用还不到45％，大部分作为废水排放到水体中去，废水处理的成本相当于补充新水水价的85％。因此，减少取水量，也就减少了外排废水量，不但减少污染，还可降低治理费用。

3.五维水平衡节水技术的控制系统及其控制方法，不仅适用于我国的工业企业的用水及其它用水领域，而且也适用于世界大部分国家和地区。采用开源与节流并重，应以节流为先，以北京为例，调入70m³/秒的南水，将外排50m³/秒的污水。因此北京还得兴建3～4座高碑店污水处理场，总投资近100亿元。若将本发明运用到南水北调范围内，不仅减少了调水量，污水排放量也会相应地减少。

四.附图说明

图1为本发明五维水平衡控制系统示意图；

图2为某企业补充新水量调控示意图；

图3为全国部分城市降水量的百分比；

图4为某企业1995～1999年逐月、日水温、气温和补充新水量过程线示意图；

图5为某企业1999～2000年逐月补充水量过程线示意图；

图6为各种水温下钙盐和镁盐的溶解度。

五.具体实施方式

下面的实施例可以帮助本领域的技术人员更全面地理解本发明，但不以任何方式限制本发明。

实施例1  用水量与水温的关系

某企业工业循环水用水户，设计的给水温度为33℃，回水温度为41℃，水的温升Δt为8℃，循环冷却水量Q为14.4万m³/天。实际上，多年以来，夏季运行的平均给水温度为31.1℃，回水温度为34.2℃，水的温升Δt仅为3.1℃。

依设计要求，每天通过热交换被循环冷却水带走的热量，按照式(2)Q_r＝Q·Δt，应为Q_r＝144000×1000×8＝11.52×10⁸(千卡/天)，而实际运行中，夏季水的温升Δt只有3.1℃，因此由循环冷却水带走的热量仅为

Q_r＝144000×1000×3.1＝4.464×10⁸(千卡/天)

如果仍按设计的温升Δt＝8℃运行，就可以将循环冷却水的水量减少。

按照式(2′) $Q=\frac{Q_r}{\mathrm{\Δt}}$ 修正后的循环冷却水的实际水量Q_实为

式中Q_r′为循环冷却水实际带走的热量。

由于循环冷却水系统的蒸发水量为：

$Q_c=\frac{Q\·\mathrm{\Δt}}{\mathrm{\λ}}$

式中λ为循环冷却水在冷却塔蒸发时的汽化潜热。

尽管修正后的水量Q_实减少了，而水的温升Δt增加了，可是带走的热量不变，即Q·Δt＝Q_实·Δt′，即144000×1000×3.1＝55800×1000×8

由于循环冷却水带走的热量不变，而汽化潜热也不变，因此循环冷却水的蒸发水量也不变，故补充新水量也不变。因此，节约用水就表现在节约了循环冷却水量，即可节约循环水系统的投资和运行费用。该系统每m³的循环冷却水的耗电量约为0.45kW·h，该企业的自备电厂的电价为0.19元/kW·h，由此得出，本实施例的节电量和电费分别为：

(14.4-5.58)×365×0.45＝1448.7万kW·h/年；

1448.7×0.19＝275.3万元/年。

实施例2合理补充新水量或称取水量

某企业工业循环水用水户，使用本发明控制系统，将采集来的补充新水量或称取水量Q_m、循环水水量Q、排污水量Q_p、干球温度θ、湿球温度τ、回水温度t₁、给水温度t₂、循环水水质X_z与补充水水质b_z和设定水的浓缩倍数N等有关数据输入可编程序控制器，经数据处理后，即可按照设定的数学模型得出的优化补充新水量Q_m的数值，然后将此数值输给水泵站，水泵站将补充新水通过不同管道分别供给炉体清循环水系统，炉缸清循环水系统和集尘污循环水系统；与此同时，可编程序控制器将信号传输给数字调节阀用以调控调节阀的开启度；通过流量计再把供给上述三循环水系统的补充新水量Q_m数字脉冲信号传输给可编程序控制器进行数据处理。依此往复，实现合理补充新水量。

操作时参见图1和图2。

图中，1-数字调节阀；2-水泵站；3-流量计。

可编程序控制器除按设定的数学模型将采集的各项数据进行智能优化，得出合理的补充新水量或称取水量Q_m输给数字调节阀1，还可将数据存储、显示、打印，以备用于分析和报查。

实施例3用水量与气象、水文的关系

夏天的气温(干球温度θ和湿球温度τ)高，其蒸发散热占总散热量的90％以上，冬季的气温(干球温度θ和湿球温度τ)低，蒸发散热只占总散热量的30％以下，尤其是我国的北方地区，这一比值更小，春秋两季的蒸发散热占总热量比值介于夏冬之间。这就是说补充新水量Q_m要和气温一样，在一年之中呈驼峰状走势。

我国夏季的降水量占全年降水量的50％～90％，全年降水量的等值线基本上是从东南向西北逐渐减少，幅度为1000mm～不足20mm。

河流的径流量与降水量关系密切，因夏季降水量多而丰，冬季降水量少而枯，且径流等值线也是从东南向西北逐渐减少，其幅度为1200mm～50mm以下。

可见我国的水资源(包括地表水和地下水)的丰、枯与企业的补充新水量的走势均呈驼峰状，且其峰值与谷值天然耦合。因此，通过控制与操作，使其补充新水量Q_m的多少与河流(或地下水)的丰枯大体吻合。这样就可以解决和改变我国冬季取水困难与河流径污比失衡的现状，尤其在我国的北方缺水地区，其节水效益更好。

操作时参见图3、图4和图5。

实施例4用水量与水质的关系

钙盐和镁盐在水中的溶解度是随着水温的升高而降低，尤其是钙盐特别明显，通过在线连续采集和定期水质分析，按照循环水水质X_z和补充水水质b_z的最佳要求投加水质稳定剂，使循环冷却水的水质得到保证，避免水垢导致用水设备严重烧损；同时，又可解决不使热交换率降低、水的温升难以提高的问题。

操作时参见图6。

是否需要投加水质稳定剂、投加多少，主要视当地的水质情况而定，如果属于“很软水”类型，就不必要采用软水闭路循环系统。

Claims (4)

1.一种五维水平衡节水技术的控制方法，是将水量、水温、水质、气象和水文这五维综合起来，采用将数据采集装置、可编程序控制器、报表显示打印装置与数字调节阀(1)连接起来进行全过程、全方位的在线连续控制，其特征在于：所述数据采集装置包括能够测量补充新水量(Q_m)、循环水量(Q)、排污水量(Q_p)、干球温度(θ)、湿球温度(τ)、回水温度(t₁)、给水温度(t₂)、人工输入的补充水质(b_z′)、自动采集的补充水质(b_z)、人工输入的循环水质(X_z′)、自动采集的循环水质(X_z)的装置以及设定的浓度倍数(N)的装置，所述可编程序控制器包括按照下列数学模型设定的数学公式，其公式为：

补充新水量(Q_m)与其余各相关数据的关系：

A.在工业用水中，水的重复利用率(R)不变，补充新水量(Q_m)与循环水量(Q)三者的关系如式(1)所示：

Q_m＝Q·(100-R)％………………(1)

在循环水热交换过程中，被循环冷却水带走的热量(Q_r)等于循环水量(Q)与水的温升(Δt)的乘积，如式(2)所示：

Qr＝Q·Δt………………………(2)

B.在循环水的冷却过程中，由于水在蒸发时，将盐类和其他物质均留在水中，循环水因而浓缩，此时所补充的新水量(Q_m)为：

Q_m＝Qc·N/(N-1)………………(3)

式中，Q_c为蒸发损失水量，

N为设定的循环水的浓缩倍数；

在循环冷却水系统中的水量损失，除蒸发损失水量(Qc)外，还有外排废水量(Q_b)，风吹损失水量(Q_w)和漏失水量(Q_l)，即：

Q_m＝Q_c+Q_b+Q_w+Q_l………………(4)

C.控制外排废水量(Q_b)和漏失水量(Q_l)，就控制了排污水量(Q_p)，如式(5)所示：

Q_p＝Q_b+Q_l…………………………(5)

按照采集装置采集到的数据和数学公式计算出的数据，经过可编程序控制器处理后，将补充新水量的数据输出至数字调节阀(1)，以调节阀(1)的开启度来控制补充新水量(Q_m)，同时，将所有数据输出到报表显示打印装置显示、打印。

2.根据权利要求1所述的五维水平衡节水技术的控制方法，其特征在于：按如下方法对水的温升(Δt)进行调控，

(1)降低给水温度(t₂)与提高回水温度(t₁)，使其温差加大，也就是提高水的温升(Δt)，

(2)根据补充新水和循环水的水质情况，投加水质稳定剂，以保证循环水既不结垢，也不腐蚀的前提条件下，提高水的温升(Δt)。

3.根据权利要求1所述的五维水平衡节水技术的控制方法，其特征在于：调控补充新水量(Q_m)，使其峰值和谷值同一年四季的气温高低、河流的径流量与地区的降水量多少息息相关的丰枯峰值与谷值相吻合，因此对补充新水量(Q_m)进行调控后的走势应与上述两因素的走势所呈驼峰状相符。

4.一种如权利要求1所述控制方法的控制系统，包括相互连接的数据采集装置、可编程序控制器、数字调节阀(1)和报表显示打印装置，其特征在于：所述数据采集来自补充新水量(Q_m)、循环水量(Q)、排污水量(Q_p)、干球温度(θ)、湿球温度(τ)、回水温度(t₁)、给水温度(t₂)、人工输入的补充水质(b_z′)、自动采集的补充水质(b_z)、人工输入的循环水质(X_z′)、自动采集的循环水质(X_z)和设定的浓度倍数(N)；所述可编程序控制器包括上述数学模型设定的数学公式；上述装置相互间一一连接。

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