2.2 节水设计和优化运行

循环冷却水系统用水占电厂总用水的70%~90%，具有较大的节水潜力，循环冷却水系统的水损失主要有3种：蒸发损失、风吹损失、排污损失，三者之和约等于整个循环冷却水系统的补水量。

蒸发损失量约占循环水量的1.2%~1.6%，受气温影响，没有较好的方法进行回收；风吹损失量约占循环水量的0.3%~0.5%，若安装收水器可降至0.1%，这部分水量较小可忽略。循环冷却水系统耗水、补水、排水受到浓缩倍率的影响，其具体关系见式（6）、（7）。

循环冷却水系统排水量Qp图片：

循环冷却塔补给水量图片Qb图片：

式中：Qx——循环水量，m³/h；K ——浓缩倍率；e ——蒸发损失系数，与气温有关，℃-1；Δt ——冷却塔进出口温度差，℃；r ——风吹损失系数。

通过在循环冷却水系统中添加缓蚀剂和阻垢剂等处理方法来提高循环冷却水系统的浓缩倍率，从而降低用水量，电厂单350 MW机组的浓缩倍率对应的排污率见表3。

电厂一期循环冷却水系统有6座自然通风逆流式冷却塔，具有较大的节水潜力，且都保持低浓缩倍率运行。

通过添加缓蚀剂、阻垢剂、除垢剂或阴极电化学除垢等措施，调整补给水量，提高浓缩倍率从而达到减少排污率，当提高浓缩倍率至4.5时，单机排污量为51.67 m³/h，整个工业水系统的新鲜水取用量等于耗水量，系统达到供需平衡状态，此时新鲜水补给量为2 486 m³/h，减少新鲜水取用量329 m³/h。

提高浓缩倍率的同时必然会增加循环冷却水的结垢及腐蚀倾向，必须依据对日常水质监测数据进行比对判断，防止出现结垢现象。

电厂脱硫系统用水主要包括石灰石制浆用水、设备冷却用水、除雾器冲洗用水以及废水处理系统用水等，水消耗主要来自脱硫产物石膏中带走的结晶水以及附着水、烟气中蒸发的水分，并有部分的脱硫排水。

脱硫用水对于水质的要求低，将难处理的高浓缩倍率循环冷却水系统排污水用于脱硫，可以极大程度上减少新鲜水的使用；脱硫排水含有大量的重金属离子、硫酸钙和亚硫酸钙盐、悬浮物和杂质等，难于处理，常用于灰库的拌湿用水，也可设置终端处理设施进行处理达标排放或再利用。

2.3 水系统建模与优化

2.3.1 水量参数

（1）新鲜水用量。基于梯级用水的原理对新鲜水水量进行控制，让新鲜水量和各用水单元的总耗水量相等，达到整个厂区的无废水直接排放，厂区各个耗水单元的耗水量见表4。

（2）用水单元供需水量。通过提高循环冷却水系统的浓缩倍率，使整个工业水系统达到供需平衡，此时一期循环冷却水系统的排水量为310 m³/h、需水量为2 486 m³/h；调整后的化学除盐水系统需水量为220 m³/h，排水量为218 m³/h；其他用水系统供需水量取水平衡测试结果数据。各用水系统排水以及需水量数据见表5。

2.3.2 配水成本单价的确定

单元之间的配水单价包括水处理费用和水输送费用，水处理费用根据常用水处理费用函数确定。

根据山西省水资源管理条例，工业行业在用水定额内取用地下水的水资源税为2元/m³，不同单元之间水串级使用处理措施见表6。

不同的水源向循环冷却水系统配水时，处理的费用与循环冷却水的浓缩倍率有关，具体数值如下：

不进行处理：K=1.5，c（K）=0元/m³；水质稳定处理：K=2.25，c（K）=0.05元/m³；弱酸树脂处理/石灰软化：K=3.5，c（K）=0.58元/m³；水质稳定处理+弱酸树脂处理/石灰软化：K=5.58，c（K）=0.77元/m³。

通过分析计算，电厂配水成本单价见表7。

2.4 优化结果分析

通过构建数学模型，借助MATLAB的数学计算库编写Vogel最佳路径分析方法程序，根据用水单价矩阵以及供需水向量数据，对各单元的用、排水水量进行优化，优化后的水平衡数据见表8。

2.4.1 合理性分析

对各用水单元用水来源以及排水去向依次做合理性分析：

（1）新鲜水总用量为2 891 m³/h，其中84.2%用于一期循环水系统，其他分别供二期循环水系统、化学除盐水系统、脱硫用水系统、生活消防用水系统、其他杂用水系统使用。

（2）一期循环冷却水系统用水分别来自新鲜水和锅炉排水，水质均可达到用水标准，排水全部供脱硫系统使用。

（3）二期辅机循环水系统用水全部来自新鲜水，排水全部用于化学除盐水系统。二期辅机循环水系统排水为含油污水，含其他杂质较少，可通过添加除油器净化后供化学除盐水系统使用。

（4）一期除灰渣系统用水全部来自化学除盐水系统排水，排水供二期除灰渣系统使用。

（5）二期除灰渣系统用水分别来自化学除盐水系统和一期除灰渣系统，全部消耗，无外排。

（6）化学除盐水系统用水来自新鲜水和二期辅机循环水系统排水以及生活排污水。化学除盐水中一部分除盐水排向锅炉，另一部分浓缩污水排向除灰渣系统以及脱硫用水。因生活消防输水管线分散杂乱，不宜向工业生产区域输水，通过人为调整将生活排污水处理后用于其他杂用水系统，而化学除盐水系统所需的14 m³/h则由新鲜水提供。

（7）锅炉用水全部来自化学除盐水系统，排水供一期循环水系统使用。

（8）脱硫用水系统用水13%来自新鲜水、72%来自一期循环冷却塔排污水、7%来自除灰渣系统排水和8%来自化学除盐水排水，并将全部的排水（36 m³/h）排向自身。由于脱硫排水后被分配导致最优的路径无法完全消纳其排水，而用于自身运价又偏低，故出现了排往自身的情况。结合实际情况将这部分水排向脱硫用水处理单元，处理后排往除灰渣系统。

（9）生活用水全部来自新鲜水，排水用于化学除盐水系统，调整后排水排往其他用水系统。

优化调整后的全厂用水平衡情况见图1。

2.4.2 优化效益分析

（1）经济效益分析。优化前后效益对比见表9。梯级用水优化后新鲜水取用量减少了364 m³/h，取水费用降幅11.2%；新鲜水用量的减少也导致处理水量、费用的大幅度下降，水处理的总费用下降了22.4%；由于达到梯级用水，预计每年可节省全部的排污费用255万元；梯级用水和水系统优化后预计每年可减少总用水费用1 252万元，降幅达16.5%。

（2）社会、生态效益。按70%的发电负荷计算，优化后电厂的综合发电水耗率为0.35 m³/（s·GW），比优化前降低了10.3%，对于实现经济社会的可持续发展具有积极意义。

优化后每年可减少取水量以及排污量各318.86万t，对保护地下水资源以及缓解水资源的供需矛盾具有积极意义，并有利于缓解当地的水环境污染问题，对保护水生态环境作出积极贡献。

3 结 论

通过研究发现，对现有的工业用水系统进行用水、耗水水量分析，并进行节水改造是减少工业用水量的直接措施。

利用Vogel进行最佳路径分析，可对用水改造后的水网进行二次改造，让水尽量串级使用，达到能再用的水尽量拿来用的目的。

借助梯级用水的方法对案例企业分析得到，在3300 MW的总装机容量的热电厂中，实施梯级用水节水改造以及用水网络优化后每年可产生1252万元的利润，其中29%的利润贡献来自用水网络优化、71%来自节水改造。

本研究基于梯级用水，是对前人工业水系统集成优化理论的简化，针对工业系统中用新鲜水去稀释单元用水以及单元间配水成本消耗问题，以及基于杂质负荷优化得到的用水网络难于实现等问题，构建了简化的水网络用水运输模型，按照各单元间的配水成本进行水量的分配，在简化水系统优化过程的同时可以得到与当下用水系统更加贴合的水网结构。

本研究对于用水单元系统间的水串级使用难度使用配水成本进行刻画，存在很强的主观性，所以只适用于水系统的结构初步调整中，对于水量的实时调整需要结合实时的监测水质对单元间配水的难度进行刻画，如水质映射的配水成本函数。