火力發(fā)電廠水資源智慧調控與運營

袁 弘 孫 利 劉政修 湯自強 梁 浩 趙瀟然 梁國杰

（1. 京能盛樂熱電有限公司，內蒙古 呼和浩特 011518；2. 北京京能能源技術研究有限責任公司，北京 100022）

0 引言

水資源是基礎性自然資源和戰(zhàn)略性經濟資源，是社會經濟可持續(xù)發(fā)展、維系生態(tài)平衡與和諧環(huán)境的重要基礎。全國發(fā)電總裝機容量中，火力發(fā)電用水量占全部工業(yè)用水量的20%。火力發(fā)電廠用水量大，水的問題已成為北方地區(qū)建設、發(fā)展電力工業(yè)的制約因素，因此，做好火力發(fā)電廠水資源的高效管理十分必要。

2015年04月，國務院頒布了《水污染防治行動計劃》（水十條），提出了水污染防治的總體要求，并制定了2020～2030年工作目標及主要指標。2018年《中共中央國務院關于全面加強生態(tài)環(huán)境保護堅決打好污染防治攻堅戰(zhàn)的意見》提出，著力打好碧水保衛(wèi)戰(zhàn)。2021年政府工作報告要求加強污染防治和生態(tài)建設，持續(xù)改善環(huán)境質量，鞏固藍天、碧水、凈土保衛(wèi)戰(zhàn)成果。

開展火力發(fā)電廠深度節(jié)水，實現(xiàn)水資源智慧管控，實現(xiàn)全廠廢水零排放，高度契合國家政策，是應盡的社會責任，并關系到企業(yè)的生存和可持續(xù)發(fā)展，具有十分重要的現(xiàn)實意義。

傳統(tǒng)的發(fā)電企業(yè)現(xiàn)在面臨著嚴峻的經營壓力，必須創(chuàng)新生產、經營管理模式，實現(xiàn)生產及經營的智慧化。隨著大數(shù)據(jù)和人工智能等技術不斷發(fā)展，以信息技術為手段，以完備合理的系統(tǒng)設計為基礎，以大數(shù)據(jù)分析指導決策，實現(xiàn)電廠智慧化是電力行業(yè)深化改革和適應電力市場形勢變化的必由之路。水資源智慧調控與運營作為智慧電廠的一部分，可實現(xiàn)全廠水資源精準管控、降低發(fā)電綜合水耗、減少廢水排放、提高用排水系統(tǒng)安全運行等，具有良好的經濟、管理、安全、環(huán)保及社會效益[1]。

1 水資源智慧調控與運營管理系統(tǒng)建設總體思路

根據(jù)DL/T 1337-2014《火力發(fā)電廠水務管理導則》[2]及DL/T 5046-2018《發(fā)電廠廢水治理設計規(guī)范》[3]，依據(jù)“水量、水質平衡”，按照“梯級使用、清污分流”的原則，結合國內外最新節(jié)水技術成果，通過全廠工業(yè)廢水綜合治理及水資源綜合利用，實現(xiàn)全廠深度節(jié)水及全廠廢水零排放，在此基礎上，進行智慧水務管理系統(tǒng)建設，鞏固全廠節(jié)水成果，全面實現(xiàn)全廠水資源智慧調控與運營管理。

根據(jù)DL/T 606.5-2009《火力發(fā)電廠能量平衡導則第5部分 水平衡試驗》[4]，基于全廠水（鹽）平衡測量原理及水務管理要求，完善在線熱工及化學儀表，搭建實時在線監(jiān)測體系及通訊網絡，完成實時動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的建設，實現(xiàn)數(shù)據(jù)遠傳的可視化水資源智慧調控與運營管理平臺。

通過合理算法、模型開發(fā)及大數(shù)據(jù)分析等手段，進行智慧調控與運營管理系統(tǒng)軟件功能開發(fā)，實現(xiàn)水量（質）指標管理及在線評價、預警、診斷、優(yōu)化等主要功能。

水力發(fā)電廠水資源智慧調控與運營管理系統(tǒng)是一個集全廠用、排水系統(tǒng)運行、指標管控、效能分析、設備管理、成本控制、指標預警（預測）及優(yōu)化等在內的水資源智慧調控與運營綜合管理系統(tǒng)。

水資源智慧調控與運營管理系統(tǒng)主要功能包括：全廠一/二級水系統(tǒng)管控、全廠水/鹽平衡監(jiān)控、全廠水務管理報表、設備/指標管理、全廠用/排水管網3D展示、主要指標預警/診斷/優(yōu)化等。

2 水資源智慧調控與運營系統(tǒng)建設

2.1 水資源智慧調控與運營系統(tǒng)網絡拓撲圖

水資源智慧調控與運營系統(tǒng)網絡拓撲圖如圖1所示，水資源智慧調控與運營系統(tǒng)首頁功能如圖2所示。采購數(shù)據(jù)、應用及接口服務器各一臺，數(shù)據(jù)服務器安裝在電廠安全二區(qū)，作為智慧水務管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)服務器，在安全三區(qū)增加一臺數(shù)據(jù)服務器，作為邊端智慧水務管理系統(tǒng)鏡像服務器，將應用服務器安裝在電廠安全三區(qū)，可支持現(xiàn)場多人訪問系統(tǒng)。為保證網絡安全，相關位置設置正向隔離網閘，云邊系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸采用專線方式。

2.2 水資源智慧調控與運營系統(tǒng)功能

2.2.1 系統(tǒng)首頁

系統(tǒng)首頁功能類似于管理駕駛艙。在界面上主要展示水務管理參數(shù)、主要用水指標實時分析、用水指標圖表分析；關鍵用水監(jiān)測參數(shù)包括總用水量、循環(huán)水量、串用水量、復用水量、生產用水量、非生產用水量、汽水熱力循環(huán)量等智慧水務管理關鍵用水監(jiān)測參數(shù)，關鍵用水監(jiān)測參數(shù)數(shù)據(jù)為年度累計值；重要水務指標實時分析包括全廠用水不平衡率、單位發(fā)電水耗、單位綜合發(fā)電水耗、全廠補水率、全廠汽水損失率、灰水比等智慧水務管理重要指標，重要水務指標數(shù)據(jù)顯示為實時，并可與行業(yè)內平均值、限定值、先進值、領跑值進行對比分析，實時顯示比平均、比限定、比先進、比領跑指標值變化；用水指標圖表以折線圖的方式展示單位發(fā)電水耗、單位綜合發(fā)電水耗、全廠補水率、全廠汽水損失率等指標的小時周期變化值，即折線圖橫坐標為天小時，展示當天每小時變化曲線。系統(tǒng)首頁功能參如圖2-2所示。

2.2.2 二級系統(tǒng)監(jiān)控

將全廠水系統(tǒng)劃分為生產水供水系統(tǒng)、生活消防水系統(tǒng)、工業(yè)水系統(tǒng)、主機循環(huán)水系統(tǒng)、閉式循環(huán)水系統(tǒng)、熱網循環(huán)水系統(tǒng)、中水深度處理系統(tǒng)、鍋爐補給水處理系統(tǒng)、廢水處理及回用系統(tǒng)、脫硫系統(tǒng)等。系統(tǒng)包括每個供水單元的水系統(tǒng)圖、取用水指標、系統(tǒng)報警等信息。二級系統(tǒng)圖上有主要用水或供水設備、水量監(jiān)測表計實時數(shù)據(jù)、關鍵閥門狀態(tài)等。

二級系統(tǒng)頁面主要展示2D供水系統(tǒng)工藝流程圖、水務管理參數(shù)展示、水務管理水量對比分析、水務管理指標圖表分析、表計瞬時流量歷史曲線圖。

以全廠供水系統(tǒng)工藝流程美工圖為載體，通過2D視角的平面工藝組態(tài)來監(jiān)測供水系統(tǒng)運行狀態(tài)，對進出水位置、方向、流量等參數(shù)進行圖形化表達。系統(tǒng)圖中的儀表可展示實時數(shù)據(jù)。

實現(xiàn)供水系統(tǒng)供水總量等水量參數(shù)集中展示，默認展示日數(shù)據(jù)，可根據(jù)智慧水務業(yè)務管理需要自由選擇時間段進行查詢。

以柱形圖的形式實現(xiàn)供水系統(tǒng)供水總量等水量參數(shù)對比情況，并與同期進行對比分析，周期維度為日。

以折線圖的形式實現(xiàn)供水系統(tǒng)水務指標（含分系統(tǒng)用水不平衡率）數(shù)據(jù)分析結果展示，周期為日周期（即折線圖橫坐標為天小時），多個指標可通過選擇該區(qū)域指標簽自由更換。

系統(tǒng)提供查詢供水系統(tǒng)表計瞬時流量歷史曲線功能，通過點擊頁面“水表曲線”按鈕，系統(tǒng)自動跳轉到歷史曲線功能頁，曲線頁集中展示供水系統(tǒng)圖中所有表計歷史流量曲線，可根據(jù)需要選擇全部表計同圖展示，也可多個表計同圖展示，也可單個表計圖中展示，曲線展示時間范圍可自由選擇。

在線中水管線泄漏預警：利用智慧水務管理系統(tǒng)流量信號實現(xiàn)中水供水管線在線泄漏檢測，解決供水管線巡檢不及時、泄漏后不能及時發(fā)現(xiàn)、泄漏后容易產生糾紛、經濟損失和安全風險。二級 系統(tǒng)圖參如圖3所示。

二級系統(tǒng)數(shù)據(jù)曲線如圖4所示。

2.2.3 全廠水/鹽平衡監(jiān)控

以全廠水/鹽平衡系統(tǒng)工藝流程美工圖為載體，通過2D視角的平面工藝組態(tài)來監(jiān)測各系統(tǒng)運行狀態(tài)，實時計算水/鹽平衡率。系統(tǒng)自動生成的用水監(jiān)測、水務指標、水/鹽平衡簡況天平圖等功能點，可以按照時、日、周、月、年不同周期時段在線監(jiān)視全廠和機組的總用水量、循環(huán)水量、回用水量、串用水量、復用水量、重復利用水量、重復利用率、生產用水量、非生產用水量、汽水熱力循環(huán)量的水量參數(shù)；也可以展示單位發(fā)電水耗、單位供熱水耗、全廠補水率、灰水比、重復利用率、廢水回用率等水務指標的日度、周度、月度和年度數(shù)值，以及同比/環(huán)比變化、比平均、比限定、比先進、比領跑指標值變化等，反映用水水務總體情況；通過結合水網管閥圖形元素的天平簡圖來表達新鮮水量、總存水變化量、總耗水量、總漏失量之間的統(tǒng)計期平衡率情況。配以折線圖、柱形圖、面積圖等圖表對單位發(fā)電水耗、汽水損失率等關鍵用水指標進行分時顯示，并標繪突顯最高值、最低值、平均值、最頻值等特征數(shù)據(jù)。

在必要的位置安裝在線電導率表，通過分析，確定各種水樣電導率與TDS對應關系，化學水處理系統(tǒng)加藥或再生后，需要核算鹽量增加值，定期通過水質分析核算在線鹽平衡測試準確性，實時計算鹽平衡率。全廠水/鹽平衡監(jiān)控流程圖如圖5所示。

2.2.4 全廠水務管理報表

全廠水務管理報表主要包括全廠水平衡報表、主要用戶用水報表、機組發(fā)電用水指標報表、廢水回用報表等。報表查詢時間維度有日、月、年、任意時間段，報表不同查詢維度不同。各種報表具有導出功能，可導出到Excel。全廠水平衡報表格式如表1所示。

表1 全廠水平衡報表

表1（續(xù)）

機組發(fā)電用水指標報表如表2所示。

表2 機組發(fā)電用水指標報表

表2（續(xù)）

全廠主要用戶日用報表如表3所示。

全廠廢水回用報表如表4所示。

表4 全廠廢水回用報表

表4（續(xù)）

2.2.5 設備/指標管理

設備管理

系統(tǒng)提供手工錄入設備臺賬、巡檢記錄、安全監(jiān)控、檢修記錄、壽命情況等設備詳情錄入功能，提供新增、刪除、修改、查詢功能；并提供資料上傳功能，上傳資料有視頻類、圖片類、文檔類三類。

（1）設備臺賬：水務管理業(yè)務相關設備清單，包含設備基礎信息、校驗日期、出廠信息；

（2）資料檔案：記錄水務設備管理相關資料文獻，包含視頻、圖片、文檔；

（3）巡檢記錄：記錄水務設備巡檢信息；

（4）安全監(jiān)控：記錄水務設備安全管理信息；

（5）檢修記錄：記錄水務設備檢修信息；

（6）壽命情況：基于設備清單記錄設備運行壽命情況。

指標管理

系統(tǒng)提供指標配置如圖6所示、指標實時數(shù)據(jù)展示如圖7所示、指標歷史曲線查看功能如圖8所示。可針對每個指標進行定義、設定計算公式；實時數(shù)據(jù)展示頻率為1分鐘，指標實時數(shù)據(jù)展示頁面數(shù)據(jù)刷新頻率為1分鐘；針對每個指標，可查詢歷史曲線，時間范圍可自由選擇。

2.2.6 全廠用/排水管網3D展示

采用Unity3D方式，進行全廠用、排水管網3D展示，包括全廠用、排水管道與主建筑物、管道之間、管道與地面的相對位置、水平距離、垂直距離等數(shù)據(jù)；顯示管道的管徑、材質、閥門、管道井、支路管道等管道的本體及主要附件。

全廠用/排水管網3D展示主要包括循環(huán)水給水管、循環(huán)水回水管、輔機循環(huán)水給水管、輔機循環(huán)水回水管、雨排水管、生活污水排水管、工業(yè)無壓排水回收管、非經常廢水排水管、含油廢水排水管、消防供水管、生活給水管、工業(yè)水給水管、復用水管、脫硝廢水管、高懸浮物廢水排水管、工業(yè)水壓力排水回收管；廠區(qū)中水水源補給水管、廠區(qū)備用水源補給水管、工業(yè)水回收復用水管、生活污水處理回收水管、泡沫消防管、脫硫廢水管、輸煤沖洗排水管、煤水處理回收水管、有壓雨水排水管。不同的分系統(tǒng)需要以不同顏色區(qū)分，可以選擇顯示全廠3D管網或者某個分系統(tǒng)管網。

3D展示的供水管網界線以供水泵為起點，至用戶所處的建筑物、設備設施系統(tǒng)的邊界，建筑物內和設備系統(tǒng)內的供水管網不做3D展示。全廠用排水3D管網圖如圖9所示。

2.2.7 主要指標預警/診斷/優(yōu)化

（1）主要指標預警

系統(tǒng)提供預測模型算法，根據(jù)預測模型算法計算規(guī)則，對關鍵用水指標、用水、排水、管道在線泄漏、水質等指標，利用系統(tǒng)后臺邏輯算法進行分析，在故障早期捕捉緩慢變化和快速發(fā)展的異常征兆，跟蹤劣化拐點，變事后為事前調控，防止事故擴大，保證設備安全、經濟、穩(wěn)定運行。主要指標預警示意圖如圖10所示，主要指標預警展示圖如圖11所示。

（2）主要指標診斷/優(yōu)化

系統(tǒng)開發(fā)專家?guī)旃芾砉δ?，將基于專業(yè)人員對智慧水務管理系統(tǒng)水量、水質已經積累的大量的故障診斷及處理經驗，通過收集系統(tǒng)水量、水質的各類故障及各類故障的可能原因和可采取的處理措施，在系統(tǒng)中建立專家知識庫，系統(tǒng)支持專家知識庫持續(xù)維護更新，對這些專業(yè)知識進行存儲。系統(tǒng)支持對專家?guī)煨略觥⑿薷?、刪除、查詢（支持模糊查詢）。

當異常發(fā)生時，業(yè)務人員利用專家?guī)觳樵円妫ㄟ^查詢定位專家?guī)熘邢嗤嗨飘惓?、故障，業(yè)務人員可根據(jù)專家?guī)旃收咸幚斫涷灥贸鼋ㄗh解決方案，使得普通的運行人員也可以具備專家分析的能力，快速定位故障。

2.3 數(shù)據(jù)通訊

系統(tǒng)原有或新增流量計、水質儀表及智能水表等，需要實現(xiàn)數(shù)據(jù)遠傳至智慧水務管理系統(tǒng)服務器，結合電廠SIS或能管平臺數(shù)據(jù)接口數(shù)據(jù)集成，實現(xiàn)智慧水務管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)來源為全口徑測點數(shù)據(jù)。

2.3.1 智能水表

LORA是LPWAN（低功耗廣域物聯(lián)網）通信技術中的一種，LORA作為目前最有發(fā)展前景的低功耗廣域通信技術，已經被運用在個各行各業(yè)中。LORA無線通信采用直序擴頻技術，具有通信距離遠、功率密度集中，抗干擾能力強的優(yōu)勢。同時具有軟件FEC前向糾錯算法，其編碼效率較高，糾錯能力強，在突發(fā)干擾的情況下，能主動糾正被干擾的數(shù)據(jù)包，大大提高可靠性和傳輸距離。

基于LORA的組網通信系統(tǒng)采用LORA通信協(xié)議進行組網通信，系統(tǒng)由計算機終端、通信基站、集成通信模塊的用戶設備、具備通信功能的用戶設備等組成，LORA通信一個基站對多個通信設備的組網通信，實現(xiàn)整套系統(tǒng)的互相通信。

LORA模塊是一款工業(yè)級的單片機和高性能射頻收發(fā)器集成在一起的半雙工無線數(shù)據(jù)傳輸模塊，體積小，工作穩(wěn)定。模塊采用透傳模式進行通信，使用者無需編碼和控制，為開發(fā)人員開發(fā)無線產品大大縮短了周期。模塊內置的MCU對數(shù)據(jù)進行包裝和處理，使得用戶只需要通過UART接口，即可實現(xiàn)無線通信。智能水表數(shù)據(jù)傳輸示意圖如圖12所示。

2.3.2 其他數(shù)據(jù)采集

基于目前各類表計現(xiàn)狀和數(shù)據(jù)采集、傳輸設備實際情況，為保證系統(tǒng)穩(wěn)定性，考慮采用兩種采集方式，對于不適合這兩種形式的設備，可考慮第三種方式或其他方式。其他數(shù)據(jù)采集涵蓋已有熱工儀表及化學儀表、新增熱工儀表及化學儀表等。

1）系統(tǒng)接口集成方式

對于已有熱工儀表及化學儀表、新增化學儀表，系統(tǒng)開發(fā)SIS或能管平臺集成接口，將SIS或能管平臺測點實時數(shù)據(jù)實時同步集成至智慧水務管理系統(tǒng)；

2）軟件集中采集接口

對于新增熱工儀表，采用工控機同步集成接口，可將工控機數(shù)據(jù)實時同步至智慧水務管理系統(tǒng)。

3 效益分析

3.1 經濟效益

（1）節(jié)約水資源及排污費用

根據(jù)GB/T 18916.1-2012《取水定額 第1部分：火力發(fā)電》取水量指標：單機容量為300MW級空氣冷卻機組單位發(fā)電量取水量定額指標為0.63m3/MW·h，經過節(jié)水設計后，發(fā)電綜合水耗可以達到0.41m3/MW·h。通過開展火力發(fā)電廠深度節(jié)水，實現(xiàn)水資源智慧管控后，發(fā)電綜合水耗可以達到0.19m3/MW·h[5]，機組利用小時按5500計算，每年節(jié)水80萬噸，減少廢水排放50萬噸，直接經濟效益200萬元；

（2）節(jié)約全廠水平衡測試費用

根據(jù)DL/T 606.5-2009《火力發(fā)電廠能量平衡導則第五部分 水平衡試驗》要求，火力發(fā)電機組應定期進行冬季、夏季水平衡測試，通過對全廠各種取、用、排、耗水量進行測量，查清電廠用水狀況，找出節(jié)水潛力，制定切實可行的節(jié)水技術措施，正確地評價電廠的用水水平，使電廠的用水達到科學管理和合理使用。

火力發(fā)電機組一般要求3～5年進行一次全廠水平衡測試，測試費用一般需要30萬元左右，平均每年測試費用約6～10萬元。

3.2 社會效益

我國為水資源匱乏，且分布不均。根據(jù)我國能源政策，華北、西北嚴重缺水地區(qū)火力發(fā)電量占比37%。國家發(fā)展改革委員會關于燃煤電站項目規(guī)劃和建設有關要求明確指出：在北方缺水地區(qū)，新建、擴建電廠禁止取用地下水，嚴格控制使用地表水，鼓勵利用城市污水處理廠的中水或其它廢水。因此，水資源智慧調控與運營應用及示范，可緩解當?shù)厮Y源缺乏的狀況，改善當?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境。

3.3 安全效益

水資源智慧管控與運營，可實現(xiàn)主要水質、水量指標預警、預測、診斷、優(yōu)化，相較于傳統(tǒng)的基于限值可識別的報警，可實現(xiàn)預警時間提前20%，故障診斷正確率達到90%，可提前對設備進行檢修維護，保證設備安全、穩(wěn)定、經濟運行。

3.4 環(huán)保效益

水資源智慧管控與運營，保證全廠水資源合理利用，實現(xiàn)全廠廢水零排放，高度契合黨的“十八”大和“十九”大以來有關環(huán)保法律、法規(guī)的要求。

3.5 管理效益

水資源智慧管控與運營，全面提升水務管理水平，降低全廠發(fā)電綜合水耗。

4 結語

隨著移動互聯(lián)網、云計算、大數(shù)據(jù)和物聯(lián)網等技術的蓬勃發(fā)展，各個領域興起了智能化建設的熱潮。在發(fā)電領域，智慧電廠建設成為行業(yè)熱議的話題?；鹆Πl(fā)電廠進行智慧水務系統(tǒng)研究與應用，作為智慧電廠建設的縮影，是信息化與工業(yè)化深度融合的生動實踐。通過智慧調控與運營系統(tǒng)開發(fā)與示范，可以使全廠水務管理智能化、高端化、低碳化，必將為自動化電廠向智慧電廠升級帶來質的飛躍，具有重要示范意義。

作為一種創(chuàng)新管理手段及方法，可廣泛應用于自來水廠、污水處理廠、鋼鐵、石化等企業(yè)全廠用、排水系統(tǒng)運行、指標管控、效能分析、設備管理、成本控制、指標預警（預測）及優(yōu)化等。