專利名稱：五維水平衡節(jié)水技術(shù)的控制系統(tǒng)及其控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種五維水平衡節(jié)水技術(shù)的控制系統(tǒng)及其控制方法，它適用于量大面廣的工業(yè)用水，如冶金、發(fā)電、造紙、化工等工業(yè)給排水工程領(lǐng)域中節(jié)約用水的一項(xiàng)綜合技術(shù)，也是水環(huán)境保護(hù)的一項(xiàng)綜合技術(shù)。
二.
背景技術(shù)：
現(xiàn)有的水平衡控制系統(tǒng)及其控制方法基本上停留在水量本身這一維的范圍內(nèi)，如國(guó)家技術(shù)監(jiān)督局批準(zhǔn)并分別于1991年3月1日和1994年2月1日實(shí)施的《企業(yè)水量平衡測(cè)試通則(GB/T12452-90)》與《評(píng)價(jià)企業(yè)合理用水技術(shù)通則(GB/T7119-93)》，均把企業(yè)用水量多寡作為評(píng)價(jià)企業(yè)用水是否合理的唯一尺度。目前，我國(guó)有14個(gè)省、自治區(qū)、直轄市的人均水資源低于國(guó)際公認(rèn)的1750m3的用水緊張線，其中9個(gè)省、市低于500m3的嚴(yán)重缺水線，在我國(guó)近700個(gè)城市中，就有400多個(gè)城市常年供水不足，每年由于缺水造成經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)2000億元以上，超過了我國(guó)國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值的2％；我國(guó)由于水污染，每年所造成的經(jīng)濟(jì)損失也高達(dá)2000億元以上，其中對(duì)人體健康損害的價(jià)值每年達(dá)417.3億元，死于大氣和水污染的人數(shù)高達(dá)200萬。面對(duì)這樣嚴(yán)峻的事實(shí)，如何使水資源合理配置，使水環(huán)境走向良性循環(huán)，僅靠一維水平衡技術(shù)所能解決的問題終歸是有限的。
三.

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對(duì)上述存在的問題，提供這樣一種五維水平衡節(jié)水技術(shù)的控制系統(tǒng)及其控制方法，在該控制系統(tǒng)中，將補(bǔ)充新水量Qm、循環(huán)水量Q、排污水量Qp、干球溫度θ、濕球溫度τ、回水溫度t1、給水溫度t2、人工輸入的補(bǔ)充水質(zhì)bz′、自動(dòng)采集的補(bǔ)充水質(zhì)bz、人工輸入的循環(huán)水質(zhì)Xz′、自動(dòng)采集的循環(huán)水質(zhì)Xz和設(shè)定的濃縮倍數(shù)N等各項(xiàng)數(shù)據(jù)采集后，輸入可編程序控制器進(jìn)行編程處理，然后將設(shè)定的數(shù)學(xué)模型所確定的優(yōu)化補(bǔ)充新水量Qm這一信號(hào)傳輸給數(shù)字調(diào)節(jié)閥1，由數(shù)字調(diào)節(jié)閥1調(diào)控補(bǔ)充新水量。同時(shí)，設(shè)有報(bào)表顯示和打印，可將存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)打印存檔。用這種緊緊卡住補(bǔ)充新水量“脖子”的控制方法，改變了過去只考慮水量這一維水平衡的控制方式，把節(jié)約工業(yè)用水與水量、水溫、水質(zhì)、氣象和水文這五維有機(jī)地結(jié)合起來，提高水的利用率，減少外排廢水量，降低補(bǔ)充新水的凈化與外排廢水處理的投資和運(yùn)行費(fèi)用。
其操作和控制方法為1.補(bǔ)充新水量Qm與其余各相關(guān)數(shù)據(jù)的關(guān)系A(chǔ).工業(yè)用水中，在水的重復(fù)利用率R不變的情況下，補(bǔ)充新水量Qm與循環(huán)水量Q三者的關(guān)系如式(1)所示Qm＝Q·(100-R)％……………………(1)在循環(huán)水熱交換過程中，被循環(huán)冷卻水帶走的熱量Qr等于循環(huán)水量Q與水的溫升Δt的乘積，如式(2)所示Qr＝Q·Δt……………………………(2)由此得出Q=QrΔt---(2′)]]>將式(2′)代入式(1)中，得出Qm=QrΔt(100-R)%]]>由此可見，提高循環(huán)冷卻水在熱交換過程中進(jìn)、出水的溫差與提高水的重復(fù)利用率，都可以減少補(bǔ)充新水量。
B.在循環(huán)水冷卻過程中，經(jīng)過冷卻塔時(shí)蒸發(fā)散熱損失水量Qc、循環(huán)水的濃縮倍數(shù)N與補(bǔ)充新水量Qm的關(guān)系為Qm=Qc·NN-1---(3)]]>由此得出Qc=Qm·(N-1)N---(3′)]]>在循環(huán)冷卻水系統(tǒng)中的水量損失，除蒸發(fā)水量Qc外，還有外排廢水量Qb，風(fēng)吹損失水量Qw和漏失水量Q1，即Qm＝Qc+Qb+Qw+Q1……………………………(4)將式(3′)代入式(4)得出Qm＝(Qb+Qw+Q1)·N ……………………(4′)從式(3)和(4)可知，減少各種水量的損失與提高水的濃縮倍數(shù)，也可以減少補(bǔ)充新水量。
C.減少外排廢水量Qb和漏失水量Q1，就控制了排污水量QP，如式(5)所示QP＝Qb+Q1……………………………………(5)將式(5)代入式(4′)得出Qm＝(QP+Qw)·N…………………………(5′)2.控制好水的溫升Δt是控制補(bǔ)充新水量Qm的關(guān)鍵，其方法有二(1)降低給水溫度t2與提高回水溫度t1，使其溫差加大，也就是提高水的溫升Δt；(2)根據(jù)補(bǔ)充新水和循環(huán)水的水質(zhì)，投加水質(zhì)穩(wěn)定劑，以保證循環(huán)水即不結(jié)垢也不腐蝕的前提條件下，提高水的溫升(Δt)。
3.補(bǔ)充新水量Qm的調(diào)控，應(yīng)根據(jù)氣溫(包括干球溫度與濕球溫度)來調(diào)控補(bǔ)充水量。在一年之內(nèi)的氣溫變化總是呈駝峰狀(即中間高，兩頭低)。因此循環(huán)水系統(tǒng)在冷卻過程中依靠水的蒸發(fā)損失所帶走的熱量在夏季為90％以上，而冬季為30％以下(在我國(guó)的北方地區(qū)這一數(shù)值就更小，因?yàn)檠h(huán)水在冬季甚至可以不經(jīng)過冷卻塔冷卻，就可以滿足冷卻水的用水之需)，而春秋介于兩者之間。可見，如果夏季循環(huán)水的蒸發(fā)水量Qc為K的話，冬季的蒸發(fā)水量則為K/3，這也就是說循環(huán)水系統(tǒng)在夏季的補(bǔ)充水量Qm＝Qc·N/(N-1)＝K·N/(N-1)；而冬季的補(bǔ)充水量Qm′＝K·N/3(N-1)；春秋季的補(bǔ)充水量則介于兩者之間。因此，我們就可以在滿足循環(huán)冷卻水的各種用水參數(shù)的條件下，根據(jù)每日每時(shí)的氣溫變化，建立一套數(shù)學(xué)模型，并將采集來的有關(guān)數(shù)據(jù)，在可編程序控制器中進(jìn)行處理，然后將優(yōu)化的補(bǔ)充新水量，傳輸給數(shù)字調(diào)節(jié)閥，以調(diào)控?cái)?shù)字調(diào)節(jié)閥的開啟度。
4.水資源與企業(yè)的取水量供需之間的調(diào)控，以往企業(yè)的取水量(即補(bǔ)充新水量)在一年之中變化甚微，甚至有的企業(yè)在冬季采暖期間取水量反而有所增加，而我國(guó)大部分地區(qū)的降水量有50％～90％集中在夏季，冬季的降水量很少，而春秋亦介于兩者之間。水資源(包括地表水和地下水)與降水量息息相關(guān)。因此，我國(guó)的水資源的豐、枯走勢(shì)呈駝峰狀與氣溫的峰值和谷值大體耦合。我們依此對(duì)補(bǔ)充新水量Qm進(jìn)行調(diào)控，就可以使企業(yè)的取水量與水資源的豐、枯基本適應(yīng)。
本發(fā)明的主要效果1.節(jié)約了水資源，在一定程度上緩解了我國(guó)水資源匱乏的程度；企業(yè)可以用很少的投入，獲取可觀的經(jīng)濟(jì)效益。據(jù)水利部1998年度的《水資源公報(bào)》報(bào)導(dǎo)，我國(guó)工業(yè)用水的總量為2197.4億m3，取水量(即補(bǔ)充新水量)為1158.95億m3，重復(fù)利用率為53％，外排廢水量為171.24億m3。如果采用上述五維水平衡節(jié)水技術(shù)的控制系統(tǒng)及其控制方法，至少可以使全國(guó)的工業(yè)取水量、總用水量和工業(yè)外排廢水量各減少30％以上，即使按20％計(jì)算，每年的經(jīng)濟(jì)效益可達(dá)400億元以上。今后我國(guó)的水價(jià)將包括資源水價(jià)、成本水價(jià)和環(huán)境水價(jià)三部分，水價(jià)將逐年有較大幅度的增長(zhǎng)。可見本發(fā)明的經(jīng)濟(jì)效益是可觀的。
2.改變了多取水，多排水(因?yàn)槠髽I(yè)的消耗水量往往變化不大)，先污染后治理的方式，一座日處理水量為21.6萬m3的污水處理場(chǎng)，其投資達(dá)2億多元，其中生活污水和工業(yè)廢水的比例1∶9，處理后的水量回用還不到45％，大部分作為廢水排放到水體中去，廢水處理的成本相當(dāng)于補(bǔ)充新水水價(jià)的85％。因此，減少取水量，也就減少了外排廢水量，不但減少污染，還可降低治理費(fèi)用。
3.五維水平衡節(jié)水技術(shù)的控制系統(tǒng)及其控制方法，不僅適用于我國(guó)的工業(yè)企業(yè)的用水及其它用水領(lǐng)域，而且也適用于世界大部分國(guó)家和地區(qū)。采用開源與節(jié)流并重，應(yīng)以節(jié)流為先，以北京為例，調(diào)入70m3/秒的南水，將外排50m3/秒的污水。因此北京還得興建3～4座高碑店污水處理場(chǎng)，總投資近100億元。若將本發(fā)明運(yùn)用到南水北調(diào)范圍內(nèi)，不僅減少了調(diào)水量，污水排放量也會(huì)相應(yīng)地減少。
四.


圖1為本發(fā)明五維水平衡控制系統(tǒng)示意圖；圖2為某企業(yè)補(bǔ)充新水量調(diào)控示意圖；圖3為全國(guó)部分城市降水量的百分比；圖4為某企業(yè)1995～1999年逐月、日水溫、氣溫和補(bǔ)充新水量過程線示意圖；圖5為某企業(yè)1999～2000年逐月補(bǔ)充水量過程線示意圖；圖6為各種水溫下鈣鹽和鎂鹽的溶解度。
五.
具體實(shí)施例方式
下面的實(shí)施例可以幫助本領(lǐng)域的技術(shù)人員更全面地理解本發(fā)明，但不以任何方式限制本發(fā)明。
實(shí)施例1 用水量與水溫的關(guān)系某企業(yè)工業(yè)循環(huán)水用水戶，設(shè)計(jì)的給水溫度為33℃，回水溫度為41℃，水的溫升Δt為8℃，循環(huán)冷卻水量Q為14.4萬m3/天。實(shí)際上，多年以來，夏季運(yùn)行的平均給水溫度為31.1℃，回水溫度為34.2℃，水的溫升Δt僅為3.1℃。
依設(shè)計(jì)要求，每天通過熱交換被循環(huán)冷卻水帶走的熱量，按照式(2)Qr＝Q·Δt，應(yīng)為Qr＝144000×1000×8＝11.52×108(千卡/天)，而實(shí)際運(yùn)行中，夏季水的溫升Δt只有3.1℃，因此由循環(huán)冷卻水帶走的熱量?jī)H為Qr＝144000×1000×3.1＝4.464×108(千卡/天)如果仍按設(shè)計(jì)的溫升Δt＝8℃運(yùn)行，就可以將循環(huán)冷卻水的水量減少。
按照式(2′)Q=QrΔt]]>修正后的循環(huán)冷卻水的實(shí)際水量Q實(shí)為 式中Qr′為循環(huán)冷卻水實(shí)際帶走的熱量。由于循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的蒸發(fā)水量為Qc=Q·Δtλ]]>式中λ為循環(huán)冷卻水在冷卻塔蒸發(fā)時(shí)的汽化潛熱。
盡管修正后的水量Q實(shí)減少了，而水的溫升Δt增加了，可是帶走的熱量不變，即Q·Δt＝Q實(shí)·Δt′，即144000×1000×3.1＝55800×1000×8由于循環(huán)冷卻水帶走的熱量不變，而汽化潛熱也不變，因此循環(huán)冷卻水的蒸發(fā)水量也不變，故補(bǔ)充新水量也不變。因此，節(jié)約用水就表現(xiàn)在節(jié)約了循環(huán)冷卻水量，即可節(jié)約循環(huán)水系統(tǒng)的投資和運(yùn)行費(fèi)用。該系統(tǒng)每m3的循環(huán)冷卻水的耗電量約為0.45kW·h，該企業(yè)的自備電廠的電價(jià)為0.19元/kW·h，由此得出，本實(shí)施例的節(jié)電量和電費(fèi)分別為(14.4-5.58)×365×0.45＝1448.7萬kW·h/年；
1448.7×0.19＝275.3萬元/年。
實(shí)施例2 合理補(bǔ)充新水量或稱取水量某企業(yè)工業(yè)循環(huán)水用水戶，使用本發(fā)明控制系統(tǒng)，將采集來的補(bǔ)充新水量或稱取水量Qm、循環(huán)水水量Q、排污水量Qp、干球溫度θ、濕球溫度τ、回水溫度t1、給水溫度t2、循環(huán)水水質(zhì)Xz與補(bǔ)充水水質(zhì)bz和設(shè)定水的濃縮倍數(shù)N等有關(guān)數(shù)據(jù)輸入可編程序控制器，經(jīng)數(shù)據(jù)處理后，即可按照設(shè)定的數(shù)學(xué)模型得出的優(yōu)化補(bǔ)充新水量Qm的數(shù)值，然后將此數(shù)值輸給水泵站，水泵站將補(bǔ)充新水通過不同管道分別供給爐體清循環(huán)水系統(tǒng)，爐缸清循環(huán)水系統(tǒng)和集塵污循環(huán)水系統(tǒng)；與此同時(shí)，可編程序控制器將信號(hào)傳輸給數(shù)字調(diào)節(jié)閥用以調(diào)控調(diào)節(jié)閥的開啟度；通過流量計(jì)再把供給上述三循環(huán)水系統(tǒng)的補(bǔ)充新水量Qm數(shù)字脈沖信號(hào)傳輸給可編程序控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。依此往復(fù)，實(shí)現(xiàn)合理補(bǔ)充新水量。
操作時(shí)參見圖1和圖2。
圖中，1—數(shù)字調(diào)節(jié)閥；2—水泵站；3—流量計(jì)。
可編程序控制器除按設(shè)定的數(shù)學(xué)模型將采集的各項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行智能優(yōu)化，得出合理的補(bǔ)充新水量或稱取水量Qm輸給數(shù)字調(diào)節(jié)閥1，還可將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、顯示、打印，以備用于分析和報(bào)查。
實(shí)施例3 用水量與氣象、水文的關(guān)系夏天的氣溫(干球溫度θ和濕球溫度τ)高，其蒸發(fā)散熱占總散熱量的90％以上，冬季的氣溫(干球溫度θ和濕球溫度τ)低，蒸發(fā)散熱只占總散熱量的30％以下，尤其是我國(guó)的北方地區(qū)，這一比值更小，春秋兩季的蒸發(fā)散熱占總熱量比值介于夏冬之間。這就是說補(bǔ)充新水量Qm要和氣溫一樣，在一年之中呈駝峰狀走勢(shì)。
我國(guó)夏季的降水量占全年降水量的50％～90％，全年降水量的等值線基本上是從東南向西北逐漸減少，幅度為1000mm～不足20mm。
河流的徑流量與降水量關(guān)系密切，因夏季降水量多而豐，冬季降水量少而枯，且徑流等值線也是從東南向西北逐漸減少，其幅度為1200mm～50mm以下。
可見我國(guó)的水資源(包括地表水和地下水)的豐、枯與企業(yè)的補(bǔ)充新水量的走勢(shì)均呈駝峰狀，且其峰值與谷值天然耦合。因此，通過控制與操作，使其補(bǔ)充新水量Qm的多少與河流(或地下水)的豐枯大體吻合。這樣就可以解決和改變我國(guó)冬季取水困難與河流徑污比失衡的現(xiàn)狀，尤其在我國(guó)的北方缺水地區(qū)，其節(jié)水效益更好。
操作時(shí)參見圖3、圖4和圖5。
實(shí)施例4 用水量與水質(zhì)的關(guān)系鈣鹽和鎂鹽在水中的溶解度是隨著水溫的升高而降低，尤其是鈣鹽特別明顯，通過在線連續(xù)采集和定期水質(zhì)分析，按照循環(huán)水水質(zhì)Xz和補(bǔ)充水水質(zhì)bz的最佳要求投加水質(zhì)穩(wěn)定劑，使循環(huán)冷卻水的水質(zhì)得到保證，避免水垢導(dǎo)致用水設(shè)備嚴(yán)重?zé)龘p；同時(shí)，又可解決不使熱交換率降低、水的溫升難以提高的問題。
操作時(shí)參見圖6。
是否需要投加水質(zhì)穩(wěn)定劑、投加多少，主要視當(dāng)?shù)氐乃|(zhì)情況而定，如果屬于“很軟水”類型，就不必要采用軟水閉路循環(huán)系統(tǒng)。
權(quán)利要求
1.一種五維水平衡的控制系統(tǒng)，主要包括數(shù)據(jù)采集、可編程序控制器、數(shù)字調(diào)節(jié)閥等，其特征在于采集來自補(bǔ)充新水量或稱取水量(Qm)、循環(huán)水水量(Q)、排污水量(Qp)、干球溫度(θ)、濕球溫度(τ)、回水溫度(t1)、給水溫度(t2)、循環(huán)水水質(zhì)(Xz)與補(bǔ)充水水質(zhì)(bz)和設(shè)定水的濃縮倍數(shù)(N)，Xz和bz均包括在線連續(xù)采集的數(shù)據(jù)和定期水質(zhì)分析的數(shù)據(jù)，以前者的數(shù)據(jù)為準(zhǔn)，定期用后者的數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)整，然后將有關(guān)數(shù)據(jù)輸入可編程序控制器，經(jīng)數(shù)據(jù)處理后，再將設(shè)定的數(shù)學(xué)模型得出的合理補(bǔ)充新水量這一信號(hào)輸出至數(shù)字調(diào)節(jié)閥(1)，用以調(diào)控調(diào)節(jié)閥的開啟度，對(duì)補(bǔ)充新水量(Qm)進(jìn)行智能優(yōu)化誘導(dǎo)與過程控制。
2.權(quán)利要求1所述的五維水平衡控制系統(tǒng)的控制方法，源于五維水平衡的節(jié)水技術(shù)，是將水量、水溫、水質(zhì)、氣象和水文這五維綜合起來，進(jìn)行全過程、全方位和整個(gè)系統(tǒng)的在線連續(xù)控制，其特征在于A.在節(jié)約工業(yè)用水中，包括了兩方面的內(nèi)容，一是節(jié)約補(bǔ)充新水量、一是節(jié)約循環(huán)水量或稱循環(huán)冷卻水量，前者是節(jié)約水資源，后者除了節(jié)約水資源外，還可以節(jié)約循環(huán)水系統(tǒng)的投資和運(yùn)行費(fèi)用，后者節(jié)約水資源的理由如下在工業(yè)用水中，水的重復(fù)利用率(R)不變，補(bǔ)充新水量(Qm)與循環(huán)水量Q三者的關(guān)系如式(1)所示Qm＝Q·(100-R)％………………(1)在循環(huán)水熱交換過程中，被循環(huán)冷卻水帶走的熱量(Qr)等于循環(huán)水量(Q)與水的溫升(Δt)的乘積，如式(2)所示Qr＝Q·Δt ………………………(2)B.在循環(huán)水的冷卻過程中，由于水在蒸發(fā)時(shí)，將鹽類和其它物質(zhì)均留在水中，循環(huán)水因而濃縮，此時(shí)所補(bǔ)充新水量(Qm)為Qm=Qc·NN-1---(3)]]>式中，Qc為蒸發(fā)損失水量，N為設(shè)定的循環(huán)水的濃縮倍數(shù)；在循環(huán)冷卻水系統(tǒng)中的水量損失，除蒸發(fā)損失水量(Qc)外，還有外排廢水量(Qb)，風(fēng)吹損失水量(Qw)和漏失水量(Q1)，即Qm＝Qc+Qb+Qw+Q1………………(4)C.控制外排廢水量(Qb)和漏失水量(Q1)，就控制了排污水量(Qp)，如式(5)所示Qp＝Qb+Q1…………………………(5)
3.如權(quán)利要求2所述的五維水平衡控制系統(tǒng)的控制方法，其特征在于按如下方法對(duì)水的溫升(Δt)進(jìn)行調(diào)控，(1)降低給水溫度t2與提高回水溫度t1，使其溫差加大，也就是提高水的溫升(Δt)，(2)根據(jù)補(bǔ)充新水和循環(huán)水的水質(zhì)，投加水質(zhì)穩(wěn)定劑，以保證循環(huán)水既不結(jié)垢也不腐蝕的前提條件下，提高水的溫升(Δt)。
4.如權(quán)利要求2所述的五維水平衡控制系統(tǒng)的控制方法，其特征在于調(diào)控補(bǔ)充新水量(Qm)，使其峰值和谷值同一年四季的氣溫高低、河流的徑流量與地區(qū)的降水量多少息息相關(guān)的豐枯峰值與谷值相吻合，因此對(duì)補(bǔ)充新水量(Qm)進(jìn)行調(diào)控后的走勢(shì)應(yīng)與上述兩因素的走勢(shì)所呈駝峰狀相符。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種五維水平衡節(jié)水技術(shù)的控制系統(tǒng)及其控制方法。它是把節(jié)水、尤其是節(jié)約工業(yè)用水與水量、水溫、水質(zhì)、氣象和水文這五維有機(jī)地結(jié)合起來，將節(jié)水拓展到一個(gè)全新的領(lǐng)域——通過設(shè)定的數(shù)學(xué)模型與控制系統(tǒng)，對(duì)工業(yè)生產(chǎn)補(bǔ)充新水量進(jìn)行智能優(yōu)化誘導(dǎo)與過程控制。其數(shù)學(xué)模型與控制系統(tǒng)就是將連續(xù)采集來的與節(jié)水有關(guān)的各項(xiàng)數(shù)據(jù)輸入可編程序控制器，然后將優(yōu)化的補(bǔ)充新水量傳輸給數(shù)字調(diào)節(jié)閥并進(jìn)行調(diào)控。這樣，就提高了水的利用率，減少了補(bǔ)充新水量和外排廢水量，降低補(bǔ)充新水的凈化與外排廢水處理的投資和運(yùn)行費(fèi)用。本發(fā)明能使企業(yè)用有限的投入，獲取較大的經(jīng)濟(jì)效益。此外，它對(duì)促進(jìn)社會(huì)發(fā)展、保護(hù)環(huán)境都有極大的好處。
文檔編號(hào)G05D27/02GK1428674SQ0113695
公開日2003年7月9日 申請(qǐng)日期2001年12月26日 優(yōu)先權(quán)日2001年12月26日
發(fā)明者朱志文 申請(qǐng)人:中冶集團(tuán)北京鋼鐵設(shè)計(jì)研究總院