基于大數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)的火電廠原水取水策略優(yōu)化研究與應(yīng)用

李錦峰

摘 要：廣東粵電中山熱電廠有限公司針對(duì)一般離子交換制水設(shè)備的設(shè)計(jì)方案不能解決原水電導(dǎo)率高的問題，在不更換和增加設(shè)備的基礎(chǔ)上，根據(jù)取水河道潮汐水位和原水電導(dǎo)的綜合數(shù)據(jù)分析，優(yōu)化了原水取水的時(shí)間段，實(shí)行“貯淡避咸”的策略進(jìn)行取水。這一策略可以保護(hù)制水設(shè)備壽命、滿足用水量需求，既有歷史數(shù)據(jù)的可參考性，又結(jié)合了地區(qū)潮汐水位變化的特點(diǎn)，因地制宜，保障了機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行，提高了企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。

關(guān)鍵詞：原水取水；咸潮；制水設(shè)備；海水倒灌；反滲透

中圖分類號(hào)：TM728.3? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：2096-6903（2023）10-0101-03

1 研究背景

火電廠原水一般取自江河水，通過一系列凈化手段提升水的品質(zhì)以適應(yīng)不同系統(tǒng)的需求。例如原水通過沉淀和初步過濾，送往冷卻塔前池作為開式循環(huán)冷卻水。或者通過更高精度的水處理，包括超濾、反滲透、精除鹽等設(shè)備后，成為除鹽水補(bǔ)往鍋爐系統(tǒng)[1]。

江河水的品質(zhì)十分重要，水質(zhì)過差不僅會(huì)增大凈化水的成本，也會(huì)加重水處理設(shè)備的負(fù)擔(dān)。當(dāng)水質(zhì)十分惡劣時(shí)，甚至可能威脅鍋爐和汽機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行安全。因此一般火電廠都會(huì)配置一定的設(shè)備，在原水取水處就筑造第一道防線，如旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)等，以防止大型的垃圾等雜物進(jìn)入原水取水系統(tǒng)。此外，部分電廠原水取水也存在“咸潮”現(xiàn)象。

以廣東粵電中山熱電廠有限公司為例，黃沙瀝水道水系分布圖如圖1所示。其取水自黃沙瀝水道，與珠江流域相通，在每年的特定時(shí)間段（一般為冬季12月至次年3月），由于“海水倒灌”，發(fā)生“咸潮”，原水含鹽量會(huì)隨之大幅提升。咸潮期間，由于河水含鹽量劇增，陰、陽床的運(yùn)行周期和周期制水量大幅度下降，除鹽水制備量亦隨之大幅度減產(chǎn)，威脅著電廠的安全運(yùn)行。

火電廠的陰、陽離子交換器內(nèi)裝填的陰、陽離子交換樹脂數(shù)量是一定的，所以陰、陽離子交換器的總交換容量基本上是固定的。當(dāng)這些設(shè)備的進(jìn)水含鹽量幾倍乃至十幾倍地升高時(shí)，陰、陽離子交換器的周期制水量就會(huì)相應(yīng)地下降至原來的幾分之一乃至十幾分之一。而且還會(huì)因河水含鹽量過大，造成陰、陽離子交換器（即陰、陽床）深度失效、再生困難。在短時(shí)間內(nèi)，陰、陽床內(nèi)的樹脂保護(hù)層被穿透。如發(fā)現(xiàn)不及時(shí)，就會(huì)污染中間水箱和除鹽水箱等設(shè)施。

特別值得注意的是，咸潮一旦出現(xiàn)，無法通過簡(jiǎn)單的過濾設(shè)備等進(jìn)行防范。這是由于咸潮會(huì)將大量鹽分帶入江河水，而鹽分在水中主要是以金屬離子和氯根離子的形式存在，普通等級(jí)的過濾根本無法將鹽分從水中過濾出去，而采用除鹽設(shè)備又會(huì)極大地增加取水成本[2]。因此，針對(duì)咸潮最好的防范手段是避開咸潮的期間進(jìn)行取水，理想的取水方式是在咸潮期間不取水或少取水，而咸潮一旦退去就立刻加大取水量，并且在咸潮即將來臨時(shí)停止取水，最小限度取用含鹽量高的原水。

咸潮來臨時(shí)原水的電導(dǎo)率會(huì)迅速增加，這是含鹽量高必然會(huì)導(dǎo)致的結(jié)果，因此通過監(jiān)測(cè)原水電導(dǎo)率的升降，可以判斷目前咸潮是否仍然存在。如果只是通過監(jiān)測(cè)原水進(jìn)水的電導(dǎo)率來判斷是否咸潮仍存在，存在一定的缺陷。其對(duì)咸潮的判斷有局限性，因?yàn)橐O(jiān)測(cè)原水的電導(dǎo)率需要從黃沙瀝水道源源不斷地采取水樣，這就需要保持補(bǔ)給水泵的運(yùn)行，從而增大耗電量。采取的水樣如果含鹽量較高，那么利用手段也是十分有限，也十分不經(jīng)濟(jì)。若補(bǔ)給水泵不能一直保持運(yùn)行，就會(huì)導(dǎo)致對(duì)咸潮的判斷也存在滯后性。如果咸潮退去，也無法第一時(shí)間做出準(zhǔn)確判斷。

因此需要對(duì)咸潮來臨的規(guī)律進(jìn)行探索，以求對(duì)咸潮的來臨做出準(zhǔn)確的預(yù)判。考慮到咸潮來臨本質(zhì)是由于海水倒灌引起，而海水倒灌體現(xiàn)在水位變化上，可以通過對(duì)黃沙瀝水道的潮汐和咸潮之間的關(guān)系進(jìn)行比對(duì)，嘗試尋找規(guī)律。2023年3月15日至2023年3月20日的黃沙瀝水道水位（即吸水口液位）、進(jìn)水電導(dǎo)率和中山潮汐水位（中國海事服務(wù)網(wǎng)發(fā)布的橫門潮汐表，橫門位于圖1珠江口附近，距黃沙瀝約28 km）的關(guān)系曲線如圖2所示。

分析圖2的數(shù)據(jù)，得到以下4點(diǎn)結(jié)論。第一，河道水位在一天內(nèi)會(huì)有兩次漲退潮，周期性比較明顯，其中一次漲退潮水位變化會(huì)相對(duì)更大一些，黃沙瀝水道水位（即吸水口液位）與橫門潮汐表變化趨勢(shì)基本一致。

第二，電導(dǎo)率會(huì)隨著潮汐水位變化也呈現(xiàn)周期性變化，但是兩者的波峰波谷并不重疊，將電導(dǎo)率曲線往X軸（時(shí)間）負(fù)方向前移5 h，見圖2虛線，波峰波谷基本一致。

第三，電導(dǎo)率隨潮汐水位上升而升高，隨潮汐水位下降而降低，即河水含鹽量和河水漲退潮是有聯(lián)系的。這為提前判斷河水含鹽量變化提供了可靠的依據(jù)。

第四，海水倒灌（珠江口）與黃沙瀝之間的距離決定了電導(dǎo)率與液位峰值存在5 h的時(shí)差。漲退潮的情況能提前從中國海事服務(wù)網(wǎng)獲取，雖然天氣變化會(huì)對(duì)其產(chǎn)生一定的干擾，但是總體來說可以較為準(zhǔn)確地獲知漲退潮情況。

2 研究步驟

通過對(duì)潮汐水位的變化進(jìn)行分析進(jìn)而判斷河水含鹽量在理論上是可行的，但是只通過少量的數(shù)據(jù)來進(jìn)行估計(jì)是不準(zhǔn)確的。因此需要通過收集大量的數(shù)據(jù)，擬合出潮汐水位和含鹽量的關(guān)系曲線，進(jìn)而在曲線的基礎(chǔ)上提前判斷出含鹽量變化趨勢(shì)，以“貯淡避咸”作為基本思路，進(jìn)行取水調(diào)整。具體的操作步驟如下。

2.1 收集歷史數(shù)據(jù)

收集前幾年咸潮期間的水位記錄和進(jìn)水電導(dǎo)率數(shù)據(jù)，以周為單位進(jìn)行整理劃分。以周為單位是因?yàn)椴煌瑫r(shí)間段的咸潮來臨時(shí)間和含鹽量上漲程度是不同的，需要進(jìn)行劃分以作詳細(xì)區(qū)分。

2.2 曲線擬合

將上述整理好的數(shù)據(jù)擬合成水位和電導(dǎo)率之間的關(guān)系曲線，探尋其中的規(guī)律。考慮到測(cè)量可能存在一定的誤差，并且不是每個(gè)時(shí)間點(diǎn)都取水，電導(dǎo)率的數(shù)據(jù)可能存在偏離，因此曲線需要進(jìn)行調(diào)整。其主要目的是擬合出一條可以查找判斷規(guī)律的曲線。

2.3 曲線分析

由于不同時(shí)間段的咸潮來臨時(shí)間不同，并且含鹽量上漲情況也會(huì)存在區(qū)別，因此以周為單位會(huì)得到大量的曲線。通過對(duì)曲線的統(tǒng)計(jì)分析，理想情況是得到的曲線可以清晰地反映出隨著潮汐水位的上漲，含鹽量也上升，雖然時(shí)間上可能存在偏差，但是在一定的時(shí)間段內(nèi)兩者的變化是同步的。在分析曲線的基礎(chǔ)上，通過接下來的潮汐數(shù)據(jù)，可以進(jìn)一步繪制出含鹽量變化的預(yù)測(cè)圖。

2.4 優(yōu)化取水策略

在得到河水含鹽量變化的預(yù)測(cè)表后，就可以通過“貯淡避咸”的策略進(jìn)行取水優(yōu)化。在判斷河水含鹽量即將大幅上升時(shí)，則提前停止取水。在判斷河水含鹽量即將大幅下降時(shí)，立刻以最大取水量進(jìn)行補(bǔ)水，以保證取到的水樣都是相對(duì)含鹽量較低的。在下一波含鹽量上升之前，盡量將清水池和前池補(bǔ)充至最高水位。在判斷河水含鹽量相對(duì)會(huì)下降，但是仍然會(huì)增加陰陽床負(fù)擔(dān)的情況下，也可以將含鹽量相對(duì)較低的水通過沉淀和過濾補(bǔ)往冷卻塔前池。因?yàn)橄鄬?duì)于大量鹽分對(duì)陰陽床的損耗相比，鹽分對(duì)凝汽器的損害相對(duì)較小，并且冷卻塔的蒸發(fā)量是相對(duì)較大的，長期不補(bǔ)水是不實(shí)際的。

目前來說，據(jù)含鹽量變化趨勢(shì)的取水方式，進(jìn)水電導(dǎo)率在1 000～1 500 μs/cm的上限之下都是可以接受的。當(dāng)然也不是含鹽量一下降就可以進(jìn)行取水，因?yàn)槎鞠坛眹?yán)重的時(shí)間段，電導(dǎo)率可達(dá)5 000 μs/cm以上，從電導(dǎo)率開始下降至合格值需要一定的時(shí)間。因此僅僅是對(duì)咸潮的變化趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)估是不夠的。如果收集的數(shù)據(jù)足夠多，擬合的曲線足夠精準(zhǔn)，就可以對(duì)電導(dǎo)率的數(shù)據(jù)進(jìn)行較為精確的預(yù)判，從而最大化優(yōu)化取水的策略。

通過分析，潮汐達(dá)到最小值開始取水，隨著液位上漲，進(jìn)水電導(dǎo)率達(dá)到1 500 μs/cm左右停止取水，直到下次潮汐達(dá)到最小值再次取水。取水方式如圖2所示，上三角點(diǎn)為開始取水的時(shí)間點(diǎn)，下三角點(diǎn)為停止取水的時(shí)間點(diǎn)。在理想的情況下，不僅取水的水質(zhì)完全合格，并且開始取水的時(shí)間和停止取水的時(shí)間也是最貼合需要的。在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步進(jìn)行優(yōu)化，可以規(guī)劃最佳的取水方案。

3 優(yōu)化取水策略的必要性分析

針對(duì)冬季海水倒灌引起的電廠原水取水含鹽量升高問題，可通過收集大量數(shù)據(jù)，比較電導(dǎo)率升高情況和潮汐水位的變化關(guān)系，推測(cè)出不同時(shí)間段河水含鹽量的變化趨勢(shì)，優(yōu)化取水策略，從而達(dá)到“貯淡避咸”的目的。

水質(zhì)含鹽量高，反滲透膜工作環(huán)境惡化，損耗增加，為達(dá)到之前相同的凈化效果，需要更大的壓力，從而需要增加泵的出力，增加了電能損耗。根據(jù)廣東粵電中山熱電廠有限公司最初的設(shè)計(jì)，在冬季海水倒灌期間，可能需要采用濃水增壓泵以增加滲透壓。采用優(yōu)化后的取水方式，可以避免使用濃水增加泵，極大減少了制水成本。此外反滲透在含鹽量高的情況下長期工作，可能導(dǎo)致反滲透膜性能下降，嚴(yán)重情況下甚至?xí)p傷反滲透膜。當(dāng)檢查到反滲透出力下降，一般需要廠家或相關(guān)維護(hù)人員對(duì)反滲透進(jìn)行清洗或者進(jìn)行修復(fù)，從而增加反滲透的維護(hù)成本。在優(yōu)化取水策略后，反滲透維護(hù)頻率可由每年2次降至每年1次，且不要大量更換失效的反滲透膜，每年可節(jié)約成本約12萬元。

相較于反滲透的損傷，陰陽床的損耗隨河水含鹽量上升而增加的程度也非常明顯。根據(jù)比較以往的數(shù)據(jù)，陽床、陰床再生后制水量能達(dá)到16萬t、6萬t，咸潮期間若不采取措施，制水量5萬t、2萬t甚至更少，陰陽床就會(huì)快速失效。

優(yōu)化取水策略后，制水量可大致恢復(fù)至正常水平。每次再生陰陽床需要消耗大量除鹽水和酸堿液，再加上水泵耗電和廢水處理的成本，綜合下來每年可減少約3萬元。若水質(zhì)持續(xù)較差，陰陽床可能出現(xiàn)樹脂大量失效的情況，嚴(yán)重情況下普通再生無法恢復(fù)樹脂的性能。對(duì)此需要完全更換陰陽床的樹脂，而優(yōu)化的取水策略可有效避免此類問題的出現(xiàn)。

在之前咸潮頻繁來臨的時(shí)期，為保障安全用水，當(dāng)清水池水位下降至3.5 m時(shí)會(huì)采取用自來水補(bǔ)水的策略。這一方面增加了補(bǔ)水的成本，另一方面也增大了自來水消耗量，影響節(jié)水型企業(yè)的申報(bào)。若咸潮期間采用自來水補(bǔ)水，每年咸潮期間增加的用水成本約2萬元，而優(yōu)化后的取水策略可以做到幾乎不使用自來水進(jìn)行補(bǔ)水，不僅減少了成本，更維護(hù)了企業(yè)在社會(huì)面的形象。

4 應(yīng)用情況

自2018年冬季發(fā)現(xiàn)海水倒灌引起電廠原水取水含鹽量升高的現(xiàn)象以來，廣東粵電中山熱電廠便投入該方案。運(yùn)行至今，每逢冬季咸潮期間，根據(jù)潮汐時(shí)間和電導(dǎo)數(shù)據(jù)綜合分析，電廠原水取水一直維持電導(dǎo)率在800～1 500 μs/cm，其中電導(dǎo)率在800 μs/cm以下，原水經(jīng)處理后進(jìn)入清水池，電導(dǎo)率在1 500 μs/cm以下則進(jìn)入冷卻塔補(bǔ)水。

應(yīng)用此方案期間，超濾、反滲透、陰床陽床混床一直運(yùn)行正常，化學(xué)制水設(shè)備的運(yùn)行周期和周期制水量未出現(xiàn)大幅度下降，除鹽水制備量亦未大幅度減產(chǎn)，幾乎未使用自來水作為清水池補(bǔ)水，開式循環(huán)水系統(tǒng)運(yùn)行無結(jié)垢、無損壞等故障，設(shè)備可靠性較高。

參考文獻(xiàn)

[1] 丁桓如，杜方正，王禮海.膜技術(shù)在我國電廠水處理中的應(yīng)用現(xiàn)狀和前景[J].上海電力學(xué)院學(xué)報(bào)，2002，18（3）：24-28.

[2] 李沛文.火電廠預(yù)防咸潮保障化學(xué)除鹽設(shè)備安全運(yùn)行的探討[J].電力建設(shè)，2000（11）：43-44+47.