專利名稱：五維水平衡節水技術的控制系統及其控制方法
技術領域：
本發明涉及一種五維水平衡節水技術的控制系統及其控制方法，它適用于量大面廣的工業用水，如冶金、發電、造紙、化工等工業給排水工程領域中節約用水的一項綜合技術，也是水環境保護的一項綜合技術。
二.
背景技術：
現有的水平衡控制系統及其控制方法基本上停留在水量本身這一維的范圍內，如國家技術監督局批準并分別于1991年3月1日和1994年2月1日實施的《企業水量平衡測試通則(GB/T12452-90)》與《評價企業合理用水技術通則(GB/T7119-93)》，均把企業用水量多寡作為評價企業用水是否合理的唯一尺度。目前，我國有14個省、自治區、直轄市的人均水資源低于國際公認的1750m3的用水緊張線，其中9個省、市低于500m3的嚴重缺水線，在我國近700個城市中，就有400多個城市常年供水不足，每年由于缺水造成經濟損失高達2000億元以上，超過了我國國內生產總值的2％；我國由于水污染，每年所造成的經濟損失也高達2000億元以上，其中對人體健康損害的價值每年達417.3億元，死于大氣和水污染的人數高達200萬。面對這樣嚴峻的事實，如何使水資源合理配置，使水環境走向良性循環，僅靠一維水平衡技術所能解決的問題終歸是有限的。
三.

發明內容
本發明針對上述存在的問題，提供這樣一種五維水平衡節水技術的控制系統及其控制方法，在該控制系統中，將補充新水量Qm、循環水量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、人工輸入的補充水質bz′、自動采集的補充水質bz、人工輸入的循環水質Xz′、自動采集的循環水質Xz和設定的濃縮倍數N等各項數據采集后，輸入可編程序控制器進行編程處理，然后將設定的數學模型所確定的優化補充新水量Qm這一信號傳輸給數字調節閥1，由數字調節閥1調控補充新水量。同時，設有報表顯示和打印，可將存儲的數據打印存檔。用這種緊緊卡住補充新水量“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，把節約工業用水與水量、水溫、水質、氣象和水文這五維有機地結合起來，提高水的利用率，減少外排廢水量，降低補充新水的凈化與外排廢水處理的投資和運行費用。
其操作和控制方法為1.補充新水量Qm與其余各相關數據的關系A.工業用水中，在水的重復利用率R不變的情況下，補充新水量Qm與循環水量Q三者的關系如式(1)所示Qm＝Q·(100-R)％……………………(1)在循環水熱交換過程中，被循環冷卻水帶走的熱量Qr等于循環水量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，提高循環冷卻水在熱交換過程中進、出水的溫差與提高水的重復利用率，都可以減少補充新水量。
B.在循環水冷卻過程中，經過冷卻塔時蒸發散熱損失水量Qc、循環水的濃縮倍數N與補充新水量Qm的關系為Qm=Qc·NN-1---(3)]]>由此得出Qc=Qm·(N-1)N---(3′)]]>在循環冷卻水系統中的水量損失，除蒸發水量Qc外，還有外排廢水量Qb，風吹損失水量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，也可以減少補充新水量。
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是控制補充新水量Qm的關鍵，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)根據補充新水和循環水的水質，投加水質穩定劑，以保證循環水即不結垢也不腐蝕的前提條件下，提高水的溫升(Δt)。
3.補充新水量Qm的調控，應根據氣溫(包括干球溫度與濕球溫度)來調控補充水量。在一年之內的氣溫變化總是呈駝峰狀(即中間高，兩頭低)。因此循環水系統在冷卻過程中依靠水的蒸發損失所帶走的熱量在夏季為90％以上，而冬季為30％以下(在我國的北方地區這一數值就更小，因為循環水在冬季甚至可以不經過冷卻塔冷卻，就可以滿足冷卻水的用水之需)，而春秋介于兩者之間。可見，如果夏季循環水的蒸發水量Qc為K的話，冬季的蒸發水量則為K/3，這也就是說循環水系統在夏季的補充水量Qm＝Qc·N/(N-1)＝K·N/(N-1)；而冬季的補充水量Qm′＝K·N/3(N-1)；春秋季的補充水量則介于兩者之間。因此，我們就可以在滿足循環冷卻水的各種用水參數的條件下，根據每日每時的氣溫變化，建立一套數學模型，并將采集來的有關數據，在可編程序控制器中進行處理，然后將優化的補充新水量，傳輸給數字調節閥，以調控數字調節閥的開啟度。
4.水資源與企業的取水量供需之間的調控，以往企業的取水量(即補充新水量)在一年之中變化甚微，甚至有的企業在冬季采暖期間取水量反而有所增加，而我國大部分地區的降水量有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。因此，我國的水資源的豐、枯走勢呈駝峰狀與氣溫的峰值和谷值大體耦合。我們依此對補充新水量Qm進行調控，就可以使企業的取水量與水資源的豐、枯基本適應。
本發明的主要效果1.節約了水資源，在一定程度上緩解了我國水資源匱乏的程度；企業可以用很少的投入，獲取可觀的經濟效益。據水利部1998年度的《水資源公報》報導，我國工業用水的總量為2197.4億m3，取水量(即補充新水量)為1158.95億m3，重復利用率為53％，外排廢水量為171.24億m3。如果采用上述五維水平衡節水技術的控制系統及其控制方法，至少可以使全國的工業取水量、總用水量和工業外排廢水量各減少30％以上，即使按20％計算，每年的經濟效益可達400億元以上。今后我國的水價將包括資源水價、成本水價和環境水價三部分，水價將逐年有較大幅度的增長。可見本發明的經濟效益是可觀的。
2.改變了多取水，多排水(因為企業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，其投資達2億多元，其中生活污水和工業廢水的比例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于補充新水水價的85％。因此，減少取水量，也就減少了外排廢水量，不但減少污染，還可降低治理費用。
3.五維水平衡節水技術的控制系統及其控制方法，不僅適用于我國的工業企業的用水及其它用水領域，而且也適用于世界大部分國家和地區。采用開源與節流并重，應以節流為先，以北京為例，調入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，總投資近100億元。若將本發明運用到南水北調范圍內，不僅減少了調水量，污水排放量也會相應地減少。
四.


圖1為本發明五維水平衡控制系統示意圖；圖2為某企業補充新水量調控示意圖；圖3為全國部分城市降水量的百分比；圖4為某企業1995～1999年逐月、日水溫、氣溫和補充新水量過程線示意圖；圖5為某企業1999～2000年逐月補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.
具體實施例方式
下面的實施例可以幫助本領域的技術人員更全面地理解本發明，但不以任何方式限制本發明。
實施例1 用水量與水溫的關系某企業工業循環水用水戶，設計的給水溫度為33℃，回水溫度為41℃，水的溫升Δt為8℃，循環冷卻水量Q為14.4萬m3/天。實際上，多年以來，夏季運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℃。
依設計要求，每天通過熱交換被循環冷卻水帶走的熱量，按照式(2)Qr＝Q·Δt，應為Qr＝144000×1000×8＝11.52×108(千卡/天)，而實際運行中，夏季水的溫升Δt只有3.1℃，因此由循環冷卻水帶走的熱量僅為Qr＝144000×1000×3.1＝4.464×108(千卡/天)如果仍按設計的溫升Δt＝8℃運行，就可以將循環冷卻水的水量減少。
按照式(2′)Q=QrΔt]]>修正后的循環冷卻水的實際水量Q實為 式中Qr′為循環冷卻水實際帶走的熱量。由于循環冷卻水系統的蒸發水量為Qc=Q·Δtλ]]>式中λ為循環冷卻水在冷卻塔蒸發時的汽化潛熱。
盡管修正后的水量Q實減少了，而水的溫升Δt增加了，可是帶走的熱量不變，即Q·Δt＝Q實·Δt′，即144000×1000×3.1＝55800×1000×8由于循環冷卻水帶走的熱量不變，而汽化潛熱也不變，因此循環冷卻水的蒸發水量也不變，故補充新水量也不變。因此，節約用水就表現在節約了循環冷卻水量，即可節約循環水系統的投資和運行費用。該系統每m3的循環冷卻水的耗電量約為0.45kW·h，該企業的自備電廠的電價為0.19元/kW·h，由此得出，本實施例的節電量和電費分別為(14.4-5.58)×365×0.45＝1448.7萬kW·h/年；
1448.7×0.19＝275.3萬元/年。
實施例2 合理補充新水量或稱取水量某企業工業循環水用水戶，使用本發明控制系統，將采集來的補充新水量或稱取水量Qm、循環水水量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、循環水水質Xz與補充水水質bz和設定水的濃縮倍數N等有關數據輸入可編程序控制器，經數據處理后，即可按照設定的數學模型得出的優化補充新水量Qm的數值，然后將此數值輸給水泵站，水泵站將補充新水通過不同管道分別供給爐體清循環水系統，爐缸清循環水系統和集塵污循環水系統；與此同時，可編程序控制器將信號傳輸給數字調節閥用以調控調節閥的開啟度；通過流量計再把供給上述三循環水系統的補充新水量Qm數字脈沖信號傳輸給可編程序控制器進行數據處理。依此往復，實現合理補充新水量。
操作時參見圖1和圖2。
圖中，1—數字調節閥；2—水泵站；3—流量計。
可編程序控制器除按設定的數學模型將采集的各項數據進行智能優化，得出合理的補充新水量或稱取水量Qm輸給數字調節閥1，還可將數據存儲、顯示、打印，以備用于分析和報查。
實施例3 用水量與氣象、水文的關系夏天的氣溫(干球溫度θ和濕球溫度τ)高，其蒸發散熱占總散熱量的90％以上，冬季的氣溫(干球溫度θ和濕球溫度τ)低，蒸發散熱只占總散熱量的30％以下，尤其是我國的北方地區，這一比值更小，春秋兩季的蒸發散熱占總熱量比值介于夏冬之間。這就是說補充新水量Qm要和氣溫一樣，在一年之中呈駝峰狀走勢。
我國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。
可見我國的水資源(包括地表水和地下水)的豐、枯與企業的補充新水量的走勢均呈駝峰狀，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冬季取水困難與河流徑污比失衡的現狀，尤其在我國的北方缺水地區，其節水效益更好。
操作時參見圖3、圖4和圖5。
實施例4 用水量與水質的關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，通過在線連續采集和定期水質分析，按照循環水水質Xz和補充水水質bz的最佳要求投加水質穩定劑，使循環冷卻水的水質得到保證，避免水垢導致用水設備嚴重燒損；同時，又可解決不使熱交換率降低、水的溫升難以提高的問題。
操作時參見圖6。
是否需要投加水質穩定劑、投加多少，主要視當地的水質情況而定，如果屬于“很軟水”類型，就不必要采用軟水閉路循環系統。
權利要求
1.一種五維水平衡的控制系統，主要包括數據采集、可編程序控制器、數字調節閥等，其特征在于采集來自補充新水量或稱取水量(Qm)、循環水水量(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)、循環水水質(Xz)與補充水水質(bz)和設定水的濃縮倍數(N)，Xz和bz均包括在線連續采集的數據和定期水質分析的數據，以前者的數據為準，定期用后者的數據進行調整，然后將有關數據輸入可編程序控制器，經數據處理后，再將設定的數學模型得出的合理補充新水量這一信號輸出至數字調節閥(1)，用以調控調節閥的開啟度，對補充新水量(Qm)進行智能優化誘導與過程控制。
2.權利要求1所述的五維水平衡控制系統的控制方法，源于五維水平衡的節水技術，是將水量、水溫、水質、氣象和水文這五維綜合起來，進行全過程、全方位和整個系統的在線連續控制，其特征在于A.在節約工業用水中，包括了兩方面的內容，一是節約補充新水量、一是節約循環水量或稱循環冷卻水量，前者是節約水資源，后者除了節約水資源外，還可以節約循環水系統的投資和運行費用，后者節約水資源的理由如下在工業用水中，水的重復利用率(R)不變，補充新水量(Qm)與循環水量Q三者的關系如式(1)所示Qm＝Q·(100-R)％………………(1)在循環水熱交換過程中，被循環冷卻水帶走的熱量(Qr)等于循環水量(Q)與水的溫升(Δt)的乘積，如式(2)所示Qr＝Q·Δt ………………………(2)B.在循環水的冷卻過程中，由于水在蒸發時，將鹽類和其它物質均留在水中，循環水因而濃縮，此時所補充新水量(Qm)為Qm=Qc·NN-1---(3)]]>式中，Qc為蒸發損失水量，N為設定的循環水的濃縮倍數；在循環冷卻水系統中的水量損失，除蒸發損失水量(Qc)外，還有外排廢水量(Qb)，風吹損失水量(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.如權利要求2所述的五維水平衡控制系統的控制方法，其特征在于按如下方法對水的溫升(Δt)進行調控，(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)根據補充新水和循環水的水質，投加水質穩定劑，以保證循環水既不結垢也不腐蝕的前提條件下，提高水的溫升(Δt)。
4.如權利要求2所述的五維水平衡控制系統的控制方法，其特征在于調控補充新水量(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的降水量多少息息相關的豐枯峰值與谷值相吻合，因此對補充新水量(Qm)進行調控后的走勢應與上述兩因素的走勢所呈駝峰狀相符。
全文摘要
本發明公開了一種五維水平衡節水技術的控制系統及其控制方法。它是把節水、尤其是節約工業用水與水量、水溫、水質、氣象和水文這五維有機地結合起來，將節水拓展到一個全新的領域——通過設定的數學模型與控制系統，對工業生產補充新水量進行智能優化誘導與過程控制。其數學模型與控制系統就是將連續采集來的與節水有關的各項數據輸入可編程序控制器，然后將優化的補充新水量傳輸給數字調節閥并進行調控。這樣，就提高了水的利用率，減少了補充新水量和外排廢水量，降低補充新水的凈化與外排廢水處理的投資和運行費用。本發明能使企業用有限的投入，獲取較大的經濟效益。此外，它對促進社會發展、保護環境都有極大的好處。
文檔編號G05D27/02GK1428674SQ0113695
公開日2003年7月9日 申請日期2001年12月26日 優先權日2001年12月26日
發明者朱志文 申請人:中冶集團北京鋼鐵設計研究總院