水夹点技术在用水网络优化中的工程应用

路超 耿甜甜 赵亚珊

摘要：水夹点技术以追求新鲜水用量和废水产生量最小为设计目标，是一种用水网络优化技术之一。本文介绍了几种水夹点的算法，并对不同行业的应用现状进行了综述，以期对用水网络优化的应用方面提供一些技术支持。

Abstract： Water pinch-point technology is one of the water network optimization technologies. It aims at minimizing the amount of fresh water and wastewater. This paper introduces several water pinch-point algorithms and summarizes the application status of different industries in order to provide some technical support for the application of water network optimization.

关键词：水夹点;用水网络;工程应用

Key words： pinch-point technology;water network;engineering application

中图分类号：X703                                         文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2019）11-0179-03

0  引言

水资源短缺和水环境恶化已经成为制约经济发展的主要因素，严重影响人民的生活质量和社会安定。提高过程工业（包括化学、石化、炼油、制药和冶金等工业）水的重复率，在我国保护环境和经济可持续发展方面具有重要意义。

1994年，英国Manchester大学科学技术研究所的Wang和Smith等人在研究化工过程中废水最小化问题时，首次提出了水夹点技术[1]。水夹点技术由热夹点技术引申而来，两者在传质和传热方面具有相似性。热夹点在换热网络中是一个温度点，不同的是水夹点是基于某关键杂质的浓度，而不是温度。热夹点的特性是：“夹点以上不用冷源，夹点以下不用热源，处于热夹点温度以上的物料可用处于热夹点温度以下物料冷却，不用另外用其它冷源冷却，处于热夹点以下的物料不用热源加热仅用热物料加热即可。”与热夹点相对应的水夹点的具有的特性是：“用水工艺过程中夹点以上位置的工艺过程用水不必用新鲜水，夹点以下位置工艺过程用水只能用新鲜水。在工业用水系统中节能减排的大量工作相当于降低夹点位置，使新鲜水用量减少，排水量减少。”水夹点技术采用图示的方法对水系统进行分析和优化，对于用水网络的设计具有重要的指导意义。

自水夹点技术提出以来，国内外学者从理论的角度，对水夹点技术进行了深入的研究。但由于该技术在实际应用中存在一系列缺陷，诸如其依靠传质模型计算复杂及其所设计出的初始用水网络结构较为复杂等，进而在实际系统用水改造中的应用受到限制，使得是国内外在水夹点的具体实际应用方面的文献相对较少[2]。本文对水夹点的计算方法进行简要的介绍，重点综述了再各行业的应用状况，以期对水夹点法在用水网络优化的应用方面提供一些技术支持。

1  水夹点的研究方法

使用水夹点的技术前提是用水单元必须满足杂质传质模型。杂质传质模型是指用水单元中，物料通过与水逆流接触达到降低物流中杂质浓度、使物流中杂质浓度满足下一个用水单元的进水水质要求，从而提高水重复利用率。用水单元中质量交换过程可以用图1所示的用水单元杂质传质模型[3]来表示。

自水夹点技术被首次提出，水夹点技术的研究一直被广泛关注。学者们先后提出了浓度组合曲线法、用水和水源组合曲线法、D-S组合曲线法、中间水道法等方法，这些方法都有各自的优缺点。下文分别对这几种方法进行介绍。

1.1 浓度组合曲线法

浓度组合曲线法是最早的水夹点技术方法，主要是通过将所有用水单元的情况构造复合曲线，将新鲜水的用量构造最优的供水线，为保证一定的传质推动力，供水线必须总是处于浓度组合4曲线的下方或与浓度组合曲线重叠。随着供水线的斜率增大，供水線不断与复合曲线靠近去寻找夹点，当供水线的某点与复合曲线开始重合时，重合的位置就是所谓的“水夹点”。此时出口浓度达到最大，新鲜水用量达到最小，就可以确定用水系统的节水瓶颈。如图2为浓度组合曲线图，水夹点所对应的新鲜水流量就代表了整个系统的新鲜水的最小用量。构造完浓度组合曲线，确定水夹点之后，在应用格子图法对水系统进行水量分配。

1.2 用水和水源组合曲线法

用水和水源组合曲线法主要是通过用水和水源组合曲线来寻找节水瓶颈。如图3所示。其中用水组合线代表新鲜水的用量的组合线，水源组合线为废水的排放量的组合线。用水和水源组合曲线法的基本思想是用水和水源组合曲线在横轴方向上相重叠的部分之间互相匹配，在两条组合曲线越来越接近的情况下，用水系统的新鲜水用量和废水排放量也会不断减少，直到在某处两条组合曲线汇合，那时废水排放量和新鲜水用量均最小，夹点即为两组合曲线相接触的点。新鲜水用量是指用水组合线向右平移的距离，废水排放量是指平移后的用水组合线与水源组合线末端的水平距离。

1.3 D-S组合曲线法

D-S组合曲线法主要是通过绘制D-S组合曲线，寻找夹点，确定用水系统节水瓶颈，从而指导设计最优用水系统或对现有用水系统进行改进。如图4所示。其中，D即demand，代表水阱，指潜在可以利用回用水代替新鲜水以及直接利用新鲜水的用水操作;S即source，代表水源，指可作为水回用的用水操作，包括新鲜水、各用水单元排出的可能再次利用的“二次水”，甚至包括可处理的“污水”等所有可以利用的各种水。D-S组合曲线法的基本思想是向右水平移动S组合曲线，使其完全在D组合曲线下方且有惟一交点，该交点即为夹点。新鲜水用量是指S组合曲线向右水平移动距离，废水排放量是指平移后的S组合曲线与D组合曲线各自末端的水平距离。该法类似用水和水源组合曲线法，具有应用过程简练和简单易懂的特点，且应用前景十分可观。

1.4 中间水道法

冯霄教授和 Warren D.Seider 教授提出一种新的水回用模式，即具有中间水道的水网络结构。通过在用水系统中添加一个或两个中间水道，中间水道可源于一些用水單元的具有较低浓度的废水排放，又可用于另一些可用较高浓度的供水的单元，所有用水单元都同新鲜水道、中间水道、废水道相连，从其中一些取水，向其中之一排水[4]。中间水道法是解决多杂质系统的有效手段，结构简单，且易于控制。但由于这种用水网络中的过程只能从水道取水，且排水只能送往一级水道，结构上受到了一定的限制，因此其所需的最小新鲜水量较常规水回用网络的最小新鲜水量略大了一些。通过引入中间水道，不仅简化了用水系统的网络结构，也有利于各用水过程进口水质的控制，大大改善了常规水回用网络中用水过程之间相互影响不易控制的缺点。

2  水夹点的工程应用

水夹点技术可用于用水网络的优化，本文从石化、煤化工、炼油、冶金、印染行业对水夹点技术的工程应用实例进行介绍。

2.1 石化行业的应用

目前我国石化行业加工吨原油所耗的鲜水量是发达国家的5-6倍，作为用水大户和废水排放大户，污水处理能力与国际水平相比还有一定差距，节水改造势在必行。清华大学韩政[5]以水平衡数据为基础，通过水夹点技术改造大连石化公司，使该公司用水、排水指标均达到国内先进水平;王炜亮[6]等用水夹点技术对某石化企业进行用水网络优化研究，优化后的用水网络分别节约新鲜水用量18.79%和22.47%。耿立东[7]等将多污染因子水配合回用网络分析方法应用于某石化企业，该方法大大简化了用水网络设计，取得了17.76%节水效果。

2.2 煤化工行业的应用

我国煤炭资源和水资源呈逆向分布，极不均衡。煤化行业是用水大户，又多处于内蒙、新疆等水资源匮乏地区，过度取水则会造成生态破坏，节水减排迫在眉睫。刘志学[8]针对国内设计院设计的用水网络系统不优化、水耗偏高等缺点，分析原因做出改进，实现效益与指标的同步提升，取得非常好的节水效果和经济效益。鄢凯[9]对煤化工工业园区的用水单元和用水网络进行调查和分析，利用水夹点技术的图形法绘制出极限复合曲线，取得了一定的节水经济效益。

2.3 炼油行业的应用

炼油厂同样是耗水大户，对水的质量要求不尽相同，可供使用水源的品质和价格也不同。因此开展炼油企业用水网络全局优化研究，对国家可持续发展、企业降耗增效具有重要的现实意义。郭宏新[10]提出的以水夹点理论为基础的过程集成技术适用于整个炼油厂或者区域用水网络的系统集成优化设计，结果表明采用污水回用可节省21.5%的费用污水回用+水再生比单独的回用节省47.6%的费用;2006年初，采用水夹点集成理念，大庆石化分公司对具有“直用直排，末端集中序列处理”的缺点的水系统进行总体规划，尽可能将进入系统的水多次利用、清污分流、分散再生、污水回用，达到了良好的节水效果[11];袁一星等[12]给出水夹点技术理论在某炼油厂的计算实例，该实例的实施可使所需最小新鲜水流量为114.25t/h，总用水量148t/h，共节约用水量23%。2015年，Mughees W等[13]利用水夹点技术对炼油厂的最小用水量进行了分析。基于单一和双重污染物的方法，在同时考虑化学需氧量COD和硬度的情况下，降低了38.8%淡水的百分比，对数学规划结果的分析也用图解法计算证明了淡水的准确需求。

2.4 冶金行业的应用

我国冶金企业在吨钢耗新水指标和水的循环率方面与国外同行先进水平比还有相当大的差距，存在着巨大的节水潜力。张建红，吴礼云等[14]以首钢某炼钢厂节水改造为例， 给出了用水网络优化方案。实践证明该方案具有可行性，理论上至少可取得62.3%以上的节水效果;Gao C K等[15]借鉴系统节能理论中的“能量载体”和“能源价值”概念，引入“水载体”和“水价值”的新概念，构建钢铁生产的用水价值模型。以中国钢铁集团作为试点，对水的价值模型的可行性和适用性进行评价。结果表明，热轧卷板使用这种转换方法可节约用水量是65.88立方米/吨。

2.5 印染行业的应用

印染行业不但水耗量大，水污染十分严重，废水中的污染物危害程度大，属于危害较大行业，节水净水具有十分重要的意义。赖冬麟[16]通过水夹点分析，探讨了棉针织染整企业现有工艺下的最大节水潜力及假设通过工艺改进下的最大节水潜力，并优化了某企业的用水网络，降低了新鲜水消耗量，提高了废水回用率，降低了生产成本;常吟琳等[17]针对我国棉针织企业排水特点，采用水夹点技术使整个企业废水回用率可达到71.45%，与此同时在经济和技术层面验证了此项工艺的可行性。邓燕平[18]以宜兴坤风印染厂为例，应用水夹点理论于印染厂的用水系统，提出了企业不同的废水回用措施，使企业最大废水回用率达75%。

3  结论与展望

水夹点技术已应用于多行业的用水网络优化中。水夹点技术的应用前景广阔，但尚无在高新技术领域应用的案例。水夹点技术方法众多，学者一直在进行算法的优化，但是针对多杂质系统，水夹点技术仍然存在计算复杂的缺陷。总言之，水夹点技术要求根据企业不同进行调整不同的节水策略，实现废水回用率最大，新鲜水用量最小，对于水环境系统的优化具有十分重要的实践意义，应当继续深入研究。

参考文献：

[1]周枫，徐宏勇，蔡兰坤.基于数学优化算法的多杂质用水网络优化综述[J].工业水处理，2014（6）：10-13.

[2]尹芳.新型水夹点技术的应用和研究[D].大连：大连理工大学，2000.

[3]梁卓，李英，刘名扬，等.融合水夹点分析的具有中间水道用水网络设计[J].西安交通大学学报，2017，51（04）：149-154.

[4]冯霄，王斌.节水减污过程水系统集成技术[J].中国能源，2002（01）：22-24.

[5]韓政.炼化企业水系统集成优化研究[D].北京：清华大学，2011.

[6]王炜亮，李光明，马伯文，等.石化行业水资源优化利用网络分析[J].工业水处理，2007，02：71-74.

[7]耿立东，李光明，齐贺，等.多污染因子水配合回用网络分析[J].工业水处理，2010，30（02）：64-67.

[8]刘志学.水夹点理论在现代煤化工中的应用前景[J].煤炭加工与综合利用，2016（06）：6-8，19.

[9]鄢凯.煤化工园区单杂质水网络系统集成的探讨[J].山东化工，2016，45（16）：133-137，141.

[10]郭宏新.采用过程集成技术设计优化炼油厂用水网络[J]. 炼油技术与工程，2004（01）：31-36.

[11]陈丽.水夹点技术在炼油厂的应用[J].计算机与应用化学，2009，26（09）：1153-1158.

[12]袁一星，钟丹，高金良，等.水夹点技术在炼油厂的应用实例[J].工业用水与废水，2009，40（03）：49-52.

[13]Mughees W，Al-Ahmad M. Application of Water Pinch Technology in Minimization of Water Consumption at a Refinery[J]. Computers & Chemical Engineering， 2015，73 ：34-42.

[14]张建红，吴礼云，刘正发，等.水夹点技术在炼钢厂的应用[J].中国冶金，2009，19（12）：37-42.

[15]Gao C K， Zhang M H， Wei Y X， et al. Construction and analysis of “water carrier”and “water value” in the iron and steel production[J]. Journal of Cleaner Production，2016，139：540-547.

[16]赖冬麟.典型棉针织染整企业水网络的分析与设计[D]. 唐山：河北工程大学，2012.

[17]常吟琳，周律，辛怡颖，等.基于水网络优化的棉针织印染废水回用技术研究[J].中国给水排水，2013，29（23）：106-110.

[18]邓燕平.棉印染行业节能减排研究[D].苏州：苏州科技学院，2010.