火力发电厂水资源智慧调控与运营

袁 弘 孙 利 刘政修 汤自强 梁 浩 赵潇然 梁国杰

（1. 京能盛乐热电有限公司，内蒙古 呼和浩特 011518；2. 北京京能能源技术研究有限责任公司，北京 100022）

0 引言

水资源是基础性自然资源和战略性经济资源，是社会经济可持续发展、维系生态平衡与和谐环境的重要基础。全国发电总装机容量中，火力发电用水量占全部工业用水量的20%。火力发电厂用水量大，水的问题已成为北方地区建设、发展电力工业的制约因素，因此，做好火力发电厂水资源的高效管理十分必要。

2015年04月，国务院颁布了《水污染防治行动计划》（水十条），提出了水污染防治的总体要求，并制定了2020～2030年工作目标及主要指标。2018年《中共中央国务院关于全面加强生态环境保护坚决打好污染防治攻坚战的意见》提出，着力打好碧水保卫战。2021年政府工作报告要求加强污染防治和生态建设，持续改善环境质量，巩固蓝天、碧水、净土保卫战成果。

开展火力发电厂深度节水，实现水资源智慧管控，实现全厂废水零排放，高度契合国家政策，是应尽的社会责任，并关系到企业的生存和可持续发展，具有十分重要的现实意义。

传统的发电企业现在面临着严峻的经营压力，必须创新生产、经营管理模式，实现生产及经营的智慧化。随着大数据和人工智能等技术不断发展，以信息技术为手段，以完备合理的系统设计为基础，以大数据分析指导决策，实现电厂智慧化是电力行业深化改革和适应电力市场形势变化的必由之路。水资源智慧调控与运营作为智慧电厂的一部分，可实现全厂水资源精准管控、降低发电综合水耗、减少废水排放、提高用排水系统安全运行等，具有良好的经济、管理、安全、环保及社会效益[1]。

1 水资源智慧调控与运营管理系统建设总体思路

根据DL/T 1337-2014《火力发电厂水务管理导则》[2]及DL/T 5046-2018《发电厂废水治理设计规范》[3]，依据“水量、水质平衡”，按照“梯级使用、清污分流”的原则，结合国内外最新节水技术成果，通过全厂工业废水综合治理及水资源综合利用，实现全厂深度节水及全厂废水零排放，在此基础上，进行智慧水务管理系统建设，巩固全厂节水成果，全面实现全厂水资源智慧调控与运营管理。

根据DL/T 606.5-2009《火力发电厂能量平衡导则第5部分 水平衡试验》[4]，基于全厂水（盐）平衡测量原理及水务管理要求，完善在线热工及化学仪表，搭建实时在线监测体系及通讯网络，完成实时动态监测系统的建设，实现数据远传的可视化水资源智慧调控与运营管理平台。

通过合理算法、模型开发及大数据分析等手段，进行智慧调控与运营管理系统软件功能开发，实现水量（质）指标管理及在线评价、预警、诊断、优化等主要功能。

水力发电厂水资源智慧调控与运营管理系统是一个集全厂用、排水系统运行、指标管控、效能分析、设备管理、成本控制、指标预警（预测）及优化等在内的水资源智慧调控与运营综合管理系统。

水资源智慧调控与运营管理系统主要功能包括：全厂一/二级水系统管控、全厂水/盐平衡监控、全厂水务管理报表、设备/指标管理、全厂用/排水管网3D展示、主要指标预警/诊断/优化等。

2 水资源智慧调控与运营系统建设

2.1 水资源智慧调控与运营系统网络拓扑图

水资源智慧调控与运营系统网络拓扑图如图1所示，水资源智慧调控与运营系统首页功能如图2所示。采购数据、应用及接口服务器各一台，数据服务器安装在电厂安全二区，作为智慧水务管理系统数据服务器，在安全三区增加一台数据服务器，作为边端智慧水务管理系统镜像服务器，将应用服务器安装在电厂安全三区，可支持现场多人访问系统。为保证网络安全，相关位置设置正向隔离网闸，云边系统数据传输采用专线方式。

2.2 水资源智慧调控与运营系统功能

2.2.1 系统首页

系统首页功能类似于管理驾驶舱。在界面上主要展示水务管理参数、主要用水指标实时分析、用水指标图表分析；关键用水监测参数包括总用水量、循环水量、串用水量、复用水量、生产用水量、非生产用水量、汽水热力循环量等智慧水务管理关键用水监测参数，关键用水监测参数数据为年度累计值；重要水务指标实时分析包括全厂用水不平衡率、单位发电水耗、单位综合发电水耗、全厂补水率、全厂汽水损失率、灰水比等智慧水务管理重要指标，重要水务指标数据显示为实时，并可与行业内平均值、限定值、先进值、领跑值进行对比分析，实时显示比平均、比限定、比先进、比领跑指标值变化；用水指标图表以折线图的方式展示单位发电水耗、单位综合发电水耗、全厂补水率、全厂汽水损失率等指标的小时周期变化值，即折线图横坐标为天小时，展示当天每小时变化曲线。系统首页功能参如图2-2所示。

2.2.2 二级系统监控

将全厂水系统划分为生产水供水系统、生活消防水系统、工业水系统、主机循环水系统、闭式循环水系统、热网循环水系统、中水深度处理系统、锅炉补给水处理系统、废水处理及回用系统、脱硫系统等。系统包括每个供水单元的水系统图、取用水指标、系统报警等信息。二级系统图上有主要用水或供水设备、水量监测表计实时数据、关键阀门状态等。

二级系统页面主要展示2D供水系统工艺流程图、水务管理参数展示、水务管理水量对比分析、水务管理指标图表分析、表计瞬时流量历史曲线图。

以全厂供水系统工艺流程美工图为载体，通过2D视角的平面工艺组态来监测供水系统运行状态，对进出水位置、方向、流量等参数进行图形化表达。系统图中的仪表可展示实时数据。

实现供水系统供水总量等水量参数集中展示，默认展示日数据，可根据智慧水务业务管理需要自由选择时间段进行查询。

以柱形图的形式实现供水系统供水总量等水量参数对比情况，并与同期进行对比分析，周期维度为日。

以折线图的形式实现供水系统水务指标（含分系统用水不平衡率）数据分析结果展示，周期为日周期（即折线图横坐标为天小时），多个指标可通过选择该区域指标签自由更换。

系统提供查询供水系统表计瞬时流量历史曲线功能，通过点击页面“水表曲线”按钮，系统自动跳转到历史曲线功能页，曲线页集中展示供水系统图中所有表计历史流量曲线，可根据需要选择全部表计同图展示，也可多个表计同图展示，也可单个表计图中展示，曲线展示时间范围可自由选择。

在线中水管线泄漏预警：利用智慧水务管理系统流量信号实现中水供水管线在线泄漏检测，解决供水管线巡检不及时、泄漏后不能及时发现、泄漏后容易产生纠纷、经济损失和安全风险。二级 系统图参如图3所示。

二级系统数据曲线如图4所示。

2.2.3 全厂水/盐平衡监控

以全厂水/盐平衡系统工艺流程美工图为载体，通过2D视角的平面工艺组态来监测各系统运行状态，实时计算水/盐平衡率。系统自动生成的用水监测、水务指标、水/盐平衡简况天平图等功能点，可以按照时、日、周、月、年不同周期时段在线监视全厂和机组的总用水量、循环水量、回用水量、串用水量、复用水量、重复利用水量、重复利用率、生产用水量、非生产用水量、汽水热力循环量的水量参数；也可以展示单位发电水耗、单位供热水耗、全厂补水率、灰水比、重复利用率、废水回用率等水务指标的日度、周度、月度和年度数值，以及同比/环比变化、比平均、比限定、比先进、比领跑指标值变化等，反映用水水务总体情况；通过结合水网管阀图形元素的天平简图来表达新鲜水量、总存水变化量、总耗水量、总漏失量之间的统计期平衡率情况。配以折线图、柱形图、面积图等图表对单位发电水耗、汽水损失率等关键用水指标进行分时显示，并标绘突显最高值、最低值、平均值、最频值等特征数据。

在必要的位置安装在线电导率表，通过分析，确定各种水样电导率与TDS对应关系，化学水处理系统加药或再生后，需要核算盐量增加值，定期通过水质分析核算在线盐平衡测试准确性，实时计算盐平衡率。全厂水/盐平衡监控流程图如图5所示。

2.2.4 全厂水务管理报表

全厂水务管理报表主要包括全厂水平衡报表、主要用户用水报表、机组发电用水指标报表、废水回用报表等。报表查询时间维度有日、月、年、任意时间段，报表不同查询维度不同。各种报表具有导出功能，可导出到Excel。全厂水平衡报表格式如表1所示。

表1 全厂水平衡报表

表1（续）

机组发电用水指标报表如表2所示。

表2 机组发电用水指标报表

表2（续）

全厂主要用户日用报表如表3所示。

全厂废水回用报表如表4所示。

表4 全厂废水回用报表

表4（续）

2.2.5 设备/指标管理

设备管理

系统提供手工录入设备台账、巡检记录、安全监控、检修记录、寿命情况等设备详情录入功能，提供新增、删除、修改、查询功能；并提供资料上传功能，上传资料有视频类、图片类、文档类三类。

（1）设备台账：水务管理业务相关设备清单，包含设备基础信息、校验日期、出厂信息；

（2）资料档案：记录水务设备管理相关资料文献，包含视频、图片、文档；

（3）巡检记录：记录水务设备巡检信息；

（4）安全监控：记录水务设备安全管理信息；

（5）检修记录：记录水务设备检修信息；

（6）寿命情况：基于设备清单记录设备运行寿命情况。

指标管理

系统提供指标配置如图6所示、指标实时数据展示如图7所示、指标历史曲线查看功能如图8所示。可针对每个指标进行定义、设定计算公式；实时数据展示频率为1分钟，指标实时数据展示页面数据刷新频率为1分钟；针对每个指标，可查询历史曲线，时间范围可自由选择。

2.2.6 全厂用/排水管网3D展示

采用Unity3D方式，进行全厂用、排水管网3D展示，包括全厂用、排水管道与主建筑物、管道之间、管道与地面的相对位置、水平距离、垂直距离等数据；显示管道的管径、材质、阀门、管道井、支路管道等管道的本体及主要附件。

全厂用/排水管网3D展示主要包括循环水给水管、循环水回水管、辅机循环水给水管、辅机循环水回水管、雨排水管、生活污水排水管、工业无压排水回收管、非经常废水排水管、含油废水排水管、消防供水管、生活给水管、工业水给水管、复用水管、脱硝废水管、高悬浮物废水排水管、工业水压力排水回收管；厂区中水水源补给水管、厂区备用水源补给水管、工业水回收复用水管、生活污水处理回收水管、泡沫消防管、脱硫废水管、输煤冲洗排水管、煤水处理回收水管、有压雨水排水管。不同的分系统需要以不同颜色区分，可以选择显示全厂3D管网或者某个分系统管网。

3D展示的供水管网界线以供水泵为起点，至用户所处的建筑物、设备设施系统的边界，建筑物内和设备系统内的供水管网不做3D展示。全厂用排水3D管网图如图9所示。

2.2.7 主要指标预警/诊断/优化

（1）主要指标预警

系统提供预测模型算法，根据预测模型算法计算规则，对关键用水指标、用水、排水、管道在线泄漏、水质等指标，利用系统后台逻辑算法进行分析，在故障早期捕捉缓慢变化和快速发展的异常征兆，跟踪劣化拐点，变事后为事前调控，防止事故扩大，保证设备安全、经济、稳定运行。主要指标预警示意图如图10所示，主要指标预警展示图如图11所示。

（2）主要指标诊断/优化

系统开发专家库管理功能，将基于专业人员对智慧水务管理系统水量、水质已经积累的大量的故障诊断及处理经验，通过收集系统水量、水质的各类故障及各类故障的可能原因和可采取的处理措施，在系统中建立专家知识库，系统支持专家知识库持续维护更新，对这些专业知识进行存储。系统支持对专家库新增、修改、删除、查询（支持模糊查询）。

当异常发生时，业务人员利用专家库查询引擎，通过查询定位专家库中相同相似异常、故障，业务人员可根据专家库故障处理经验得出建议解决方案，使得普通的运行人员也可以具备专家分析的能力，快速定位故障。

2.3 数据通讯

系统原有或新增流量计、水质仪表及智能水表等，需要实现数据远传至智慧水务管理系统服务器，结合电厂SIS或能管平台数据接口数据集成，实现智慧水务管理系统数据来源为全口径测点数据。

2.3.1 智能水表

LORA是LPWAN（低功耗广域物联网）通信技术中的一种，LORA作为目前最有发展前景的低功耗广域通信技术，已经被运用在个各行各业中。LORA无线通信采用直序扩频技术，具有通信距离远、功率密度集中，抗干扰能力强的优势。同时具有软件FEC前向纠错算法，其编码效率较高，纠错能力强，在突发干扰的情况下，能主动纠正被干扰的数据包，大大提高可靠性和传输距离。

基于LORA的组网通信系统采用LORA通信协议进行组网通信，系统由计算机终端、通信基站、集成通信模块的用户设备、具备通信功能的用户设备等组成，LORA通信一个基站对多个通信设备的组网通信，实现整套系统的互相通信。

LORA模块是一款工业级的单片机和高性能射频收发器集成在一起的半双工无线数据传输模块，体积小，工作稳定。模块采用透传模式进行通信，使用者无需编码和控制，为开发人员开发无线产品大大缩短了周期。模块内置的MCU对数据进行包装和处理，使得用户只需要通过UART接口，即可实现无线通信。智能水表数据传输示意图如图12所示。

2.3.2 其他数据采集

基于目前各类表计现状和数据采集、传输设备实际情况，为保证系统稳定性，考虑采用两种采集方式，对于不适合这两种形式的设备，可考虑第三种方式或其他方式。其他数据采集涵盖已有热工仪表及化学仪表、新增热工仪表及化学仪表等。

1）系统接口集成方式

对于已有热工仪表及化学仪表、新增化学仪表，系统开发SIS或能管平台集成接口，将SIS或能管平台测点实时数据实时同步集成至智慧水务管理系统；

2）软件集中采集接口

对于新增热工仪表，采用工控机同步集成接口，可将工控机数据实时同步至智慧水务管理系统。

3 效益分析

3.1 经济效益

（1）节约水资源及排污费用

根据GB/T 18916.1-2012《取水定额 第1部分：火力发电》取水量指标：单机容量为300MW级空气冷却机组单位发电量取水量定额指标为0.63m3/MW·h，经过节水设计后，发电综合水耗可以达到0.41m3/MW·h。通过开展火力发电厂深度节水，实现水资源智慧管控后，发电综合水耗可以达到0.19m3/MW·h[5]，机组利用小时按5500计算，每年节水80万吨，减少废水排放50万吨，直接经济效益200万元；

（2）节约全厂水平衡测试费用

根据DL/T 606.5-2009《火力发电厂能量平衡导则第五部分 水平衡试验》要求，火力发电机组应定期进行冬季、夏季水平衡测试，通过对全厂各种取、用、排、耗水量进行测量，查清电厂用水状况，找出节水潜力，制定切实可行的节水技术措施，正确地评价电厂的用水水平，使电厂的用水达到科学管理和合理使用。

火力发电机组一般要求3～5年进行一次全厂水平衡测试，测试费用一般需要30万元左右，平均每年测试费用约6～10万元。

3.2 社会效益

我国为水资源匮乏，且分布不均。根据我国能源政策，华北、西北严重缺水地区火力发电量占比37%。国家发展改革委员会关于燃煤电站项目规划和建设有关要求明确指出：在北方缺水地区，新建、扩建电厂禁止取用地下水，严格控制使用地表水，鼓励利用城市污水处理厂的中水或其它废水。因此，水资源智慧调控与运营应用及示范，可缓解当地水资源缺乏的状况，改善当地生态环境。

3.3 安全效益

水资源智慧管控与运营，可实现主要水质、水量指标预警、预测、诊断、优化，相较于传统的基于限值可识别的报警，可实现预警时间提前20%，故障诊断正确率达到90%，可提前对设备进行检修维护，保证设备安全、稳定、经济运行。

3.4 环保效益

水资源智慧管控与运营，保证全厂水资源合理利用，实现全厂废水零排放，高度契合党的“十八”大和“十九”大以来有关环保法律、法规的要求。

3.5 管理效益

水资源智慧管控与运营，全面提升水务管理水平，降低全厂发电综合水耗。

4 结语

随着移动互联网、云计算、大数据和物联网等技术的蓬勃发展，各个领域兴起了智能化建设的热潮。在发电领域，智慧电厂建设成为行业热议的话题。火力发电厂进行智慧水务系统研究与应用，作为智慧电厂建设的缩影，是信息化与工业化深度融合的生动实践。通过智慧调控与运营系统开发与示范，可以使全厂水务管理智能化、高端化、低碳化，必将为自动化电厂向智慧电厂升级带来质的飞跃，具有重要示范意义。

作为一种创新管理手段及方法，可广泛应用于自来水厂、污水处理厂、钢铁、石化等企业全厂用、排水系统运行、指标管控、效能分析、设备管理、成本控制、指标预警（预测）及优化等。