五维水平衡与工业节水

朱志文
（北京钢铁设计研究总院，北京100053）

　　摘要：通过对工业系统冷却用水的分析，指出节水不仅要从用水量方面考虑，还要与水的温升、水质、气象和水文有机地结合起来，从而提出了“五维水平衡”的概念。
　　关键词：工业用水；节水；水平衡
　　中图分类号：TU991.64
　　文献标识码：B
　　文章编号：1009－2455（200U0－0014－03

引言

　　根据水利部的“水资源公报”，1998年，我国取水总量已达544O亿m³，其中农业、工业和生活用水分别为 3770、1130和540亿m³，比例各为69％。21％和10％。取水总量已接近可用水资源量的70％。
　　尽管我国工业的取水量仅占取水总量的21％，但它对国民经济的持续发展至关重要；而且我国工业外排废水对水体的污染却不容忽视。为了保持我国宏观经济稳定，实现经济和社会的可持续发展，实现水资源的合理配置，推动水环境走向良性循环，节水极为关键。因此，节约工业用水乃当务之急。
　　在水资源匿乏和水体严重污染严峻的现实面前，工业的取水总量必须严格加以控制，力图实现零增长，甚至是负增长，面对这一艰巨的任务，虽然传统的节水模式能起一定的作用，却难以挑起这副重担。因此，工业的节水，必须突破传统的模式，找到新的支点，从理论和实践上加以发展和创新。

1 五维水平衡理论的提出

　　传统的节水理论和技术基本上都是建立在水量这一维的基础之上，尽管在设计中也时有涉及水的温升和水质，但是，往往未能充分发挥其潜能。因此，虽然它对我国的节水发挥了一定的作用，但是，由于困于一维的局限性，在节水的深度和广度的开掘和拓展受到了很大的限制。这里首次提出的五维水平衡理论，就是以全新的视角，多层次、全方位来审视现行的节水理论和技术。

2 五维水平衡的原理

　　五维水平衡不是只局限在水量上做文章，而且还要把水的温升、水质、气象和水文完整地、有机地联系起来，把握梳理与节水有关的各个方面，进行总体研究和综合平衡。
　　在工业节水中，还包括了两方面的内涵，一是节约取水量（即新水）；一是节约用水量（即循环水）。两者相互渗透，关系密切。而在两者中，前者尤为重要。因为节约取水量，就是少占用水资源，而且还同步减少了排人水体的工业废水；而后者则仅涉及节约企业水处理设施的投资和运行费。
　　设取水量、用水量和重复利用率分别为Q_m、Q和R，这三者的关系如下式所示：
　　　　　　Q_m＝Q（100-R）％
　　在五维水平衡中，除了水量外，它与其它因素的关系分述如下。
2.1 水的温升
　　对于循环水系统来说，水的温升是一个关键因素。因为，在工业用水中，循环冷却水占2／3以上。其中，我国的电力、石油、化工和冶金的冷却水占总量的 99％～85.4％。而这部分循环水是用来进行热交换、用以带走热量。
　　设带走的热量、水的温升和水量分别为Qr、Δt和Q，这三者的关系如下式所示：
　　Qr＝Q△_t
　　显然，合理地提高水的温升，就可以相应减少水量。。
　　我国某企业一用户，其冷却水量为 14.4 × 10⁴m³/d，设计的给水和回水水温分别为 33 T和 41t，水的温升为ST；而实际上多年夏季运行的平均绚水和回水水温，分别仅为 31.4 ℃和 34.7℃，水的温升只有3.3℃。如果按设计的温升进行控制，其用水量就可以减少 58.8％。按全国同类用户目前的用水量来推算，不少企业水的温升仅为1℃左右。个中潜力可见一斑。
2.2 水质
　　在循环水运行过程中，水中的 Ca²⁺、Mg²⁺、Fe²⁺、Fe³⁺、MnFe²⁺、AI³⁺”等等，其中主要是Ca²⁺和Mg²⁺将同重碳酸根等起作用，生成碳酸钙、氢氧化镁等难溶化合物，沉积在热交换装备的壁面上形成水垢。
　　Ca²⁺、Mg²⁺的碳酸盐在水中的溶解度随着水温的升高而降低，钙的碳酸盐尤为明显。当在循环水系统中投加水质稳定剂后，就可以保证循环水既不结垢也不腐蚀。在这一前提下，就可以适当提高水的温升。水的温升提高了，也就可以减少水量。
2.3 气象条件
　　在五维水平衡的诸因素中，气象（主要是干球温度和湿球温度）是核心。因为循环水经过热交换之后，必须经过冷却装置冷却后方可循环使用。而循环水在冷却过程中，水的蒸发损失及补充新水的多少，与气温（包括干、湿球温度）关系极为密切。
　　通常每一地区一年内的气温都不同。而设计所选用的冷却塔设计参数总是按照最不利的情况设定的，即按照夏季（或最热月）的干、湿球温度及其保证率来确定的。但是一年之内的干、湿球温度除夏季域最热月）外，特别是冬季相对较低。尤其在东北。西北和华北地区尤为明显。此时，循环冷却水往往可以不经过冷却塔冷却（或者循环冷却水虽然进人冷却塔，但是冷却塔的风机不运行），就可以满足工艺所需的给水水温的要求。
　　循环水在冷却过程中，夏季蒸发散热占总散热量的90％以上；冬季，接触散热的比重增加到50％，而严寒天气甚至可增加到 70％，也就是说，冬季的蒸发散热仅相当于夏季的 55.6％－30％。因此，利用这一自然规律，我们就可以把取水量降下来。
　　水量为Q_m、蒸发水量为Q_c和循环水的浓缩倍数为N，三者的关系如下式所示：
　　Q_m＝Q_cN／（N-I）
　　从上式中可知，取水量与蒸发水量成正比；而浓缩倍数越高，则取水量就越小。而循环水的浓缩倍数，一般都是在设计中通过技术经济比较确定的。因此，对于某一具体的循环水系统来说，完全可以把浓缩倍数当作常数。由于循环水在冷却的过程中，冬季的蒸发散热还不到夏季的 1／3。也就是说，冬季的蒸发水量和取水量都比夏季减少了2／3以上。
　　同理，在春季和秋季，循环水的蒸发水量介于夏季和冬季之间，因此，其取水量也介于夏季和冬季之间。
　　其实，对于工业企业来说，设计所选用的干、湿球温度，一般都是按保证率为90％（个别行业的保证率为95％）的多年夏季平均数取值。可见，即使是在整个夏季，其取水量也只是在一小部分时段内无潜可挖，而在其它时段内仍有一定的潜力。
　　某企业一用户，其1995－1999年逐日的给水水温、回水水温和补充新水量与当地逐日的干、湿球温度的过程线见图1。

　　从图1可以看出，干、湿球温度全年的走势呈驼峰状，其驼峰出现在7、8月；而给水水温、回水水温和取水量的走势虽有变化，但变化的幅度非常小，其中给水水温和回水水温的变化不大的原因，是为了贯彻经济运行的节能管理目标，只要水温能满足工艺生产之需时，循环冷却水虽然上冷却塔，但是冷却塔的风机停止运行）；而取水量变化不大的原因是这一循环系统过多的排污，致使其浓缩倍数不到1.2。这是由于该循环水系统采用了并不经济合理的串级补水（由于后一级所需的补水量与前一级的排污量不适应造成的，导致前一级的排污量过大）。合理的串级补水，应该是根据各循环水系统的最佳浓缩倍数，来确定各循环水系统的排污量，其排污量作为下一级的补充水，而下一级的补充水的不足部分则应由新水补充。
　　从图 1可以看出，取水量的峰值约为8 040m³／d。如果按前已述及的冬季的蒸发水量和取水量比夏季减少2／3的结论来推理，冬季取水量的谷值应为 2 680 m³／d。这样，我们就可以得到一条理想的取水量过程线。它的走势基本上也呈驼峰状，与干、湿球温度相似。
　　比较图1中的理想取水量和实际取水量过程线，显示出这一企业的取水量可节约29％，每年节约取水量的水费和药剂费可达200万元。
2.4 水文
　　我国水资源不仅在空间，而且还在时间上的分布都很不均匀。从降水的地域上来看，我国全年降水量的等值线基本上是从东南向西北逐渐减少的。
　　从降水的时间上来看，我国的夏季是降水量最多的季节。
　　也就是说，我国大部分地区水资源（包括地表水和地下水）的丰、枯也呈季节性的变化。它也近似驼峰状。因此，在水资源的合理调配中，夏季水资源相对充沛时，客观上对水的需求量又大，适当多用一点水，冬季则少用一些水坝u可解决枯水期水量不足的问题。
　　但事实上，即使在冬季水资源非常有限和取水困难的条件下，有的企业冬季的取水量和外排废水量并未减少，而有的企业的取水量，反而因采暖而有所增加。

3 五维水平衡的节水效益

　　综上所述，如果运用五维水平衡的节水模式，对于工业企业来说，其节水效益是很可观的。仅以钢铁工业为例，取水量和用水量至少可减少25％。若按1999年全国钢铁企业的用水计算，每年节水的经济效益可达18亿元（其取水、用水和外排废水排污费的平均单价分别按0.5、0.25和0.1元／m³计算，日后的单价肯定会大幅度上调）。而且吨钢的取水指标、用水指标和外排废水指标可分别降至对21.59m_３、144.21m_３和 14.97m³。
　　北方某钢铁企业用二个多亿，兴建了一座污水处理场。处理能力为21.6 x10m³/d，其中生活废水与生产废水的比例为1：9。其污水处理的运行成本为0.55元／m³（该企业的补充新水成本也仅为0.65元／m³）。目前，处理后的水回用的还不到45％，大部分水仍然还得排放到水体中去。显然，如果把投资用于企业的循环水改造，把吨钢取水指标压缩到11m³的话，进人这一污水处理场的全部生产废水就会消失，就只剩下 2.16 × 10m³／d的生活废水了。
　　可见我们在考虑兴建污水处理场（包括污水回用的内容在内）的时候，事先更应考虑如何全力以赴地卡住取水的“脖子”，千方百计地提高水的利用率。这也是五维水平衡的基本观念和核心。
　　五维水平衡的原理和技术，几乎也能适用于一切用水领域。就拿我国“十五”计划可能要上马的“南水北调”中线工程为例。其年均调水量为145亿m³，其中工业用水占36.3％，总投资为631.74亿元，全线平均投资为3.76－5.33元／m³，全线工业成本水价、微利水价和工业还贷水价分别为0.329元／m³；0.639元／m³和0.949元／m³。此外，以北京为例，调入70m³／s的水后，就会产生约 50 m³/s人的污水。因此，北京不仅要分担一部分工程投资外，还得兴建4～5个高碑店污水处理场及其配套工程（总投资近100亿元）。依此类推，如果中线工程开工之日，按用环保“三同时”的要求，还得花比主体工程本身还多的钱，来兴建污水处理场。考虑这一因素后，上述的三种水价肯定还得翻番。

4 结语

　　五维水平衡既源于传统的一维水平衡，又高于一维水平衡。它在进行水平衡时，不仅与水量，还要与水的温升、水质、气象和水文有机地联系起来，把节水的理论和技术升华到一个日臻完美的高度。如果把五维水平衡的五个方面的内容，综合运用起来，至少可以使我国工业的取水量和外排废水量减少30％。
　　五维水平衡的强大生命力在于它能适用于任何时候、任何地区，而且几乎可以不投入资金，只要全面规划，强化管理，精心运作，不断总结，就可以在节水上取得阶段性的成果，并获得极好的经济效益。

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作者简介：朱志文（1935－），男，教授级高工。电话：（010）63526688 －2635，电子信箱：zhuzhiwen＠ceris.net.on。