水系统全流程智慧管控平台在钢铁企业的应用研究

水系统全流程智慧管控平台在钢铁企业的应用研究

张博轩

中冶沈勘秦皇岛工程设计研究总院有限公司，河北 秦皇岛 066000

摘要：我国缺乏水资源，面临严重的水和环境污染问题。钢铁冶炼厂通常是能源和水密集型工业，取决于钢铁企业生产过程的特点，它们需要补充和消耗大量新的工业用水，同时生产大量不同种类的工业废水。为了满足国家对水资源保护和环境水治理的日益严格的要求，企业正在不断加强工业用水系统的业务管理创新，更新节水技术措施，提高企业用水效率，减少新的水资源。

关键词：水系统管控平台；钢铁企业；应用；

引言

现阶段，我国面临水资源严重短缺的问题，为了节约水资源，我国针对工业废水的实际处理要求也在逐渐提高。在这一背景下出现了零排放的理念，为工业废水的处理奠定良好的基础。作为钢铁企业就需要格外关注水系统的实际运行，搭配相应的优化处理措施，以满足钢铁企业的生产及发展需要。

1钢铁企业水系统现状

2020年全国用水量5812.9亿立方米(其中地表水资源量4792.3亿立方米,地下水资源量892.5亿立方米,其他水资源量128.1亿立方米),农业用水总量为3612.4亿立方米(占比62.1%),工业用水总量为1030.4亿立方米(占比17.7%),生活用水总量为863.1亿立方米(占比14.9%),人工生态环境用水总量为307亿立方米(占比5.3%)。钢铁行业的新水用量约42亿立方米,占工业用水总量的4%左右;工业废水排放量约占全国污水排放量的20%,钢铁行业的废水排放量占工业废水排放量的12%左右。钢铁行业的用水效率已处于国际先进水平,水重复利用率已达97%;“十三五”收官之年(2020年)取得吨钢耗新水2.53m3/t的优异成绩,较“十二五”收官之年(2015年)的吨钢耗新水3.53m3/t,下降28.3%。根据全国百余家重点钢铁企业上报钢协或调研获取的粗钢产量及新水取水量数据,吨钢耗新水下降趋势明显放缓。吨钢耗新水:钢铁企业在报告期内,按每吨粗钢合格产出量核算的钢铁工业生产中耗用新水量。工业能耗量占全国能量的65%左右,钢铁行业能耗量占工业能耗量的10%左右,其中钢铁行业水系统能耗占钢铁企业总能耗的8%~10%左右,循环及冷却系统能耗占水系统能耗的70%左右;循环及冷却系统能耗相比发达国家仍有一定差距,低于发达国家约8%左右。

2钢铁工业水系统工作任务

在上述背景下，对钢铁工业水系统具体来说，应实现多目标值的协同，主要包括：（1）非常规水源利用；（2）提高水资源重复利用率；（3）厂区雨污分流、雨水收集利用；（4）降低工序排水量；（5）排放环保达标；（6）提高废水的资源、能源利用水平；（7）环境风险受控；（8）水系统运行经济性；（9）水处理运行规模小；（10）减少外排水，直至废水近零排放；（11）外排水社会资源化利用。多目标值之间既有对立又有统一，在碳达峰、碳中和背景下，就是要求我们兼顾各个目标值，坚持源头防治、综合施策，切实转变理念方法，强化多污染物协同控制和区域协同治理。通过钢铁工业水系统优化，提高水资源利用率、废水资源化率，推动由末端治理向源头防治转变。

3水系统全流程智慧管控平台

3.1系统概述及功能架构

(1)外围设备层，用于向平台提供原料、焦化、烧结、会所、高炉、炉、电炉、热轧、厚板、高线、棒材、冷轧、发电、制氧、压力站(2)基础架构层，用于获取数据和响应基于边缘层的指令，以提供高度灵活、可扩展且经济实惠的虚拟化计算、存储和网络资源；(3)第3层-在基础架构级别存储和归档数据的统一平台，提供统一的数据和资源管理和服务；(4)控制应用层提供基于统一平台层数据分析和处理结果的控制功能。

3.2智慧监盘

将员工经验和机器智能相互交融、不断迭代增强。智慧监盘以多维度的“健康度”（安全性、经济性等）对水系统运行情况进行综合评价，以期望值（多参数关联预测模型）和当前值作对比，并考虑当前工况下关联参数的交互影响作用，得出当前及未来水系统的“健康度”，用于指导员工快速发现风险与隐患，起到监视危险点、提醒设备异常、监督操作工艺等作用。员工不用去盯着诸多参数，而只需关注指导意见，发现提示时层层递进，迅速找到原因，起到精准控制时间、监视危险点、提醒设备异常、降低启停能耗、监督操作工艺等作用，大幅降低操作运行的劳动强度。

3.3管网数字化

基于总图、管网及计量设施静态属性、供水管网实时计量数据、排水管网实时计量数量建立全厂水管网数字地图,实现水系统管控一张图。可对全厂水管网进行可视化展示,实时监视管网仪表点实时流量、压力信息,事件报警信息,并且点击地图右上角的事件选框,地图进行对应功能的联动展示,例如鼠标移至上水种,单选框选择工业新水,则地图上只显示工业新水水管信息。可对单根进出水管道进行基础信息查询,包括管道长度、管径、厚度等信息。对现场作业、设备告警等不同来源产生的事件进行集中管理,可以准确定位事件发生的地点,掌握事件处理的状态,同时还可以调取事件周边摄像头辅助远程指挥。应用GPS定位技术,在巡检车辆或人员将实时位置上传至主系统。经系统软件处理可判断出人员的区域位置,结合全厂三维地图展示实时位置、身份信息、联系方式、行动轨迹等,便于管理人员进行指挥调度。借助定位功能,当出现紧急情况时,管理人员可及时联络就近人员前去处理,极大地提高了生产运行的保障效率。

4钢铁企业水系统优化分析

4.1完善用水系统的优化

钢铁企业在生产过程中的各个工艺环节都需要使用到大量的水，但在不同的工艺环节中所需用水的水质与水量也有所不同，因此对用水系统的优化可以大幅减少对新水的使用同时提高水资源的使用效率。第一，增加对非常规水资源的开发，建设雨水收集系统，对收集的雨水经过简单的沉淀处理后即可作为如轧钢生产中浊环水系统、层流水系统等对用水水质要求较低的水系统的补充水。第二，强化生产过程中水的串级使用可全面提高用水效率，例如除尘系统的清扫用水对水质的要求较低，可以利用发电厂净环系统的废水作为清扫用水；对于轧钢中使用的冷却水，可选择水质较好的净环水系统产生的废水作为水质较差的浊环水系统的补水使用。

4.2加强水系统设备管理维护

(1)加强热交换和冷却设备的管理和维护。定期清洗冰箱所有热交换设备的碎石；定期检查冷却和热交换设备两侧的温度。当温差大于8℃时，立即安排在清洁设备冷却水一侧存放。(2)提高水泵维护质量，消除水泵接头和加注接头漏水；及时更换或拧紧加注材料，检查水泵密封滴水在规定范围内；在本站的室内或附近有问题的供水系统中回收超过水泵接头和加注接头标准的滴漏水。(3)公司系统泵站配备防腐蚀、抗冲击的自动充电机阀，实现自动充电机止水，防止水资源浪费。(4)在供电区维护冷却塔的一部分，以减少夏季降温效果不佳导致温度下降而浪费的新水。(5)在线修复水表，安装缺失、损坏仪器，实现准确测量和有效监测。

4.3精准调控开式循环冷却水系统的循环水量

钢铁企业中循环冷却水系统主要以开式循环冷却水系统为主，而开式循环冷却水系统中约有1.5%~2.5%左右的循环水以蒸发的形式损耗。在生产不同的规格的产品时，所需要的循环冷却水量是不同的，以某钢铁企业热轧带钢生产线为例，其生产1850mm带钢时浊环水系统的循环水量为13808m³/h,层流水系统的循环水量为13521m³/h; 生产1580mm带钢时浊环水系统的循环水量为9087m³/h,层流水系统的循环水量为10490m³/h; 生产950mm带钢时浊环水系统的循环水量为7251m³/h,层流水系统的循环水量为6602m³/h。可见在生产过程中，生产不同规格的产品时对于冷却水的用量差异很大，依托智慧管控平台对泵站中变频水泵的工作台数、泵组的总出水量、线上阀门的开度等实施实时调度，精准调控循环冷却水系统的循环水量与所生产不同规格产品的冷却水需求量相匹配，从而降低循环水的蒸发损失，实现对生产用水的精细化管理。

结束语

水系统全流程智慧管控平台可以解决钢铁企业用水管控粗糙、组织分散、数据孤岛、取水量超额、水质超标、单位产品/吨钢耗水量高、重复利用率低等问题,极大促进钢铁企业水系统向数字化、智能化、智慧化发展,为钢铁绿色低碳发展作出突出贡献,并节省运行成本、提高供水安全。水系统全流程智慧管控平台,不但可以应用于钢铁企业,还可以应用于其他工业领域,特别是占工业用水量45.62%的火核电行业,有极大的市场推广价值。

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