本文研究得到的结论如下：(1) 通过对目标电厂全厂用水网络调研，在水平衡试验基础上，对电厂各用水和排水单元的用水全流程进行诊断分析，通过改进多项不合理用水、排水措施，将取水量由原来的 235 m3/h 降到 202 m3/h，并绘制整体用水优化方案得到改进后的全厂水平衡图。 (2) 对目标电厂进行全厂水网络深度优化，利用水夹点法分析具有节水潜力的用水过程，得出最小取水量为 182 m3/h，相比水平衡优化后节水 20 m3/h；再结合数学规划法，建立以最小连接点数为目标函数的数学模型并求解，得到考虑设置零排放工艺情况下的用水网络图，新鲜水取水量降低至 157 m3/h，整个用水网络达到零排放。
第 1 章 绪论
1.1 课题背景及研究意义
1.1.1 课题研究背景
水资源短缺是我国面临的难题，节约现有水资源、充分利用水资源和治理水环境污染是关系到我国能否保持可持续发展的关键。中国人口占全球约 1/5，淡水资源仅占全球总量的 1/10，人均占有量只有 2200 m3，约为全球平均可利用水量的 1/4，剔除边远地区无法利用的洪水地表径流及淡水资源后，我国实际的人均可利用淡水资源约 900 m3，是世界范围内 13 个贫水国之一[1]。
我国水资源分布也极不均衡。我国北方地区水资源总量仅占全国总量的 19.84 %，而北方人口数占全国总人口的 41.7%；我国南方地区水资源总量占全国总量的 80.16 %，人口数占全国的 58.3%。可见北方地区人多水少，南方地区比较而言水多人少[2]。由于我国人口总量处于上升期，未来人均水资源量将继续减少，但经济发展对水的需求将继续增长，燃煤发电企业面临着巨大的节水减排压力。
此外，我国的能源分布同样严重不均衡。我国能源地理分布是北煤、南水和东、西油、气，富煤、缺油、少气是我国一次化石能源的主要特点，由于油气资源量相对较少，无法满足经济发展需要，短期内难以从根本上改变以煤炭为主体的能源结构。而中国煤炭资源主要分布于北方地区及云贵川三省，煤炭分布地区与消费地区高度不匹配[3]。
我国煤炭消费自 2002 年以来始终保持在能源消费总量的 68%~72%，燃煤发电企业将长期是煤炭消费的主体[4]。随着我国发电装机结构持续优化，火电装机量逐步提升，虽新增装机连续四年下降，水电、核电及光伏发电等装机占比逐年提升，但目前来说，火电燃煤机组仍占主导地位，发电量占全国总量的 70%。对于富煤缺水的部分地区来说，水资源缺乏、因污染导致的功能性缺水和用水效率不高往往成为制约电力企业发展的重要因素。
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1.2 燃煤电厂节水减排研究及应用现状
随着国家对电力企业用水及排水的限制力度日渐增大，水平衡试验已成为电厂定期试验项目，在水平衡基础上，水系统集成优化节水改造项目在国内得到了进步一推广。与此同时，由于国家的环保要求日趋严格，电力企业的末端废水处理问题面临政策压力影响。
1.2.1 电力企业水平衡现状
水平衡试验是将整个电厂当做一个用水体系，通过水量测定分析并得出各系统水量分配、消耗及排放之间的平衡关系，计算和比较用水管理指标，并在此基础上制定整体用水优化方案。我国水平衡试验工作始于 20 世纪 80 年代[9]。进入 21 世纪，随着对电力企业用水和排水的限制力度逐渐增大，燃煤电厂废水外排受到严格监管，水平衡试验逐渐成为燃煤电厂的定期测试项目。
姚琳等[10]在对某燃煤电厂 4×600 MW 机组的水平衡试验中，通过绘制得出水平衡图，经比较计算各用水系统水量，得出节水建议，通过维护管网漏损、对各个系统排水进行分类收集处理，理论上可节水约 40%。张丽艳等[11]通过选取合适的节水考核指标, 对我国火电行业用水效率进行分析, 提出了财政补贴、规范水价机制、鼓励直流冷却改循环冷却型机组和充分利用中水回用技术等火电行业 4 大节水对策。唐勇等[12]针对目标燃煤电厂各个用水系统数据进行归纳，通过建立相应数学模型，开发了燃煤电厂的水量平衡软件，水系统数据以阶梯利用为原则通过运算中心处理，可短时间内自动生成动态水平衡图，为燃煤电厂节水减排提供了可靠的保障。田营等[13]开发了一套某电厂水平衡在线监测及用水指导系统，构建的指导系统是基于对电厂各用水系统进行块化管理，结合全厂 DCS 数据进行建模分析，可实时反应各模块水量分配现状，并监测水池水位进行及时预警，提升了该电厂的水务管理水平。
图 1-1 技术路线图
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第 2 章 目标电厂水平衡优化
2.1 电厂基本概况
首先根据对目标电厂（Q 电厂）提供的水务资料进行了收集和调研：包括电厂机组概况、各系统取水及排水情况、已采取的节水措施等。在此基础上制定了详细的全厂水网络优化方案、并对水系统进行了划分。通过 Q 电厂 2×630 MW 机组水平衡测试，摸清各系统水量平衡关系，对用水流程进行优化。
Q 电厂一期建设规模为 2×630 MW 超临界凝汽式燃煤机组，设有超临界参数变压运行直流炉、海水直流冷却、气力干除灰、电除尘、湿法捞渣、石灰石-石膏湿法脱硫系统。该电厂水源为水库地表水。
2.1.1 供水系统
Q 电厂 2×630 MW 机组设计水源有两种，分别为生产用水淡水水源与海水水源。 淡水水源为水库地表水。水库地表水主要用于：生活消防用水系统及厂区绿化、除盐水制备及使用系统、化学酸碱再生、脱硫系统、工业循环冷却水系统等。
海水通过直流冷却的方式，主要用于凝汽器、水环真空泵、闭式水板式换热器等冷却水，直接排放至大海。 在水平衡试验期间，电厂生产用水水源为水库地表水。
2.1.2 排水系统
Q 电厂 2×630 MW 机组排水系统包括生活污水、工业废水、含煤废水及溢流排水，经过集中处理后的废水通过雨水管网收集排放至大海。
在水平衡试验期间，Q 电厂外排水包括处理后的脱硫废水、复用水池溢流水、重力滤池反洗水等，各类废水处理后经过雨水调节池后排至大海。
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2.2 水平衡试验内容
以 Q 电厂现有的水系统划分为依据，确定详细水平衡试验方案。将全厂水系统按用途和工艺流程主要分为为供水系统、公用水系统、除盐水制备及使用系统、工业循环冷却水系统、脱硫系统、生活-绿化-消防用水系统、废水处理及回用系统、输煤系统等。
水平衡试验期间，Q 电厂 2×630 MW 机组发电总负荷为 1030 MW，是设计总负荷的81.7%，满足水平衡试验导则的要求。
本次水平衡试验流量测定主要以直接校验流量表记录和超声波流量计测定为主，其他几种方法为辅。部分流量数据无法直接测量，可通过测定相邻系统的流量，计算出所需要的流量；选用容积法或测定瞬时流量，再折算成每小时平均用水量；根据水池液位下降高度计算来估算流量。
表 2-1 全厂主要用水点监测结果
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第 3 章 水网络深度优化 ..................................... 26
3.1 现有水网络优化分析 .................................. 26
3.2 水系统集成计算分析 ........................... 27
第 4 章 电厂水网络优化算法的模拟 .............................. 36
4.1 Pandas 数据读写 ................................. 36
4.2 程序运行及计算过程 ............................ 36
第 5 章 末端废水回用工艺方案 ............................................ 41
5.1 末端废水水质及水量分析 .......................... 41
5.2 末端废水预处理方案 .................................. 41
第 5 章 末端废水回用工艺方案
5.1 末端废水水质及水量分析
针对 Q 电厂没有设置末端废水处理工艺现状（现该电厂经过初步处理后排放至雨水管网进入海洋中），对于电厂较难处置的废水：
(1) 化学除盐系统、精处理系统再生过程回收的高含盐废水，水量约为 6 m3/h；
(2) 经过处理后的脱硫废水，水量约为 6 m3/h。
此类废水就是末端废水，其具有含盐量高、重金属含量高、氯离子含量高、处理难度大、不宜重复利用等特点。目前该电厂将干灰渣外卖，因废水量较大，存在灰、渣、煤系统消耗不了等情况。对于这种情况电厂可设置末端废水处理工艺。
以 Q 电厂末端废水为研究对象，根据前面章节的深度节水得出的末端废水的水量为依据，考虑到末端废水的水质情况，同时对现有废水处理设施和排放情况进行分析，参考其他燃煤电厂末端废水处理设计方案及相关规范，总结末端废水处理的工艺路线[61-71]。Q 电厂末端废水水量为 12 m3/h，将化学酸碱再生废水与脱硫废水合并处理，并且考虑到该电厂二期机组正在建设中，设计废水处理量为 20 m3/h，水质见表 5-1。 目前国内外主流的末端废水处理工艺主要包含 3 个阶段：末端废水预处理单元，浓缩减量段，末端固化单元。
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结论
本文以某国有燃煤电厂为研究对象，通过对目标电厂全厂用水网络调研，针对用水现状制订全厂整体优化方案，更新得到优化后的水平衡图；并对目标电厂进行全厂水网络深度优化，确定以水夹点-数学规划法作为节水减排优化方法，达到深度节水的目标；结合Python 编写计算程序，通过 Pandas 库处理输入到 Excel 中的用水数据，达到简化计算过程的目的；根据水网络优化的结果为基础，分别从预处理单元、浓缩减量段及末端固化单元进行末端废水回用工艺比选，得出推荐的末端废水处理工艺方案，可使全厂废水达到零排放。本文研究得到的结论如下：
(1) 通过对目标电厂全厂用水网络调研，在水平衡试验基础上，对电厂各用水和排水单元的用水全流程进行诊断分析，通过改进多项不合理用水、排水措施，将取水量由原来的 235 m3/h 降到 202 m3/h，并绘制整体用水优化方案得到改进后的全厂水平衡图。
(2) 对目标电厂进行全厂水网络深度优化，利用水夹点法分析具有节水潜力的用水过程，得出最小取水量为 182 m3/h，相比水平衡优化后节水 20 m3/h；再结合数学规划法，建立以最小连接点数为目标函数的数学模型并求解，得到考虑设置零排放工艺情况下的用水网络图，新鲜水取水量降低至 157 m3/h，整个用水网络达到零排放。
(3) 结合 Python 和 Excel，编写了计算目标电厂用水数据的算法程序，通过 Pandas 库处理输入到 Excel 中的用水数据，以水夹点法计算过程为依据，得到最小取水量 182.4 m3/h及对应的质量负荷等数据，与手工计算相符，解决了由于电厂水质、水量不稳定造成计算繁琐的问题。
(4) 以目标电厂末端废水为研究对象，根据深度节水得出的末端废水水质和水量为依据，从目前主流末端废水处理工艺流程的 3 个阶段：末端废水预处理单元、浓缩减量段及固化单元，分别选择并设计方案进行比选。
参考文献（略）