朱志文
（北京鋼鐵設(shè)計研究總院，北京100053）

　　摘要：通過對工業(yè)系統(tǒng)冷卻用水的分析，指出節(jié)水不僅要從用水量方面考慮，還要與水的溫升、水質(zhì)、氣象和水文有機(jī)地結(jié)合起來，從而提出了“五維水平衡”的概念。
　　關(guān)鍵詞：工業(yè)用水；節(jié)水；水平衡
　　中圖分類號：TU991.64
　　文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B
　　文章編號：1009－2455（200U0－0014－03

引言

　　根據(jù)水利部的“水資源公報”，1998年，我國取水總量已達(dá)544O億m³，其中農(nóng)業(yè)、工業(yè)和生活用水分別為 3770、1130和540億m³，比例各為69％。21％和10％。取水總量已接近可用水資源量的70％。
　　盡管我國工業(yè)的取水量僅占取水總量的21％，但它對國民經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展至關(guān)重要；而且我國工業(yè)外排廢水對水體的污染卻不容忽視。為了保持我國宏觀經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)和社會的可持續(xù)發(fā)展，實(shí)現(xiàn)水資源的合理配置，推動水環(huán)境走向良性循環(huán)，節(jié)水極為關(guān)鍵。因此，節(jié)約工業(yè)用水乃當(dāng)務(wù)之急。
　　在水資源匿乏和水體嚴(yán)重污染嚴(yán)峻的現(xiàn)實(shí)面前，工業(yè)的取水總量必須嚴(yán)格加以控制，力圖實(shí)現(xiàn)零增長，甚至是負(fù)增長，面對這一艱巨的任務(wù)，雖然傳統(tǒng)的節(jié)水模式能起一定的作用，卻難以挑起這副重?fù)?dān)。因此，工業(yè)的節(jié)水，必須突破傳統(tǒng)的模式，找到新的支點(diǎn)，從理論和實(shí)踐上加以發(fā)展和創(chuàng)新。

1 五維水平衡理論的提出

　　傳統(tǒng)的節(jié)水理論和技術(shù)基本上都是建立在水量這一維的基礎(chǔ)之上，盡管在設(shè)計中也時有涉及水的溫升和水質(zhì)，但是，往往未能充分發(fā)揮其潛能。因此，雖然它對我國的節(jié)水發(fā)揮了一定的作用，但是，由于困于一維的局限性，在節(jié)水的深度和廣度的開掘和拓展受到了很大的限制。這里首次提出的五維水平衡理論，就是以全新的視角，多層次、全方位來審視現(xiàn)行的節(jié)水理論和技術(shù)。

2 五維水平衡的原理

　　五維水平衡不是只局限在水量上做文章，而且還要把水的溫升、水質(zhì)、氣象和水文完整地、有機(jī)地聯(lián)系起來，把握梳理與節(jié)水有關(guān)的各個方面，進(jìn)行總體研究和綜合平衡。
　　在工業(yè)節(jié)水中，還包括了兩方面的內(nèi)涵，一是節(jié)約取水量（即新水）；一是節(jié)約用水量（即循環(huán)水）。兩者相互滲透，關(guān)系密切。而在兩者中，前者尤為重要。因?yàn)楣?jié)約取水量，就是少占用水資源，而且還同步減少了排人水體的工業(yè)廢水；而后者則僅涉及節(jié)約企業(yè)水處理設(shè)施的投資和運(yùn)行費(fèi)。
　　設(shè)取水量、用水量和重復(fù)利用率分別為Q_m、Q和R，這三者的關(guān)系如下式所示：
　　　　　　Q_m＝Q（100-R）％
　　在五維水平衡中，除了水量外，它與其它因素的關(guān)系分述如下。
2.1 水的溫升
　　對于循環(huán)水系統(tǒng)來說，水的溫升是一個關(guān)鍵因素。因?yàn)?，在工業(yè)用水中，循環(huán)冷卻水占2／3以上。其中，我國的電力、石油、化工和冶金的冷卻水占總量的 99％～85.4％。而這部分循環(huán)水是用來進(jìn)行熱交換、用以帶走熱量。
　　設(shè)帶走的熱量、水的溫升和水量分別為Qr、Δt和Q，這三者的關(guān)系如下式所示：
　　Qr＝Q△_t
　　顯然，合理地提高水的溫升，就可以相應(yīng)減少水量。。
　　我國某企業(yè)一用戶，其冷卻水量為 14.4 × 10⁴m³/d，設(shè)計的給水和回水水溫分別為 33 T和 41t，水的溫升為ST；而實(shí)際上多年夏季運(yùn)行的平均絢水和回水水溫，分別僅為 31.4 ℃和 34.7℃，水的溫升只有3.3℃。如果按設(shè)計的溫升進(jìn)行控制，其用水量就可以減少 58.8％。按全國同類用戶目前的用水量來推算，不少企業(yè)水的溫升僅為1℃左右。個中潛力可見一斑。
2.2 水質(zhì)
　　在循環(huán)水運(yùn)行過程中，水中的 Ca²⁺、Mg²⁺、Fe²⁺、Fe³⁺、MnFe²⁺、AI³⁺”等等，其中主要是Ca²⁺和Mg²⁺將同重碳酸根等起作用，生成碳酸鈣、氫氧化鎂等難溶化合物，沉積在熱交換裝備的壁面上形成水垢。
　　Ca²⁺、Mg²⁺的碳酸鹽在水中的溶解度隨著水溫的升高而降低，鈣的碳酸鹽尤為明顯。當(dāng)在循環(huán)水系統(tǒng)中投加水質(zhì)穩(wěn)定劑后，就可以保證循環(huán)水既不結(jié)垢也不腐蝕。在這一前提下，就可以適當(dāng)提高水的溫升。水的溫升提高了，也就可以減少水量。
2.3 氣象條件
　　在五維水平衡的諸因素中，氣象（主要是干球溫度和濕球溫度）是核心。因?yàn)檠h(huán)水經(jīng)過熱交換之后，必須經(jīng)過冷卻裝置冷卻后方可循環(huán)使用。而循環(huán)水在冷卻過程中，水的蒸發(fā)損失及補(bǔ)充新水的多少，與氣溫（包括干、濕球溫度）關(guān)系極為密切。
　　通常每一地區(qū)一年內(nèi)的氣溫都不同。而設(shè)計所選用的冷卻塔設(shè)計參數(shù)總是按照最不利的情況設(shè)定的，即按照夏季（或最熱月）的干、濕球溫度及其保證率來確定的。但是一年之內(nèi)的干、濕球溫度除夏季域最熱月）外，特別是冬季相對較低。尤其在東北。西北和華北地區(qū)尤為明顯。此時，循環(huán)冷卻水往往可以不經(jīng)過冷卻塔冷卻（或者循環(huán)冷卻水雖然進(jìn)人冷卻塔，但是冷卻塔的風(fēng)機(jī)不運(yùn)行），就可以滿足工藝所需的給水水溫的要求。
　　循環(huán)水在冷卻過程中，夏季蒸發(fā)散熱占總散熱量的90％以上；冬季，接觸散熱的比重增加到50％，而嚴(yán)寒天氣甚至可增加到 70％，也就是說，冬季的蒸發(fā)散熱僅相當(dāng)于夏季的 55.6％－30％。因此，利用這一自然規(guī)律，我們就可以把取水量降下來。
　　水量為Q_m、蒸發(fā)水量為Q_c和循環(huán)水的濃縮倍數(shù)為N，三者的關(guān)系如下式所示：
　　Q_m＝Q_cN／（N-I）
　　從上式中可知，取水量與蒸發(fā)水量成正比；而濃縮倍數(shù)越高，則取水量就越小。而循環(huán)水的濃縮倍數(shù)，一般都是在設(shè)計中通過技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較確定的。因此，對于某一具體的循環(huán)水系統(tǒng)來說，完全可以把濃縮倍數(shù)當(dāng)作常數(shù)。由于循環(huán)水在冷卻的過程中，冬季的蒸發(fā)散熱還不到夏季的 1／3。也就是說，冬季的蒸發(fā)水量和取水量都比夏季減少了2／3以上。
　　同理，在春季和秋季，循環(huán)水的蒸發(fā)水量介于夏季和冬季之間，因此，其取水量也介于夏季和冬季之間。
　　其實(shí)，對于工業(yè)企業(yè)來說，設(shè)計所選用的干、濕球溫度，一般都是按保證率為90％（個別行業(yè)的保證率為95％）的多年夏季平均數(shù)取值。可見，即使是在整個夏季，其取水量也只是在一小部分時段內(nèi)無潛可挖，而在其它時段內(nèi)仍有一定的潛力。
　　某企業(yè)一用戶，其1995－1999年逐日的給水水溫、回水水溫和補(bǔ)充新水量與當(dāng)?shù)刂鹑盏母伞袂驕囟鹊倪^程線見圖1。

　　從圖1可以看出，干、濕球溫度全年的走勢呈駝峰狀，其駝峰出現(xiàn)在7、8月；而給水水溫、回水水溫和取水量的走勢雖有變化，但變化的幅度非常小，其中給水水溫和回水水溫的變化不大的原因，是為了貫徹經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的節(jié)能管理目標(biāo)，只要水溫能滿足工藝生產(chǎn)之需時，循環(huán)冷卻水雖然上冷卻塔，但是冷卻塔的風(fēng)機(jī)停止運(yùn)行）；而取水量變化不大的原因是這一循環(huán)系統(tǒng)過多的排污，致使其濃縮倍數(shù)不到1.2。這是由于該循環(huán)水系統(tǒng)采用了并不經(jīng)濟(jì)合理的串級補(bǔ)水（由于后一級所需的補(bǔ)水量與前一級的排污量不適應(yīng)造成的，導(dǎo)致前一級的排污量過大）。合理的串級補(bǔ)水，應(yīng)該是根據(jù)各循環(huán)水系統(tǒng)的最佳濃縮倍數(shù)，來確定各循環(huán)水系統(tǒng)的排污量，其排污量作為下一級的補(bǔ)充水，而下一級的補(bǔ)充水的不足部分則應(yīng)由新水補(bǔ)充。
　　從圖 1可以看出，取水量的峰值約為8 040m³／d。如果按前已述及的冬季的蒸發(fā)水量和取水量比夏季減少2／3的結(jié)論來推理，冬季取水量的谷值應(yīng)為 2 680 m³／d。這樣，我們就可以得到一條理想的取水量過程線。它的走勢基本上也呈駝峰狀，與干、濕球溫度相似。
　　比較圖1中的理想取水量和實(shí)際取水量過程線，顯示出這一企業(yè)的取水量可節(jié)約29％，每年節(jié)約取水量的水費(fèi)和藥劑費(fèi)可達(dá)200萬元。
2.4 水文
　　我國水資源不僅在空間，而且還在時間上的分布都很不均勻。從降水的地域上來看，我國全年降水量的等值線基本上是從東南向西北逐漸減少的。
　　從降水的時間上來看，我國的夏季是降水量最多的季節(jié)。
　　也就是說，我國大部分地區(qū)水資源（包括地表水和地下水）的豐、枯也呈季節(jié)性的變化。它也近似駝峰狀。因此，在水資源的合理調(diào)配中，夏季水資源相對充沛時，客觀上對水的需求量又大，適當(dāng)多用一點(diǎn)水，冬季則少用一些水壩u可解決枯水期水量不足的問題。
　　但事實(shí)上，即使在冬季水資源非常有限和取水困難的條件下，有的企業(yè)冬季的取水量和外排廢水量并未減少，而有的企業(yè)的取水量，反而因采暖而有所增加。

3 五維水平衡的節(jié)水效益

　　綜上所述，如果運(yùn)用五維水平衡的節(jié)水模式，對于工業(yè)企業(yè)來說，其節(jié)水效益是很可觀的。僅以鋼鐵工業(yè)為例，取水量和用水量至少可減少25％。若按1999年全國鋼鐵企業(yè)的用水計算，每年節(jié)水的經(jīng)濟(jì)效益可達(dá)18億元（其取水、用水和外排廢水排污費(fèi)的平均單價分別按0.5、0.25和0.1元／m³計算，日后的單價肯定會大幅度上調(diào)）。而且噸鋼的取水指標(biāo)、用水指標(biāo)和外排廢水指標(biāo)可分別降至對21.59m_３、144.21m_３和 14.97m³。
　　北方某鋼鐵企業(yè)用二個多億，興建了一座污水處理場。處理能力為21.6 x10m³/d，其中生活廢水與生產(chǎn)廢水的比例為1：9。其污水處理的運(yùn)行成本為0.55元／m³（該企業(yè)的補(bǔ)充新水成本也僅為0.65元／m³）。目前，處理后的水回用的還不到45％，大部分水仍然還得排放到水體中去。顯然，如果把投資用于企業(yè)的循環(huán)水改造，把噸鋼取水指標(biāo)壓縮到11m³的話，進(jìn)人這一污水處理場的全部生產(chǎn)廢水就會消失，就只剩下 2.16 × 10m³／d的生活廢水了。
　　可見我們在考慮興建污水處理場（包括污水回用的內(nèi)容在內(nèi)）的時候，事先更應(yīng)考慮如何全力以赴地卡住取水的“脖子”，千方百計地提高水的利用率。這也是五維水平衡的基本觀念和核心。
　　五維水平衡的原理和技術(shù)，幾乎也能適用于一切用水領(lǐng)域。就拿我國“十五”計劃可能要上馬的“南水北調(diào)”中線工程為例。其年均調(diào)水量為145億m³，其中工業(yè)用水占36.3％，總投資為631.74億元，全線平均投資為3.76－5.33元／m³，全線工業(yè)成本水價、微利水價和工業(yè)還貸水價分別為0.329元／m³；0.639元／m³和0.949元／m³。此外，以北京為例，調(diào)入70m³／s的水后，就會產(chǎn)生約 50 m³/s人的污水。因此，北京不僅要分擔(dān)一部分工程投資外，還得興建4～5個高碑店污水處理場及其配套工程（總投資近100億元）。依此類推，如果中線工程開工之日，按用環(huán)?！叭瑫r”的要求，還得花比主體工程本身還多的錢，來興建污水處理場?？紤]這一因素后，上述的三種水價肯定還得翻番。

4 結(jié)語

　　五維水平衡既源于傳統(tǒng)的一維水平衡，又高于一維水平衡。它在進(jìn)行水平衡時，不僅與水量，還要與水的溫升、水質(zhì)、氣象和水文有機(jī)地聯(lián)系起來，把節(jié)水的理論和技術(shù)升華到一個日臻完美的高度。如果把五維水平衡的五個方面的內(nèi)容，綜合運(yùn)用起來，至少可以使我國工業(yè)的取水量和外排廢水量減少30％。
　　五維水平衡的強(qiáng)大生命力在于它能適用于任何時候、任何地區(qū)，而且?guī)缀蹩梢圆煌度胭Y金，只要全面規(guī)劃，強(qiáng)化管理，精心運(yùn)作，不斷總結(jié)，就可以在節(jié)水上取得階段性的成果，并獲得極好的經(jīng)濟(jì)效益。

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作者簡介：朱志文（1935－），男，教授級高工。電話：（010）63526688 －2635，電子信箱：zhuzhiwen＠ceris.net.on。