劉丹丹，解建倉，朱 琪，黃泳華，顧佳衛(wèi)

（西安理工大學(xué)水利水電學(xué)院，陜西 西安 710048）

近年來，聯(lián)合工業(yè)企業(yè)的繁榮為社會積累豐富物質(zhì)資料的同時(shí)也加劇了用水短缺的矛盾，工業(yè)用水效率和管理水平的提高對工業(yè)節(jié)水來講是巨大的飛躍。相關(guān)研究主要包括模擬工業(yè)供水系統(tǒng)建立多目標(biāo)模型優(yōu)化用水過程，開發(fā)水平衡測試軟件和廢水回收系統(tǒng)，建立用水成本的數(shù)學(xué)模型等[1]1。對于鋼鐵工業(yè)而言，節(jié)水技術(shù)的核心是提高水的利用效率，主要措施包括積極推廣應(yīng)用水少或不用水的工藝技術(shù)裝備，多元化取水，強(qiáng)化串級用水，進(jìn)行水的閉路循環(huán)利用，建立企業(yè)多水種的循環(huán)系統(tǒng)，加強(qiáng)對蒸汽系統(tǒng)冷凝水回收的工作力度[2]。存在的問題是重視節(jié)水技術(shù)卻忽略了過程化管理，而細(xì)化用水過程則是過程化管理的前提。

隨著強(qiáng)監(jiān)管政策的進(jìn)一步落實(shí)，對鋼鐵工業(yè)用水過程的清晰表達(dá)提出了更高的要求。復(fù)雜用水過程的描述和理解給企業(yè)決策者對優(yōu)化問題的認(rèn)識帶來一定難度，不同企業(yè)的工業(yè)用水過程也由于用水流程的差異及地理位置等因素的不同，而不盡相同[1]1。那么，如何做好強(qiáng)監(jiān)管理念下的監(jiān)督管理，給研究者提出了更高的要求，首先，要清晰描述用水過程，給管理者提供一種可視可信的方式可以監(jiān)管到每個(gè)企業(yè)內(nèi)部具體用水過程，然后基于用水過程展開評價(jià)，尋找節(jié)水優(yōu)化落腳點(diǎn)。

為描述清楚復(fù)雜的鋼鐵工業(yè)用水過程，基于綜合集成平臺提出將過程可視化描述，將繁復(fù)的數(shù)據(jù)或用水過程轉(zhuǎn)變?yōu)楹唵巍⒁锥目梢暬畔ⅲ偻ㄟ^鋼鐵工業(yè)中的焦化用水過程展現(xiàn)，采用過程化的思路查看用水情況，依據(jù)考核指標(biāo)判斷工業(yè)用水節(jié)水情況，尋找可以優(yōu)化的工藝過程，解決企業(yè)用水管理中的問題。

1 鋼鐵工業(yè)用水過程概述

1.1 工業(yè)用水現(xiàn)狀

工業(yè)用水一般是指工、礦企業(yè)在生產(chǎn)過程中，用于制造、加工、冷卻、空調(diào)、凈化、洗滌等方面的用水，主要特點(diǎn)是用水量增長快，利用率低，廢水排放量大等。雖然工業(yè)用水量上升趨勢不大，但用水量基數(shù)大，就代表性的評價(jià)指標(biāo)（即重復(fù)利用率、工業(yè)萬元產(chǎn)值取水量）而言，工業(yè)用水重復(fù)利用率上升趨勢明顯，工業(yè)萬元增加值用水量逐年降低，但二者和國外先進(jìn)水平相比還存在較大差距。由此可見，我國工業(yè)節(jié)水水平還有待提升。

1.2 鋼鐵工業(yè)用水過程概述

鋼鐵工業(yè)在生產(chǎn)過程中因產(chǎn)出不同對水量水質(zhì)的要求也不同，各個(gè)環(huán)節(jié)消耗和產(chǎn)生的水量也存在很大差別，但都包含多個(gè)緊密聯(lián)系的用水過程，在生產(chǎn)中屬于耗水和排水大戶。

鋼鐵工業(yè)主要生產(chǎn)工藝包括焦化、燒結(jié)、煉鐵、煉鋼、連鑄、軋鋼等工藝[3]。其中焦化生產(chǎn)主要是用煤煉制合格的焦炭，同時(shí)回收煤氣和化工產(chǎn)品；燒結(jié)生產(chǎn)是將鐵礦粉、燃料、熔劑、氧化鐵皮等按一定比例配料，混勻，在燒結(jié)機(jī)上點(diǎn)火燃燒結(jié)成塊狀燒結(jié)礦，并除去有害雜質(zhì)；煉鐵生產(chǎn)是將鐵礦石還原成生鐵；煉鋼生產(chǎn)是對鐵水的成分和溫度進(jìn)行進(jìn)一步調(diào)整，使加工后的鋼水符合鋼材性能及后續(xù)工序的要求；連鑄工藝是將合格鋼水凝固成具有一定形狀和尺寸的合格連鑄坯，然后送軋制工藝將鋼坯加工成鋼材成品。鋼鐵工業(yè)生產(chǎn)工藝中的用水過程如圖1 所示。

在整個(gè)鋼鐵生產(chǎn)過程中，各個(gè)工藝之間的排污水可以串級利用。用水系統(tǒng)在用水過程中對需要補(bǔ)充的水的水質(zhì)要求不同，有的要求補(bǔ)充工業(yè)新水，有的可以補(bǔ)充低水質(zhì)水，有的對補(bǔ)充水的水質(zhì)基本沒有要求。

1.3 焦化工藝用水過程概述

鋼鐵工業(yè)生產(chǎn)過程包含多個(gè)工藝流程，每個(gè)工藝流程依據(jù)生產(chǎn)特點(diǎn)有特定的用水過程，其中，焦化生產(chǎn)不僅是鋼鐵工業(yè)重要的一環(huán)，也在其他工業(yè)行業(yè)占據(jù)重要組成部分；此外，與其他工藝用水過程相比，焦化生產(chǎn)給水類型眾多，而如何經(jīng)濟(jì)有效地處理焦化廢水也是挖掘工業(yè)節(jié)水潛力的落腳點(diǎn)，因此本研究以焦化工藝為例介紹具體用水過程中的供排情況，具有一定的代表性。焦化工藝的用水主要有煉焦和焦處理、煤氣凈化、化工產(chǎn)品回收和精制等過程的用水，主要用水過程如圖2 所示。

圖1 鋼鐵工業(yè)用水過程

圖2 焦化工藝用水過程

1）煤焦系統(tǒng)用水分析。焦化廠的煤焦系統(tǒng)有備煤、煉焦和焦處理 3 個(gè)過程，包括以下 4 類用水：

a. 焦?fàn)t本體用水。焦?fàn)t本體用水主要有煤氣上升管、生產(chǎn)技術(shù)和循環(huán)氨水事故等的用水，對水質(zhì)要求低。

b. 熄焦用水。熄焦用水是針對濕法熄焦而言的，一般多采用封閉循環(huán)供水，對水質(zhì)要求很低，可用其他系統(tǒng)的排水，而且熄焦排水可循環(huán)使用。

c. 除塵用水。焦化生產(chǎn)中的除塵用水都在煤焦系統(tǒng)內(nèi)，有干式和濕式 2 種除塵方法，2 種方法都可采用的地方主要有普通焦?fàn)t裝煤和干熄焦槽加料除塵。

d. 設(shè)備冷卻用水。設(shè)備冷卻用水主要集中在備煤、干熄焦和干式除塵等系統(tǒng)。

2）煤氣凈化系統(tǒng)用水分析。煤氣凈化過程中的工藝用水主要是工藝介質(zhì)的冷卻和冷凝分縮用水，根據(jù)被冷卻介質(zhì)的要求，冷卻水多為凈循環(huán)冷卻水和低溫水（循環(huán)制冷水和地下水）。

3）化工產(chǎn)品回收和精制系統(tǒng)用水分析?；ぎa(chǎn)品回收和精制過程中的用水分為工藝介質(zhì)冷卻和過程的用水?；ぎa(chǎn)品回收和精制過程產(chǎn)生一定量的焦化廢水，廢水中含有大量有害和富營養(yǎng)化的物質(zhì)，須先經(jīng)生產(chǎn)工藝過程綜合處理，然后送生化處理。

2 鋼鐵工業(yè)用水可視化描述

2.1 可視化實(shí)現(xiàn)技術(shù)

基于鋼鐵工業(yè)用水流程，分析管線的連接方式和特點(diǎn)，通過綜合集成平臺[4]將鋼鐵工業(yè)用水工藝過程圖形化，用戶在用水過程環(huán)境中，可以直觀可視地查看用水過程每個(gè)環(huán)節(jié)點(diǎn)的取、用、回用、排和用水平衡等水量的分析情況，最終進(jìn)行用水節(jié)水評價(jià)。

主要通過知識圖、組件、Web Service、數(shù)據(jù)庫等技術(shù)及 SOA 體系，分別建立知識圖庫、組件庫、數(shù)據(jù)庫，然后運(yùn)用數(shù)據(jù)資源整合及集成技術(shù)實(shí)現(xiàn)鋼鐵工業(yè)用水可視化管理，建立一個(gè)可視化的用水過程的環(huán)境，實(shí)現(xiàn)節(jié)水主題化，計(jì)算方法、模型組件化，用水過程圖形化。

2.2 鋼鐵工業(yè)用水過程描述

1）可視化工藝圖中元素概化。鋼鐵工業(yè)節(jié)水可視化流程圖包含以下 2 種元素：

a. 點(diǎn)狀元素。點(diǎn)狀元素指流程圖中的結(jié)點(diǎn)，主要分為 2 類，一類是工業(yè)節(jié)水流程中的實(shí)體設(shè)備，如水焦?fàn)t裝置、閥門等，將其形狀概化，并添加至流程相應(yīng)位置；另一類是在工業(yè)節(jié)水流程中產(chǎn)生水量變化的過程，將其在工業(yè)節(jié)水流程圖中概化為計(jì)算節(jié)點(diǎn)。

b. 線狀元素。線狀元素指流程圖中的線段，是工業(yè)節(jié)水流程圖中的水流向和水量相關(guān)關(guān)系的節(jié)點(diǎn)間有向線段，反映流程中設(shè)備之間的水量流通關(guān)系。

2）可視化工藝圖流程描述。對鋼鐵工業(yè)節(jié)水的流程描述主要基于圖中的點(diǎn)狀與線狀元素之間的關(guān)系。點(diǎn)狀元素表示工藝流程中各個(gè)設(shè)備或者水量的變化結(jié)點(diǎn)，線狀元素表示輸水管道等水量輸送路線，用線狀元素將點(diǎn)狀元素串聯(lián)起來，使得整個(gè)工藝流程直觀可視。

2.3 鋼鐵工業(yè)用水過程可視化實(shí)現(xiàn)

通過對某鋼鐵企業(yè)的生產(chǎn)工藝進(jìn)行分析，確定該企業(yè)主要生產(chǎn)工藝有水廠水處理、煉焦、焦化余熱發(fā)電、燒結(jié)、制氧等工藝[1]1。在分析給、用、排水過程的基礎(chǔ)上以知識圖嵌套的方式可以描述用水過程。以用水工藝過程為主題驅(qū)動(dòng)的節(jié)水管理，將各個(gè)用水工藝過程分別描述，對工藝用水過程的每個(gè)環(huán)節(jié)點(diǎn)分別進(jìn)行用水平衡水量的分析，得出各個(gè)環(huán)節(jié)的取、用、回用、排水量，分析過程中的重復(fù)利用效率[5]。具體的搭建過程以焦化工藝為例進(jìn)行詳細(xì)介紹，通過可視化描述，然后添加基礎(chǔ)組件，實(shí)現(xiàn)基本查詢功能。

根據(jù)需求定制好服務(wù)組件后，基于綜合集成平臺搭建用水管理系統(tǒng)，用來反映鋼鐵企業(yè)用水過程，主界面中包括各工藝之間的順序及輸水管道的情況，如圖3 所示。其中不同顏色的線路代表著不同的水管，以箭頭指示管道內(nèi)取、用、補(bǔ)、排水的流程走向。并在線路中鏈接了節(jié)點(diǎn)組件，點(diǎn)擊焦化工藝“用水管”“排水管”“回用水管”“二次回用水管”等節(jié)點(diǎn)，可查看焦化工藝整體用水結(jié)果，使得可視化效果更為直觀。

圖3 鋼鐵企業(yè)節(jié)水技術(shù)及高效用水管理系統(tǒng)主界面

在調(diào)控平臺上訂制以用水工藝為主題的知識圖，在平臺上展示各個(gè)組件的運(yùn)行情況，實(shí)現(xiàn)對鋼鐵企業(yè)各用水工藝過程的可視化描述。焦化工藝用水管理中以用水工藝過程為主題的工藝用水管理系統(tǒng)的主界面如圖4 所示，圖中矩形框代表著鋼鐵企業(yè)每一項(xiàng)取用水工藝環(huán)節(jié)，將其封裝成組件添加到相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)。在不同水管線路中添加節(jié)點(diǎn)組件，量化取用排水，由水量平衡分析，計(jì)算得到各工藝環(huán)節(jié)的損耗水量。其中不同顏色的線路代表著不同的水管，以箭頭指示管道內(nèi)取用水的流程走向。

圖4 焦化工藝用水管理

選擇時(shí)間，點(diǎn)擊相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)，可以查看相應(yīng)的工藝用水情況，如選擇時(shí)間 2016-04，點(diǎn)擊洗精煤的“用水管”“排水管”“回用水管”等節(jié)點(diǎn)，可查看“洗精煤”這個(gè)重點(diǎn)用水設(shè)備整體用水結(jié)果，可以查看該設(shè)備的用、排、回用水量及相應(yīng)的節(jié)水工藝。

點(diǎn)擊“工藝用水量平衡分析”“取用水分類統(tǒng)計(jì)”“排水量分類統(tǒng)計(jì)”“回用水分類統(tǒng)”可查看整個(gè)焦化工藝細(xì)化后的用水過程，如用、排水量，以及重復(fù)利用和損耗的水量，焦化工藝細(xì)化后的用水工程界面如圖5 所示。

3 鋼鐵工業(yè)節(jié)水評價(jià)

對于鋼鐵工業(yè)而言，強(qiáng)監(jiān)管是建設(shè)節(jié)水型企業(yè)的有利推手，加大節(jié)水監(jiān)管力度，強(qiáng)化用水水平評價(jià)，優(yōu)化工業(yè)用水結(jié)構(gòu)對于用水效率的提高有極大的促進(jìn)作用。對于考核監(jiān)督，強(qiáng)監(jiān)管是深入到用水節(jié)點(diǎn)的過程化管理，讓用水過程變得透明可見，有利于消除鋼鐵行業(yè)管理盲區(qū)，動(dòng)態(tài)調(diào)整生產(chǎn)策略，為開展事中事后監(jiān)管、維護(hù)公平市場環(huán)境奠定了基礎(chǔ)。強(qiáng)監(jiān)管依賴于節(jié)水評價(jià)，而用水過程可視化表達(dá)是節(jié)水評價(jià)的前提，基于此開展鋼鐵工業(yè)節(jié)水評價(jià)。

3.1 強(qiáng)監(jiān)管評價(jià)思路

鋼鐵工業(yè)用水過程的強(qiáng)監(jiān)管，就是要厘清水資源各項(xiàng)職責(zé)，明晰取水和用水、監(jiān)督與管理責(zé)任，特別是企業(yè)取用水許可證的獲取，逐級落實(shí)督察工作責(zé)任，依法監(jiān)管，采取各種監(jiān)督措施，不斷加大水資源監(jiān)管工作力度并及時(shí)有效處理違規(guī)行為，例如工業(yè)廢水的違規(guī)排放，此外，加強(qiáng)各生產(chǎn)單位間供水的組織和協(xié)調(diào)，分類供水，強(qiáng)化用途管制[6]。

針對鋼鐵工業(yè)用水過程，以節(jié)水優(yōu)先為首要目標(biāo)的過程化管理就是要深入各環(huán)節(jié)內(nèi)部，將涉及到水量輸入輸出的設(shè)備和管道作為重點(diǎn)監(jiān)管對象，各部門（例如設(shè)備采購、技術(shù)質(zhì)量等部門）和生產(chǎn)單位責(zé)權(quán)利分明，通過強(qiáng)監(jiān)管尋找焦化、煉鐵等工藝的優(yōu)化節(jié)點(diǎn)。通過節(jié)水評價(jià)尋找可以改進(jìn)的用水工藝或更換的用水設(shè)備等。依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn) GB T 7119—2006《節(jié)水型企業(yè)評價(jià)導(dǎo)則》，結(jié)合鋼鐵工業(yè)考核辦法，列舉出的現(xiàn)階段與之相關(guān)的節(jié)水型企業(yè)評價(jià)指標(biāo)如表1 所示，選取不同的組合方式，將其作為可視化知識圖節(jié)點(diǎn)的評價(jià)依據(jù)。

圖5 焦化工藝細(xì)化后的用水過程

表1 鋼鐵企業(yè)節(jié)水評價(jià)指標(biāo)

3.2 焦化用水節(jié)水評價(jià)

焦化工藝在洗精煤和焦?fàn)t裝置這 2 個(gè)設(shè)備中有水量的損失，依靠知識圖中定制的組件可以計(jì)算出損失量，此外，知識圖中用水設(shè)備圖例中“節(jié)水工藝的選擇”，對應(yīng)有節(jié)水工藝介紹，可以看出有節(jié)水潛力的設(shè)備包括洗精煤、焦?fàn)t裝置、熔焦、煤氣脫氮、蒸苯，焦化工藝知識圖上的這些設(shè)備對應(yīng)節(jié)點(diǎn)上，定制了節(jié)水工藝的模型選擇?！跋淳骸笨蓛?yōu)化的模型有常規(guī)和水力 2 種旋流器，焦?fàn)t裝置的優(yōu)化模型有常規(guī)和焦化脫硫凈化水技改 2 種模型，熔焦裝置的模型選擇有干法和濕法 2 種熄焦模型。流經(jīng)這些設(shè)備的污水最終經(jīng)過污水處理站處理后，一部分經(jīng)過排水管排出，另一部分進(jìn)入循環(huán)水系統(tǒng)重新流入設(shè)備參與下一階段的用水過程。對于污水處理站水處理過程，優(yōu)化模型包括常規(guī)，以及焦化廢水膜、廢水微波、廢水芬頓氧化等模型。

將焦化工藝細(xì)分到重點(diǎn)用水設(shè)備上，水流經(jīng)的設(shè)備包括：煤氣終冷、粗苯加工、煤氣脫氮、煤油氮水分類、燃油加工、焦炭加工、洗精煤、焦?fàn)t裝置、煤氣脫苯、煤氣初冷、蒸苯。把這些設(shè)備通過不同顏色的循環(huán)水給水管、補(bǔ)水管，二次利用、生活污水排水管等連接起來，點(diǎn)擊時(shí)鐘圖標(biāo)，接入數(shù)據(jù)并通過節(jié)點(diǎn)上的組件計(jì)算每個(gè)設(shè)備的取、排、回用水量。

以某鋼鐵企業(yè)焦化廠 2016 年 4 月的某次用水過程為例進(jìn)行節(jié)水評價(jià)，具體過程如下：

1）水量計(jì)算。通過點(diǎn)擊知識圖上的取、排、回用水等分類統(tǒng)計(jì)矩形框，獲得設(shè)備的取、排、耗水量，點(diǎn)擊損失水量圖表，獲得單個(gè)設(shè)備的損失水量。這四部分水量要滿足表達(dá)式：取水量-耗水量-排水量 = 損失水量，點(diǎn)擊工藝用水量平衡分析矩形框可以查看計(jì)算結(jié)果，得到分析計(jì)算界面，其中，總水量分析計(jì)算如表2 所示。

由表2 中的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可以看出，在產(chǎn)品產(chǎn)量一定的情況下，取、耗水量越小越好，在本例知識圖的基礎(chǔ)上改變節(jié)水工藝也可以改變水量計(jì)算結(jié)果，可以搭建單位產(chǎn)品取水量、廢水達(dá)標(biāo)排放率、用水綜合漏損率等代表節(jié)水評價(jià)的綜合指標(biāo)，以提高評價(jià)的準(zhǔn)確性。

2）重復(fù)利用率考核。本例利用重復(fù)利用率考核指標(biāo)進(jìn)行節(jié)水評價(jià)，點(diǎn)擊知識圖中的重復(fù)利用率矩形框，得到計(jì)算結(jié)果。計(jì)算結(jié)果中類型列是將每臺設(shè)備的重復(fù)利用率指標(biāo)與行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)或企業(yè)預(yù)設(shè)值進(jìn)行比對，如果計(jì)算值小于預(yù)設(shè)值，說明存在可以優(yōu)化的過程，將該部分標(biāo)紅。圖中標(biāo)紅的地方表示發(fā)現(xiàn)該工藝存在一定的節(jié)水潛力，通過替換節(jié)水工藝，如將“洗精煤”的節(jié)水工藝由常規(guī)換成水力旋流器，測試結(jié)果如表3 所示，提示變藍(lán)，表示這部分節(jié)水達(dá)到平均水平。

表2 總水量平衡分析計(jì)算表m3/t

表3 總重復(fù)利用率測試表

4 結(jié)語

基于綜合集成平臺技術(shù)以組件和知識圖的方式對鋼鐵工業(yè)中的焦化工藝用水進(jìn)行實(shí)例分析，深入探究該工藝的用水過程后得出以下結(jié)論：

1）對于鋼鐵工業(yè)用水過程而言，節(jié)水評價(jià)是提高用水效率的有效途徑。對用水過程進(jìn)行動(dòng)態(tài)可視化管理，并且以重復(fù)利用率為考核指標(biāo)進(jìn)行評價(jià)用以判斷節(jié)水效果，對工業(yè)強(qiáng)監(jiān)管的過程化管理有重要的指導(dǎo)作用。

2）與傳統(tǒng)的節(jié)水評價(jià)相比，基于綜合集成平臺的做法有著很大的優(yōu)越性。雖然二者都是構(gòu)建指標(biāo)體系進(jìn)行判斷，但傳統(tǒng)做法在不同的情景下需要根據(jù)具體情況做大量重復(fù)的工作，例如，節(jié)水評價(jià)每換一種方法都要將數(shù)據(jù)帶入重新計(jì)算，耗時(shí)耗力；而組件定制更為靈活且復(fù)用程度高，對于不同情景的適應(yīng)性更好，在節(jié)水評價(jià)組件庫中可以封裝多個(gè)評價(jià)方法組件，若需要改變計(jì)算方法，只需要點(diǎn)擊更換即可，數(shù)據(jù)按箭頭所指方向流入、流出，不需要過多處理。

3）通過綜合集成平臺，不同的業(yè)務(wù)需求可以定制不同的組件，繪制不同的知識圖，由此本研究對于鋼鐵行業(yè)的研究成果對其它工業(yè)行業(yè)有很大的借鑒意義。

4）實(shí)際工作中，在綜合集成平臺上完成事件的描述和處理是可行可信的，極大縮短了反應(yīng)時(shí)間。在以后的研究中，可以從組件開發(fā)水平和平臺運(yùn)行效率展開研究并不斷積累，讓服務(wù)過程可視可見。