“工业智慧水网”的研究和探索

1 “工业智慧水网”的起源、定义和组成

1.1 起源

“智慧水网”来源于“智慧城市”，起源于市政公用领域。“智慧水网”通过信息化、自动化和智能化将海量水务信息进行及时分析与处理，并做出相应的处理结果辅助决策建议，以更加精细和动态的方式管理水务系统的整个生产和服务流程，从而达到“智慧”的状态。

工业是用水大户，水资源对于工业企业有着极其重要的意义，同时水资源缺乏和水环境保护也成为限制工业企业进一步发展的重要因素。工业水系统作为重要的生产辅助设施，不仅要能更好地为主工艺服务，满足生产要求，同时其自身也要追求高效、节能、节水、环保。工业水系统会朝着更为精细化、高度自动化、智能化方向发展。由城市“智慧水网”的理念结合工业转型、智能制造、产业升级的需求提出了“工业智慧水网”。

1.2 定义

“工业智慧水网”是基于互联网和云计算的新型工业水务生产管理系统。它是运用互联网、云计算等技术，通过互联网络把工厂内的所有工业水用户、废水排放设施、各种给水设施、排水设施、循环水设施、水处理设施以及各种管网系统的智能化控制传感器、自动化控制设备和阀门连接起来，真正实现资源高效利用、按需供水、节能减排。“工业智慧水网”的核心思想便是从供给侧实现工业水务系统的改进和创新。

1.3 组成

“工业智慧水网”以现代化通讯技术和远程控制技术为手段，以互联网络为平台，以软件模型为载体，基于生产大数据，贯穿工业水系统整个流程，结合给排水技术和水处理技术，以能量平衡、水量平衡、水质平衡为核心，服务生产用户。

“工业智慧水网”由硬件、软件以及使用者组成。硬件包括了各种给排水和水处理设施、设备以及通讯设备、控制设备和互联网设施等;软件包括了各种控制系统、水务模型等;使用者指的是工业企业从事工业水系统管理的各级人员。

2 “工业智慧水网”的功能

“工业智慧水网”将从根本上改变我国以往传统的粗放型工业用水模式，实现动态高效的新型水务管理模式。“工业智慧水网”的主要功能：(1)全厂水的资源化;(2)智慧环保;(3)数字节能;(4)精细化、智能化供水。

2.1 信息化实现全厂水的资源化

工业企业内部的生活水、工业水、软水、纯水、循环水、生活污水、各种生产废水(包括处理前和处理后的废水)、雨水都是宝贵的资源，“工业智慧水网”要通过信息化将整个工厂水统一管理，根据各类水资源特点和用户需求进行调节与分配，真正实现全厂水的资源化，这也是工业企业实现节水减排的基础。

当前，“海绵城市”的概念非常流行，由“海绵城市”提出“海绵工厂”的概念。“海绵工厂”是指工厂能够像海绵一样，主动适应外部生产条件的变化，灵活地吸纳某工序的废弃物，将其适当处理后作为新的生产资料在需要时向其他工序供应。“工业智慧水网”将成为未来“海绵工厂”的重要组成部分，它使工业水系统也具备象海绵一样的特征，在恰当的时间向需要的用户提供适合的水源，收集、储存、处理其排出的水资源。

2.2 全流程水污染管控实现智慧环保

目前的水污染治理往往都是末端治理，一般是等污染产生后再用相应的工艺和设备去治理污染。这种末端治理模式不仅导致了环保的高成本，也使得污染控制和治理工作的难度加大，同时增加了工业企业在生产过程中造成环境污染的风险。

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在“工业智慧水网”的协助下，整个工业水流程将被管理，水污染源将被监控，污染的过程将被监督，污染治理就可以更加紧密地与制造污染、污染扩散、污染物输送的环节结合，并帮助工业企业从源头减少污染、控制污染。

在全流程水污染控制的基础上，再结合全厂水资源的统一管理、调节与分配，还可以优化、简化工厂内部各水处理系统的工艺和流程。水处理的工艺越简单，流程越简单，目标污染物越明确，治理污染的效率就越高。“工业智慧水网”将直接帮助企业控制污染，减少废水最终的处理量和排放量，减少环保成本，减轻环保压力。

2.3 全流程水系统能耗管控实现数字节能

新水系统、软水系统、纯水系统、循环水系统、回用水系统以及各种生产废水处理系统在运行过程中会有大量的能耗。能耗通常由以下几部分组成：水量能耗、水压能耗、热量能耗、水质能耗等。“工业智慧水网”可通过各水系统的全流程的能耗监控和数据分析，对各个能耗环节的各种能耗进行分析，从整体能量平衡角度出发，优化水的流程，最终实现水系统综合能耗的最小化。“工业智慧水网”将直接帮助企业减少水系统运行能耗，降低生产成本。

2.4 精细化、智能化供水，保障生产

在工业企业内，水作为重要的生产资源，其最重要的功能是服务于主工艺生产。随着生产主工艺的改进、技术的进步，对于供水提出了更多、更严格的要求，比如供水和排水的水量、水质、水温、水压、时间都要随着主工艺的要求而变化，这就使得工业供水和排水系统必须走精细化、智能化的道路，只有这样，才能更好地满足生产要求。“工业智慧水网”就是要从供给侧动态满足工业企业对水的需求。

3 “工业智慧水网”的具体构架

3.1 构架工业企业水资源基础网络平台

构架工业企业水资源基础网络平台是建设“工业智慧水网”的基础，其具体步骤：水资源和用户信息化→水网和用户分级→水资源分配→水资源调节。

3.1.1 水资源和用户信息化

“工业智慧水网”首先将全厂各种水质的水源、所有的用户以及各种管网均纳入水资源网络平台，做好信息化工作。具体如下：

(1)做好工业用水信息化工作，包括确定用户的地理位置、用水时间、用水水量、水质、用水制度等。

(2)做好工业废水信息化工作，包括确定各生产区域、各工序段、各生产线所产生的废水排放地理位置、排放时间、废水水量、水质、排水制度、污染特点等。

(3)做好不同种类工业水管网信息化工作，包括确定各种给水、排水、各级中水回用管网的管网布置、管径、标高以及切换阀门等。

3.1.2 水网和用户分级

“工业智慧水网”要对用户按其水质需求进行分级，对供水水质要求高的位于水网的高级，对供水水质要求低的位于水网的低级。

“工业智慧水网”要对各种水质的水网系统进行分级，水质较好的水网系统位于水网的高级，水质较差的水网系统位于水网的低级。在水网分级时还须兼顾考虑水量的大小和供水的可靠性。

3.1.3 水资源分配

“工业智慧水网”实现水资源分配，具体就是对不同级别的管网和用户进行匹配。水资源的分配重点是结合用水户、排水户和管网信息，确定废水分级和串级使用的路线，在确定主工艺路线时还要考虑备用路线。废水分级和串级使用的前提是废水必须有用户。

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废水分级和串级使用要取得明显的经济和社会效益，就需要实现废水的多级回用。所谓废水多级回用，是指废水被一级用户回用后，如果再次产生废水，那么将再次产生的废水进入二级用户回用，以此类推。多级回用需要对用户的用水量、用水水质要求、用水制度以及废水产生的水量、水质、排水制度进行分析，最终实现水系统的大平衡。多级用户的最佳组合方式：上一级与下一级用户的生产污染物属于一个大类，上一级的废水经过简单处理就可以供下一级用户使用。

3.1.4 水资源调节

“工业智慧水网”要突破时间和空间限制，对全厂水资源进行调节与调配。通过大数据随时掌握用户的用水排水情况，包括时间、地点、水量、水质、水温、制度，以“工业智慧水网”控制各种供水设施、排水设施、水处理设施、储水设施和管网系统，实现各种水质资源在时间和空间上的相互补充和衔接，最终构建整个工业企业的水平衡系统。

“工业智慧水网”将使得全厂水系统能根据工业用户生产需求，结合用户点的用水和排水制度，自动调节供水和排水工况，包括流量、流向、压力、水质、水温的调节。

3.2 智慧环保

3.2.1 生产全流程污染监控

“工业智慧水网”智慧环保的核心之一就是动态监控生产全流程的废水量变化和污染物变化，而要做到这点，就必须建立水量平衡模型和水质平衡模型。

水量平衡模型应体现生产用水的水系统主工艺流程、各用户的用水水量、排水水量及供水排水水压力要求等，另外还包括整个水系统的补充新水量、排污水量、损耗水量等。水量平衡模型是分级的，从车间级到全厂级。车间级水量平衡模型关注的是某个工厂的主工艺生产段，比如钢铁企业的炼铁、炼钢、连铸、轧钢都可以建立其自身的水量平衡模型，而钢铁企业又可以建立起全厂的水量平衡模型。动态的水量平衡模型可以清晰地反映任意一个节点水量的变化。

水质平衡模型应体现生产用水的水系统主工艺流程、各用户的用水水质、排水水质、用水物料量、排水物料量等，水质平衡模型的本质就是污染物平衡模型。同样，水质平衡模型也是分级的，从车间级到全厂级。动态的水质平衡模型可以清晰地反映任意一个节点水质的变化。

3.2.2 分布式水处理站建设

“工业智慧水网”智慧环保的另一重要理念就是对废水进行适度处理，然后回用。适度处理的目的是使得处理后的水能满足下一级用户的用水水质要求而不是排放。适度处理的工艺不能复杂，工艺越简单越好，出水水质不要求好，但求能用。适度处理工艺最好是单一的物理或化学法，可以是沉淀、过滤、中和、离子交换或超滤、反渗透脱盐、生化等。适度处理也绝非集中处理，有时是不同区域、不同生产线分别收集处理。由此，提出分布式水处理站。

分布式水处理站分散布置于污染源或用户旁。系统简单，功能单一，往往可以采用一体化水处理装置。分布式水处理站可以根据生产需要增加或减少，或者及时改造。随着自动化控制和通讯技术的高速发展，远程监控分布式水处理站已经不是问题。

传统上常讲求废水收集后集中处理，其实这也是有前提的。对含不同种污染物的废水要科学分类、仔细分析、全面研究，有时分质、分类、分散处理才是好的方法，集中收集处理往往会造成废水污染物富集、污染程度复杂化，最后导致形成难以处理的高难度废水的结果。采用分布式水处理站，可以取得更好的处理效果和更高的处理效率。

传统的集中式水处理站可以作为分布式水处理站所排放废水的终端处理装置，在分布式水处理站广泛应用后，集中式水处理站的处理规模和水质复杂程度也可以大为降低。

3.3 数字节能

在工业水领域，数字节能的应用非常广。数字节能往往更适用于单个独立的水系统，比如某冷却水系统、某新水系统、某软水或脱盐水制水系统、某废水处理系统等等。数字节能的核心就是通过大数据分析水系统能耗的合理性，追求节能空间，其次探索余压、余热利用的可能性。

3.4 精细化、智能化供水

精细化供水、智能化供水往往是针对某个对于用水具有特殊要求的车间或者主工艺生产线，对其供水设施或者水处理设施实施智能化改造。通过大数据建立模型对于各种设备的工况进行动态调节，使水系统满足生产即时要求。

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4 “工业智慧水网”的应用举例

4.1 全厂水的资源化应用举例

雨污联合排水系统可以成为“工业智慧水网”在全厂水的资源化方面的一个应用。所谓雨污联合排水系统，是指采用雨污合流的排水体制，将雨水、工业污水合用一个管渠系统排除，并在排水系统的末端设有雨水和污水处理设施，对雨污水进行集中处理。采用雨污联合排水系统可在厂区内减少一套排水管网，节约建设、管理、运营成本。通过水质检测来控制管网和水处理站的运行最终实现水资源调节，具有积极的经济效益和环保效益。

4.2 智慧环保应用举例

新型废水零排放可以成为“工业智慧水网”在智慧环保方面的一个应用。传统的所谓废水零排放，就是将废水收集、处理成回用水、工业水或者软化水、纯水、脱盐水等用于生产。“工业智慧水网”可以从系统上更加合理地确定废水收集的范围、废水量、废水处理的程度、废水处理后的用途。水处理站不是越大越好，水处理站本身要讲求规模、工艺的合理性。

4.3 数字节能应用举例

串级循环冷却水系统可以成为“工业智慧水网”在数字节能方面的一个应用。现场经常会发生一套循环冷却水系统实际运行下来的回水温度与供水温度的差值远小于设计值的情况，其冷却能力有较大的富余量。但是，由于设备本体的冷却水流道设计需要维持一定的流速或是压差，因此仍需要维持原先设计的流量。另外，循环冷却水系统中所有需要被冷却的设备一般都是并联在冷却水管路上的。因此，当系统有较大的冷却能力的富余量时，就可以考虑串级循环冷却水，具体设计时还要进行周密的计算和系统配对。这种可能性应当是存在的，其节能的前景也是非常可观的。“工业智慧水网”将基于大数据构架大循环水系统、串级循环水系统，实现循环水系统的节能。

4.4 精细化、智能化供水应用举例

工业水系统是以服务主工艺为宗旨的，随着智能化控制技术的发展和推广，各种变流量、变压力、变温度、变水质的多功能供水系统将得到广泛的应用。

5 开发“工业智慧水网”所需的技术和关键点

开发“工业智慧水网”需要水务模型技术、自动化监控技术、自动化通讯技术、互联网技术，随着互联网和现代监控技术及产品的日益成熟和推广，采用自动化监控技术、自动化通讯技术、互联网技术的门槛和成本也越来越低，这为“工业智慧水网”的建设和发展铺平了道路。开发“工业智慧水网”的关键在于建立各种水务模型。

各种水务模型包括系统性模型和应用性模型，系统性模型比如全厂水务模型、车间水务模型、园区水务模型等，应用性模型比如工业水处理模型、工业给排水模型、工业循环水模型、雨水回收利用模型等。系统性模型通常用于管理，而应用性模型往往可以和具体项目结合，追求短期内的经济效益。这些水务模型既相互独立，彼此又关联密切，对各水务模型进行研究具有积极的意义。

6 “工业智慧水网”的衍生产品

“工业智慧水网”在大数据时代下必将推广到整个工业水务领域。它不仅可以用于生产管理，为工业企业本身服务，也可以作为节能环保公司实施合同能源管理、合同环境服务、合同节水管理的重要手段。

“工业智慧水网”可以衍生出很多产品，为工业企业提供服务。比如各种管理系统、评估系统、预测系统和调节系统等等。管理系统可以帮助工业企业对水系统实现高效管理，降低人员成本和生产风险，提高供水、水处理的可靠性;评估系统可对工业水系统现状进行分析、判断，并提出改进的建议和措施;预测系统可以对各种可能发生的情况进行预估，判断其对生产带来的影响并提供应急预案;调节系统可以直接实现智慧环保、数字节能等技改项目。这些产品必须基于工业企业实际需求，可以为工业企业降低成本、节能减排带来实惠。

“工业智慧水网”的衍生产品往往都是定制化产品。“工业智慧水网”的实施必须结合技改，循序渐进，逐步并网，帮助客户迅速解决问题并带来效益。

7 小结

“工业智慧水网”将覆盖整个工厂的水网，彻底突破工业企业传统给排水的观念，打破以往给水与排水之间的界限，更加体现水系统的整体性。另外，由于“工业智慧水网”需要工业企业水系统各级人员操作使用，因此它不仅将给企业的工业水系统带来革命性的突破，还会对现有的工业水务管理体制和人员工作机制带来巨大的影响。“工业智慧水网”是人机智慧结合的节能环保型水网系统，追求科学、安全、高效、环保。“工业智慧水网”是工业大智慧能源的重要组成部分，是海绵工厂的重要组成部分，作为新兴产业，必将拥有广阔的发展前景。

(来源：《工业水处理》2017年第6期)

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原标题：“工业智慧水网”的研究和探索