朱志文
（北京鋼鐵設計研究總院，北京100053）

　　摘要：通過對工業系統冷卻用水的分析，指出節水不僅要從用水量方面考慮，還要與水的溫升、水質、氣象和水文有機地結合起來，從而提出了“五維水平衡”的概念。
　　關鍵詞：工業用水；節水；水平衡
　　中圖分類號：TU991.64
　　文獻標識碼：B
　　文章編號：1009－2455（200U0－0014－03

引言

　　根據水利部的“水資源公報”，1998年，我國取水總量已達544O億m³，其中農業、工業和生活用水分別為 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％。
　　盡管我國工業的取水量僅占取水總量的21％，但它對國民經濟的持續發展至關重要；而且我國工業外排廢水對水體的污染卻不容忽視。為了保持我國宏觀經濟穩定，實現經濟和社會的可持續發展，實現水資源的合理配置，推動水環境走向良性循環，節水極為關鍵。因此，節約工業用水乃當務之急。
　　在水資源匿乏和水體嚴重污染嚴峻的現實面前，工業的取水總量必須嚴格加以控制，力圖實現零增長，甚至是負增長，面對這一艱巨的任務，雖然傳統的節水模式能起一定的作用，卻難以挑起這副重擔。因此，工業的節水，必須突破傳統的模式，找到新的支點，從理論和實踐上加以發展和創新。

1 五維水平衡理論的提出

　　傳統的節水理論和技術基本上都是建立在水量這一維的基礎之上，盡管在設計中也時有涉及水的溫升和水質，但是，往往未能充分發揮其潛能。因此，雖然它對我國的節水發揮了一定的作用，但是，由于困于一維的局限性，在節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、全方位來審視現行的節水理論和技術。

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、氣象和水文完整地、有機地聯系起來，把握梳理與節水有關的各個方面，進行總體研究和綜合平衡。
　　在工業節水中，還包括了兩方面的內涵，一是節約取水量（即新水）；一是節約用水量（即循環水）。兩者相互滲透，關系密切。而在兩者中，前者尤為重要。因為節約取水量，就是少占用水資源，而且還同步減少了排人水體的工業廢水；而后者則僅涉及節約企業水處理設施的投資和運行費。
　　設取水量、用水量和重復利用率分別為Q_m、Q和R，這三者的關系如下式所示：
　　　　　　Q_m＝Q（100-R）％
　　在五維水平衡中，除了水量外，它與其它因素的關系分述如下。
2.1 水的溫升
　　對于循環水系統來說，水的溫升是一個關鍵因素。因為，在工業用水中，循環冷卻水占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％。而這部分循環水是用來進行熱交換、用以帶走熱量。
　　設帶走的熱量、水的溫升和水量分別為Qr、Δt和Q，這三者的關系如下式所示：
　　Qr＝Q△_t
　　顯然，合理地提高水的溫升，就可以相應減少水量。。
　　我國某企業一用戶，其冷卻水量為 14.4 × 10⁴m³/d，設計的給水和回水水溫分別為 33 T和 41t，水的溫升為ST；而實際上多年夏季運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℃。如果按設計的溫升進行控制，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，不少企業水的溫升僅為1℃左右。個中潛力可見一斑。
2.2 水質
　　在循環水運行過程中，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。當在循環水系統中投加水質穩定劑后，就可以保證循環水既不結垢也不腐蝕。在這一前提下，就可以適當提高水的溫升。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。因為循環水經過熱交換之后，必須經過冷卻裝置冷卻后方可循環使用。而循環水在冷卻過程中，水的蒸發損失及補充新水的多少，與氣溫（包括干、濕球溫度）關系極為密切。
　　通常每一地區一年內的氣溫都不同。而設計所選用的冷卻塔設計參數總是按照最不利的情況設定的，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。西北和華北地區尤為明顯。此時，循環冷卻水往往可以不經過冷卻塔冷卻（或者循環冷卻水雖然進人冷卻塔，但是冷卻塔的風機不運行），就可以滿足工藝所需的給水水溫的要求。
　　循環水在冷卻過程中，夏季蒸發散熱占總散熱量的90％以上；冬季，接觸散熱的比重增加到50％，而嚴寒天氣甚至可增加到 70％，也就是說，冬季的蒸發散熱僅相當于夏季的 55.6％－30％。因此，利用這一自然規律，我們就可以把取水量降下來。
　　水量為Q_m、蒸發水量為Q_c和循環水的濃縮倍數為N，三者的關系如下式所示：
　　Q_m＝Q_cN／（N-I）
　　從上式中可知，取水量與蒸發水量成正比；而濃縮倍數越高，則取水量就越小。而循環水的濃縮倍數，一般都是在設計中通過技術經濟比較確定的。因此，對于某一具體的循環水系統來說，完全可以把濃縮倍數當作常數。由于循環水在冷卻的過程中，冬季的蒸發散熱還不到夏季的 1／3。也就是說，冬季的蒸發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，循環水的蒸發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，對于工業企業來說，設計所選用的干、濕球溫度，一般都是按保證率為90％（個別行業的保證率為95％）的多年夏季平均數取值?？梢?，即使是在整個夏季，其取水量也只是在一小部分時段內無潛可挖，而在其它時段內仍有一定的潛力。
　　某企業一用戶，其1995－1999年逐日的給水水溫、回水水溫和補充新水量與當地逐日的干、濕球溫度的過程線見圖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，是為了貫徹經濟運行的節能管理目標，只要水溫能滿足工藝生產之需時，循環冷卻水雖然上冷卻塔，但是冷卻塔的風機停止運行）；而取水量變化不大的原因是這一循環系統過多的排污，致使其濃縮倍數不到1.2。這是由于該循環水系統采用了并不經濟合理的串級補水（由于后一級所需的補水量與前一級的排污量不適應造成的，導致前一級的排污量過大）。合理的串級補水，應該是根據各循環水系統的最佳濃縮倍數，來確定各循環水系統的排污量，其排污量作為下一級的補充水，而下一級的補充水的不足部分則應由新水補充。
　　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水量和取水量比夏季減少2／3的結論來推理，冬季取水量的谷值應為 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際取水量過程線，顯示出這一企業的取水量可節約29％，每年節約取水量的水費和藥劑費可達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。
　　也就是說，我國大部分地區水資源（包括地表水和地下水）的豐、枯也呈季節性的變化。它也近似駝峰狀。因此，在水資源的合理調配中，夏季水資源相對充沛時，客觀上對水的需求量又大，適當多用一點水，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，有的企業冬季的取水量和外排廢水量并未減少，而有的企業的取水量，反而因采暖而有所增加。

3 五維水平衡的節水效益

　　綜上所述，如果運用五維水平衡的節水模式，對于工業企業來說，其節水效益是很可觀的。僅以鋼鐵工業為例，取水量和用水量至少可減少25％。若按1999年全國鋼鐵企業的用水計算，每年節水的經濟效益可達18億元（其取水、用水和外排廢水排污費的平均單價分別按0.5、0.25和0.1元／m³計算，日后的單價肯定會大幅度上調）。而且噸鋼的取水指標、用水指標和外排廢水指標可分別降至對21.59m_３、144.21m_３和 14.97m³。
　　北方某鋼鐵企業用二個多億，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廢水的比例為1：9。其污水處理的運行成本為0.55元／m³（該企業的補充新水成本也僅為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的循環水改造，把噸鋼取水指標壓縮到11m³的話，進人這一污水處理場的全部生產廢水就會消失，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（包括污水回用的內容在內）的時候，事先更應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，幾乎也能適用于一切用水領域。就拿我國“十五”計劃可能要上馬的“南水北調”中線工程為例。其年均調水量為145億m³，其中工業用水占36.3％，總投資為631.74億元，全線平均投資為3.76－5.33元／m³，全線工業成本水價、微利水價和工業還貸水價分別為0.329元／m³；0.639元／m³和0.949元／m³。此外，以北京為例，調入70m³／s的水后，就會產生約 50 m³/s人的污水。因此，北京不僅要分擔一部分工程投資外，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?！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 結語

　　五維水平衡既源于傳統的一維水平衡，又高于一維水平衡。它在進行水平衡時，不僅與水量，還要與水的溫升、水質、氣象和水文有機地聯系起來，把節水的理論和技術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容，綜合運用起來，至少可以使我國工業的取水量和外排廢水量減少30％。
　　五維水平衡的強大生命力在于它能適用于任何時候、任何地區，而且幾乎可以不投入資金，只要全面規劃，強化管理，精心運作，不斷總結，就可以在節水上取得階段性的成果，并獲得極好的經濟效益。

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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。