一种玻璃基板生产水足迹核算与在线控制方法与流程

本发明属于玻璃基板生产全过程的水资源管理领域，具体涉及到玻璃基板生产的水足迹核算和在线控制方法。

背景技术：

水是生命之源、生产之要、生态之基，是关系国家安全与发展的重要基础资源！中国是世界上人均水资源最匮乏的13个国家之一，且时空分布极不均衡，近年来，由于利用模式粗放和污染严重导致的水资源供需矛盾日益突显。水资源危机成为当前人类面临的最严峻的资源危机，其可持续利用和管理受到了全世界的广泛关注。水资源的可持续利用和管理上升为国家战略。

水资源管理从19世纪末只统计水量发展到现在基于可持续理念的综合评价，涉及水资源数量、质量、承载和开发能力等多个方面。1993年，英国学者allan提出了虚拟水概念，它是指生产产品和服务所需要的水资源数量，揭示了消费和水资源使用背后的联系。2002年，荷兰学者hoekstra基于生命周期原理，进一步将虚拟水和生态足迹理论结合提出水足迹的概念，它是一个体现消耗水量、水源类型及污染量和污染类型的多层面指标。水足迹是指生产一定人群(个体、地区或国家)消费的产品和服务所需要的水资源数量，水足迹越来越多地被国内外各领域应用到水资源管理工作之中，已经成为产品水消耗和水污染的重要的水资源管理的衡量指标。

玻璃基板行业是我国重要的新兴工业之一，2015年以来，我国国有生产企业大力推行玻璃基板的国产化，已经取得突破性进展。目前，国内玻璃基板生产规模已达到2800万片/年，成为世界第四大玻璃基板生产大国。随着资源、环境问题的日益加剧，保护人类生存环境，实施可持续发展战略，成为21世纪国际社会“环节与发展”与“和平与发展”两个同等重要主题的内容之一。目前我国玻璃基板行业已经逐渐走进了绿色化生产阶段，秉承清洁生产的理念，以提前实现绿色化为目标，大力研发高效、节能和低排放的生产模式，将玻璃基板行业推向资源循环型、环境友好型的生态型的绿色发展行业。目前，国内部分大型先进的玻璃基板企业在快速发展中着力探究绿色生产方式，持续强化研发环境友好型和资源循环型技术，正逐步向环保都市型企业转型。与此同时，这些大型玻璃基板企业也已经联合工信部门实施绿色关键工艺改造制造项目，致力于将玻璃基板工业发展定位在与自然环境协调共融的绿色产业。

玻璃基板生产中对水资源的合理开发和循环利用，迫切地需要一种高质量管理方式。玻璃基板生产水足迹的研究则是提高水资源使用效率的高阶管理模式。通过水足迹在线分析、控制与优化，有助于技术人员对玻璃基板全生产过程的水足迹进行系统与全面的掌控，进而帮助制定研究高效的节水方案，改善其运营结构、节约成本的同时节能减排。玻璃基板生产的水足迹是指在玻璃基板完整生产过程中所有工序阶段所需要的直接水足迹和材料/能源消耗的间接水足迹之和，既包括新鲜水资源消耗量，又包括消纳废水所需要的水资源量。如何对玻璃基板生产过程的各类水资源进行精确计量，包括综合水量、循环水量、新鲜水补充量、排出水量、损失水量等，对水资源进行合理分配并提高循环利用率；采用国家或行业取水定额指标控制，结合实时调整用水量提升水资源有效利用效率，以对玻璃基板生产水资源的使用进行科学化和精细化管理；同时，对生产系统循环水使用和消纳废水的灰水足迹进行优化控制，用水足迹方法开展水资源的高阶先进管理，是当今水资源管理的发展趋势。目前，还没有文献或专利涉及这种玻璃基板生产过程的水足迹方法与应用。

技术实现要素：

本发明基于国内普遍使用的玻璃基板生产工艺，对其过程中涉及的各工序阶段水资源消耗量进行精确计量、监测和优化，并根据实时监测控制各生产环节的用水量，包括原材料的存储和加工、原料的熔融分解、玻璃液澄清均化、半成品母板的形成、精切研磨、端面加工、清洗，以及供电、供水、供热、供风动力系统等工序。本发明可准确计量各工序的综合水量、循环水量、新鲜水量、排水量和损失水量，并对循环水和废水排放进行优化控制，对于水资源的高效循环利用和科学化管理有显著帮助。企业层面上，在不增加企业负担和不影响玻璃基板生产效率的前提下，本发明可降低水资源成本和总用水量，提升企业水资源的综合利用率，同时进行排放监测与合理控制，可以减少污染排放与治理成本。在行业层面上，利用本发明储存记录的水资源数据可向政府相关部门提供用水量、水足迹、控制参数等准确信息，通过大数据分析，制定玻璃基板生产最优工艺控制参数等，推动玻璃基板行业的水资源的高质量管理，帮助推动整个行业的绿色化、环境友好可持续发展。

本发明所提出的玻璃基板生产水足迹核算与在线控制方法基于企业玻璃基板生产的分散控制系统(distributedcontrolsystem,dcs系统)，水足迹计量与模型控制集成于中央控制计算机系统，依照具体算法与特定步骤而实现，具体步骤如下：

步骤1、建立一个玻璃基板生产水足迹的核算与在线控制系统，以中央控制计算机为核心，包括计量和模型在线控制两大部分。

计量部分，设置以下流量计：

新鲜水流量计，安装于水井处和供水管道，用来精确测量新鲜水补充量wfresh，新鲜水主要用于生产系统的生产用水和辅助用水，也可作为冷却系统的调节用水，单位为m³/h(下同)。

循环水流量计，安装于凉水池处，用来精确测量循环水使用量wrecycle，循环水主要用于玻璃基板生产设备的冷却降温，使用后循环水温度会升高，其中一部分进入凉水池，降温后经过中央水泵室再次进入生产系统循环使用。

外排水流量计，安装于污水池处，用来测量外排水量wout，由于外排水的成分特性，无法循环使用，不进入凉水池，作为废水进入污水池，经过处理后排出系统。

cod在线检测仪，安装于外排污水池处，用来测量污水处理系统的外排污水cod浓度ccod，以计算系统的灰水足迹。

用水流量计，安装在原料磨、熔窑、退火炉、冷却塔、清洗系统取水处、研磨系统取水处、消防系统取水处等，用来测量设备用水量。其中，在原料磨、熔窑、退火炉、冷却塔的有效用水主要用于设备冷却，可重新进入凉水池循环使用。

模型在线控制部分，建立算法以计算特定控制指标，并判断控制指标的符合性以实现在线实时控制与优化。

设有效用水量为weffect，主要包括冷却设备的蒸发、生产用水等，通过水量平衡计算，用式(1)表示：

weffect＝wfresh－wout(1)

设用水总量为wtotal，表示玻璃基板生产过程中的综合用水量，即新鲜水补充量和循环水量之和，用式(2)表示：

wtotal＝wfresh+wrecycle(2)

设产品产量为pout，基于dcs系统计量的单位小时产量，单位t/h。

设间接水足迹为wfpind，表示生产系统物料/能源消耗带来的水足迹，基于dcs系统计量的所有物料/能源消耗量amounti与相应的水足迹系数factori相乘的累加求和，用式(3)表示：

wfpind＝∑amounti·factori(3)

设直接灰水足迹为wfpgrey，基于在线检测的废水浓度ccod和排放量wout，根据玻璃基板工业生产最大允许cod排放浓度cmax和自然消纳水体浓度cnat进行计算，用式(4)表示：

设直接蓝水足迹为wfpblue，等于生产系统的直接新鲜水消耗量wfresh。

设生产系统总水足迹wfptotal，为间接水足迹与直接水足迹之和，用式(5)表示：

wfptotal＝wfpind+wfpgrey+wfpblue(5)

定义以下控制参数(指标)：

wunit＝wfresh/pout，为单位产品取水量(强制指标)，必须满足国家/行业标准规定的取水定额wnorm，单位为m³/t；

ηe＝weffect/wfresh，为水资源效率(控制指标)，设定值不小于70％(基于国家与行业标准而定)；

ηr＝wrecycle/wtotal，为水资源循环利用率(优化指标)，设定值不小于90％(可基于清洁生产标准而定)；

步骤2、基于中央控制计算机系统，依照以下程序实现玻璃基板生产综合用水量在线控制。

步骤2.1、实时测量wfresh、wrecycle、wout、ccod；

步骤2.2、实时计算wtotal和weffect，并计算ηe、ηr；

步骤2.3、实时判断单位产品用水量wunit是否满足国家或行业单位产品取水定额wnorm指标要求，这是优先要控制的强制指标；

若不满足wunit≤wnorm，则执行步骤3；

若满足wunit≤wnorm，执行步骤4。

步骤3、降低设备冷却的新鲜水用量，增加循环水用量以保证设备正常运转；或降低辅助用水中新鲜水的比例，直到满足国家标准和行业标准取水定额的强制要求。

步骤4、判断水资源效率ηe是否满足指标要求，通常为国家或行业要求指标。

若ηe＜70％，则检查动力系统、熔窑供水和供水线路情况、下降水箱水位等，直到ηe≥70％为止；

若ηe≥70％，则执行步骤5。

步骤5、判断水资源效率ηe是否最大程度接近国家或行业要求指标(设定为71％)，目的在于满足水资源效率基本要求的同时，控制排放废水量和cod浓度，优化减少玻璃基板的灰水足迹。

若ηe>71％，则执行步骤6。

若ηe≤71％，则执行步骤7。

步骤6、适当调整废水排放量，以降低废水中cod的浓度，减少玻璃基板生产的灰水足迹，达到优化灰水足迹的目的；同时，也会减少废水处理的成本。

步骤7、实时判断水资源循环利用率ηr是否满足指标要求，这是优化控制指标；

若ηr＜90％，则执行步骤8；

若满足ηr≥90％，执行步骤9。

步骤8、增加循环水用于设备冷却，其使用后作为循环水送入凉水池重复利用；提高散热器效率，缩短循环水进入凉水池的时间和加速冷却，直到满足指标ηr≥90％的要求。

步骤9、优化循环水利用率，获取最大的水资源循环利用率，通过连续调整循环水用量，并判断调整前后ηr的增量变化δηr来实现。

若δηr≥1％，执行步骤10；

若δηr＜1％，则执行步骤11。

步骤10、增加循环水用于设备冷却，其使用后作为循环水送入凉水池重复利用；提高散热器效率，缩短循环水进入凉水池的时间和加速冷却。

步骤11、输出当前在线控制周期的参数集。

步骤11.1、基于步骤1的要求，计算wfpind、wfpblue、wfpgrey和wfptotal，显示、存储和输出wfresh，wrecycle，wout，pout，ccod、wtotal、wunit，weffect、ηe，ηr，wfpind，wfpblue，wfpgrey和wfptotal，用于后续大数据分析和智能控制。

步骤11.2、转入下一个在线控制周期，直到满足设定的在线控制周期数量后终止。

本发明的效果

在保证玻璃基板稳定生产的前提下，对玻璃基板生产中原料的储存制备、粉末、熔融分解、玻璃液成型、以及供电、供水、供热的动力系统等工序所用综合水量进行准确计量、监测和优化控制，同时根据计量监测结果对水资源的使用情况进行记录和分析，严格把控用水量，优化水资源效率和水资源循环利用率，对玻璃基板生产水资源的使用进行系统、科学管理和控制，有效提升企业的绿色化和智能化生产水平。

玻璃基板生产水足迹的核算与在线控制系统，是通过中控计算机系统对玻璃基板生产中的各个工序环节的综合用水量、循环水量、新鲜水补充量、排出水量、损失水量进行精确测量，并采用先进的水足迹管理方法，优化控制水资源效率与废水cod排放的动态关系，减少灰水足迹和降低废水处理成本；同时优化控制循环水利用率，提高水资源使用并保证其分配合理性，依据取水定额强制目标、用水效率控制目标和循环水利用率优化目标，进行分目标调整各工序环节的水资源分配和系统优化，对玻璃基板生产水资源的使用进行合理的系统化管理，具有资源节约、智能控制和降低成本的特点。

本发明可以推进整个玻璃基板行业的水效提升，并提供水资源用量的精确参考数据，为我国玻璃基板绿色生产提供大数据支持和科学保障。将玻璃基板生产线与中控计算机相关联，优化企业水资源管理模式，帮助制定时效性的解决方案，当系统监测到用水量超过临界值，就会自动发出警告，帮助操作人员即时调控水资源用量，同时还具有智能优化水资源效率与水资源循环利用率的特点，避免人工经验的不确定性，在提高水资源综合利用率的同时，不增加企业的成本负担，也不会对玻璃基板生产造成干扰。

附图说明

图1为本发明的玻璃基板生产过程外排水、循环水和新鲜水示意图。

图2为本发明的玻璃基板生产水足迹的核算与在在线控制系统的计算机控制流程框图。

具体实施方式

下面根据说明书附图的图1和图2，以及实施实例对该发明进一步做出说明。

如图1和图2所示，玻璃基板生产水足迹的核算与在线控制方法基于企业dcs系统，包括水足迹计量与模型在线控制两部分，二者集成于中央控制计算机系统，依照具体算法与特定步骤而实现，具体步骤如下：

步骤1、建立一个玻璃基板生产水足迹的核算与在线控制系统，以中央控制计算机为核心，包括计量和模型在线控制两大部分。

计量部分，设置以下流量计：

新鲜水流量计，安装于水井处和供水管道，用来精确测量新鲜水补充量wfresh，新鲜水主要用于生产系统的生产用水和辅助用水，也可作为冷却系统的调节用水，单位为m³/h(下同)。

循环水流量计，安装于凉水池处，用来精确测量循环水使用量wrecycle，用来精确测量循环水使用量，循环水主要用于玻璃基板生产设备的冷却降温，使用后循环水温度会升高，其中一部分进入凉水池，降温后经过中央水泵室再次进入生产系统循环使用。

外排水流量计，安装于污水池处，用来测量外排水量wout，由于外排水的成分特性，无法循环使用，不进入凉水池，作为废水进入污水池，经过处理后排出系统。

cod在线检测仪，安装于外排污水池处，用来测量污水处理系统的外排污水cod浓度ccod，以计算系统的灰水足迹。

用水流量计，安装在原料磨、熔窑、退火炉、冷却塔、清洗系统取水处、研磨系统取水处、消防系统取水处等，用来测量设备用水量。其中，在原料磨、熔窑、退火炉、冷却塔的有效用水主要用于设备冷却，可重新进入凉水池循环使用。

模型控制部分，建立算法以计算特定控制指标，并判断控制指标的符合性以实现在线实时控制。

设有效用水量为weffect，主要包括冷却设备蒸发、生产用水等，通过水量平衡计算，用式(1)表示：

weffect＝wfresh－wout(1)

设用水总量为wtotal，表示玻璃基板生产过程中的综合用水量，即新鲜水补充量和循环水量之和，用式(2)表示：

wtotal＝wfresh+wrecycle(2)

设产品产量pout，基于dcs系统计量的单位小时产量，单位t/h。

设间接水足迹为wfpind，表示生产系统物料/能源消耗带来的水足迹，可基于dcs系统计量的所有物料/能源消耗量amounti与相应的水足迹系数factori相乘的累加求和，用式(3)表示：

wfpind＝∑amounti·factori(3)

设直接灰水足迹为wfpgrey，基于在线检测的废水ccod和排放量wout，根据玻璃基板工业生产最大允许cod排放浓度cmax(142g/m³)和自然消纳水体浓度(30mg/l)进行计算，用式(4)表示：

设直接蓝水足迹为wfpblue，等于生产系统的直接新鲜水消耗量wfresh。

设生产系统总水足迹wfptotal，为间接水足迹与直接水足迹之和，用式(5)表示：

wfptotal＝wfpind+wfpgrey+wfpblue(5)

定义以下控制参数(指标)：

wunit＝wfresh/pout，为单位产品取水量(强制指标)，必须满足国家/行业标准规定的取水定额wnorm，设定为不大于10m³/t；

ηe＝weffect/wfresh，为水资源效率(控制指标)，设定值不小于70％(基于国家与行业标准而定)；

ηr＝wrecycle/wtotal，为水资源循环利用率(优化指标)，设定值不小于90％(可基于清洁生产标准而定)；

步骤2、基于中央控制计算机系统，依照以下程序实现玻璃基板生产综合用水量在线控制。

步骤2.1、实时测量wfresh、wrecycle、wout、ccod；

步骤2.2、实时计算wtotal和weffect，并计算ηe、ηr；

步骤2.3、实时判断单位产品用水量wunit是否满足国家或行业单位产品取水定额wnorm指标要求，这是优先要控制的强制指标；

若不满足wunit≤wnorm，则执行步骤3；

若满足wunit≤wnorm，执行步骤4。

步骤3、降低设备冷却的新鲜水用量，增加循环水用量以保证设备正常运转，或降低辅助用水中新鲜水的比例，直到满足国家标准和行业标准取水定额的强制要求。

步骤4、判断水资源效率ηe是否满足指标要求，通常为国家或行业要求指标，设定为70％。

若ηe＜70％，则检查动力系统、熔窑供水和供水线路情况、下降水箱水位等，直到ηe≥70％为止；

若ηe≥70％，则执行步骤5。

步骤5、判断水资源效率ηe是否最大程度接近国家或行业要求指标(设定为71％)，目的在于满足水资源效率基本要求的同时，控制排放废水量和cod浓度，减少玻璃基板的灰水足迹，优化最小灰水足迹。

若ηe>71％，则执行步骤6。

若ηe≤71％，则执行步骤7。

步骤6、适当调整废水排放量，以降低废水中cod的浓度，减少玻璃基板生产的灰水足迹，达到优化灰水足迹的目的；同时，也会减少废水处理的成本。

步骤7、实时判断水资源循环利用率ηr是否满足指标要求，设定为90％，这是优化控制指标；

若ηr＜90％，则执行步骤8；

若满足ηr≥90％，执行步骤9。

步骤8、增加循环水用于设备冷却，其使用后作为循环水送入凉水池重复利用；提高散热器效率，缩短循环水进入凉水池的时间和加速冷却，直到满足指标ηr≥90％的要求。

步骤9、优化循环水利用率，获取最大的水资源循环利用率，通过连续调整循环水用量，并判断调整前后ηr的增量变化来实现。

若δηr≥1％，执行步骤10；

若δηr＜1％，则执行步骤11。

步骤10、增加循环水用于设备冷却，其使用后作为循环水送入凉水池重复利用；提高散热器效率，缩短循环水进入凉水池的时间和加速冷却。

步骤11、输出当前控制周期的参数集。

步骤11.1、基于步骤1的要求，计算wfpind、wfpblue、wfpgrey和wfptotal，并显示、存储和输出wfresh，wrecycle，wout，pout，ccod、wtotal、wunit，weffect、ηe，ηr，wfpind，wfpblue，wfpgrey和wfptotal，用于后续大数据分析和智能控制。

步骤11.2、转入下一个在线控制周期，直到满足设定的在线控制周期数量后终止。

根据上述参数系统设定，并创建参数集：物料/能源(超纯石英砂、硼酸、碳酸钙、氧化锌、氧化铝、电力、天然气)对应的水足迹系数为(3.5，5.8，3.2，4.8，8.9，0.02，0.01)，模拟进入第一个在线控制周期t，按照玻璃基板的生产工序进行测量与控制，包括原料磨、熔窑、退火炉、冷却塔、清洗系统取水处、研磨系统取水处等用水工序。

测量并计算生产工序的水足迹如下：

循环水量wrecycle：70m³/h

新鲜水补充量wfresh：30m³/h

dcs系统计量产品产量：2.5t/h

外排水量wout：5m³/h

计算生产工序的用水总量wtotal：wtotal＝wfresh+wrecycle＝100m³/h

计算有效用水量weffect:weffect＝wfresh－wout＝25m³/h

计算wunit＝wfresh/pout＝12m³/t

计算水资源有效利用率ηe＝weffect/wfresh＝83％

计算水资源循环利用率ηr＝wrecycle/wtotal＝70％

由于wunit>wnorm，则发出操作指令，降低新鲜水用量，加大循环水的使用量，即采用部分循环水以代替新鲜补充水作为设备冷却水，同时检查或者更换密闭式散热器，直到其达到正常运行状态，再启动循环水的电动阀，以增加循环水进入凉水池的流量。

继续监测，测量并计算出生产工序的水足迹，如下：

循环水量wrecycle：98m³/h

新鲜补充水量wfresh：10m³/h

外排水量wout：2.5m³/h

dcs系统计量产品产量：2.5t/h

计算得到玻璃基板生产所需要的总用水量wtotal：wtotal＝wfresh+wrecycle＝108m³/h。

计算有效用水量weffect:weffect＝wfresh－wout＝7.5m³/h

计算wunit＝wfresh/pout＝8m³/t

计算水资源有效利用率ηe＝weffect/wfresh＝75％

计算水资源循环利用率ηr＝wrecycle/wtotal＝91％

由于ηe>70％，则发出操作指令，调整废水排放量wout，降低废水中cod含量，直到ηe>为71％为止，此时wout排放量调整为2.9m³/h。

继续监测，测量并计算出生产工序的水足迹，如下：

循环水量wrecycle：98m³/h

新鲜补充水量wfresh：10m³/h

外排水量wout：2.9m³/h

dcs系统计量产品产量：2.5t/h

计算得到玻璃基板生产所需要的总用水量wtotal：wtotal＝wfresh+wrecycle＝108m³/h。

计算有效用水量weffect:weffect＝wfresh－wout＝7.1m³/h

计算wnorm＝wfresh/pout＝4m³/t

计算水资源有效利用率ηe＝weffect/wfresh＝71％

计算水资源循环利用率ηr＝wrecycle/wtotal＝91％

满足控制指标要求，计算水足迹，输出参数集。

dcs系统物料清单：超纯石英砂、硼酸、碳酸钙、氧化锌、氧化铝、电力、天然气分别为52t/h，11.2t/h，5.6t/h，0.76t/h，1.3t/h，1100kwh/h，22.8m³/h。

间接水足迹wfpind＝∑amounti·factori＝302.33m³

灰水足迹

蓝水足迹wfpblue＝10m³

总水足迹wfp＝wfpind+wfpblue+wfpgrey＝315.57m³

参数集(wfresh，wrecycle，wout，pout，wtotal、wunit，weffect、ηe，ηr，ccod，wfpind，wfpblue，wfpgrey，wfptotal)为：

(10，98，2.9，2.5，108、4，7.1，71％，91％，125，302.33，10，3.24，315.57)。

继续监测，并转入下一个在线控制周期，直到设定的在线控制周期数终止。