一種循環冷卻水系統最優供水溫度控制方法與流程

2023-05-05 17:16:41 1

本發明涉及一種循環冷卻水系統最優供水溫度控制方法，屬於機械抽風式冷卻塔、工頻風機的循環冷卻水場及需循環冷卻水冷卻的壓縮機或凝汽式汽輪機用戶的循環冷卻水系統。
背景技術：
：循環冷卻水系統廣泛應用於煉油、化工、鋼鐵等行業中，是重要的公用工程系統。循環冷卻水系統擔負著移除用戶系統熱負荷的任務，其供水溫度對用戶系統的換熱面積、效果、需水量具有直接影響，進而對投資、運行費用產生影響。循環水冷卻用戶裡面，壓縮機及凝汽式汽輪機對於供水溫度尤為敏感，冷卻溫度的變化直接影響其能耗：凝汽式汽輪機的排汽壓力對運行經濟性有明顯影響——相同的進汽參數下，排汽壓力越低則凝汽式汽輪機的內效率越高，即發電量或做功越大，而影響凝汽器真空度的主要因素就是冷卻水溫度和冷卻倍率。同樣的，壓縮機在保證不發生喘振的情況下，一入和中間冷卻器物料的冷卻溫度越低，達到同樣的供氣壓力時耗費的能量越少。這說明循環冷卻水供水溫度調控對於控制系統能耗十分重要。但循環冷卻水供水溫度取決於冷卻塔的冷卻能力，進而與風機的運行數量、狀態有關，如要達到較低的循環冷卻水溫度，勢必要增加風機運行能耗。所以，用戶系統能耗應與循環冷卻塔風機能耗平衡，存在最優點。而且，工廠實際生產操作中，因無技術支持，循環冷卻水溫度或維持某一數值不變，或依靠經驗盲目調節，缺乏系統性的考慮。此種調節方式存在的問題主要是：循環冷卻水系統設計是以最惡劣環境因素情況下保證生產穩定為基礎，實際運行以此為準必然造成裕度很大，未考慮與用戶系統的協同節能效果；另外，季節、天氣或生產工況發生變化時，冷卻塔的冷卻能力會發生變化，生產系統熱負荷也相應改變，維持供水溫度不變或僅以經驗調節往往會造成生產波動，而且調節與控制延後，能耗也會增大。控制循環冷卻水出水溫度，為工頻風機啟停提供技術支持，並保證壓縮機及凝汽式汽輪機穩定運行，需要找出環境溫度、溼度、氣壓、壓縮機及凝汽式汽輪機等設備與水溫變化的關係，實時監測循環冷卻水出水溫度，通過及時調控風機的啟停臺數穩定供水溫度，實現節能目的。技術實現要素：本發明的目的是提供一種循環冷卻水系統最優供水溫度控制方法，為工頻風機啟停提供技術支持，並保證壓縮機及凝汽式汽輪機穩定運行，綜合考慮環境溫度、溼度、氣壓、壓縮機及凝汽式汽輪機等設備與水溫變化的關係，實時監測循環冷卻水出水溫度，通過及時調控風機的啟停臺數穩定供水溫度，實現節能目的。其技術方案是：一種循環冷卻水系統最優供水溫度控制方法，包括以下步驟：1-1．冷卻塔熱工計算：實時採集運行參數與氣象信息，進行冷卻塔熱工計算，計算使用不同風機數量時的供水溫度，得到風機能耗與循環冷卻水供水溫度的關係；1-2．用戶單元建模：利用專業軟體進行系統建模，建立壓縮機、凝汽式汽輪機、工藝換熱器在不同循環冷卻水供水溫度下的模型，得到用戶單元能耗與循環冷卻水供水溫度的關係；1-3．最優供水溫度優化應用：綜合考慮所述循環冷卻水供水溫度、風機能耗、用戶單元能耗三者關係，以能耗最低為目標函數優化計算，得到循環冷卻水最優供水溫度，並通過調節風機角度、數量的方法進行控制。所述冷卻塔熱工計算包括以下步驟：2-1．使用大氣壓計、溼度計、溫度計、流量計、畢託管、數字微壓計測量工具，現場實時採集大氣壓力、相對溼度、環境溫度、循環冷卻水進出塔溫度、上塔水量、進塔風量的實際運行參數數據；2-2．利用所述步驟2-1中實時採集的參數數據，通過集成公式軟體模擬預測單塔出水溫度，進行冷卻塔單塔熱工計算；2-3．風機能耗與循環冷卻水供水溫度關係計算，通過所述步驟2-2的冷卻塔單塔熱工計算，得到開風機上水與不開風機上水兩種情況對應的單塔出水溫度，然後根據熱量守恆計算出開啟不同的風機數量或不同型號的風機組合對應的循環冷卻水供水溫度，並得到風機能耗與循環冷卻水供水溫度關係。所述步驟2-2冷卻塔單塔熱工計算的原理：冷卻塔熱工計算基本原理如式1所示：式1，式1中，k---水的蒸發散熱係數；βxv---冷卻塔淋水填料容積散質係數，kg/m3h；v---冷卻塔淋水填料體積，m3；q----冷卻塔上塔水量，m3/h；cw---冷卻水比熱，kj/kg；h，h″---環境條件下的空氣焓值，飽和焓值，kj/kg；t1---循環冷卻水回水溫度，即上塔溫度，℃；t2---循環冷卻水經冷卻塔冷卻後溫度，℃；式1等號右邊表示冷卻塔冷卻任務的大小，稱為冷卻數n，與循環冷卻水進出水溫、氣象條件有關；式1等號左邊表示冷卻塔淋水填料的冷卻能力，稱為冷卻特性數n'，由填料的熱力性能和氣水比λ決定；填料的冷卻特性數與氣水比存在如下關係式：式2，式2中：n′----填料冷卻特性數，無量綱；λ----氣水比，進塔的幹空氣與水的質量比，kg(da)/kg；a、p為常數，由冷卻塔提供商經試驗得到；冷卻數n可採用simpson二段公式作簡化計算，滿足工程誤差需求：式3，式3中：n----冷卻數，無量綱；h1，h2，hm----分別為溫度t1，t2，平均溫度下的空氣焓值，kj/kg；h1″，h2″，hm″----分別為溫度t1，t2，平均溫度下的飽和焓值，kj/kg；式2）、式3可通過現場實時採集大氣壓力、相對溼度、環境溫度、循環冷卻水進出塔溫度、上塔水量等實際運行參數數據，結合冷卻塔工藝條件求得；循環冷卻水回水進塔溫度t1通過溫度計實際測量得到，但循環冷卻水經上塔冷卻後溫度t2是需要求解的值，式3不能直接求得可根據式1描述的基本原理——n=n′時，冷卻塔的冷卻能力能實現所要求的冷卻任務，不斷試差得到循環冷卻水供水溫度即先假設一個t2的初值，求解出一個假定的n值，然後對比n與n′的差值，不斷改變t2的預設值，當n=n′時，t2即為循環冷卻水回水經此塔冷卻後的溫度。所述步驟2-3的計算原理與公式：循環冷卻水回水上塔冷卻有開風機、不開風機兩種情況，進風量有所不同，冷卻效果也不同，不開風機時，通風量僅靠自然吸氣提供，風量小，冷卻效果差；開風機時，通風量受機械抽風、自然吸氣的疊加作用，風量大，冷卻效果好。兩種情況經熱工計算，分別得到開風機冷卻塔出水溫度ta、不開風機冷卻塔出水溫度tb；多個冷卻塔冷卻出水的混合組成循環冷卻水總管出水，總管供水溫度tp可根據不同塔的上塔水量及計算出的單塔出水溫度利用熱力學平衡計算：式4，式4中：tp---循環冷卻水系統供水溫度，℃；to---循環冷卻水系統回水溫度，℃；qu---開風機的上塔水量，kg/h；qd---不開風機的上塔水量，kg/h；qn---循環冷卻水總水量，kg/h；由此可得到不同風機開啟臺數及其所對應的供水溫度，進而得到此供水溫度下對應的風機能耗：式5，式5中，---環境條件下達到供水溫度tp所需要的風機總能耗，kw；---環境條件下單個風機運行能耗，kw；n---風機開啟臺數。所述步驟1-2中，利用專業軟體進行系統建模，建立壓縮機、凝汽式汽輪機在不同循環冷卻水供水溫度下的模型，得到壓縮機能耗與循環冷卻水供水溫度的關係；模擬過程中：（一）根據物料側合理選擇最佳物性方程；（二）將系統內所有壓縮機、凝汽式汽輪機、循環水冷卻器以實際情況建模，尤其注意準確模擬壓縮機的一入及中間循環水冷卻器及凝汽式汽輪機的凝汽器，得到準確的傳熱效率；（三）靈敏度分析，更改循環冷卻水溫度，得到用戶系統總能耗pu與循環冷卻水供水溫度tp的關係：式6，式6中，pu為用戶系統能耗。所述步驟1-3中，所述目標函數為：式7，式7中，minp為循環冷卻水系統綜合能耗目標值，包括風機功率與壓縮機（凝汽式汽輪機）能耗。所述專業軟體為aspenplus、hysys、proii。本發明與現有技術相比較，具有的有益效果是：綜合考慮了環境因素、工藝條件，進行科學計算與優化控制，得到具有機械抽風式冷卻塔、工頻風機、壓縮機或凝汽式汽輪機的循環冷卻水系統的最優供水溫度，能達到系統穩定、節約能源及低成本運行的目的。附圖說明圖1是本發明一種實施例的循環冷卻水系統示意圖；圖2為本發明一種實施例的循環冷卻水系統用戶單元aspenplus模擬圖。具體實施方式一種循環冷卻水系統最優供水溫度控制方法，包括以下步驟：1-1．冷卻塔熱工計算：實時採集運行參數與氣象信息，進行冷卻塔熱工計算，計算使用不同風機數量時的供水溫度，得到風機能耗與循環冷卻水供水溫度的關係；1-2．用戶單元建模：利用專業軟體進行系統建模，建立壓縮機、凝汽式汽輪機、工藝換熱器在不同循環冷卻水供水溫度下的模型，得到用戶單元能耗與循環冷卻水供水溫度的關係；1-3．最優供水溫度優化應用：綜合考慮所述循環冷卻水供水溫度、風機能耗、用戶單元能耗三者關係，以能耗最低為目標函數優化計算，得到循環冷卻水最優供水溫度，並通過調節風機角度、數量的方法進行控制。所述冷卻塔熱工計算包括以下步驟：2-1．使用大氣壓計、溼度計、溫度計、流量計、畢託管、數字微壓計測量工具，現場實時採集大氣壓力、相對溼度、環境溫度、循環冷卻水進出塔溫度、上塔水量、進塔風量的實際運行參數數據；2-2．利用所述步驟2-1中實時採集的參數數據，通過集成公式軟體模擬預測單塔出水溫度，進行冷卻塔單塔熱工計算；2-3．風機能耗與循環冷卻水供水溫度關係計算，通過所述步驟2-2的冷卻塔單塔熱工計算，得到開風機上水與不開風機上水兩種情況對應的單塔出水溫度，然後根據熱量守恆計算出開啟不同的風機數量或不同型號的風機組合對應的循環冷卻水供水溫度，並得到風機能耗與循環冷卻水供水溫度關係。所述步驟2-2冷卻塔單塔熱工計算的原理：冷卻塔熱工計算基本原理如式1所示：式1，式1中，k---水的蒸發散熱係數；βxv---冷卻塔淋水填料容積散質係數，kg/m3h；v---冷卻塔淋水填料體積，m3；q----冷卻塔上塔水量，m3/h；cw---冷卻水比熱，kj/kg；h，h″---環境條件下的空氣焓值，飽和焓值，kj/kg；t1---循環冷卻水回水溫度，即上塔溫度，℃；t2---循環冷卻水經冷卻塔冷卻後溫度，℃；式1等號右邊表示冷卻塔冷卻任務的大小，稱為冷卻數n，與循環冷卻水進出水溫、氣象條件有關；式1等號左邊表示冷卻塔淋水填料的冷卻能力，稱為冷卻特性數n'，由填料的熱力性能和氣水比λ決定；填料的冷卻特性數與氣水比存在如下關係式：式2，式2中：n′----填料冷卻特性數，無量綱；λ----氣水比，進塔的幹空氣與水的質量比，kg(da)/kg；a、p為常數，由冷卻塔提供商經試驗得到；冷卻數n可採用simpson二段公式作簡化計算，滿足工程誤差需求：式3，式3中：n----冷卻數，無量綱；h1，h2，hm----分別為溫度t1，t2，平均溫度下的空氣焓值，kj/kg；h1″，h2″，hm″----分別為溫度t1，t2，平均溫度下的飽和焓值，kj/kg；式2）、式3可通過現場實時採集大氣壓力、相對溼度、環境溫度、循環冷卻水進出塔溫度、上塔水量等實際運行參數數據，結合冷卻塔工藝條件求得；具體公式可參考《機械通風冷卻塔工藝設計規範》（gb-t50392-2006），在此不一一贅述。循環冷卻水回水進塔溫度t1通過溫度計實際測量得到，但循環冷卻水經上塔冷卻後溫度t2是需要求解的值，式3不能直接求得可根據式1描述的基本原理——n=n′時，冷卻塔的冷卻能力能實現所要求的冷卻任務，不斷試差得到循環冷卻水供水溫度即先假設一個t2的初值，求解出一個假定的n值，然後對比n與n′的差值，不斷改變t2的預設值，當n=n′時，t2即為循環冷卻水回水經此塔冷卻後的溫度。所述步驟2-3的計算原理與公式：循環冷卻水回水上塔冷卻有開風機、不開風機兩種情況，進風量有所不同，冷卻效果也不同，不開風機時，通風量僅靠自然吸氣提供，風量小，冷卻效果差；開風機時，通風量受機械抽風、自然吸氣的疊加作用，風量大，冷卻效果好。兩種情況經熱工計算，分別得到開風機冷卻塔出水溫度ta、不開風機冷卻塔出水溫度tb；多個冷卻塔冷卻出水的混合組成循環冷卻水總管出水，總管供水溫度tp可根據不同塔的上塔水量及計算出的單塔出水溫度利用熱力學平衡計算：式4，式4中：tp---循環冷卻水系統供水溫度，℃；to---循環冷卻水系統回水溫度，℃；qu---開風機的上塔水量，kg/h；qd---不開風機的上塔水量，kg/h；qn---循環冷卻水總水量，kg/h；由此可得到不同風機開啟臺數及其所對應的供水溫度，進而得到此供水溫度下對應的風機能耗：式5，式5中，---環境條件下達到供水溫度tp所需要的風機總能耗，kw；---環境條件下單個風機運行能耗，kw；n---風機開啟臺數。所述步驟1-2中，利用專業軟體進行系統建模，建立壓縮機、凝汽式汽輪機在不同循環冷卻水供水溫度下的模型，得到壓縮機能耗與循環冷卻水供水溫度的關係；模擬過程中：（一）根據物料側合理選擇最佳物性方程；（二）將系統內所有壓縮機、凝汽式汽輪機、循環水冷卻器以實際情況建模，尤其注意準確模擬壓縮機的一入及中間循環水冷卻器及凝汽式汽輪機的凝汽器，得到準確的傳熱效率；（三）靈敏度分析，更改循環冷卻水溫度，得到用戶系統總能耗pu與循環冷卻水供水溫度tp的關係：式6，式6中，pu為用戶系統能耗。所述步驟1-3中，所述目標函數為：式7，式7中，minp為循環冷卻水系統綜合能耗目標值，包括風機功率與壓縮機（凝汽式汽輪機）能耗。實施例：如圖1所示某化工企業循環冷卻水系統示意圖，該循環冷卻水系統為三套裝置共24臺換熱器提供循環冷卻水，配備5臺循環冷卻水泵和6座冷卻塔，用戶除常規換熱器外，另包括1臺單級壓縮機（k1001）、1臺三級壓縮機（k1002）、1臺凝汽式汽輪機cb1001。該企業所在地屬於典型的大陸性季風氣候，晝夜、季節溫差大，但循環冷卻水供水溫度長期維持30±1℃數值不變，未進行能耗優化驗證，能耗較大。且採用人工調節，無技術支持，控制延後，供水溫度波動範圍較大。利用本發明一種循環冷卻水系統最優供水溫度控制方法，具體實施過程如下：1）冷卻塔熱工計算：實時採集運行參數與氣象信息，進行冷卻塔熱工計算，計算不同風機數量的供水溫度，得到風機能耗與循環冷卻水供水溫度的關係；使用大氣壓計、溼度計、溫度計、流量計、畢託管、數字微壓計等工具，現場實時採集大氣壓力、相對溼度、環境溫度、循環冷卻水進出塔溫度、上塔水量、進塔風量等實際運行參數數據；如某時刻現場測試：大氣壓力100.14kpa，溼度73%，環境溫度29.48℃，循環冷卻水進口溫度35.39℃，上塔水量3400m3/h，總水量開風機風量2.3x106m3/h。通過集成公式軟體模擬預測單塔出水溫度，進行冷卻塔單塔熱工計算：冷卻塔熱工計算基本原理如式1所示：式1，填料的冷卻特性數n'與氣水比存在如下關係式：式2，冷卻數n可採用simpson二段公式作簡化計算，滿足工程誤差需求：式3，式1—3）為基本原理公式，詳細計算公式可參考《機械通風冷卻塔工藝設計規範》（gb-t50392-2006），在此不一一贅述。編寫軟體集成公式可簡化難度，減少重複性計算誤差。採用試差法求得n=n′時的循環冷卻水上塔冷卻後溫度t2，即先假設一個t2的初值，求解出一個假定的n值，然後對比n與n′的差值，不斷改變t2的預設值，當n=n′時，t2即為循環冷卻水回水經此塔冷卻後的溫度。如在某時刻現場測試條件下：大氣壓力100.14kpa，溼度73%，環境溫度29.48℃，循環冷卻水進口溫度35.39℃，上塔水量3400m3/h，總水量開風機風量2.3x106m3/h。計算得到循環水經開風機的塔冷卻後的溫度為29.85℃，經不開風機的塔冷卻後的溫度為33.88℃。風機能耗與循環冷卻水供水溫度關係計算：通過冷卻塔單塔熱工計算，得到開風機上水與不開風機上水兩種情況對應的單塔出水溫度，然後根據熱量守恆計算出開啟不同的風機數量或不同型號的風機組合對應的循環冷卻水供水溫度，如式4所示。式4，經冷卻塔熱工計算，可得到一系列不同風機開啟臺數能達到的供水溫度，並得到風機能耗與循環冷卻水供水溫度關係。本案例中風機及其驅動電機型號相同，能耗為160kw/臺，由此可得到此供水溫度下對應的風機能耗，如表一所示。表一風機能耗與循環水出水溫度關係風機開啟臺數123456循環水供水溫度（℃）33.0532.4731.6930.7130.1229.64風機系統能耗（kw）1603204806408009602）用戶單元建模：利用專業軟體進行系統建模，建立壓縮機、凝汽式汽輪機、工藝換熱器在不同循環冷卻水供水溫度下的模型，得到用戶單元能耗與循環冷卻水供水溫度的關係；如圖1所示，k1001物料一入冷卻前溫度為78℃，可使用循環冷卻水冷卻至35-45℃；k1002一入物料溫度-15℃，兩級中間冷卻器使用循環冷卻水冷卻，冷卻溫度30-50℃滿足工藝要求；1臺凝汽式汽輪機cb1001，設計出口真空度0.012mpa左右，乏汽溫度約為63℃，使用冷卻水冷卻。本案例利用aspenplus建模如圖2所示，在現有的換熱器及泵能耗不變的情況下，計算循環冷卻水供水溫度29.64-33.05℃的變化範圍引起的壓縮機及凝汽式汽輪機能耗變化。建模計算結果如表二所示。表二用戶系統能耗與循環水供水溫度關係循環水供水溫度（℃）33.0532.4731.6930.7130.1229.64壓縮機k1001能耗（kw）231208192182174165壓縮機k1002能耗（kw）467418389369351327凝汽式汽輪機能耗（kw）-1120-1259-1380-1472-1561-1642用戶系統總能耗（kw）-422-633-799-921-1036-1150註：正值表示耗能，需輸入能量；負值表示做功，可提供能量。3）綜合考慮循環冷卻水供水溫度、風機能耗、壓縮機（凝汽式汽輪機）能耗三者關係，以能耗最低為目標函數優化計算，得到循環冷卻水最優供水溫度，並通過調節風機角度、數量等方法進行控制。式5，式5中，minp為循環冷卻水系統綜合能耗目標值，包括風機功率與壓縮機（凝汽式汽輪機）能耗。對本實施案例來講，可用得到的功減去耗能來計算，最大量對應的溫度即為最佳供水溫度，通過計算，系統總能耗最低點-319kw，即最大輸出功為319kw，對應的循環水供水溫度為31.69℃，即為本環境條件下的最優供水溫度。表三總能耗與循環水供水溫度關係循環水供水溫度（℃）33.0532.4731.6930.7130.1229.64風機系統能耗（kw）160320480640800960用戶系統總能耗（kw）-422-633-799-921-1036-1150總能耗（kw）-262-313-319-281-236-190註：正值表示耗能，需輸入能量；負值表示做功，可提供能量。需要說明的是，天氣變化頻繁，頻繁變動供水溫度不利於裝置穩定，應根據當地氣候，或早晚或季節性調節供水溫度。本發明具有的有益效果是：綜合考慮了環境因素、工藝條件，進行科學計算與優化控制，得到具有機械抽風式冷卻塔、工頻風機、壓縮機或凝汽式汽輪機的循環冷卻水系統的最優供水溫度，能達到系統穩定、節約能源及低成本運行的目的。以上僅是本發明的優選實施方式，應當指出，對於本
技術領域：
的普通技術人員來說，在不脫離本發明技術原理的前提下，還可以做出若干改進和變型，這些改進和變型也應視為本發明的保護範圍。當前第1頁12