一种循环冷却水系统最优供水温度控制方法与流程

本发明涉及一种循环冷却水系统最优供水温度控制方法，属于机械抽风式冷却塔、工频风机的循环冷却水场及需循环冷却水冷却的压缩机或凝汽式汽轮机用户的循环冷却水系统。
背景技术：
：循环冷却水系统广泛应用于炼油、化工、钢铁等行业中，是重要的公用工程系统。循环冷却水系统担负着移除用户系统热负荷的任务，其供水温度对用户系统的换热面积、效果、需水量具有直接影响，进而对投资、运行费用产生影响。循环水冷却用户里面，压缩机及凝汽式汽轮机对于供水温度尤为敏感，冷却温度的变化直接影响其能耗：凝汽式汽轮机的排汽压力对运行经济性有明显影响——相同的进汽参数下，排汽压力越低则凝汽式汽轮机的内效率越高，即发电量或做功越大，而影响凝汽器真空度的主要因素就是冷却水温度和冷却倍率。同样的，压缩机在保证不发生喘振的情况下，一入和中间冷却器物料的冷却温度越低，达到同样的供气压力时耗费的能量越少。这说明循环冷却水供水温度调控对于控制系统能耗十分重要。但循环冷却水供水温度取决于冷却塔的冷却能力，进而与风机的运行数量、状态有关，如要达到较低的循环冷却水温度，势必要增加风机运行能耗。所以，用户系统能耗应与循环冷却塔风机能耗平衡，存在最优点。而且，工厂实际生产操作中，因无技术支持，循环冷却水温度或维持某一数值不变，或依靠经验盲目调节，缺乏系统性的考虑。此种调节方式存在的问题主要是：循环冷却水系统设计是以最恶劣环境因素情况下保证生产稳定为基础，实际运行以此为准必然造成裕度很大，未考虑与用户系统的协同节能效果；另外，季节、天气或生产工况发生变化时，冷却塔的冷却能力会发生变化，生产系统热负荷也相应改变，维持供水温度不变或仅以经验调节往往会造成生产波动，而且调节与控制延后，能耗也会增大。控制循环冷却水出水温度，为工频风机启停提供技术支持，并保证压缩机及凝汽式汽轮机稳定运行，需要找出环境温度、湿度、气压、压缩机及凝汽式汽轮机等设备与水温变化的关系，实时监测循环冷却水出水温度，通过及时调控风机的启停台数稳定供水温度，实现节能目的。技术实现要素：本发明的目的是提供一种循环冷却水系统最优供水温度控制方法，为工频风机启停提供技术支持，并保证压缩机及凝汽式汽轮机稳定运行，综合考虑环境温度、湿度、气压、压缩机及凝汽式汽轮机等设备与水温变化的关系，实时监测循环冷却水出水温度，通过及时调控风机的启停台数稳定供水温度，实现节能目的。其技术方案是：一种循环冷却水系统最优供水温度控制方法，包括以下步骤：1-1．冷却塔热工计算：实时采集运行参数与气象信息，进行冷却塔热工计算，计算使用不同风机数量时的供水温度，得到风机能耗与循环冷却水供水温度的关系；1-2．用户单元建模：利用专业软件进行系统建模，建立压缩机、凝汽式汽轮机、工艺换热器在不同循环冷却水供水温度下的模型，得到用户单元能耗与循环冷却水供水温度的关系；1-3．最优供水温度优化应用：综合考虑所述循环冷却水供水温度、风机能耗、用户单元能耗三者关系，以能耗最低为目标函数优化计算，得到循环冷却水最优供水温度，并通过调节风机角度、数量的方法进行控制。所述冷却塔热工计算包括以下步骤：2-1．使用大气压计、湿度计、温度计、流量计、毕托管、数字微压计测量工具，现场实时采集大气压力、相对湿度、环境温度、循环冷却水进出塔温度、上塔水量、进塔风量的实际运行参数数据；2-2．利用所述步骤2-1中实时采集的参数数据，通过集成公式软件模拟预测单塔出水温度，进行冷却塔单塔热工计算；2-3．风机能耗与循环冷却水供水温度关系计算，通过所述步骤2-2的冷却塔单塔热工计算，得到开风机上水与不开风机上水两种情况对应的单塔出水温度，然后根据热量守恒计算出开启不同的风机数量或不同型号的风机组合对应的循环冷却水供水温度，并得到风机能耗与循环冷却水供水温度关系。所述步骤2-2冷却塔单塔热工计算的原理：冷却塔热工计算基本原理如式1所示：式1，式1中，k---水的蒸发散热系数；βxv---冷却塔淋水填料容积散质系数，kg/m3h；v---冷却塔淋水填料体积，m3；q----冷却塔上塔水量，m3/h；cw---冷却水比热，kj/kg；h，h″---环境条件下的空气焓值，饱和焓值，kj/kg；t1---循环冷却水回水温度，即上塔温度，℃；t2---循环冷却水经冷却塔冷却后温度，℃；式1等号右边表示冷却塔冷却任务的大小，称为冷却数n，与循环冷却水进出水温、气象条件有关；式1等号左边表示冷却塔淋水填料的冷却能力，称为冷却特性数n'，由填料的热力性能和气水比λ决定；填料的冷却特性数与气水比存在如下关系式：式2，式2中：n′----填料冷却特性数，无量纲；λ----气水比，进塔的干空气与水的质量比，kg(da)/kg；a、p为常数，由冷却塔提供商经试验得到；冷却数n可采用simpson二段公式作简化计算，满足工程误差需求：式3，式3中：n----冷却数，无量纲；h1，h2，hm----分别为温度t1，t2，平均温度下的空气焓值，kj/kg；h1″，h2″，hm″----分别为温度t1，t2，平均温度下的饱和焓值，kj/kg；式2）、式3可通过现场实时采集大气压力、相对湿度、环境温度、循环冷却水进出塔温度、上塔水量等实际运行参数数据，结合冷却塔工艺条件求得；循环冷却水回水进塔温度t1通过温度计实际测量得到，但循环冷却水经上塔冷却后温度t2是需要求解的值，式3不能直接求得可根据式1描述的基本原理——n=n′时，冷却塔的冷却能力能实现所要求的冷却任务，不断试差得到循环冷却水供水温度即先假设一个t2的初值，求解出一个假定的n值，然后对比n与n′的差值，不断改变t2的预设值，当n=n′时，t2即为循环冷却水回水经此塔冷却后的温度。所述步骤2-3的计算原理与公式：循环冷却水回水上塔冷却有开风机、不开风机两种情况，进风量有所不同，冷却效果也不同，不开风机时，通风量仅靠自然吸气提供，风量小，冷却效果差；开风机时，通风量受机械抽风、自然吸气的叠加作用，风量大，冷却效果好。两种情况经热工计算，分别得到开风机冷却塔出水温度ta、不开风机冷却塔出水温度tb；多个冷却塔冷却出水的混合组成循环冷却水总管出水，总管供水温度tp可根据不同塔的上塔水量及计算出的单塔出水温度利用热力学平衡计算：式4，式4中：tp---循环冷却水系统供水温度，℃；to---循环冷却水系统回水温度，℃；qu---开风机的上塔水量，kg/h；qd---不开风机的上塔水量，kg/h；qn---循环冷却水总水量，kg/h；由此可得到不同风机开启台数及其所对应的供水温度，进而得到此供水温度下对应的风机能耗：式5，式5中，---环境条件下达到供水温度tp所需要的风机总能耗，kw；---环境条件下单个风机运行能耗，kw；n---风机开启台数。所述步骤1-2中，利用专业软件进行系统建模，建立压缩机、凝汽式汽轮机在不同循环冷却水供水温度下的模型，得到压缩机能耗与循环冷却水供水温度的关系；模拟过程中：（一）根据物料侧合理选择最佳物性方程；（二）将系统内所有压缩机、凝汽式汽轮机、循环水冷却器以实际情况建模，尤其注意准确模拟压缩机的一入及中间循环水冷却器及凝汽式汽轮机的凝汽器，得到准确的传热效率；（三）灵敏度分析，更改循环冷却水温度，得到用户系统总能耗pu与循环冷却水供水温度tp的关系：式6，式6中，pu为用户系统能耗。所述步骤1-3中，所述目标函数为：式7，式7中，minp为循环冷却水系统综合能耗目标值，包括风机功率与压缩机（凝汽式汽轮机）能耗。所述专业软件为aspenplus、hysys、proii。本发明与现有技术相比较，具有的有益效果是：综合考虑了环境因素、工艺条件，进行科学计算与优化控制，得到具有机械抽风式冷却塔、工频风机、压缩机或凝汽式汽轮机的循环冷却水系统的最优供水温度，能达到系统稳定、节约能源及低成本运行的目的。附图说明图1是本发明一种实施例的循环冷却水系统示意图；图2为本发明一种实施例的循环冷却水系统用户单元aspenplus模拟图。具体实施方式一种循环冷却水系统最优供水温度控制方法，包括以下步骤：1-1．冷却塔热工计算：实时采集运行参数与气象信息，进行冷却塔热工计算，计算使用不同风机数量时的供水温度，得到风机能耗与循环冷却水供水温度的关系；1-2．用户单元建模：利用专业软件进行系统建模，建立压缩机、凝汽式汽轮机、工艺换热器在不同循环冷却水供水温度下的模型，得到用户单元能耗与循环冷却水供水温度的关系；1-3．最优供水温度优化应用：综合考虑所述循环冷却水供水温度、风机能耗、用户单元能耗三者关系，以能耗最低为目标函数优化计算，得到循环冷却水最优供水温度，并通过调节风机角度、数量的方法进行控制。所述冷却塔热工计算包括以下步骤：2-1．使用大气压计、湿度计、温度计、流量计、毕托管、数字微压计测量工具，现场实时采集大气压力、相对湿度、环境温度、循环冷却水进出塔温度、上塔水量、进塔风量的实际运行参数数据；2-2．利用所述步骤2-1中实时采集的参数数据，通过集成公式软件模拟预测单塔出水温度，进行冷却塔单塔热工计算；2-3．风机能耗与循环冷却水供水温度关系计算，通过所述步骤2-2的冷却塔单塔热工计算，得到开风机上水与不开风机上水两种情况对应的单塔出水温度，然后根据热量守恒计算出开启不同的风机数量或不同型号的风机组合对应的循环冷却水供水温度，并得到风机能耗与循环冷却水供水温度关系。所述步骤2-2冷却塔单塔热工计算的原理：冷却塔热工计算基本原理如式1所示：式1，式1中，k---水的蒸发散热系数；βxv---冷却塔淋水填料容积散质系数，kg/m3h；v---冷却塔淋水填料体积，m3；q----冷却塔上塔水量，m3/h；cw---冷却水比热，kj/kg；h，h″---环境条件下的空气焓值，饱和焓值，kj/kg；t1---循环冷却水回水温度，即上塔温度，℃；t2---循环冷却水经冷却塔冷却后温度，℃；式1等号右边表示冷却塔冷却任务的大小，称为冷却数n，与循环冷却水进出水温、气象条件有关；式1等号左边表示冷却塔淋水填料的冷却能力，称为冷却特性数n'，由填料的热力性能和气水比λ决定；填料的冷却特性数与气水比存在如下关系式：式2，式2中：n′----填料冷却特性数，无量纲；λ----气水比，进塔的干空气与水的质量比，kg(da)/kg；a、p为常数，由冷却塔提供商经试验得到；冷却数n可采用simpson二段公式作简化计算，满足工程误差需求：式3，式3中：n----冷却数，无量纲；h1，h2，hm----分别为温度t1，t2，平均温度下的空气焓值，kj/kg；h1″，h2″，hm″----分别为温度t1，t2，平均温度下的饱和焓值，kj/kg；式2）、式3可通过现场实时采集大气压力、相对湿度、环境温度、循环冷却水进出塔温度、上塔水量等实际运行参数数据，结合冷却塔工艺条件求得；具体公式可参考《机械通风冷却塔工艺设计规范》（gb-t50392-2006），在此不一一赘述。循环冷却水回水进塔温度t1通过温度计实际测量得到，但循环冷却水经上塔冷却后温度t2是需要求解的值，式3不能直接求得可根据式1描述的基本原理——n=n′时，冷却塔的冷却能力能实现所要求的冷却任务，不断试差得到循环冷却水供水温度即先假设一个t2的初值，求解出一个假定的n值，然后对比n与n′的差值，不断改变t2的预设值，当n=n′时，t2即为循环冷却水回水经此塔冷却后的温度。所述步骤2-3的计算原理与公式：循环冷却水回水上塔冷却有开风机、不开风机两种情况，进风量有所不同，冷却效果也不同，不开风机时，通风量仅靠自然吸气提供，风量小，冷却效果差；开风机时，通风量受机械抽风、自然吸气的叠加作用，风量大，冷却效果好。两种情况经热工计算，分别得到开风机冷却塔出水温度ta、不开风机冷却塔出水温度tb；多个冷却塔冷却出水的混合组成循环冷却水总管出水，总管供水温度tp可根据不同塔的上塔水量及计算出的单塔出水温度利用热力学平衡计算：式4，式4中：tp---循环冷却水系统供水温度，℃；to---循环冷却水系统回水温度，℃；qu---开风机的上塔水量，kg/h；qd---不开风机的上塔水量，kg/h；qn---循环冷却水总水量，kg/h；由此可得到不同风机开启台数及其所对应的供水温度，进而得到此供水温度下对应的风机能耗：式5，式5中，---环境条件下达到供水温度tp所需要的风机总能耗，kw；---环境条件下单个风机运行能耗，kw；n---风机开启台数。所述步骤1-2中，利用专业软件进行系统建模，建立压缩机、凝汽式汽轮机在不同循环冷却水供水温度下的模型，得到压缩机能耗与循环冷却水供水温度的关系；模拟过程中：（一）根据物料侧合理选择最佳物性方程；（二）将系统内所有压缩机、凝汽式汽轮机、循环水冷却器以实际情况建模，尤其注意准确模拟压缩机的一入及中间循环水冷却器及凝汽式汽轮机的凝汽器，得到准确的传热效率；（三）灵敏度分析，更改循环冷却水温度，得到用户系统总能耗pu与循环冷却水供水温度tp的关系：式6，式6中，pu为用户系统能耗。所述步骤1-3中，所述目标函数为：式7，式7中，minp为循环冷却水系统综合能耗目标值，包括风机功率与压缩机（凝汽式汽轮机）能耗。实施例：如图1所示某化工企业循环冷却水系统示意图，该循环冷却水系统为三套装置共24台换热器提供循环冷却水，配备5台循环冷却水泵和6座冷却塔，用户除常规换热器外，另包括1台单级压缩机（k1001）、1台三级压缩机（k1002）、1台凝汽式汽轮机cb1001。该企业所在地属于典型的大陆性季风气候，昼夜、季节温差大，但循环冷却水供水温度长期维持30±1℃数值不变，未进行能耗优化验证，能耗较大。且采用人工调节，无技术支持，控制延后，供水温度波动范围较大。利用本发明一种循环冷却水系统最优供水温度控制方法，具体实施过程如下：1）冷却塔热工计算：实时采集运行参数与气象信息，进行冷却塔热工计算，计算不同风机数量的供水温度，得到风机能耗与循环冷却水供水温度的关系；使用大气压计、湿度计、温度计、流量计、毕托管、数字微压计等工具，现场实时采集大气压力、相对湿度、环境温度、循环冷却水进出塔温度、上塔水量、进塔风量等实际运行参数数据；如某时刻现场测试：大气压力100.14kpa，湿度73%，环境温度29.48℃，循环冷却水进口温度35.39℃，上塔水量3400m3/h，总水量开风机风量2.3x106m3/h。通过集成公式软件模拟预测单塔出水温度，进行冷却塔单塔热工计算：冷却塔热工计算基本原理如式1所示：式1，填料的冷却特性数n'与气水比存在如下关系式：式2，冷却数n可采用simpson二段公式作简化计算，满足工程误差需求：式3，式1—3）为基本原理公式，详细计算公式可参考《机械通风冷却塔工艺设计规范》（gb-t50392-2006），在此不一一赘述。编写软件集成公式可简化难度，减少重复性计算误差。采用试差法求得n=n′时的循环冷却水上塔冷却后温度t2，即先假设一个t2的初值，求解出一个假定的n值，然后对比n与n′的差值，不断改变t2的预设值，当n=n′时，t2即为循环冷却水回水经此塔冷却后的温度。如在某时刻现场测试条件下：大气压力100.14kpa，湿度73%，环境温度29.48℃，循环冷却水进口温度35.39℃，上塔水量3400m3/h，总水量开风机风量2.3x106m3/h。计算得到循环水经开风机的塔冷却后的温度为29.85℃，经不开风机的塔冷却后的温度为33.88℃。风机能耗与循环冷却水供水温度关系计算：通过冷却塔单塔热工计算，得到开风机上水与不开风机上水两种情况对应的单塔出水温度，然后根据热量守恒计算出开启不同的风机数量或不同型号的风机组合对应的循环冷却水供水温度，如式4所示。式4，经冷却塔热工计算，可得到一系列不同风机开启台数能达到的供水温度，并得到风机能耗与循环冷却水供水温度关系。本案例中风机及其驱动电机型号相同，能耗为160kw/台，由此可得到此供水温度下对应的风机能耗，如表一所示。表一风机能耗与循环水出水温度关系风机开启台数123456循环水供水温度（℃）33.0532.4731.6930.7130.1229.64风机系统能耗（kw）1603204806408009602）用户单元建模：利用专业软件进行系统建模，建立压缩机、凝汽式汽轮机、工艺换热器在不同循环冷却水供水温度下的模型，得到用户单元能耗与循环冷却水供水温度的关系；如图1所示，k1001物料一入冷却前温度为78℃，可使用循环冷却水冷却至35-45℃；k1002一入物料温度-15℃，两级中间冷却器使用循环冷却水冷却，冷却温度30-50℃满足工艺要求；1台凝汽式汽轮机cb1001，设计出口真空度0.012mpa左右，乏汽温度约为63℃，使用冷却水冷却。本案例利用aspenplus建模如图2所示，在现有的换热器及泵能耗不变的情况下，计算循环冷却水供水温度29.64-33.05℃的变化范围引起的压缩机及凝汽式汽轮机能耗变化。建模计算结果如表二所示。表二用户系统能耗与循环水供水温度关系循环水供水温度（℃）33.0532.4731.6930.7130.1229.64压缩机k1001能耗（kw）231208192182174165压缩机k1002能耗（kw）467418389369351327凝汽式汽轮机能耗（kw）-1120-1259-1380-1472-1561-1642用户系统总能耗（kw）-422-633-799-921-1036-1150注：正值表示耗能，需输入能量；负值表示做功，可提供能量。3）综合考虑循环冷却水供水温度、风机能耗、压缩机（凝汽式汽轮机）能耗三者关系，以能耗最低为目标函数优化计算，得到循环冷却水最优供水温度，并通过调节风机角度、数量等方法进行控制。式5，式5中，minp为循环冷却水系统综合能耗目标值，包括风机功率与压缩机（凝汽式汽轮机）能耗。对本实施案例来讲，可用得到的功减去耗能来计算，最大量对应的温度即为最佳供水温度，通过计算，系统总能耗最低点-319kw，即最大输出功为319kw，对应的循环水供水温度为31.69℃，即为本环境条件下的最优供水温度。表三总能耗与循环水供水温度关系循环水供水温度（℃）33.0532.4731.6930.7130.1229.64风机系统能耗（kw）160320480640800960用户系统总能耗（kw）-422-633-799-921-1036-1150总能耗（kw）-262-313-319-281-236-190注：正值表示耗能，需输入能量；负值表示做功，可提供能量。需要说明的是，天气变化频繁，频繁变动供水温度不利于装置稳定，应根据当地气候，或早晚或季节性调节供水温度。本发明具有的有益效果是：综合考虑了环境因素、工艺条件，进行科学计算与优化控制，得到具有机械抽风式冷却塔、工频风机、压缩机或凝汽式汽轮机的循环冷却水系统的最优供水温度，能达到系统稳定、节约能源及低成本运行的目的。以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本
技术领域：
的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。当前第1页12