一种工业循环水系统的优化方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及工业公用工程系统，尤其是涉及一种应用于冶金、石油、化工等领域的 循环水系统。
【背景技术】
[0002] 循环水系统是电力、冶金、石化等行业的重要公用工程。循环水系统运行质量的高 低直接影响着企业的产能，关系着生产装置和设备的运行安全、产品的产率和质量。据行业 统计显示，循环水系统的循环用水量占工业用水量的80%左右，是工业制造尤其是石油化 工领域用水量最大的系统，且随着工业化进程的推进，循环水系统的循环用水量所占比例 还将有所增大。同时，在循环水系统运行过程中，循环水的输送和冷却处理消耗大量的电 能，在石化企业正常运营的情况下，循环水系统的电耗约占全厂电耗的10-15 %，是石化行 业的耗电大户。目前，循环水系统普遍存在计量不全、运行能耗大、自动化程度低等缺陷，其 节能降耗空间巨大。据科学推算，工业循环水系统的节能空间可达20%以上。
[0003] 目前，针对循环水系统优化的研宄工作主要集中在三方面：第一是针对循环水泵、 冷却塔等单体设备的性能优化；第二是针对装置端循环水子系统的循环水用量优化；第三 是针对包括冷却塔、装置用水单元在内的循环水系统的集成优化。这三方面的优化虽然在 一定程度上改善了系统设备的性能，降低了装置的循环水用量。但目前的循环水系统优化 主要集中在循环水系统的局部方面，并未充分考虑各用水设备所需的压头、装置内循环水 管网的压力、现场用水设备的实际约束条件、循环水主管网的运行压力等因素，没有针对循 环水系统进行全流程优化，效果不甚理想，存在优化方案与现场实际应用相脱节的现象。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是提供一种工业循环水系统的优化方法，该方法综合考虑了水流量 平衡、热量平衡、水冷器、循环水泵、冷却塔风机、循环水管网、现场实际条件等因素，优化方 案更加切合企业实际，节水节能效果更为显著。
[0005] 为解决现有技术中存在问题，本发明包括以下步骤：
[0006] 一、以循环水用量最小为目标，根据各装置循环水子系统的用水特点，，建立各装 置循环水子系统的水量优化模型，确定各装置循环水子系统的水量优化方案；
[0007] 二、在对各装置循环水子系统进行水量优化的基础上，根据各装置循环水系统的 压力特点，建立循环水系统的全流程模型，对循环水系统中的所有设备和管网的压力进行 核算，并根据核算结果确定循环水系统的压力优化方案；
[0008] 三、在各装置循环水子系统水量优化和循环水系统压力优化的基础上，根据循环 水系统的运行要求，确定循环水系统的节电优化方案。进一步地，在所述步骤一中包括以下 步骤，
[0009] (一）以各装置循环水子系统的循环水用量最小为目标函数，采用超结构方法建 立各装置循环水子系统的超结构优化模型；
[0010] (二）对各装置循环水子系统的超结构优化模型进行求解，并根据求解结果优化 各装置循环水子系统的用水网络；
[0011] (三）对优化后的各装置循环水子系统的用水网络进行验证，并根据优化结果对 各装置循环水子系统的用水网络进行适应性调整或改造。进一步地，在所述步骤（一）中， 各装置循环水子系统的超结构优化模型满足以下条件，
[0012] ①以各装置循环水子系统的循环水用量最小为目标函数
[0013] Min Ft=E Ft；J (1)
[0014] ②各装置循环水子系统的水流量平衡约束为
[0015] fM+XFj,k Ni 紅、1 ⑵ k k
[0016] ③各装置循环水子系统中水冷器进口的热量平衡约束为
[0017] +Συ_ =(4 +Σ (3) k k
[0018] ④各装置循环水子系统中水冷器进出口的热量平衡约束为
[0019] +Σ^·^·τ,,?η +Qj =(^ + Σ^·.,)·^ ·^ V7-,J (4) k k
[0020] ⑤各装置循环水子系统中水冷器进出口的温度约束为
[0021] Tj,in < T- \fjeJ ⑴
[0022] Tji0ilt ^ T- VjeJ (6)
[0023] ⑥各装置循环水子系统中水冷器的温差约束为
[0024] ATj < ATJmx VjeJ (7)
[0025] ⑦整数变量约束为
[0026] Wj V7W (8)
[0027] Fj, < XhkUk yj,keJ (9)
[0028] Ρ]Λ < XuUj M/W (10)
[0029] ⑧各装置循环水子系统的现场条件约束为
[0030] 夏季工况下进水阀门全开时仍不能满足换热负荷的水冷器只消耗来自冷却塔的 循环水
[0031] Xtj = I yj,kej (11)
[0032] Xil = 0 V/,A e./ (12)
[0033] 距离较远的水冷器之间不相互供水
[0034] Xil =0 ν/,Λ e/ ( 13)
[0035] 间歇水冷器不能向其他水冷器供给循环水
[0036] Xh, =0 V/,A G./ (14)
[0037] 间歇水冷器的循环水直接排至冷却塔
[0038] Xjj =1 Vj,keJ (15)
[0039] 为了获得用水量少且结构简单的循环水用水网络，水冷器的循环水来源数目须小 于水冷器的最大连接数
[0040] YdXj^k < yk&j (16)
[0041] 在（1)至（16)的公式中，J代表各装置循环水子系统的水冷器集合，j，k表示水冷 器集合中的任意两个不同水冷器，C w为水的比热容，Ft为来自冷却塔的冷却水流量，FyS 水冷器j消耗的来自冷却塔的冷却水流量，Ft」为水冷器j消耗的来自水冷器k的冷却水流 量，Fj， k为水冷器k消耗的来自水冷器j的冷却水流量，F,为水冷器j排向冷却塔的冷却水 流量，#广为水冷器的最大连接数，Q j为水冷器j的热负荷，Λ T」为水冷器j的温差， 为水冷器j的最大温差，！\，_为冷却塔的出口温度，T」，_为水冷器j的出口温度，T !^为 水冷器k的出口温度，Tj，inS水冷器j的进口温度，ΤΧΓ为水冷器j的极限进口温度，为 水冷器j的极限出口温度，％为水冷器j的最大冷却水流量，U k为水冷器k的最大冷却水 流量，Xu为〇、1变量，表示水冷器j是否使用来自于冷却塔的冷却水，X u为〇、1变量，表 示水冷器k是否使用来自于水冷器j的冷却水，X11为0、1变量，表示水冷器j是否向冷却 塔排水。
[0042] 进一步地，在所述步骤二中包括以下步骤，
[0043] (一）根据对各装置循环水子系统进行水量优化的结果，建立包括循环水泵、循环 水管网、各装置、冷却塔在内的循环水系统的全流程模型；
[0044](二）根据循环水系统的全流程模型，分别对各装置循环水子系统所需的压头与 循环水泵所供的压头、各装置循环水子系统的出口压头与循环水场冷却塔所需的压头进行 对比核算，并对各装置循环水子系统所需的管网压力按等级进行分类；
[0045](三）根据各装置循环水子系统所需的管网压力等级分布情况，将循环水系统主 管网分为高压区和低压区，并对循环水系统主管网进行适应性调整或改造，实行高压高供、 低压低供，对循环水进行梯级利用。
[0046] 进一步地，在所述步骤三中包括以下步骤，
[0047] ( -）在各装置循环水子系统水量优化和循环水系统压力优化的基础上，再次搭 建包括循环水给水系统、各用水装置循环水子系统、循环水回水系统在内的循环水系统全 流程模型；
[0048] (二）根据再次搭建的循环水系统全流程模型，对循环水系统主管网所需的压力 和循环水量与循环水泵的实际压头和流量进行对比核算，同时对循环水系统的循环水量与 冷却塔的实际处理量进行对比核算；
[0049] (三）根据上一步的核算结果，对循环水系统中的用电设备进行适应性调整或改 造，以满足循环水系统的运行需求。本发明与现有技术相比具有以下优点：1)本发明综合 考虑了水流量平衡、热量平衡、水冷器、循环水泵、冷却塔风机、循环水管网、压力、现场实际 条件等多项因素，采用"先装置、后系统，先水量、后压力"的优化方法，搭建循环水系统的 全流程模型，针对循环水系统进行整体优化，优化方案更加切合企业实际的循环水系统；2) 基于本发明获得的循环水系统优化方案能够在保证循环水系统安全运行的前提下，最大限 度地减少循环水用量，降低循环水系统的运行压力，节省循环水系统的电力消耗，节水节能 效果显著，能有效降低循环水系统的运行成本，为企业带来良好的经济效益和节能效果。
[0050] 下面结合附图所示具体案例对本发明作进一步详细说明：
【附图说明】
[0051] 图1为某炼油企业循环水系统的工艺流程图；
[0052] 图2为某炼油企业循环水系统的主管网示意图；
[0053] 图3为本发明一种工业循环水系统优化方法的流程图；
[0054] 图4为某炼油企业循环水系统优化后的主管网示意图。
【具体实施方式】
[0055] 图1为某炼油企业循环水系统的工艺流程图，该循环水系统为12套装置的换热设 备提供循环冷却水，循环水系统配有5台循环水泵和4座风机冷却塔。图2为该炼油企业 循环水系统优化前的主管网示意图。
[0056] 本发明一种工业循环水系统优化方法的流程如图3所示，【具体实施方式】包括以下 步骤：
[0057] 第一步，针对循环水系统的用水量进行优化，确定各装置循环水子系统的水量优 化方案。
[0058] 在该步骤中，以满足生产需要为前提，以12套装置循环水子系统的循环水用量最 小为目标，综合考虑每套装置的用水特点、换热负荷、换热温差等因素，建立各套装置循环 水子系统的水量优化模型，在尽量不改动原有循环水系统的前提下，对装置循环水子系统 的用水网络进行改造，以最少的改造成本获得循环水系统用水量最小、结构相对简单的装 置循环水子系统的用水网络。
[0059] 具体地说就是：
[0060](一）以这12套装置循环水子系统的