一种循环冷却水系统的节能方法与流程

本发明涉及工业节能领域，特别涉及一种循环冷却水系统的节能方法。

背景技术：

钢铁、有色金属、化工、建材、石油加工、电力六大高耗能行业是我国能源消费的大户，占据了全国工业总能耗的近70％。要实现这些高耗能行业节能减排，必须提高其能源的利用效率。工业循环冷却水系统是工业企业内大量采用的工艺系统，其能耗往往占据工业用电的20％以上，系统的节能有助于工业企业的节能减排和增强行业竞争力。

通常而言，循环冷却水系统由水泵、阀门、换热器、冷却塔等设备组成，其中的直接耗电对象是水泵和冷却塔的风机的电机，但阀门、换热器和冷却塔却在间接地消耗这些电能。

技术实现要素：

水泵和风机电耗与系统所输送的水量正相关，为此，如能充分利用冷却水的冷却能力，降低系统输水量，则能实现系统节能，为此，本申请提出了一种循环冷却水系统节能方法，将换热器布置成串并联的结构形式，使一部分换热器水量能够重复使用，从而降低系统用水量。

本发明的技术方案如下：一种循环冷却水系统的节能方法，包括以下步骤：

s1、给出可允许的最大复用水量、各换热器冷端入口和冷端出口允许温度范围；

s2、根据各个换热器热端参数计算该换热器的换热需求；

s3、根据各个换热器冷端入口和冷端出口的温度范围，以及换热器的换热需求，计算该换热器需要的冷却水量范围；

s4、在每个换热器的冷端入口和冷端出口增加源节点和汇节点，设定各换热器冷端入口来自其他换热器的复用水量，任一换热器冷端入口来自其他换热器的复用水量与该换热器使用原水的水量之和作为该换热器冷端入口的总水量，根据换热器冷端入口复用水量的来源确定各换热器冷端出口的复用水量；

s5、求得各换热器需使用的原水的水量和，通过优化使其最小，确定各换热器冷端入口接受其他换热器的复用水量；

s6、根据优化得到的各换热器冷端入口总水量、水温和出口水温，以及热端参数，设计换热器。步骤s2的换热器的换热需求确定过程是根据热力学定律，由已知热媒的流量，换热前后的温度差和比热容计算出的换热量。步骤s3的冷却水量范围是根据热力学定律，由热媒的总换热量，换热器冷端入口和冷端出口间允许的最大和最小温差，以及冷却水的比热容计算得出的。步骤s4的计算过程如下：

首先，在每个换热器的冷端入口和冷端出口增加源节点和汇节点，各个换热器均可接受其他换热器冷端出口的冷却水，该换热器冷端出口也可向其他换热器提供复用水量；

其次，假设该换热器向其他换热器提供的复用水量；

第三，计算进入该换热器的总水量，它由来自其他换热器冷端的复用水量以及该换热器使用的原水的水量之和组成；

第四，该换热器冷端出口复用水量的总和，与直接输出给冷却塔的水量之和，应与进入该换热器的总水量相等。步骤s5的换热器设计是根据步骤s4确定的换热器冷端入口温度和冷端出口温度，以及换热量计算出换热器的换热面积，再通过部件组合形成整个换热器。

附图说明

图1换热器混合点和分流点图；

图2设计得到的换热器管网结构。

具体实施方式

工业循环冷却水系统设计的已知参数为工业系统需要冷却的热媒参数，包括入口温度，出口温度，质量流量以及热媒的种类。根据热媒的类型可以确定其相应的传热系数，比热容等相关参数，从而可以计算出工业系统中不同热媒的总换热量。

根据热媒的入口、出口温度和总换热量，以及当地的气象条件，按照设计经验可确定出换热器冷媒(一般为冷却水)允许的温度范围，从而计算出换热器的总的换热面积，由板片组合得到所设计的换热器。

以下结合附图对所提出的节能方法的实施进行介绍。

附图1是循环冷却水系统换热器混合点和分流点图。图中的圆点表示源节点。正方形表示汇节点。hei和hej为两个换热器，假设系统中换热器的个数为n，在每个交换器的汇节点，水由一部分来自水泵送来的冷却水和来自其他换热器的一部分复用水混合。为了方便表示，将整个循环冷却水系统用a-f节点来表示。其中节点a为冷却塔的出口节点，也是换热网络设计的起始节点。节点b为源节点，将水泵输出的水进行分流，不均等地将水流量分配给不同换热器。c(i)及d(i)为换热器i的冷端入口和冷端出口节点。节点e为汇节点，节点f为冷却塔的入口节点，是换热器网络的终节点。

s1、根据基础条件和大气状况，给出各换热器冷端入口和冷端出口允许温度范围，同时，考虑换热器管网的复杂程度，限制换热器可允许的最大复用分支数nmax；这里的基础条件包括换热热媒所需要的冷却温度，即通过换热器后热媒温度能从多少度降到多少度，这是生产工艺提出的条件；再由传热学的设计基本原则，一般冷媒最低温度要比热媒最低温度低3度以上，冷媒最高温度也会比热媒最高温度低3度以上。最大复用分支数nmax视改造可允许的复杂程度确定，数值越少管路改造也就越简单，对于改造较复杂的管路，默认可为2，即最多只能分出两支；当然，应该理解，对于改造的难度较低的管路，nmax也可设置为比2更多的数。

s2、热媒的参数已知，根据各个换热器热端参数计算该换热器的换热需求。根据热量守恒原理，对某个换热器而言，热媒的换热量和冷媒的冷却热量应相同，即计算式一：

q(i)＝(thin(i)-thout(i))·fcp(i)＝(tcout(i)-tcin(i))·cpc·fc(i)。

其中thin(i)，thout(i)，fcp(i)分别为热媒的入口，出口温度，热媒质量流量与比热容的乘积。tcin(i)，tcout(i)，fc(i)，cpc分别为冷却水的入口，出口温度和冷却水的质量流量及冷却水的比热容。

s3、根据s1中各个换热器冷端入口和冷端出口的温度范围，以及s2中换热器的换热需求(计算式一)，计算该换热器需要的冷却水量fc(i)范围；

s4、在每个换热器的冷端入口和冷端出口增加源节点和汇节点，一换热器的源节点可以与其他换热器的汇节点连接，使得该换热器可以接受来自其他换热器的复用水，当然，各换热器也可接受来自冷却塔的原水，设定各换热器冷端入口来自其他换热器的复用水量，任一换热器冷端入口来自其他换热器的复用水量与该换热器使用原水的水量之和作为该换热器冷端入口的总水量，根据各换热器冷端入口复用水量的来源确定各换热器冷端出口的复用水量；

对于每个换热器在换热器前的汇合节点实现水量的汇合，入口冷却水量为水泵送来的原水与其他换热器提供的复用水的混合，即可得计算式二：

其中fin(i,j)表示由换热器j到换热器i的复用水的质量流量，ftin(i)表示换热器i的接受的原水的水量。

同理在换热器后面的分流节点，将水分配给其他换热器，或者直接反馈给冷却塔，每个换热器的出口冷却水量为进入其他换热器的水量与直接回到冷却塔的水量之和，即计算式三：

其中fout(i,j)表示由换热器i到换热器j的重复使用水的质量流量，ftout(i)表示换热器i的直接输出给冷却塔的水量。

换热器i获得的换热器j的复用水量与由换热器j到换热器i的复用水量相等。即计算式四：fin(i,j)＝fout(j,i)。

同时，对于每个源节点和汇节点，都要满足下面的能量守恒式，即计算式五：

其中tin表示换热器冷端总入口温度；

计算式六:

其中tout表示换热器冷端总出口温度；

循环冷却水系统总输水量为直接进入换热器冷端的原水水量和，同时也是各换热器冷端直接回到冷却塔的水量之和，即计算式七：

根据上面的相关公式，是根据计算式二、三、四可以推算出每个换热器在汇合点和分流点的流量，根据计算式五、六、七从而确定源节点和汇节点的温度。由于换热器可能不需要冷却塔的冷却水，只需要其他换热器的重复用水即可。或者不需要重复用水，只需要冷却塔的补充水。因此，需要对系统添加逻辑变量约束，对管段bc(i)、c(i)d(j)、d(i)e的存在加以限制。满足下面的约束条件：

l(i)·bin(i,j)≤fin(i,j)≤u(i)·bin(i,j)计算式八

l(i)·bout(i,j)≤fout(i,j)≤u(i)·bout(i,j)计算式九

l(i)·btin(i)≤ftin(i)≤u(i)·btin(i)计算式十

l(i)·btout(i)≤ftout(i)≤u(i)·btout(i)计算式十一

bin(i,j)＝bout(i,j)＝0i＝j计算式十二

计算式十二中，当i＝j时，自身输出复用水给自身，这是不允许。

其中l(i)和u(i)分别为流过换热器i的最小流量、最大流量，具体值与根据步骤s3计算的冷却水量fc(i)范围对应；bin(i,j)、bout(i,j)、btin(i,j)、btout(i,j)为整型变量，采用0，1表示，0表示无，1表示有。换热器的回用分支数量需要限定在一定范围内，即：

s5、求得各换热器需使用的原水的水量和σftin(i)，通过优化使其最小，确定各换热器冷端入口接受其他换热器的复用水量。前面各个公式中，除总出口温度是待确认的外，其他温度参数都应是已知的，除各换热器热媒的流量已知外，其他流量都是计算出的。

s6、根据优化得到的各换热器冷端入口总水量、水温和出口水温，以及热端参数，设计换热器。换热面积ar(i)可根据源节点和汇节点的温度进行计算，即计算式十五：

其中δin(i)和δout(i)为温度差，由下面公式进行计算。h(i)，hw为换热器i和水的传热系数。

δtmin≤thout(i)-tcin(i)＝δin(i)计算式十六

δtmin≤thin(i)-tcout(i)＝δout(i)计算式十七

由此可以计算出换热器的换热面积，从而完成整个换热网络的设计过程。

特别地，以某个循环冷却水系统的实施例来说明优化过程。假设某循环冷却水系统共有四种需要冷却的热媒，相关参数如表1所示。根据热媒的参数可以确定不同换热器的总换热量，进而确定不同换热器的冷却水所需实现的换热量。

表1热媒相关参数

根据基础条件和大气状况，以及考虑换热器管网的复杂程度，系统相关的设定参数如表2所示。表2中的l'(i)是极限最小水量，是为保证换热器正常运行而设定的限制值。

表2相关参数表

根据表1、2的的参数，请结合前面的公式，并采用现有的优化方式，如常规的混合整数非线性规划方法，可用遗传算法求解，matlab中有现成的模块gams可用。先对表1、2中的变量赋值，然后初步定一组可行的流量和出口温度值，需满足约束条件，然后用遗传算法寻优求解，最后得到未知数的解。

根据上面的实现方法，可以计算确定冷媒的相关参数，以及由得到的bin(i,j)等参数得到整个换热器网络的结构设计，如附图2及表3所示。

表3冷媒相关参数

从附图2可知，在满足各个换热器换热要求的前提下，换热器3(热媒3与冷却水进行热交换的换热器)使用了换热器1(热媒1与冷却水进行热交换的换热器)的全部水量，并且换热器3还需要一部分水量由水泵输出原水进行补充，从而完成其换热过程。换热器4(热媒4与冷却水进行热交换的换热器)的冷却水由换热器2(热媒2与冷却水进行热交换的换热器)完全提供，即换热器2出口水量先经过换热器4后，再返回冷却塔。

如果采用传统的并联式设计，计算得出系统的总水量消耗为185.4kg/s，采用本申请的此节能方法，用水总量消耗为62.2kg/s，比传统设计方法降低123.2kg/s。此设计方法可以保证系统在满足每个换热器热媒和冷却水之间的换热需求的前提下，有效地降低系统的用水量。换热器网络的出口混合水温度为64.2℃(并联式为34.8℃)，温度相对较高，从而有利于提高冷却塔的冷却性能。可见采用本专利使用的节能方法，能够有效降低冷却系统换热网络所需的冷却水量，从而达到降低系统输水能耗的目的。