一种低温热流体的分级串联冷却系统的控制方法与流程

本发明涉及低温热流体冷却技术领域，特别涉及一种低温热流体的分级串联冷却系统的控制方法。

背景技术：

在煤化工、石化等行业，有许多生产工艺过程都需要对温度范围为60～300℃的低温工艺热流体进行冷却处理，冷却到工艺要求的目标温度。

常用的工业级大容量冷却方式有空冷、水冷、蒸发式冷却以及这些方式的复合冷却,此类冷却方式都属于耗能型的常规冷却方式。

水冷系统的初始投资较小，但运行时需要消耗大量的电能和水资源，能耗和环境压力巨大；空冷系统在缺水区域被广泛使用，初投资较水冷系统高，虽然不消耗水资源，但运行电耗较水冷系统更大，同时最低冷却温度受到环境温度的限制，可能不能满足较低的冷却目标温度的要求。蒸发式冷却及复合式冷却方式，耗电、耗水量介于空冷和水冷之间。常规冷却方式的高能耗和造成的环境污染，使其生命周期的费用消耗巨大。

低温余热发电是一种利用热功转换原理将一部分低温流体的热量转换为电能的技术，在获得发电的同时，实现了工艺热流体的降温冷却，可以认为是一种产能型的新型冷却方式，称为发电冷却方式。

发电冷却方式，减少了对环境的热污染，具有良好的节能环保效果。但是，对发电冷却方式的技术经济性起决定作用的关键指标----净发电效率，却随着冷却目标温度的降低而迅速降低。例如80℃的热水，当冷却至60℃时净发电效率约为6％，当冷却至40℃时净发电效率约为2％，当冷却至30℃时所发电能甚至小于机组设备自耗电能。对工艺冷却目标温度的敏感性，限制了发电冷却方式这种产能型冷却方式的应用范围。

技术实现要素：

本发明的目的是提出一种低温热流体的分级串联冷却系统的运行控制方法，随着工艺条件和室外气象条件的变化相应调节两级冷却单元分别承担的冷却量，以实现分级串联冷却系统的运行优化控制，优化控制目标包括节能优先、节水优先、运行费用最低等。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种低温热流体的分级串联冷却系统的控制方法，系统包括串联布置的两级冷却单元和控制单元，其中第一级冷却单元为发电冷却单元，第二级冷却单元为常规冷却单元，控制单元分别与发电冷却单元和常规冷却单元相连，控制单元用于控制各冷却单元所承担的冷却量；

方法包括如下步骤：首先根据分级串联冷却系统的优化控制目标确定两级冷却单元的中间温度优化设定值topt，再通过监测第一级发电冷却单元出口的流体温度值tm，并与设定值topt比较，计算δt＝tm-topt的值。若δt>te1，则加大第一级发电冷却单元的冷却量；若δt<te2，则调小发电冷却单元1的冷却量；若te2<δt<te1，则不调节；其中，te1和te2共同决定了控制精度。

作为优选方式，设定值topt由相应的优化算法计算得出，te1、te2由采用的控制精度和控制模式计算给出。

作为优选方式，所述的控制模式包括反馈控制和预测控制。

作为优选方式，te1≥0，te2<0。

作为优选方式，优化控制目标包括节能优先、节水优先、最小运行费用等。

作为优选方式，影响优化目标的因素包括冷却流体的进口温度tin、出口温度tout、环境的干湿球温度tdry和twet、当地的电价以及水价。

作为优选方式，入口温度为tin的热流体首先进入发电冷却单元被初步冷却为中间温度为tm的热流体，再进入常规冷却单元被最终冷却为目标出口温度为tout的热流体。

作为优选方式，所述的发电冷却单元包括直接膨胀发电装置或有机朗肯循环发电装置或直接膨胀、有机朗肯循环串联发电装置。

作为优选方式，发电冷却单元产生的电能可以为常规冷却单元提供电能，也可以输送至电网。

作为优选方式，所述的常规冷却单元包括动力装置和常规冷却装置；所述的常规冷却装置包括风冷装置、水冷装置、蒸发冷装置，以及至少两种上述冷却方式的复合冷却装置。

本发明的有益效果是：本发明随着工艺条件和室外气象条件的变化相应调节两级冷却单元分别承担的冷却量，以实现该分级串联冷却系统的运行优化控制，优化控制目标包括节能优先、节水优先、运行费用最低等；而且，本发明结合了发电冷却方式和常规冷却方式的优点：(1)与发电冷却方式相比：提高了发电冷却单元的热流体出口温度，将其从目标温度tout提高至中间温度tm，这将提高发电冷却单元的净发电效率，并降低发电冷却单元的初投资，有效提高了发电冷却的技术经济性，大大拓展了发电冷却的应用范围；(2)与常规冷却方式相比：所述分级串联冷却系统发电冷却单元的净发电量通常大于常规冷却单元的耗电量，因此在对热流体的冷却过程中不消耗电能，反而产生发电收益，具有良好的节能环保效果。

附图说明

图1为本发明一种低温热流体的分级串联冷却系统的结构示意图；

图2为本发明的局部控制流程图；

图中，1、发电冷却单元，2、常规冷却单元，3、入口温度为tin的热流体，4、中间温度为tm的热流体，5、目标出口温度为tout的热流体，6、发电装置，7、动力装置(泵、风机等)，8、冷却介质(水、空气等)，9、电网，10、控制单元，11、热流体入口温度信号tin，12、热流体目标出口温度信号tout，13、气象参数信号tenv，14、热流体中间温度优化设定值信号topt，15、常规冷却装置。

具体实施方式

下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。

如图1、图2所示，一种低温热流体的分级串联冷却系统的控制方法，其特征在于：系统包括串联布置的两级冷却单元和控制单元10，其中第一级冷却单元为发电冷却单元1，第二级冷却单元为常规冷却单元2，控制单元10分别与发电冷却单元1和常规冷却单元2相连，控制单元10用于控制各冷却单元所承担的冷却量；

方法包括如下步骤：首先根据分级串联冷却系统的运行优化目标确定两级冷却单元的中间温度优化设定值topt，再通过监测第一级发电冷却单元1出口的流体温度值tm，并与设定值topt比较，计算δt＝tm-topt的值。若δt>te1，则加大第一级发电冷却单元1的冷却量；若δt<te2，则调小发电冷却单元1的冷却量；若te2<δt<te1，则不调节；其中，te1和te2共同决定了控制精度。中间温度tm根据优化控制目标，结合工艺条件和当地气象条件，由控制单元10采用优化算法进行合理设定和实时调整，实现两级冷却系统所承担的冷却量的动态分配，使分级串联冷却系统整体上实时处于最优运行状态。

优选地，控制单元10实时采集热流体入口温度tin信号、热流体目标出口温度tout信号和气象参数tenv信号，经过优化计算后，向发电冷却单元1输出热流体中间温度优化设定值topt信号，并对发电冷却单元1进行实时调节。

优选地，设定值topt由相应的优化算法计算得出，te1、te2由采用的控制精度和控制模式计算给出。

优选地，所述的控制模式包括反馈控制和预测控制。

优选地，te1≥0，te2<0。

优选地，优化控制目标包括节能优先、节水优先、最小运行费用等。

优选地，影响优化目标的因素包括冷却流体的进口温度tin、出口温度tout、环境的干湿球温度tdry和twet、当地的电价以及水价。

优选地，入口温度为tin的热流体3首先进入发电冷却单元1被初步冷却为中间温度为tm的热流体4，再进入常规冷却单元2被最终冷却为目标出口温度为tout的热流体5。控制单元10实时采集换热介质入口温度tin信号、换热介质出口温度tout信号和气象参数tenv信号，经过优化计算后，向发电冷却单元1输出热流体中间温度优化设定值信号topt14，并对发电冷却单元1进行实时调节。

优选地，所述的发电冷却单元1包括直接膨胀发电装置或有机朗肯循环发电装置或直接膨胀、有机朗肯循环串联发电装置。

优选地，发电冷却单元1产生的电能可以为常规冷却单元2提供电能，也可以输送至电网9。发电冷却单元1中的发电装置6产生的电能送入电网9，电网9为动力装置7提供电能，动力装置7驱动冷却介质8与热流体进行换热。

优选地，所述的常规冷却单元2包括动力装置7和常规冷却装置15；所述的常规冷却装置15包括风冷装置、水冷装置、蒸发冷装置，以及至少两种上述冷却方式的复合冷却装置。

优选地，所述分级串联冷却系统控制单元10的控制流程为：步骤(1)：控制单元10实时监测并采集热流体入口温度tin(即热流体入口温度信号tin11)、出口温度tout(即热流体目标出口温度信号tout12)、气象参数tenv(即气象参数信号tenv13)等信号参数；步骤(2)：控制单元10内嵌程序根据优化控制目标(节能优先、节水优先、最小运行费用等)和输入的监测信号实时计算出中间温度的优化设定值topt；步骤(3)：控制单元10将中间温度优化设定值topt输出到发电冷却单元1；步骤(4)：控制单元10调节发电冷却单元1所承担的冷却量，将发电冷却单元1出口温度tm控制在合理范围内。

优选地，本发明还包括中间换热环节，该环节的换热主要由中间换热器实现，中间换热器位于串联布置的两级冷却单元上游，工艺热流体与换热介质在中间换热器中换热，实现工艺热流体的间接冷却。

优选地，需要冷却的工艺热流体不直接进入串联布置的两级冷却单元，而是与换热介质在中间换热器中进行换热并被冷却到目标温度，吸热后的换热介质进入串联布置的两级冷却单元进行冷却，冷却后的换热介质再进入中间换热器，如此循环。

在某缺水地区，有100t/h的80℃的热水，需要冷却至40℃。当地电价为0.5元/kwh，水价为15元/t。采用分级串联冷却系统，第一级发电冷却单元1采用有机朗肯循环发电装置6，其冷凝器采用复合冷却器；第二级常规冷却单元2采用复合冷却器。复合冷却器有空冷和蒸发冷两种工作模式，两种模式的对比如表1所示：

表1复合冷却器两种工作模式的对比

低温热流体的分级串联冷却系统的运行优化目标为运行费用最低，从表1可看出，如果当地每吨水价是每度电价的12倍及以上，在满足冷却目标的前提下，为实现冷却系统的运行优化目标，应优先采用空冷模式；只有当室外温度较高，空冷模式无法满足冷却效果实现目标冷却温度时，才采用蒸发冷却模式，下面通过具体计算对此做进一步说明。

假设某一时刻下，室外干球温度为10℃，湿球温度为5℃。

假定复合冷却器均采用空冷模式，当第一级发电冷却单元1出口温度为topt时，发电冷却单元1(未扣除冷却器耗电)的净发电效率为η1，则分级串联冷却系统的运行费用可由式(1)表示：

由于η1是关于tin、topt、干球温度tdry的函数，且当tin、tdry都给定时，随topt的降低而降低；所以，对于以上表达式，一定存在一个最佳的topt值，使f达到最小。经过计算当topt的值为45℃时，f最小，此时f为-9.80元/h。即分级串联冷却系统的发电量大于耗电量，冷却系统产生发电收益。

假定复合冷却器均采用蒸发冷模式时，发电冷却单元1(未扣除冷却器耗电)的净发电效率为η2，则分级串联冷却系统的运行费用可由式(2)表示：

由于η2是关于tin、topt、湿球温度twet的函数，且当tin、twet都给定时，随topt的降低而降低；所以，对于以上表达式，也一定存在一个最佳的topt值，使f达到最小。经过计算当topt的值为42℃时，f最小，此时f为6.68元/h。

对比式(1)、式(2)计算结果，为了使分级串联冷却系统的运行费用最低，在上述假设室外气象条件时刻，分级串联冷却系统两级冷却单元中的复合冷却器均应采用空冷模式运行，且中间温度优化设定值topt应为45℃。

确定了中间中间温度优化设定值topt后，通过温度传感器获取发电冷却单元1出口的流体中间温度tm值，并与topt的值相比较。计算δt＝tm-topt的值。若δt>te1，则加大第一级发电冷却单元1的冷却量；若δt<te2，则调小发电冷却单元1的冷却量；若te2<δt<te1，则不调节。

te1、te2由采用的控制模式计算得出，假定te1＝1，te2＝-1。当检测到tm＝50℃，此时δt＝5>1，加大发电冷却单元1的冷却量，使tm的值逐渐降低；当检测到tm＝45℃，此时-1<δt＝0<1，则维持现在的运行状态；当检测到tm＝40℃，此时δt＝-5<-1，调小发电冷却单元1的冷却量，使tm的值逐渐升高。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，应当指出的是，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。