一种化工循环冷却水系统水泵风机组合变频优化运行方案确定方法技术方案

一种化工循环冷却水系统水泵风机组合变频优化运行方案确定方法，属于工业节能减排领域。通过考虑全系统热平衡，计算不同计算环境工况下系统冷却水最小需要流量，调节并联支管阀门，使所有支管同时满足最小需要流量；计算确定系统水泵各种并联扬程性能曲线和系统需要扬程性能曲线；以循环冷却水系统总输入功率最小为目标，计算全年各计算环境工况系统同时实施水泵组合变频、风机变频优化运行方案，确定风机最优变频比和水泵运行组合和单泵机组变频比，计算比较循环冷却水系统水泵风机组合变频优化运行方案和其他运行方案能耗。结果表明，本发明专利技术提出的循环冷却水系统水泵风机组合变频优化运行方案全年能耗最小，节能效果显著。

【技术实现步骤摘要】
一种化工循环冷却水系统水泵风机组合变频优化运行方案确定方法
本专利技术属于工业系统节能领域，涉及一种循环冷却水系统水泵风机组合变频优化运行方案确定方法，具体的说是涉及一种在满足用户冷却换热要求前提下，以循环冷却水系统风机、水泵总运行能耗最低为目标，计算全年不同计算环境工况最小需要冷却水量，确定系统水泵风机组合变频优化方案。
技术介绍
循环冷却水系统广泛应用于火力发电、石油化工、炼钢、造纸纺织等行业，能耗占社会总能耗的15％左右，取水量约占全国工业总用水量的60％，能耗高、用水量大。随着我国经济和社会的发展，一方面，能源日益短缺，另一方面，企业浪费严重。循环冷却水系统节能节水已成为国民经济能源管理的重要组成部分，其中，石化企业的循环冷却水系统在整个工业循环冷却水系统中占有较大比重。目前，为了确保安全，在设计循环冷却水系统时，按全年最不利环境工况下再考虑富裕的安全系数，选用水泵和风机设备，造成安全裕度过大；企业大多未实施循环冷却水系统变工况优化运行，水泵和风机全年定工况运行，全年绝大部分时间循环冷却水流量远大于满足冷却负荷要求的流量，能源浪费严重；少数企业实施循环冷却水系统优化运行，只是按季节靠感觉调节系统水泵运行台数，或仅考虑系统水泵设备的合理选择，没有以循环冷却水整个系统为研究对象，精确定量计算确定优化运行方案。因此，本专利技术针对化工循环冷却水系统，计算全年不同计算环境工况时能够满足用户冷却换热要求的系统冷却水最小需要流量，以系统水泵风机总能耗最低为目标，同时采用水泵机组运行组合选择与变频调速、风机变频调速，实现系统优化运行，提出系统优化运行方案计算确定方法。
技术实现思路
本专利技术的目的就是为克服由于目前化工循环冷却水系统全年定工况运行、运行管理粗放造成能源浪费严重的缺点，提出一种循环冷却水系统水泵风机组合变频优化运行方案确定方法，提出化工循环冷却水系统考虑全系统热平衡的基于系统最小需要流量的同时实施水泵最优运行组合、变频和冷却塔风机变频系统优化运行方案计算确定方法。本专利技术的技术方案是：一种循环冷却水系统水泵风机组合变频优化运行方案确定方法，包括以下步骤：A.不同计算环境工况下循环冷却水系统考虑全系统热平衡的冷却水最小需要流量计算确定。循环冷却水系统由循环水泵、用户换热端、冷端散热设备和输水管道组成。冷却水进入换热器与被冷却介质进行热交换得热升温后，经过管道进入冷端散热设备降温，再由水泵抽送到换热器循环使用。化工冷却水系统中冷端散热设备一般选用机械通风逆流湿式冷却塔，冷却效果好。查找确定工程一年不同湿球温度、干球温度、相对湿度气象参数。循环冷却水系统冷却水最小需要流量，就是在满足冷却要求的前提下需要的冷却水最小流量。冷却水最小需要流量计算，需要根据限定条件，考虑冷却塔热力平衡和换热器热交换，根据系统布局，计算确定不同计算环境工况湿球温度下的循环冷却水系统冷却水最小需要水流量。机械通风逆流湿式冷却塔热力平衡利用的是水的总散热量与水的热量减少相等的原理，考虑蒸发水量带走的水的热量，修正后，麦克尔热力平衡方程如下：式中：Q为循环冷却水流量，m3/s；βxv为以含湿量差引起的容积蒸发散质系数，kg/(m2·s)；V为冷却塔填料的体积，m3；K为蒸发水量带走的热量系数，K<1.0，无量纲；t1、t2分别为进塔水温和出塔水温，℃；dt为填料层微元高度dZ之间的温度差，℃；iθ为空气温度为θ时的比焓，kJ/kg(DA)；it”为饱和空气比焓，即当空气温度为水蒸气分压达到饱和状态温度t时放热比焓，kJ/kg(DA)；Cw为循环水的比热，kJ/(kg·℃)，取4.1868kJ/(kg·℃)。式(1)中，等式左边为冷却塔填料特性数，用Ωn’表示，无量纲量，计算公式如下：Ω′n＝Bλk(2)式中：λ为进填料的空气(以干空气计)与进填料的循环冷却水的质量比，kg(DA)/kg；B、k为淋水填料的实验常数，由《冷却塔塑料淋水填料热力及阻力性能分析》中表2查得。式(1)中，等式右边为逆流式冷却塔工作特性冷却数，用Ωn表示，无量纲量。由于冷却数求解的积分换算过于繁琐，为简便计算，宜采用多段辛普逊求解法，计算公式如下：当冷却塔进出水温差Δt<15℃且计算精度要求不高时，可以用以下简化计算：式中：下标1、2、m分别为冷却塔进口、出口、塔内中间部位；t为水温，℃；i”为饱和空气焓，kJ/kg(DA)；i为空气比焓，kJ/kg(DA)。工业用水中含有碳酸钙、碳酸镁等盐类，随着温度的升高溶解度减小，盐类析出后形成污垢结附在管道内壁，传热效果降低，故壳管式换热器中循环冷却水工艺换热侧出口温度控制在不高于45℃。温度是化学工艺过程中需要考虑的重要因素之一，温度的高低往往直接影响着化学反应时间的长度、影响产品的转化率和品质，故换热器被冷却介质的温度需严格控制。根据换热器的热交换原理，传热方程如下：q＝hS△tm(4)式中：q为热负荷，kW；h为换热器传热系数，kW/(m2·℃)；S为换热器传热面积，m2；Δtm为对数平均温差，·℃，逆流换热器出口冷热源温差较大，对数平均温差Δtm计算公式如下：式中：thi、tho分别为被冷却介质进、出口温度，℃；tci、tco分别为冷却水进、出水温度，℃。热平衡方程式如下：qc＝Ccmc(tco-tci)(6)式中：q＝qc，Cc为冷却水比热容，kJ/(kg·℃)；mc为冷却水质量流量，kg/s。将式(4)～(5)带入式(6)，推导出换热器冷却水流量为：式(7)中，当冷却水出口温度为最高允许温度，即取tco＝tcomax＝45℃时，mc即为冷却水最小需要流量。循环冷却水系统冷却水最小需要流量的求解中，需对换热器冷却水出口温度和被冷却介质的温度进行控制，考虑冷却塔热平衡的循环冷却水系统，其系统冷却水最小需要流量为系统中各并联换热器最小需要冷却水流量之和，计算公式如下：式中：Qz为循环冷却水系统冷却水最小需要总流量，m3/s；Qi为系统第i层冷却水最小需要体积流量，m3/s；mc,i为第i层冷却水最小需要质量流量，kg/s；n为系统中并联层数；ρ为冷却水密度，kg/m3。忽略循环冷却水系统中管路的热量损失和水量损失，已知冷却负荷、系统实际管路特性、被冷却介质的最优反应温度和冷却水出口最高允许温度，通过编程，迭代计算出不同环境温度下循环冷却水系统冷却水最小需要水流量。热平衡计算过程为：先设置湿球温度ts作为冷却塔的出塔水温t2，即为工艺换热侧进口水温，考虑各并联支路被冷却介质冷却要求，同时控制换热器冷却水出口温度tco≤45℃和被冷却介质的温度满足要求，利用公式(7)和公式(8)计算得到各并联支路换热后的出口水温tcoi和对应冷却水流量Qi(i代表并联支路编号)。通过调节并联支路回水管阀门改变各支路运行水流量Qi满足要求，各个支路出口冷却水混合得到工艺换热侧出口干管冷却水温度t1和总流量Qz，即为冷却塔进塔水温和水流量，再循环进入冷却塔进行换热散热，利用公式(1)～(3)，将得到的出塔水温t2’与上一次循环计算的出塔水温t2进行比较，若|t2’－t2|≤0.001，则系统工艺换热侧和冷却塔换热侧达到热平衡，得出此时系统的冷却水总流量Qz和通风量G；若|t2’－t2|＞0.001，两者相差较大，则以此出塔本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种化工循环冷却水系统水泵风机组合变频优化运行方案确定方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤A：不同计算环境工况下循环冷却水系统考虑全系统热平衡的冷却水最小需要流量计算确定；步骤B：循环冷却水系统水泵并联扬程性能曲线和系统需要扬程性能曲线计算确定；步骤C：循环冷却水系统考虑全系统热平衡的风机定工况水泵组合变频优化运行方案计算确定；步骤D：循环冷却水系统考虑全系统热平衡的同时实施水泵组合变频、风机变频优化运行方案计算确定；步骤E：循环冷却水系统考虑全系统热平衡的水泵风机组合变频优化运行方案能耗比较。

【技术特征摘要】
1.一种化工循环冷却水系统水泵风机组合变频优化运行方案确定方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤A：不同计算环境工况下循环冷却水系统考虑全系统热平衡的冷却水最小需要流量计算确定；步骤B：循环冷却水系统水泵并联扬程性能曲线和系统需要扬程性能曲线计算确定；步骤C：循环冷却水系统考虑全系统热平衡的风机定工况水泵组合变频优化运行方案计算确定；步骤D：循环冷却水系统考虑全系统热平衡的同时实施水泵组合变频、风机变频优化运行方案计算确定；步骤E：循环冷却水系统考虑全系统热平衡的水泵风机组合变频优化运行方案能耗比较。2.根据权利要求1所述的一种化工循环冷却水系统水泵风机组合变频优化运行方案确定方法，其特征在于，步骤A中所述的不同计算环境工况下循环冷却水系统考虑全系统热平衡的冷却水最小需要流量计算确定的求解过程如下：机械通风逆流湿式冷却塔热力平衡计算采用麦克尔热力平衡方程：等式左边为冷却塔填料特性数Ωn’，求解为Ω′n＝Bλk，等式右边为逆流式冷却塔工作特性冷却数Ωn，采用多段辛普逊求解法，当冷却塔进出水温差Δt<15℃且计算精度要求不高时，简化为其中Q为循环冷却水流量，m3/s；βxv为以含湿量差引起的容积蒸发散质系数，kg/(m2·s)；V为冷却塔填料的体积，m3；K为蒸发水量带走的热量系数；t1、t2分别为进塔水温和出塔水温，℃；dt为微元高度dZ变化下进出填料层的温度，℃；下标θ、t分别为空气温度和水温，℃；i”为饱和空气焓，kJ/kg(DA)；i为空气比焓，kJ/kg(DA)；Cw为循环水的比热，kJ/(kg·℃)，取4.1868kJ/(kg·℃)；λ为进填料的空气(以干空气计)与进填料的循环水的质量比；B、k为淋水填料的实验常数，下标1、2、m分别为冷却塔进口、出口、塔内中间部位；工业用水中含有碳酸钙、碳酸镁等盐类，随着温度的升高溶解度减小，盐类析出后形成污垢结附在管道内壁，传热效果降低，故壳管式换热器中循环冷却水工艺换热侧出口温度控制在不高于45℃；温度是化学工艺过程中需要考虑的重要因素之一，温度的高低直接影响化学反应时间的长度、影响产品的转化率和品质，故换热器被冷却介质的温度需严格控制；根据换热器的热交换原理，传热方程为q＝hS△tm，逆流换热器出口冷热源温差较大，对数平均温差Δtm计算公式为热平衡方程为qc＝Ccmc(tco-tci)，将传热方程和对数平均温差带入到热平衡方程中，q＝qc，计算换热器冷却水最小需要流量为式中冷却水出口温度为最高允许温度，即取tco＝tcomax＝45℃，mc即为冷却水最小需要流量；循环冷却水系统冷却水最小需要流量的求解中，需对换热器冷却水出口温度和被冷却介质的温度进行控制，考虑冷却塔热平衡的循环冷却水系统，其系统冷却水最小需要流量为系统中各并联换热器最小需要冷却水流量之和，计算公式为其中mc为冷却水质量流量，kg/s；q为热负荷，kW；Cc为冷却水比热容，kJ/(kg·℃)；thi、tho分别为被冷却介质进、出口温度，℃；tci、tco分别为冷却水进、出口温度，℃；h为换热器传热系数，kW/(m2·℃)；S为换热器换热面积，m2；Qz为循环冷却水系统冷却水最小需要总流量，m3/s；Qi为系统第i层冷却水最小需要体积流量，m3/s；mc,i为第i层冷却水最小需要质量流量，kg/s；n为系统中并联层数；ρ为冷却水密度，kg/m3；忽略循环冷却水系统中管路的热量损失和水量损失，已知冷却负荷、系统实际管路特性、被冷却介质的最优反应温度和冷却水出口最高允许温度，通过编程，迭代计算出不同环境温度下循环冷却水系统冷却水最小需要水流量；热平衡计算过程为：先设置湿球温度ts作为冷却塔的出塔水温t2，即为工艺换热侧进口水温，考虑各并联支路被冷却介质冷却要求，同时控制换热器冷却水出口温度tco≤45℃和被冷却介质的温度满足要求，利用mc、Qz公式计算得到各并联支路换热后的出口水温tcoi和对应冷却水流量Qi，i代表并联支路编号，通过调节并联支路回水管阀门改变各支路运行水流量Qi满足要求，各个支路出口冷却水混合得到工艺换热侧出口干管冷却水温度t1和总流量Qz，即为冷却塔进塔水温和水流量，再循环进入冷却塔进行换热散热，利用Ωn’、Ωn公式将得到的出塔水温t2’与上一次循环计算的出塔水温t2进行比较，若|t2’－t2|≤0.001，则系统工艺换热侧和冷却塔换热侧达到热平衡，得出此时系统的冷却水总流量Qz和通风量G；若|t2’－t2|＞0.001，两者相差较大，则以此出塔水温t2’代入重新进行循环计算，直至热平衡；热平衡时各支路冷却水流量为对应支路的最小需要流量，总冷却水流量即为系统冷却水最小需要流量。3.根据权利要求1所述的一种化工循环冷却水系统水泵风机组合变频优化运行方案确定方法，其特征在于，步骤C中所述循环冷却水系统考虑全系统热平衡的风机定工况水泵组合变频优化运行方案计算确定的求解过程如下：循环冷却水系统中，风机定转速运行，水泵可进行运行台数组合优化运行、组合变阀优化运行、组合变频调速优化运行；水泵运行台数组合优化运行，根据不同计算环境工况下循环冷却水系统考虑全系统热平衡的冷却水最小需要流量选择水泵包括台数和大小的最优运行组合，避免流量过大造成能源浪费；但运行台数组合优化运行，大部分情况下冷却水流量仍然过大，造成能源浪费，...

【专利技术属性】
技术研发人员：仇宝云，陆霞，严天序，董媛媛，苏保铭，刘地，薛成龙，
申请(专利权)人：扬州大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32