一种循环水系统质能综合优化方法技术方案

本发明专利技术涉及一种循环水系统质能综合优化方法，该方法针对循环水系统操作优化问题。本发明专利技术综合考虑了循环水系统运行能耗、工质的补充，涵盖了循环水系统水、热、电、风间的耦合关系，建立起用水网络计算层、循环水全系统计算层、经济目标优化层的三层迭代优化模型。计算过程采用生产过程中工艺负荷、环境等实时数据，并应用遗传模拟退火算法进行优化求解。最终得到当前生产条件下循环水系统的最优操作点，以及该系统中一整套操作数据。为循环水系统操作参数的设定提供科学依据，促进节能降耗。

【技术实现步骤摘要】
一种循环水系统质能综合优化方法
本专利技术涉及循环水系统质能综合优化方法。
技术介绍
循环冷却水作为石化行业为代表的过程工业的重要公用工程，其用水量占工业用水量的70％左右，是过程工业用水量最大的系统。循环冷却水系统运行的质量直接关系到工艺生产的正常运行、单元操作设备的安全以及产品的产率与品质。如何减少循环水的用量、提升循环水系统的用能效率等的循环水系统优化是石化企业节能减排的重要内容之一。循环冷却水系统从本质上讲，即是一个能量搬运系统：将工艺流程中多余的能量经由热工质(即循环水)搬运至环境中，是一个“能量排放”过程。因而循环水优化的根本应该是用于维持该能量搬运系统正常运行的工质与能耗的综合优化。其中工质的优化包含新鲜水补充量优化、缓蚀阻垢剂等优化，能耗的优化包含冷却风机用能优化、流体输送用能优化。常见的循环水优化方法或是针对新鲜水补充量，或是基于能耗目标的供水温度优化做了重点研究，或是更为具体的供水设备的优化。为数不多的一些整体优化技术也仅是着眼于风机与水泵的综合能耗，尚缺乏一种能更为全面的考虑循环水系统中质量、能量综合影响的有效优化方法。
技术实现思路
针对以上技术不足，本专利技术综合考虑了循环水系统运行能耗、工质的补充，涵盖了循环水系统水、热、电、风间的耦合关系，建立起用水网络计算层、循环水全系统计算层、经济目标优化层的三层迭代优化模型。计算过程采用生产过程中工艺负荷、环境等实时数据，并应用遗传模拟退火算法进行优化求解。最终得到当前生产条件下循环水系统的最优操作点，以及该系统中一整套操作数据。为循环水系统操作参数的设定提供科学依据，促进节能降耗。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：一种循环水系统质能综合优化方法，包括以下步骤：步骤一：基于热衡算及传热速率方程进行迭代计算，得到换热设备的冷却水出口温度和冷却水所需流量；步骤二：根据各换热设备的冷却水出口温度、冷却水所需流量汇总得到水网主回水线的回水温度、回水流量、压降、压力；步骤三：根据回水温度、回水流量应用焓差法获取冷却塔循环水冷却后温度、循环水冷却后流量、蒸发损失量；步骤四：根据回水流量、压降及水泵特性曲线得到水泵所需运行功率；步骤五：根据步骤三中循环水冷却后温度、循环水冷却后流量、补水温度、补水流量得到循环水供水温度及供水流量，分别作为步骤一的参数继续迭代；步骤六：以风机运行数目和排水量为优化变量，以总经济费用最小为目标实现循环水系统全局优化。所述步骤一具体如下：设第i次计算中，冷却水出口温度设定值为冷却水出口温度迭代区间为冷却水出口温度设定值为(1)冷却水出口温度初值选取：冷却水出口温度Tc,out大于冷却水进口温度Tc,in，小于热流股进口温度Th,in；因此设置冷却水出口温度的迭代初始区间为(Tc,in，Th,in)；(2)根据热衡算方程得到换热设备冷却水所需流量；(3)对传热系数进行校正；(4)根据冷却水所需流量、校正后的传热系数通过传热速率方程得到热负荷；(5)迭代终止判定：比较热负荷与目标热负荷，若二者差值小于收敛范围，则迭代结束；若二者差值大于收敛范围，则在下一步(6)更新冷却水温度后返回(2)迭代。(6)冷却水出口温度更新：比较热负荷与目标热负荷，若热负荷大于目标热负荷，则迭代区间更新为若热负荷小于目标热负荷，则迭代区间更新为更新冷却水出口温度。所述对传热系数进行校正具体如下：通过比例方式校正对流传热系数，如式(2)所示，其中，h为传热系数，u为流速；α为系数，上标0表示设定的标准工况或已知工况。所述压力在步骤四中作为水泵功率选择的约束。所述步骤四包括以下步骤：根据回水流量及旁滤量计算水泵最小所需提供的流量，根据该流量及步骤二获取的压降修正供水网管路特性曲线；根据水泵运行数目调整水泵特性曲线；联立管路特性曲线与水泵特性曲线，通过二者交点确定水泵当前运行状态，进而得到水泵功率。所述步骤五中：循环水冷却后流量为回水流量和排水量之差；补水温度从仪表中获取；补水流量为蒸发损失量与设定的排水流量之和；得到的循环水供水温度作为步骤一中的冷却水进口温度，得到的供水流量应等于步骤二中回水流量，用于重复步骤一至步骤五的迭代，直至下一代循环水供水温度与上一代循环水供水温度差值小于收敛标准。本专利技术具有以下有益效果及优点：1.本专利技术综合考虑了风机电耗、水泵电耗、补水量的耦合关系，以总经济费用为目标进行优化；2.本专利技术根据当前工艺负荷及环境参数实时计算循环水系统最优操作点，可为供水温度、供水量等参数的设定提供科学的指导。3.本专利技术考虑了流量变化及污垢热阻生长对传热系数的影响，更加精确的描述了循环水量与循环水温间的耦合关系，使得整体上的质能综合优化成为可能。4.本专利技术考虑补水温度对供水温度的影响，及旁滤量对供水流量的影响，提高了模拟计算的准确性。附图说明图1是本专利技术中循环水系统流实例图。图2是本专利技术中循环水系统质能综合优化的计算流程图。具体实施方式下面结合实施例对本专利技术做进一步的详细说明，实施例不构成对本专利技术的限制。本实施例为循环水系统，主要包括冷却塔、水泵、换热设备等，循环水经冷却塔冷却后，由水泵加压送出，流经各换热设备后水温升高，汇总后回流至冷却塔，构成一个循环。各换热设备基于串联和并联两种基本结构组成用水网络。循环水作为换热设备中冷却水，所用冷却水全部来自供水管的换热器称为一级换热器，所用冷却水中至少包含一支来自一级换热器出口冷却水的换热器称为二级换热器，以此类推。总管流量根据质量守恒计算，总管温度根据能量守恒计算，总管压力根据伯努利方程计算。步骤一：基于热衡算及传热速率方程的换热设备迭代计算；步骤二：用水网汇总计算，得到回水温度、回水流量、压降、压力约束数据；步骤三：应用Merkel焓差法进行冷却塔计算；步骤四：根据用水网流量、压降信息及水泵特性曲线计算水泵所需运行功率；步骤五：考虑补水水温影响的循环水全系统迭代计算，以供水温度为收敛目标；步骤六：以风机运行数目(功率)和排水量为优化变量，以总经济费用最小为目标进行循环水系统全局优化。本实施例的循环水系统质能综合优化方法包括如下步骤：步骤一：换热设备计算。换热设备是循环水系统中的用水设备，用于转移工艺过程中多余的热量。首先设定一循环水供水温度，此供水温度作为一级换热器的冷却水的进口温度；二级及以下级换热器的冷却水进口温度根据相关联的上一级换热器冷却水出口温度确定。根据热衡算方程及传热速率方程建立二分法迭代计算模型，如图2中用水网络计算层所示。设第i次计算中，冷却水出口温度设定值为冷却水出口温度迭代区间为冷却水出口温度设定值为其迭代流程如下：(1)冷却水出口温度初值选取。根据热力学第一定律及热力学第二定律，冷却水出口温度T本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种循环水系统质能综合优化方法，其特征在于包括以下步骤：/n步骤一：基于热衡算及传热速率方程进行迭代计算，得到换热设备的冷却水出口温度和冷却水所需流量；/n步骤二：根据各换热设备的冷却水出口温度、冷却水所需流量汇总得到水网主回水线的回水温度、回水流量、压降、压力；/n步骤三：根据回水温度、回水流量应用焓差法获取冷却塔循环水冷却后温度、循环水冷却后流量、蒸发损失量；/n步骤四：根据回水流量、压降及水泵特性曲线得到水泵所需运行功率；/n步骤五：根据步骤三中循环水冷却后温度、循环水冷却后流量、补水温度、补水流量得到循环水供水温度及供水流量，分别作为步骤一的参数继续迭代；/n步骤六：以风机运行数目和排水量为优化变量，以总经济费用最小为目标实现循环水系统全局优化。/n

【技术特征摘要】
1.一种循环水系统质能综合优化方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤一：基于热衡算及传热速率方程进行迭代计算，得到换热设备的冷却水出口温度和冷却水所需流量；
步骤二：根据各换热设备的冷却水出口温度、冷却水所需流量汇总得到水网主回水线的回水温度、回水流量、压降、压力；
步骤三：根据回水温度、回水流量应用焓差法获取冷却塔循环水冷却后温度、循环水冷却后流量、蒸发损失量；
步骤四：根据回水流量、压降及水泵特性曲线得到水泵所需运行功率；
步骤五：根据步骤三中循环水冷却后温度、循环水冷却后流量、补水温度、补水流量得到循环水供水温度及供水流量，分别作为步骤一的参数继续迭代；
步骤六：以风机运行数目和排水量为优化变量，以总经济费用最小为目标实现循环水系统全局优化。


2.根据权利要求1所述的一种循环水系统质能综合优化方法，其特征在于，所述步骤一具体如下：
设第i次计算中，冷却水出口温度设定值为冷却水出口温度迭代区间为冷却水出口温度设定值为
(1)冷却水出口温度初值选取：冷却水出口温度Tc,out大于冷却水进口温度Tc,in，小于热流股进口温度Th,in；因此设置冷却水出口温度的迭代初始区间为(Tc,in，Th,in)；
(2)根据热衡算方程得到换热设备冷却水所需流量；
(3)对传热系数进行校正；
(4)根据冷却水所需流量、校正后的传热系数通过传热速率方程得到热负荷；
(5)迭代终止判定：比较热负荷与目标热负荷，若二者差值小于收敛范围，则迭代结束；若二者差值大于收敛范围，则在下一步...

【专利技术属性】
技术研发人员：李继龙，曾鹏，王挺，陶晔，
申请(专利权)人：中国科学院沈阳自动化研究所，
类型：发明
国别省市：辽宁;21