循环水系统操作费用的优化研究

第27卷,总第157期《节能技术》Vol.27，Sum. No. 1572009年9月,第5期ENERCY CONSERVATION TECHNOLOGYSep. 2009 ,No.5循环水系统操作费用的优化研究龙德晓' ,贾晓朵? ,任若飞2 ,李志民(1.青岛科技大学计算机与化工研究所,山东青岛266042;2.兰州理工大学石油化工学院,甘肃兰州730050)摘要:建立了循环水系统操作费用模型,讨论了各种因素对循环水系统运行费用的影响规律。干球温度,空气相对湿度,冷却塔鼓风量等因素的变化直接影响循环水出塔温度,而出塔温度的变化对系统的循环水量具有很大的影响,如从28C增加到30C时，循环水量增加20%左右,输送费用也会相应地增加。昆明地区,冬季循环水出塔温度为22.5C时,操作费用最低,而夏季循环水出塔温度为27.5C时,操作费用最低,另外,水价,电价不同也会影响系统最佳出塔温度选取。因此,相同的系统在不同的季节,不同的地区,具有不同的最佳操作参数。关键词:循环水系统;经济模型;优化;操作费用中图分类号:TK212. *2文献标识码:A .文章编号:1002 - 6339 (2009) 05 - 0430- 05Optimization Study of One Circulating Water System Operation CostsLONC De - xiao' ,JIA Xiao- du2 , REN Ruo- fe2 ,U Zhi - min?(1. Istute of Computer and Chemical Engineering, Qingdao University of Science and Technology ,Qingdao 266042, China;2. School of Petroleum and Chemical Engineering, Lanzhou University of Science and Technology , Lanzhou 730050, China)Abstract: A operational cost model of circulaing water system was established in this paper, some importantinfluent factors and their inluent behavior were discussed. The temperalure of leaving tower is directly afectedby changes of the factors such as dry bulb temperature, related humidity, air volume of tower and 80 on, andthe temperature change of leaving tower obviously afects on flowrate of cooling water, for example, when thetemperature increases from 28 to 30C, flowrate increases by 20 percent, the cost of transportation increases,too. In Kunning area, when the tempenalure of leaving tower is 22.5C in winter and is 27.5C in summer,the operational cost is minimal. In addition, different water price and eletricity price would afect the choiceof optimal temperature of leaving tower. Therefore, the same system behaves different operation performance indifferent seasons and regions.Key words: circulating water system; economic model; optimization; operation cost70%1左右,另外，系统运行需要消耗大量的电能和0前言水源，如何降低其运行操作费用是人们始终关注的循环水系统在化工，电力,冶金,炼油等行业中课题。循环水系统的影响因素很多,同一装置在不是必不可少的。循环水的用量占整个工业用水量的同的季节运行,相同的设计在不同地区运行,操作费用不同,最佳操作参数也不同。目前对于循环水系收稿日期2009-07-08 修订稿日期 2009-09- 10统的研究,主要集中在对循环水浓缩倍数(2)、防漏与作者简介:龙德晓(1982- ),男,在读研究生。，430●药剂处理方面的研究(3-4)。另外,冷却塔换热模T。= T。(Tmn,Th,rf)= 2.39043●70.391. T94型[5-8)、循环水节能[9-10)等方面也开展了许多工. rf0.73(1)作。而事实上,系统运行需要消耗大量新鲜水的同rf = f( Range ,Approach , T.b)时,还消耗大量的能量，仅仅考虑能耗或新鲜水都是Tm,ro,Tbf分别是冷却塔进，出塔温度不全面的,把两者联系起来同时考虑的工作目前还(C),湿球温度(C),冷却塔单元数;，不多见11-12]。本文重点建立了循环水系统的操作Approach , Range分别为趋近度(T。- Tw) ,幅度费用数学模型，同时讨论了各个因素对循环水系统(Tm- T。);的影响规律,为循环水系统的最优操作提供依据。空气量1过程描述Win= w./[(1- Hm). (Hau- Hm)](2)冷却循环水系统如图1所示,这是-一个简单的蒸发水量Wev = 0.00153. We.(Tm- T。)(3)循环水系统，包括-一个闭式冷却塔,- -个循环水泵，补充新鲜水量一个鼓风机,换热器。Wm= w./(CC-1)+ We(4)补充新鲜水后的循环水温度T"。= w。. T。- wm.(T。- T)/W。(5)Wmu式中Hm,H一 湿空气进,出口绝对湿度;CC一-浓缩倍数;w.- - 循环水量,kg/h。Wblowdomn-82.1.2水泵循环水泵功率与循环水量，扬程的关系图1 循环冷却水系统Pp= P。( w。,H,, 7pPme)(3)(6)冷却塔是循环水系统最重要的设备之一，循环式中ηp一水泵效率;水与空气在塔内进行接触,通过汽化与接触传热,空H,-水泵扬程,m;气温度升高,湿度达到或接近饱和，循环水温度降Puse-冷却水密度 ,kg/m'。低。循环水泵为系统中循环水的输送提供动力,其2.1.3鼓风机负荷与循环水流量，扬程有关。鼓风机是冷却塔的鼓风机与风量,出口风压力的关系一部分,它的功率与鼓人空气量,出口风压有关。换pr= pr( Win. Ha, 7r,Pa)13)(7)热器做为循环水系统用户,- -般是并联操作,各个支Wi= Ww(Hu,Hm, w.,Tm, r.)"(8)路的压降相同,水泵的扬程大于各支路中所需最大Hr-出 口风压,Pa;压头就满足供水要求。循环水系统的各个因素之间是相互联系的,一ηr - 风机效率。.个因素波动,会影响整个系统的运行效果。例如,增2.2循环冷 却水系统操作费用模型加风机的风量,会增加风机的电耗,但能降低循环水目标函数:假设循环水年运行时间:7200 h,风出塔温度,从而降低循环水量，节约水泵能耗。因机中空气出口风压:60 000 Pao此,需要建立整个系统的操作费用模型,研究各个因minCo = Cale + Cew(9)素对整个循环水系统费用的影响及其规律,综合考Case= (Pr+ Pp). Cele虑循环水系统的节能降耗。P,Pp一分 别为循环水泵，鼓风机的功率,kW;2数学模型的建立Cow,C。- - - -水费操作费用,￥/a;2.1 循环水系统数学模型Cele,Cade"电费，电价,￥/kWh。2.1.1冷却塔模 型[1]2.3因素分析在冷却塔塔内,损失的水量主要有蒸发损失,排2.3.1出塔温度出水量，夹带损失(忽略)。循环水出塔温度可表示出塔温度是冷却塔重要参数之一-，是冷却塔,换为:热器设计的重要依据,直接影响循环水量和操作费用。电耗越大,操作费用越大。但是接近干球温度时,需(1)出塔温度对循环水量的影响要风机能耗非常大,水费大,操作费用也大。操作费Q=K.A●Otm.用最小的出口温度在25C,出塔温度低于25C时，Q= Cp. w..(7m- r")(11)操作费用随着出塔温度升高而降低,而出塔温度高由上式推出于25C时,操作费用随着出塔温度升高而升高。W。=Cp.(T1+ T2-2. T。-2. Q/K. A)593X108.2x10(12): 1.5式中Q一移热负荷,kW;，K一-传热系数;K 1.585￥7.9A- -换热器面积;T,T-热物料冷却前、后温度,C。0202530由式(6)、式(12)看出,随着循环水出塔温度升T。.cs x10高，所需循环水量增大;反之,水量减小。因为循环水出塔温度升高,传热系数变化不大,进塔温度降低,移走的热负荷-定，需要更多的循环水量才能达到移热要求,所以，随着循环水出塔温度增大,所需循环水量增大。例1,某工厂有一循环水系统,已知各个参数和(e20J2530圈3出塔温度与费用的关系条件如表1所示。表1已知参数一览表2.3.2干球温度热物流处要求季其它条件不变时,循环水系统的操作费用随着.进口温度， 出口温度，干球温度， 湿球温度，相对湿度，干球温度的升高而升高,随着干球温度升高,空气湿MW15C%球温度升高,进冷却塔的湿空气比焓增大,空气进冷025.819.90.83出塔温度与循环水量的关系如图2所示,当出塔却塔绝对湿度增大,空气出冷却塔绝对湿度不变,再温度高于26C时,循环水量随着出塔温度迅速增大,由式(2) ,式(8)随着干球温度升高,需要鼓入的空气当出塔温度28C升高到30C时,循环水量增加20%量增大，风机运行费用增大。左右，当30C升高到32C循环水量增加60%以上。从图中看出,空气适度在40%以下，干球温度的影响很小，随着空气湿度的增大,这种影响越来越22￥10大。这是因为湿度大时,所需的风量急剧增加,风机20-1.8运行费用增加。1.6。x107114;1.2.5EO81.00.80.60418202224262830322.5t图2出塔温度与循环水量的关系(2)出塔温度对操作费用的影响I255503干球温度.c图3给出了出塔温度对操作费用的影响,从图图4不同空气湿度下,干球温度对操作费用的影响可以看出,随着出塔温度升高,电费先降低后升高，2.3.3空气湿度而水费降低,因为出塔温度越高,进塔温度越低,循环水量越大，由式(3)、(4)循环水蒸发量越少,补充空气湿度越大,单位体积空气中循环水蒸发散水量越少,水费越低,需鼓入风量越大,风机和水泵热量越小，接触传热量不变，移热量不变,需要风量越大，风机运行费用增加，系统操作费用相应增加。432●为28.3C。1.75*107Cew=0.04V/kg2.4510Cow=0.08 yAgp1.7.2.41.653 1.655家3202330351520230353.2* 10°3.9*.10Cewa0.12V/kgp、Gew=0.16￥/g0.10.20.30.4050.6 0.708 0.9相对温度,中3.85團5不同出口温度下,空气湿度对操作费用的影响3.128 3.8图5给出了例1条件下,不同出塔温度时,空气湿度3.05)对操作费用的影响曲线。可以看出，随着湿度的增15 2023305 202530 35加,湿度对费用的影响越来越严重。并且任意出塔图7不同水价下,出塔温度与操作费用的关系温度,空气湿度对操作费用的影响趋势相同。2.3.4电价各个地区电价不同,研究不同电价对操作费用3应用的影响规律,对循环水系统最优操作具有重要意义。昆明某工厂有一循环水系统,热物流工艺要求:图6给出了例1条件下,电价变化对操作费用和最进口温度,80C,出口温度,60C,,其它已知条件如佳出塔温度的影响。表2已知条件一览表1.565x 10Cele0.4￥AWh.37个10Cale=0.8￥AWhp换热器干球温度，湿球温度，相对湿度电费?水费1.56.36负荷，__ 9￥/kWh V/kWhis5552.35Mw夏季冬季夏季冬季夏季冬季81.55昌2.3415 25.8 1 19.9-2.40.830.68 0.40.0415452.33用以上模型处理后,数据如下:1.54520一25302321520一2530表3夏季循环水系统参数 与费用的关系T。,c4.710°Cele=1.2￥/Wh6.26*10°Cele=1.6VAW6TTW.(x 10*) C(x 10) Ca(x 10) C(x 10)6.2420.0000 5.0000.4411 7.773 9686.2222.5000 47.5000 0.5238 7.6936 7.8242 1.5518.66. 6.2|25.0000 45.0000 0.648 07.61487.831 71.544 7.641827.5000 42.5000 0.8553 7.5377 7.8967 1.543 44.021520253030.000 40.0000 1.2701 7.462 18.1034__ 1.5566表4冬季循环水系统参数与费用的关系图6不同电价下,循环水出塔温度与操作费用的关系T. T。 W(x10) C。(x10)C(x10) C(x10)从图6看出,电价在0.40￥/kWh时,循环水最20.00 50.0000 0.3996 7.0439 1.1656 8.2096佳出塔温度为27. 1C;电价在0.80￥/kWh时,循环22.5000 47.500 0.4751 6.97791.2082 8. 18605.00000 45.000 0.588 36.91301.276 48.1895水最佳出塔温度为25.3C。27.5000 42.5000 0.7772 6.8494 1.3959 8.245 32.3.5水价30.000 40.0000 1.1552 6. 786 9.1.6432_ 8.4301水价变化影响整个循环水系统的操作费用,同从上述数据和图7可以看出，夏季循环水出塔时影响循环水系统最佳操作参数的选择,例如水价温度在27.5C时,操作费用最低,而在冬季时循环的变化影响循环水最佳出塔温度的选择。其它条件出塔温度在22.5C时,操作费用最低，如果冬季的不变,随着水价升高，操作费用增大,循环水最佳出出塔温度不做相应的调整,而使用夏季的出塔温度，塔温度升高。由例1的数据来说明:从图7可以看出,水价不同,循环水最佳出塔温操作费用每年至少增加0.059 3x 10元。度不同,水价为0.04￥/kg,循环水最佳出塔温度为总之,不同地区相同季节,同-一地区不同季节，27.1C,而水价为0.08￥/kg,循环水最佳出塔温度循环水系统操作参数要做相应的调整，选择各个季节,各个地区的最优操作参数，获得更好的经济效益。[5]赵振国.冷却塔[M].北京:中国水利水电出版社，2001. 18- 30.4结论[6]Evans Jr., F. L. Cooling tower. Equipment design hand-循环水系统是一个非常复杂的系统,影响因素book for refinenies and chenical Plants (M]:Guf Publishing Houer很多,主要有:循环水出塔温度，干球温度,水价,电ton, 1980.2.价,空气湿度等,其中循环水出塔温度对循环水操作[7]孙奉仲,等.拎却塔设计的数学模型及先进设计方费用和循环水量等都有明显影响,电价,水价影响操法[].山东电力技术,2002,6:6-9.[8]胡跃华,朱泽华.循环冷却水系统蒸发损失的计算作参数的选择,要重视出塔温度的选择,同时考虑上与分析[J].化工进展,2004.23(5); 566 - 567.述因素的变化,对系统改造、设计和调优进行指导以[9]王金亮,孙光武.循环冷却水系统的节能[J].节能节约能源。技术,2000,18(1):28- 30.参考文献[10]李伟.循环水系统的优化分析[J].节能技术，[1]龙荷云.循环冷却水处理[M].南京:江苏科学技术2006,24(5):471 -473.出版社20.11- 13.[11)M. M.CASTRO,T.W.SONG, Minimization of opraional[2]刘崇明粱秀文.采用新技术提高循环水浓缩倍数costs in cooling water sytems[J] .Trans ICHemE. 200078: 192 -([].工业技术,2004,16(3):22- 25.201.[3]张俊玲,李凤来,等.工业循环水冷却水节水成套技[12)Jin - Kuk Kim , R. Srnith . Cooling water sytem deign术的应用[J].现代化工,00.24(11):5055.[]).2001, 56: 3641 - 3658.[4)王艳红.循环水系统泄漏及水质恶化对策[J].工业[13]于遵宏,等.化工过程开发与设计(M].上海:华东水处理, 2007,27(12):86- 89.理工大学出版社，197.347- 350.(上接第429页)屏参数显示界面,如图3所示。根据上面的介绍,使用ABB传动通信协议的控空压机控制系统参数显示制字控制变频器启停的方法如下:设置变频器参数变频器速度变频器功率1001为1后,初始化变频器控制字，即向ABB传动35.2 Hz56.5kw工作 方式通信协议的控制字(MODBUS寄存器40001)中写人变频器电流系统实际压力自动工作方式210.4A6.8MPs1142( 16进制数为476);延时100毫秒后,进入可进变频器电压系统设定压力 手动工作方式行下一步的操作;停止电机,即主机向ABB传动通267.7V6.9MP信协议的控制字(MODBUS寄存器40001)中写人1143( 16进制数为477);启动电机,即主机向ABB传设警牌报警屏返回动通信协议的控制字( MODBUS寄存器40001)中写图3触摸屏参数显示界面人1151(16进制数为47F)。具体的串行通信程序需要使用西门子S7 - 200PLC通信指令中的发送、接收指令(XMT和RCV)来实现通信数据的收发操作,在控制字符串发送完成本文所述电气控制系统在采用基于MODBUS后触发中断事件26(端口1发送完成)再进行状态通信、使用PLC和变频调速技术的改造设计方案字符串的接收。接收到的字符串还需要单独编写后,控制系统整体运行安全稳定、可靠,提高了控制CRC校验程序以便对接收到的字符进行校验,具体系统的自动化水平和管道出气压力的控制精度。同时,大大地节约了空压机组能源的消耗,降低了设备程序这里不再给出。的运行成本,现已取得了比较明显的经济效益和社3.3人机界面的设计控制系统的人机界面采用的是上海步科电气会效益。Eview触摸屏MT510 系列。该款触摸屏具有界面美观、人机对话友好等优点。通过触摸屏窗口可以设[1]王强,李齐权.变频技术在恒压供水系统中的应用定、修改关键运行参数和配方的下载编辑。同时，[J].节能技术,2009,27(1):87 - 88.通过触摸屏可以进行空压机组操作流程、运行状态[2]钟肇新,王灏.可编程序控制器入门教程(M].广和报警的显示,并且可以形成实时数据曲线和数据州:华南理工大学出版社,2005, 105- 108.[3]}张还,李胜多.可编程序控制器原理及过程控制报表以供显示和打印。空压机组电气控制系统触摸[M].北京:中国电力出版社,2008,97 - 98.434●