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ENERGY 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2,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响规律。千球温度,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岀塔温度,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28℃增加到30℃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22.5℃时,操作费用最低,而夏季循环水出塔温度为27.5℃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:100-6339(200)05-0430-05Optimization Study of One Circulating Water System Operation CostsLONG De-xiao', JIA Xiao-duo2, REN Ruo-fei, LI Zhi-min2(1. Institute 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 circulating water system was established in this paper, some importantinfluent factors and their influent behavior were discussed. The temperature of leaving tower is directly afecteby changes of the factors such as dry bulb temperature, related humidity, air volume of tower and so on, andthe temperature change of leaving tower obviously affects 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 Kunming area, when the temperature 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 electricity price would affect the choiceof optimal temperature of leaving tower. Therefore, the same system behaves different operation performance inKey words: circulating water system; economic model; optimization; operation cost70%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用不中国煤化工地区运行操作费前对于循环水系收稿日期2009-0-08修订稿日期2009-0-10统的N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(Tm,Tw,小)=239043·7别,7型5-81、循环水节能9-0等方面也开展了许多工(1)作。而事实上,系统运行需要消耗大量新鲜水的同了=( Range, Approach,T)时,还消耗大量的能量,仅仅考虑能耗或新鲜水都是Tm,T,Tw,丁分别是冷却塔进,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(℃),湿球温度(℃),冷却塔单元数;不多见{-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-Twh),幅度费用数学模型,同时讨论了各个因素对循环水系统(Tin-To);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W=W/[(1-Hn)·(Ha-Hin)](2)冷却循环水系统如图1所示,这是一个简单的蒸发水量循环水系统包括一个闭式冷却塔,一个循环水泵,W=0.00153·W。·(Tm-T)一个鼓风机,换热器。补充新鲜水量/(CC-1)+(4)补充新鲜水后的循环水温度W。·T。-Wm·(T-T如)W。(5)cooling式中H1n,H湿空气进,出口绝对湿度;CC—浓缩倍数;W。——循环水量,kg/h2.1.2水泵图1循环冷却水系统循环水泵功率与循环水量扬程的关系Pp=Pp(We,Hp,7pP water )(13)冷却塔是循环水系统最重要的设备之一,循环水与空气在塔内进行接触,通过汽化与接触传热,空式中水泵效率;气温度升高,湿度达到或接近饱和,循环水温度降H一水泵扬程低。循环水泵为系统中循环水的输送提供动力,其冷却水密度,kg/m3。负荷与循环水流量,扬程有关。鼓风机是冷却塔的2.1.3鼓风机部分,它的功率与鼓入空气量,出口风压有关。换鼓风机与风量,出口风压力的关系热器做为循环水系统用户,一般是并联操作,各个支Pr Pr Wair, Hair,nr路的压降相同,水泵的扬程大于各支路中所需最大W=W(H=,H1n,W。,Ta,T。)1(8)压头就满足供水要求。式中H出口风压,Pa;循环水系统的各个因素之间是相互联系的,7—风机效率个因素波动会影响整个系统的运行效果。例如增22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:7200h,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600此,需要建立整个系统的操作费用模型,研究各个因min Co Ceke +C(9)素对整个循环水系统费用的影响及其规律综合考Cs=(Pr+Pp)·c虑循环水系统的节能降耗。式中P,P分别为循环水泵,鼓风机的功率,kW;2数学模型的建立C。,C水费操作费用,Y/a;2.1循环水系统数学模型电费,电价,￥/kWh。2.1.1冷却塔模型23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中国煤化工出水量,夹带损失(忽略)。循环水出塔温度可表示CNMHG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431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·△tm(10)用最小的出口温度在25℃,出塔温度低于25℃时,Q=Cp·W·(Ta-T。)(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25℃时,操作费用随着出塔温度升高而升高。°-Cp·(T1+T2-2Q/K·A)式中Q—一移热负荷,kWK—传热系数;你1585A—换热器面积T1,T2热物料冷却前、后温度,℃。T℃由式(6)、式(12)看出,随着循环水出塔温度升高,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,移走的热负荷一定,需要更多的循环水量才能达*都到移热要求,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,已知各个参数和条件如表1所示。图3出塔温度与费用的关系表1已知参数一览表2.3.2干球温度热物流处要求其它条件不变时,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,空气湿球温度升高,进冷却塔的湿空气比焓增大,空气进冷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26℃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28℃升高到30℃时,循环水量增加20%量增大,风机运行费用增大。左右,当30℃升高到32℃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10的影响很小,随着空气湿度的增大,这种影响越来越大。这是因为湿度大时,所需的风量急剧增加,风机运行费用增加。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图3给出了出塔温度对操作费用的影响,从图干球温度,℃而水费降低,因为出塔温度越高进塔温度越低,循27不同空气湿度下,干球温度对操作费用的影响图可以看出,随着出塔温度升高,电费先降低后升高中国煤化工环水量越大,由式(3)、(4)循环水蒸发量越少,补充CNMH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x103为283℃。9Ccw=0.16￥/k203040.5060.70.809相对温度,φ3.85图5不同出口温度下,空气湿度对操作费用的影响图5给出了例1条件下不同出塔温度时,空气湿度0对操作费用的影响曲线。可以看出,随着湿度的增303520253035加,湿度对费用的影响越来越严重。并且任意出塔温度,空气湿度对操作费用的影响趋势相同。图7不同水价下,出塔温度与操作费用的关系2.3.4电价3应用各个地区电价不同,研究不同电价对操作费用的影响规律,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,80℃,出口温度,60℃,其它已知条件如佳出塔温度的影响。下x103表2已知条件一览表2.37换热器干球温度,湿球温度,相对湿度电费水费负荷,￥/kWh￥/kWh1.5552.35MW夏季冬季夏季冬季夏季冬季25.8119.9-2.40.830.680.4用以上模型处理后,数据如下ca1W)63xt分表3夏季循环水系统参数与费用的关系T。T。(x10)C(×1P)C(x0)C(×10)20.000050.00000.441177739784641.562022.500047.50000.52387.6936782421.551825.000045.00000.64807.61487.83171.544727.500042,50000,85537.5377789671.543430.0040.0001.2017.4218.10341.5566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,TW(x10°)C(×10f)C(×0)c(x10)从图6看出,电价在040￥/kWh时,循环水最000000.096741.16568.2096佳出塔温度为27.1℃;电价在080￥/Wh时,循环2.0041.30004516.9791.x828.1025.00004500000.58836.91301.27648.1895水最佳出塔温度为253℃。27.500042.50000.77726.84941.39598.24532.3.5水价30.004001.15526.78591643284301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27.5℃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225℃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湿操作到曲加 0 050 2 v100元。度不同,水价为0.04￥/kg,循环水最佳出塔温度为中国煤化工地区不同季节,71℃,而水价为0.08￥/kg,循环水最佳出塔温度循环CNMHG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[6JEvans 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 refineries and chemical Plants (M): Gulf Publishing Hous-很多,主要有:循环水出塔温度,干球温度,水价,电〔7孙奉仲,等.冷却塔设计的数学模型及先进设计方价,空气湿度等其中循环水出塔温度对循环水操作法[门〕.山东电力技术,202.6:6-9费用和循环水量等都有明显影响电价,水价影响操〔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(门.化工进展,043(5):56-567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[刀.节能节约能源。技术,200,18(1):28-30参考文献〔10)李伟.循环水系统的优化分析〔门〕.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):471-47出版社,2001.11-13[1l)M.M. CASTRO, T WSONG, Minimization of operational2)刘崇明梁秀文采用新技术提高循环水浓缩倍数∞ sts in cooling water systems[门. Trans ICHemE200,078:192-〔刀.工业技术,2004,16(3):22-25〔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. Smith. Cooling water system design术的应用[刀.现代化工,2004,24(11):50-55.2001,56:3641-36584)王艳红.循环水系统泄漏及水质恶化对策(.工业〔13]于遵宏,等.化工过程开发与设计(M〕.上海:华东水处理,200,27(12):86-89理工大学出版社,1997347-350.(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1001为1后,初始化变频器控制字,即向ABB传动32H55W[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动工作方式1142(16进制数为476);延时100毫秒后,进入可进210.4A行下一步的操作;停止电机,即主机向ABB传动通变频器电压系统设定压力[手动工作方式2677V6.9MP信协议的控制字( MODBUS寄存器4000)中写入1143(16进制数为470);启动电机,即主机向ABB传报警屏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S7-200结论PC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PC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。同程序这里不再给出。时,大大地节约了空压机组能源的消耗降低了设备33人机界面的设计的运行成本,现已取得了比较明显的经济效益和社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Mr0系列。该款触摸屏具有界面美参考文献观、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、运行状态中国煤化工器入门教程(M.广和报警的显示并且可以形成实时数据曲线和数据州HCNMH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,09-98434·