CN103984999B - 一种工业循环冷却水能量集成优化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及工业冷却循环水节能技术领域，具体地说是一种工业循环冷却水能量集成优化方法。优化方法具体如下：将约束条件及优化变量计算得出理论指标要求；将理论指标要求计算得出最佳用水量；将现场测量数据及管网模型模拟数据加入至最佳用水量并判断最佳用水量是否合理，计算得出理论供水压力；计算得出关键线路、次关键线路及非关键线路；分别计算并判断出是否有压损潜力挖掘；计算出最小供水压力；理论供水压力与最小供水压力比较是否合理，调节水场设备。同现有技术相比，可监测循环水系统运行状况，诊断循环水系统存在的问题，提出优化方案，保证循环水系统在长周期安全运行下进行节电、节水，提高循环水系统的运行效率。
Description
技术领域
本发明涉及工业冷却循环水节能技术领域，具体地说是一种工业循环冷却水能量集成优化方法。
背景技术
工业循环冷却水系统是以水作为冷却介质，并循环使用的一种冷却水系统，由凉水塔、循环水泵、循环水管网、换热设备等组成。循环冷却水作为工业生产不可或缺的公用工程，应用于石油、化工、钢铁等各个领域，其水泵电耗占总用电量的 20％，冷却水占工业用水量的70％左右。
循环水系统作为生产辅助系统，过去只要能满足生产所需，其耗能并未受重视，能源浪费较严重。循环水系统常见问题如下：
1、水冷负荷过大，冷却了一些“不该冷却”的负荷，“偏远”与“高位”冷却系统对水压力的要求造成低位及附近冷却系统水耗偏大。
2、系统总管压力偏高。
3、循环水上回水温度总体偏低，但局部偏高的矛盾突出；循环水泵不匹配，扬程有富余，回水压力高，增大循环水泵的电耗。
4、循环水场间负荷分配不优化，凉水塔冷却效果差、凉水塔冷却效率下降增大风机的电耗。
5、水冷器长期运行、生物黏泥、循环水水质变差和操作不当等原因导致水冷器结垢，不仅引起冷却效果下降，而且增大了管线的阻力。同时水冷器因结垢导致的垢下腐蚀，以及应力腐蚀等因素会造成水冷器管束腐蚀穿孔发生泄漏，缩短换热器的使用寿命，污染循环水系统，影响装置的长周期运行。还增加了冷却塔补水和排污。
上述问题之间会相互作用和影响，从而增大整个循环水系统能耗，降低循环水系统整个能效。
随着水资源的日益紧张和能源价格的上涨，循环水系统节能工作也愈发重要，节电和节水是循环水系统节能的两个重要方面。现有的循环水节能方法主要包括凉水塔改造、循环水泵改造和风机改造等，这些节能技术主要是针对单系统改造，但仍存在以下几个方面的弊端：
1、未能深入分析循环水系统的节能潜力，只是对局部进行改造，节能效果有限，甚至没有节能效果。如片面的根据循环水量改造循环水泵，或根据循环水回水压力改造凉水塔风机，而没有从根本上解决循环水压力偏高问题。
2、未从用水端、输送管道、凉水塔、循环水泵等多方面进行综合优化，忽视了用水环节和循环水输送环节，整体效果未达到最优。如：用水端被冷却介质温度高，余热未充分回收，致使水冷负荷过大；循环水管内流速低，导致水冷器结垢及腐蚀严重，引起冷却效果下降，同时增加管道阻力，管网压力损失大。
3、缺乏监控管理平台。循环水厂虽然设有DCS监控系统，但缺乏对用水终端 (水冷器)的实时监控和诊断，没有实现数据化、精细化管理。
4、管理措施不合理。如为满足循环水上回水温差指标，而进行的节水措施，容易引起水冷器流速过低，造成设备结垢和腐蚀问题。
发明内容
本发明为克服现有技术的不足，根据流体力学、热力学和“三环节”系统节能理念，提出了一种工业循环冷却水能量集成优化系统，以降低循环冷却水的能耗，使改造和管理达到整体效果最优。
为实现上述目的，设计一种工业循环冷却水能量集成优化方法，其特征在于：所述的优化方法具体如下：
(a)将约束条件及优化变量进行理论计算得出理论指标要求；
(b)将理论指标要求计算得出最佳用水量；
(c)将现场测量数据及管网模型模拟数据加入至最佳用水量并进行比较判断最佳用水量是否合理，然后计算得出理论供水压力；
(d)通过管网模型计算得出关键线路、次关键线路及非关键线路；
(e)在关键线路、次关键线路及非关键线路中分别计算并判断出是否有压损潜力挖掘；
(f)然后计算得出最小供水压力；
(g)将理论供水压力与最小供水压力进行比较是否合理，若合理，则根据最小供水压力调节水场设备；
(h)在调节水场设备的同时，结合实际环境中的多工况核算及操作弹性。
所述的管网模型为把循环水管网中的每根管段看作是具有一定的物理特性的线段，各线段之间有一定的物理和逻辑关系，然后可以将实际的循环水管网模型化为管网拓扑图。
所述的压损潜力挖掘是对关键线路上重要位置布置测量元件，实时测量并计算管网目前运行的情况，清楚富余压力损失的地方，计算关键线路上管网流程、设备、管件、背压，确定可减少的压降损失。
所述的约束条件为理论流速及理论水侧管壁温度。
所述的优化变量为换热前后的温差。
本发明同现有技术相比，提出的工业循环冷却水能量集成优化系统依次进行用水端换热网络优化、输水端即循环水管网压力优化、供水端即循环水场优化和运行管理优化等。可监测循环水系统运行状况，诊断循环水系统存在的问题，提出优化方案，保证循环水系统在长周期安全运行下进行节电、节水，提高循环水系统的运行效率。
附图说明
图1为本发明系统流程图。
图2为本发明系统图。
图3为管网拓扑示意图。
参见图2，1为冷却塔，2为清水池，3为冷却风机，4为循环水泵入口阀，5 为循环水泵，6为循环水泵出口阀，7为水冷器，8为循环水系统管道，9为冷却塔前阀门。
具体实施方式
下面根据附图对本发明做进一步的说明。
如图1所示，优化方法具体如下：
(a)将约束条件及优化变量进行理论计算得出理论指标要求；约束条件为理论流速及理论水侧管壁温度；优化变量为换热前后的温差；
(b)将理论指标要求计算得出最佳用水量；
(c)将现场测量数据及管网模型模拟数据加入至最佳用水量并进行比较判断最佳用水量是否合理，然后计算得出理论供水压力；
(d)通过管网模型计算得出关键线路、次关键线路及非关键线路；
(e)在关键线路、次关键线路及非关键线路中分别计算并判断出是否有压损潜力挖掘；
(f)然后计算得出最小供水压力；
(g)将理论供水压力与最小供水压力进行比较是否合理，若合理，则根据最小供水压力调节水场设备；
(h)在调节水场设备的同时，结合实际环境中的多工况核算及操作弹性。
如图3所示，管网模型为把循环水管网中的每根管段看作是具有一定的物理特性的线段，各线段之间有一定的物理和逻辑关系，然后可以将实际的循环水管网模型化为管网拓扑图。由于循环水的网络与电的网络相似，将基尔霍夫I、II定律应用到循环水的网络中，假设网络W有m根外支管，n根内管，j个节点。m根外支管外端的压力值分别为P1、P2、……、Pm；每根管段的两个未知数，即压降ΔP和流量 G。
按物料平衡原则：对于任意节点j，按照下式计算：
上式中：E表示与该节点直接连接的管段数；r表示管段内流体流向，r＝1，则流向指向该节点，；r＝2，则流向指出该节点。
按能量平衡原则，对于任意一个回路，按照下式计算：
上式中：F表示组成该回路的管段数；r表示管段内流体流向，流向与回路方向相反，则r＝1；流向与回路方向相同，则r＝2。
对于任意一个通路按照下式计算：
上式中：D表示组成该通路的管段数；r表示管段内流体流向，流向与通路方向相反，则r＝1；流向与通路方向相同，则r＝2。
在一个管网拓扑逻辑图中，未知数个数、方程数之间的关系如下：物料平衡方程 j个；能量平衡回路方程n-j+1个；能量平衡通路方程m-1个；共2(m+n)个未知数，联立解方程可得到唯一解。
根据模拟后确定的关键点做现场测量，所述的对关键点做现场测量是对少量的关键点做现场压力值测试，据此对管网模型进行校正。针对特殊部分，如管线参数未知、特殊结垢等情况，建立黑箱模型。以现场测试的数据与模型比对，对模型做校正以完善管网模型并确定标准模型。
确定可降压损，压损潜力挖掘是对关键线路上重要位置布置测量元件，实时测量并计算管网目前运行的情况，清楚富余压力损失的地方，计算关键线路上管网流程、设备、管件、背压，确定可减少的压降损失。
可降压损一般包括循环水管网上的管路附件和管线。一般的讲，如管网上某段管道的压降远大于理论计算压降，可能是该段管道出现局部堵塞，可选择对该管道清洗；部分阀门本身压降很大，可考虑更换阀门；虾米弯可以改为一次性铸造的流线型虾米弯等。
结合压力分级供水技术，在水场耗电量最小的目标下，确定最优总供水压力，即合理的最小供水压力。
具体的压力分级供水技术主要是解决装置很高的水冷器冷却问题。针对某个换热装置较高的系统，循环水系统主要是提升整体供水压头来满足局部供水流量较小的水冷器的用水需要，而其他水冷器则存在供水压力过剩的情况，大大增加了泵供水的能耗，造成循环水系统整体能耗增加。
对于高区水冷器，一般采用增上接力泵，采用局部增压方式将循环水供给，可降低循环水供水的总体压力。也可考虑更换高效复合式冷却器，该复合式冷却器将水的蒸发与空气冷却、传热与传质过程融为一体，利用空气冷却的翅片预冷段和水膜减压蒸发段相结合强化换热、热效率高，可将生产系统装置中的高温高压气体进行冷却或冷凝成液体、或对较高温度的液体进行冷却。采用高效复合式冷却器，可消除循环水用水，降低循环水供水的总体压力。
结合用水端换热网络优化方法确定的装置循环水最优用量和循环水管网优化方法确定的循环水系统的供水总体压力，对循环水泵进行优化改造或更换高效节能泵。
供水端即循环水场优化主要包括循环水场设备优化和操作调整优化，以提高效率，降低能耗为目的。具体的设备优化技术主要有：高效电机技术，可提高效率3-5％；高效凉水塔技术，增强喷淋效果；高效风机技术，提高设备运行效率；水力涡轮技术，将回水势能充分利用，利用回水余压带风机节电。
具体的操作调整优化主要指运行调整，提高设备运行效率：循环水泵多泵优化技术，即在特定的供水量条件下，以循环水场水泵用电量最小为前提，对循环水泵的开停和流量大小做优化计算；通过计算循环水场冷却塔的运行效率，来控制循环水进入冷却塔的流量，对上塔水量偏流调整；风机叶片角度调整，减少风机用电量；管路阀门开度调整等。
运行管理优化是为循环水系统开发的在线优化操作系统，采用在线优化系统，保证安全前提下的运行优化效果。该系统有热流冷却温度透明化、水冷器运行参数透明化、降压余量透明化、全系统统一管理，信息透明、泄露及异常用水排查等的功能。具体包括以下内容：循环水系统的监控与诊断，主要包括总体及各个装置的概况，同时显示系统存在的问题报警提示等。
用水端水冷器的监控与诊断，通过实时监控水冷器工艺物料的进出水流量和温度，同采集到的循环水进出水温度，计算出循环水侧的流速、污垢热阻和压降。根据实时及历史趋势的变化，诊断水冷器运行状况，及时发现循环水系统的问题。
循环水场运行监控与诊断，包括循环水泵和风机电流实时监控与诊断、参数预警、循环水冷却塔运行监控、循环水冷却塔运行效率计算、补水与排水监控、循环水水质监控。
实施例一
本发明涉及的工业循环冷却水系统包括冷却塔1，清水池2，冷却风机3，循环水泵入口阀4，循环水泵5，循环水泵出口阀6，循环水系统管道8，回水管进的冷却塔前阀门9及装置内的水冷器E-1001、E-1002A/E-1002B、E-1003等。
实施例为某炼油厂循环水系统，循环水场为污水汽提装置和焦化装置提供循环水，设计循环水量为5000m3/h，循环水场由1座冷却塔1，其中有2间逆流式机械通风塔，2冷却风机3，3台型号相同立式循环水泵5，单台泵额定流量1702m3/h、额定扬程52m，额定功率355kW，循环水泵5中两台开启工作，一台备用。循环水泵出口阀6的开度为50％。循环水上水平均压力0.48MPa，平均流量3150m3/h，至焦化和污水汽提流量约为1950m3/h和1200m3/h。回水压力约0.27MPa，返塔管线上阀门开度15％。平均上水温度为23℃，平均回水温度为28.5℃，供水与回水温差 5.5℃。
在运行过程中，位于24米处换热平台上水冷器E-1001的工艺物流无法完全冷却下来，在17m平台装有一台管道接力泵，给水冷器E-1001供循环水，才能满足冷却效果。焦化装置位于最高20m处有4台水冷器，分别为E-1002A与E-1002B 串联、E-1005A和E-1005B串联。
应用工业循环冷却水能量集成优化系统对循环水系统进行用水端换热网络优化、输水端即循环水管网压力优化、供水端即循环水场优化和运行管理优化。对炼油装置循环水系统，包括循环水场、循环水管网和终端用户进行调研，详细了解循环水系统运行情况，采集相关数据。
首先对用水端换热网络进行优化。通过测定水冷器循环水侧和工艺侧的工艺参数，根据各水冷器设备参数利用软件建立水冷器模型。
以位于24米处换热平台上水冷器E-1001例说明，E-1001工艺物流无法完全冷却下来，在17m平台装了管道泵才使工艺物流冷却，根据现场测试数据可知，换热器E-1001循环水侧进出口压降为0.05MPa。通过模拟计算发现水冷器E-1001管壁温度最高达87.81℃、循环水流速0.24m/s。过高的管壁温度和过低的循环水流速都易导致水冷器结垢，增大循环水侧进出口压降。按照现场工艺流程情况，对换热端进行换热流程优化，从原料水入口引出一股原料水送至E-1001循环水入口管线，与物料换热后返回至原料水出口，降低循环水冷却器入口温度，从根本上解决循环水侧结垢问题，同时降低循环水用量。
以焦化装置处于20米高度的水冷器E-1002A与E-1002B为例，水冷器的位置很高，水冷器为6管程，且E-1002A与E-1002B串联，循环水侧入口压力为0.34MPa，出口压力为0.09MPa，循环水侧压降高达0.25MPa。按照优化原则，应消除不合理的循环水串级流程，严格控制串接冷却，防止因水冷器串接而导致该条循环水线路成为系统的关键线路，增加泵送流量及抬升整体压头。
以焦化装置处于6米高度的水冷器E-1004与E-1007为例，水冷器均为2管程， E-1004工艺侧入口温度85℃、出口温度26℃，流量15282Nm3/h，循环水入口温度 22℃、出口温度24.5℃，进出水温差2.5℃，用量270t/h；E1007工艺侧入口温度120℃、出口温度82℃，流量为12t/h，循环水入口温度22℃、出口温度28℃，进出水温差 6℃，用量193t/h。通过计算和现场测量，水冷器E-1004与E-1007循环水侧压降约 0.003MPa，均位于5m平台，所以E-1004出口循环水串级至E-1007，对系统管网压力影响很小。E-1004出口循环水串级至水冷却E-1007，计算得可节约循环水 200t/h。在焦化装置循环水量为1945t/h、回水与上水温差为4.1℃的情况下，可提高循环水回水与上水温差至4.6℃。
对于非关键线路的水冷器，应控制循环水出口温度，防止多用水。对于关键线路上的水冷器，需重点监控循环水出口温度和压力，防止压力过剩而导致总体用水量增加的原则对重点水冷器进行核算。据所有循环水冷却器的计算和诊断结果，提出节水优化方案，并得到循环水系统的节水潜力。
对用水端换热网络进行优化：根据循环水管网的拓扑结构、特性参数和流量分配，以拓扑学自动识别管网结构，建立严格数学模型，通过模拟计算循环水各主、支管路压力分布；对冷却设备进行工艺计算，确定该系统的关键线路，分别为污水汽提装置位于24米处换热平台上的水冷器E-1001所在线路和焦化装置20m换热平台的水冷器E-1002A/B及E-1005A/B所在线路。关键设备为水冷器E-1001、 E-1002A/B、E-1002A/B等。
现以污水汽提装置E-1001为例，计算E-1001所在管路的循环水管网所需的理论最大供水压力。
(1)循环水场至装置的压降计算：
循环水场至装置上水总管的供水总管管径为1000mm，管长约为200m，循环水量为2700m3/h。管路上有90°弯头4个，局部阻力系数为3；三通一个，局部阻力系数为0.7。则供水总管流速为：
上式中，23℃循环水的密度、粘度分别为996.2kg/m3和0.96cp。
上式中，取管道的摩擦因子λ1=0.02，则管路压降为：
上式中，根据现场实测数据，装置上水总管压力为0.48MPa，扣除阀门压降后约0.0025MPa，循环水场至装置的压降为0.0125MPa，比计算值大，取实测数据。
(2)装置上水总管至支管的压降：
上水总管管径为600mm，管长约为50m，循环水量为1050m3/h。管路上有90°弯头6个，局部阻力系数为4.5；闸阀一个，半开，局部阻力系数为4.5；三通一个，局部阻力系数为0.7。
同理，计算上水总管流速为1.03m/s，管路压降0.0057MPa，根据现场实测数据，从装置上水总管至分支管的压降为0.014MPa，比计算值大，取实测数据。
(3)支管至水冷器的压降：
支管管径为150mm，管长约为20m，理论得出循环水量为70.6m3/h。管路上有 90°弯头2个，局部阻力系数为1.5；闸阀一个，全开，局部阻力系数为0.17。同理，则分支管流速为1.11m/s，管路压降0.0013MPa，根据现场实测数据，从分支至水冷器入口的压降为0.032MPa，比计算值大，取实测数据。
(4)换热器压降计算：
采用专业换热软件进行核算，在正常污垢热阻下，水冷器的理论压降为0.003MPa，其中，设计压降只有0.001MPa，比实测数据小，取理论计算值，由于换热器结垢严重，不具有参考价值。
(5)理论最大供水压力按照下式计算，得出理论循环水最大供水压力为0.333MPa，具体计算如下：
(0.0125+0.014+0.032+0.003)×1.2+(24+2.5)×996.2 ×9.8/100000＝0.0738+0.259＝0.333MPa；
上式中，2.5为循环水侧出口位高，1.2为设计余量。
将循环水管网其它水冷器线路压降分别同理计算出，取出最大的值为整个系统的理论最大供水压力。
结合用水端换热网络优化方法确定的装置循环水最优用量和循环水管网优化方法确定的循环水系统的供水总体压力，在此基础上提出整个循环水系统需求的扬程，并对循环水泵改造，达到整个循环水系统的节能优化。由计算分析知循环水管网的降压为44m，而目前循环水泵扬程为52m，故可对原泵可抽出式部分设计改造或更换高效卧式泵，改造后的泵流量仍为1702m3/h，扬程降为44m，效率仍为83％，轴功率降为245.7kW。循环水泵改造后，在循环水量不变的情况下，即3145m3/h，循环水泵出口总管压力将降低至0.37～0.42MPa，即降低约0.08MPa，循环水泵的电耗将降低约80kW，节电量在20％以上。年运行时间按8000h，电价按0.6￥/kWh计算，则年效益为38.4万元/年。在循环水串级实施后，循环水量降低为2845m3/h的情况下，循环水泵的电耗将降低约125kW，则年效益为60万元/年。
最后，对供水端即循环水场优化。针对该系统的循环水场，以冷却风机为例，循环水全年平均供水温度为23℃，除了7、8月份为28～30℃，其余月份在17～25℃。由于循环水凉水塔设计处理量为5000m3/h，实际处理量只有2900～3300m3/h。在气温较低时，两台凉水塔风机仍在运行，存在着不合理用能现象。针对循环水供水温度偏低、凉水塔风机设计偏大的问题，将现有一台凉水塔风机电机改造为变频电机。控制循环水供水温度，从而降低凉水塔风机电耗。预计全年风机节电10％，按目前的电流14A计算，可以节电20kW，年效益约为10万元。
按工业循环冷却水能量集成优化系统原则实施的循环水系统优化改造，经过现场的测试，达到了明显的节能效果。
本发明的能量集成优化系统还可以用于包括石油化工、煤化工、冶金等循环水系统。
Claims (3)
1.一种工业循环冷却水能量集成优化方法，其特征在于：所述的优化方法具体如下：
(a)将约束条件及优化变量进行理论计算得出理论指标要求；
(b)将理论指标要求计算得出最佳用水量；
(c)将现场测量数据及管网模型模拟数据加入至最佳用水量并进行比较判断最佳用水量是否合理，然后计算得出理论供水压力；
(d)通过管网模型计算得出关键线路、次关键线路及非关键线路；
(e)在关键线路、次关键线路及非关键线路中分别计算并判断出是否有压损潜力挖掘；
(f)然后计算得出最小供水压力；
(g)将理论供水压力与最小供水压力进行比较是否合理，若合理，则根据最小供水压力调节水场设备；
(h)在调节水场设备的同时，结合实际环境中的多工况核算及操作弹性；
该优化方法还包括运行管理优化，其为循环水系统开发的在线优化操作系统，具体包括：循环水系统的监控、诊断与优化；
所述约束条件为理论流速及理论水侧管壁温度，所述的优化变量为换热前后的温差。
2.根据权利要求1所述的一种工业循环冷却水能量集成优化方法，其特征在于：所述的管网模型为把循环水管网中的每根管段看作是具有一定的物理特性的线段，各线段之间有一定的物理和逻辑关系，然后可以将实际的循环水管网模型化为管网拓扑图。
3.根据权利要求1所述的一种工业循环冷却水能量集成优化方法，其特征在于：所述的压损潜力挖掘是对关键线路上重要位置布置测量元件，实时测量并计算管网目前运行的情况，清楚富余压力损失的地方，计算关键线路上管网流程、设备、管件、背压，确定可减少的压降损失。
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