CN107023339B - 一种低温热流体的分级串联冷却系统控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种低温热流体的分级串联冷却系统，系统包括串联布置的两级冷却单元，其中第一级冷却单元为发电冷却单元，第二级冷却单元为常规冷却单元；入口温度为Tin的热流体首先进入发电冷却单元，被冷却至一个合适的中间温度Tm；发电冷却单元冷却至中间温度为Tm的热流体再进入常规冷却单元，被最终冷却至目标出口温度Tout。本发明的优点：(1)提高了发电冷却单元的热流体出口温度，这将提高发电冷却单元的净发电效率，并降低发电冷却单元的初投资，有效提高了发电冷却的技术经济性；(2)发电冷却单元的净发电量通常大于常规冷却单元的耗电量，在对热流体的冷却过程中不消耗电能，产生发电收益，具有良好的节能环保效果。
Description
技术领域
本发明涉及低温热流体冷却技术领域，特别涉及一种低温热流体的分级串联冷却系统控制方法。
背景技术
在煤化工、石化等行业，有许多生产工艺过程都需要对温度范围为60～300℃的低温工艺热流体进行冷却处理，冷却到工艺要求的目标温度。
常用的工业级大容量冷却方式有空冷、水冷、蒸发式冷却以及这些方式的复合冷却,此类冷却方式都属于耗能型的常规冷却方式。
水冷系统的初始投资较小，但运行时需要消耗大量的电能和水资源，能耗和环境压力巨大；空冷系统在缺水区域被广泛使用，初投资较水冷系统高，虽然不消耗水资源，但运行电耗较水冷系统更大，同时最低冷却温度受到环境温度的限制，可能出现不能满足较低的冷却目标温度要求的情况。蒸发式冷却及复合式冷却方式，耗电、耗水量介于空冷和水冷之间。常规冷却方式的高能耗和造成的环境污染，使其生命周期的费用消耗巨大。
低温余热发电是一种利用热功转换原理将一部分低温流体的热量转换为电能的技术，在获得发电的同时，实现了工艺热流体的降温冷却。低温余热发电对工艺热流体进行降温冷却，减少了对环境的热污染，具有良好的节能环保效果。但是，对这种附带冷却效果的低温余热发电方式的技术经济性起决定作用的关键指标----净发电效率，却随着冷却目标温度的降低而迅速降低。例如80℃的热水，当冷却至60℃时净发电效率约为6％，当冷却至40℃时净发电效率约为2％，当冷却至30℃时所发电能甚至小于机组设备自耗电能。对工艺冷却目标温度的敏感性，限制了发电冷却方式这种产能型冷却方式的应用范围。
发明内容
本发明的目的是针对目前工业低温热流体耗能型常规冷却方式和附带冷却效果的低温余热发电方式存在的不足，提供一种低温热流体的分级串联冷却系统及控制方法，以实现冷却系统节水、节能、环保和良好经济性的目标。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种低温热流体的分级串联冷却系统，所述系统包括串联布置的两级冷却单元，其中第一级冷却单元为发电冷却单元，第二级冷却单元为常规冷却单元；入口温度为Tin的热流体首先进入发电冷却单元，被冷却至一个合适的中间温度Tm；发电冷却单元冷却至中间温度为Tm的热流体再进入常规冷却单元，被最终冷却至目标出口温度Tout。
作为优选方式，本发明还包括控制单元，控制单元分别与发电冷却单元和常规冷却单元相连，控制单元用于控制各冷却单元所承担的冷却量。
作为优选方式，所述的发电冷却单元包括直接膨胀发电装置或有机朗肯循环发电装置或直接膨胀、有机朗肯循环串联发电装置。
作为优选方式，发电冷却单元产生的电能可以为常规冷却单元提供电能，也可以输送至电网。
作为优选方式，所述的常规冷却单元包括动力装置和常规冷却装置，动力装置分别与电网、发电装置(或发电冷却单元)和常规冷却装置相连。
作为优选方式，所述的常规冷却装置包括风冷装置、水冷装置、蒸发冷装置，以及至少两种上述冷却方式的复合冷却装置。
作为优选方式，所述中间温度Tm根据优化控制目标，结合工艺条件和当地气象条件，由控制单元采用优化算法进行合理设定和实时调整，实现两级冷却系统所承担的冷却量的动态分配，使分级串联冷却系统整体上实时处于最优运行状态。
作为优选方式，所述分级串联冷却系统控制单元的控制流程为：步骤(1)：控制单元实时监测并采集热流体入口温度Tin、出口温度Tout、气象参数Tenv等信号参数；步骤(2)：控制单元内嵌程序根据优化控制目标(节能优先、节水优先、最小运行费用等)和输入的监测信号实时计算出中间温度的优化设定值Topt；步骤(3)：控制单元将中间温度优化设定值Topt输出到发电冷却单元；步骤(4)：控制单元调节发电冷却单元所承担的冷却量，将发电冷却单元出口温度Tm控制在合理范围内。
作为优选方式，本发明还包括中间换热器，中间换热器位于串联布置的两级冷却单元上游，工艺热流体与换热介质在中间换热器中换热，实现工艺热流体的间接冷却。
作为优选方式，需要冷却的工艺热流体不直接进入串联布置的两级冷却单元，而是与换热介质在中间换热器中进行换热并被冷却到目标温度，吸热后的换热介质进入串联布置的两级冷却单元进行冷却，冷却后的换热介质再进入中间换热器，如此循环。
本发明的有益效果是结合了发电冷却方式和常规冷却方式的优点：(1)与发电冷却方式相比：提高了发电冷却单元的热流体出口温度，将其从目标温度tout提高至中间温度tm，这将提高发电冷却单元的净发电效率，并降低发电冷却单元的初投资，有效提高了发电冷却的技术经济性，大大拓展了发电冷却的应用范围；(2)与常规冷却方式相比：所述分级串联冷却系统发电冷却单元的净发电量通常大于常规冷却单元的耗电量，因此在对热流体的冷却过程中不消耗电能，反而产生发电收益，具有良好的节能环保效果。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为发电冷却单元为直接膨胀发电装置时的结构示意图；
图3为发电冷却单元为有机朗肯循环发电装置时的结构示意图；
图4为发电冷却单元为直接膨胀、有机朗肯循环串联发电装置时的结构示意图；
图5为本发明设置中间换热器后的结构示意图；
图中，1、发电冷却单元，2、常规冷却单元，3、入口温度为Tin的热流体，4、中间温度为Tm的热流体，5、目标出口温度为Tout的热流体，6、发电装置，6.1、第一发电装置，6.2、第二发电装置，7、动力装置，8、冷却介质，9、电网，10、膨胀机，10.1、第一膨胀机，10.2、第二膨胀机，11、冷凝器，12、有机工质泵，13、蒸发器，14、有机工质，15、控制单元，16、热流体入口温度信号Tin，17、热流体目标出口温度信号Tout，18、气象参数信号Tenv，19、热流体中间温度优化设定值信号Topt，20、常规冷却装置，21、中间换热器，22、工艺热流体，23、换热介质，23.1、入口温度为Tin的换热介质，23.2、中间温度为Tm的换热介质，23.3、目标出口温度为Tout的换热介质。
具体实施方式
下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。
实施例一：
如图1～图5所示，一种低温热流体的分级串联冷却系统，所述系统包括串联布置的两级冷却单元，其中第一级冷却单元为发电冷却单元1，第二级冷却单元为常规冷却单元2；入口温度为Tin的热流体3首先进入发电冷却单元1，被冷却至一个合适的中间温度Tm；发电冷却单元1冷却至中间温度为Tm的热流体4再进入常规冷却单元2，被最终冷却至目标出口温度Tout，即目标出口温度为Tout的热流体5。
优选地，所述的常规冷却单元2包括动力装置7(泵、风机等)和常规冷却装置20：风冷装置、水冷装置、蒸发冷装置，以及至少两种上述冷却方式的复合冷却装置，本发明用到的冷却介质8包括水、空气等。
优选地，所述的发电冷却单元1包括直接膨胀发电装置或有机朗肯循环发电装置或直接膨胀、有机朗肯循环串联发电装置。
如图2所示，发电冷却单元1由直接膨胀发电装置发电时，发电冷却单元1包括发电装置6和膨胀机10，膨胀机10与发电装置6连接，发电装置6分别与电网9、动力装置7连接；动力装置7连接常规冷却装置20；
如图3所示，发电冷却单元1由有机朗肯循环发电装置发电时，发电冷却单元1包括蒸发器13、有机工质泵12、膨胀机10、冷凝器11和发电装置6，膨胀机10分别连接发电装置6、冷凝器11和蒸发器13，冷凝器11与蒸发器13之间设置有机工质泵12(流过有机工质泵12的为有机工质14)，发电装置6分别与电网9、动力装置7连接；动力装置7连接常规冷却装置20；
如图4所示，发电冷却单元1由直接膨胀、有机朗肯循环串联发电装置发电时，发电冷却单元1包括第一膨胀机10.1、第二膨胀机10.2、第一发电装置6.1、第二发电装置6.2、蒸发器13、有机工质泵12和冷凝器11，第一膨胀机10.1分别连接第一发电装置6.1和蒸发器13，第二膨胀机10.2分别连接第二发电装置6.2、蒸发器13和冷凝器11，冷凝器11通过有机工质泵12(流过有机工质泵12的为有机工质14)连接蒸发器13，第一发电装置6.1分别与电网9、动力装置7连接；第二发电装置6.2分别与电网9、动力装置7连接；动力装置7连接常规冷却装置20；
优选地，发电冷却单元1产生的电能可以为常规冷却单元2提供电能，也可以输送至电网9。
实施例二：
在实施例一的基础上，本发明还包括控制单元15，控制单元15分别与发电冷却单元1和常规冷却单元2相连，控制单元15用于控制各冷却单元所承担的冷却量。
优选地，所述中间温度Tm根据优化控制目标，结合工艺条件和当地气象条件，由控制单元15采用优化算法进行合理设定和实时调整，实现两级冷却系统所承担的冷却量的动态分配，使分级串联冷却系统整体上实时处于最优运行状态。
优选地，所述分级串联冷却系统控制单元15的控制流程为：步骤(1)：控制单元15实时监测并采集热流体入口温度Tin(即热流体入口温度信号Tin 16)、出口温度Tout(即热流体目标出口温度信号Tout 17)、气象参数Tenv(即气象参数信号Tenv 18)等信号参数；步骤(2)：控制单元15内嵌程序根据优化控制目标(节能优先、节水优先、最小运行费用等)和输入的监测信号实时计算出中间温度的优化设定值Topt；步骤(3)：控制单元15将中间温度优化设定值Topt输出到发电冷却单元1；步骤(4)：控制单元15调节发电冷却单元1所承担的冷却量，将发电冷却单元1出口温度Tm控制在合理范围内。
实例：某煤制油变换工艺，需要冷却的工艺热流体为热水，流量为6000t/h，热水初始温度为90℃，要求冷却到的目标温度为40℃，当地年平均环境温度为15℃。
分别计算风冷方式、蒸发冷方式、发电冷却方式及本发明一种低温热流体的分级串联冷却系统的耗能量或产能量，以进一步说明本发明的效果。
(1)冷却负荷
本煤制油变换工艺热流体的冷却负荷可按式(1)计算，本实例计算结果为350000kW。
Q＝c·m·Δt (1)
其中，Q为工艺热流体的冷却负荷(kW)，c为工艺热流体的比热容(kJ/kg.℃)，m为工艺热流体的质量流量(kg/s)，Δt为工艺热流体进出口温差(℃)
(2)空冷方式
空冷装置属于耗电设备，其耗电功率可按式(2)计算，本实例计算结果为9856kW。
Ek＝k1Q (2)
其中，Ek为空冷装置耗电功率(kW)，k1为单位空冷负荷耗电功率(kW/kW)
(3)蒸发冷方式
蒸发冷装置属于耗电和耗水设备，耗电功率和耗水量可分别按式(3)和式(4)计算，本实例计算结果分别为4480kW和665t/h。
Ez＝k2Q (3)
W＝k3Q (4)
其中，Ez为蒸发冷装置耗电功率(kW)，W为蒸发冷装置耗水量(t/h)，k2为单位蒸发冷负荷耗电功率(kW/kW)，k3为单位蒸发冷负荷耗水量(t/h/kW)。
(4)发电冷却方式
发电冷却方式采用有机朗肯循环发电装置6，该装置属于发电设备，当其冷凝器11采用空冷设备时，整个装置不消耗水，且装置的发电量一般大于冷凝器11的耗电量，即装置的净发电功率为正，其净发电功率可按式(5)计算，本实例计算结果为1260kW。
EORC＝f(Tin,Tout,Tenv) (5)
其中，EORC为有机朗肯循环发电装置的净发电功率(kW)，Tenv为年平均环境温度，Tin为热流体入口温度，Tout为热流体出口温度。
(5)本发明一种低温热流体的分级串联冷却系统
本发明一种低温热流体的分级串联冷却系统，发电冷却单元1采用有机朗肯循环发电装置，常规冷却单元2采用空冷装置，控制单元15根据优化控制目标和输入的工艺、气象参数确定的中间温度(即热流体中间温度优化设定值信号Topt19)优化设定值为60℃。工艺热流体首先通过发电冷却单元1被冷却至中间温度60℃，然后再通过常规冷却单元2被冷却至目标温度40℃。分级串联冷却系统的净发电功率可按式(6)计算，本实例计算结果为5178kW。
ECAS＝f(Tin,Tm,Tout,Tenv) (6)
其中，ECAS为本发明一种低温热流体的分级串联冷却系统的净发电功率(kW)。
上述几种冷却方式的比较结果见表1。
表1几种冷却方式能耗对比
通过所述实例中本发明一种低温热流体的分级串联冷却系统与其他冷却方式的能耗对比，可看出，本发明一种低温热流体的分级串联冷却系统在工艺热流体冷却过程中，相比常规冷却方式不仅不消耗额外的电能和水资源，反而产生发电收益，并且其发电功率远大于发电冷却方式的发电功率。由此可见，本发明一种低温热流体的分级串联冷却系统相比其它现有冷却方式，综合能耗性能最优。
实施例三：
在实施例一或者实施例二的基础上，如图5所示，本发明还包括中间换热器21，中间换热器21位于串联布置的两级冷却单元上游，工艺热流体22与换热介质在中间换热器21中换热，实现工艺热流体22的间接冷却。
优选地，需要冷却的工艺热流体22不直接进入串联布置的两级冷却单元，而是与换热介质在中间换热器21中进行换热并被冷却到目标温度，吸热后的换热介质进入串联布置的两级冷却单元进行冷却，冷却后的换热介质再进入中间换热器21，如此循环。如图5所示，入口温度为Tin的换热介质23.1首先进入发电冷却单元1，被冷却至一个合适的中间温度Tm；发电冷却单元1冷却至中间温度为Tm的换热介质23.2再进入常规冷却单元2，被最终冷却至目标出口温度Tout，即目标出口温度为Tout的换热介质23.3。
控制单元15实时采集换热介质入口温度Tin信号、换热介质出口温度Tout信号和气象参数Tenv信号，经过优化计算后，向发电冷却单元1输出换热介质中间温度优化设定值信号Topt 19，并对发电冷却单元1进行实时调节。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，应当指出的是，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种低温热流体的分级串联冷却系统控制方法，其特征在于：所述系统包括串联布置的两级冷却单元，其中第一级冷却单元为发电冷却单元，第二级冷却单元为常规冷却单元；入口温度为Tin的热流体首先进入发电冷却单元，被冷却至一个合适的中间温度Tm；发电冷却单元冷却至中间温度为Tm的热流体再进入常规冷却单元，被最终冷却至目标出口温度Tout；
分级串联冷却系统还包括控制单元，控制单元分别与发电冷却单元和常规冷却单元相连，控制单元用于控制各冷却单元所承担的冷却量；
所述分级串联冷却系统控制单元的控制流程为：步骤(1)：控制单元实时监测并采集热流体入口温度Tin、出口温度Tout、气象参数Tenv信号参数；步骤(2)：控制单元内嵌程序根据优化控制目标和输入的监测信号实时计算出中间温度的优化设定值Topt；步骤(3)：控制单元将中间温度优化设定值Topt输出到发电冷却单元；步骤(4)：控制单元调节发电冷却单元所承担的冷却量，将发电冷却单元出口温度Tm控制在合理范围内。
2.根据权利要求1所述的一种低温热流体的分级串联冷却系统控制方法，其特征在于：所述的发电冷却单元包括直接膨胀发电装置或有机朗肯循环发电装置或直接膨胀、有机朗肯循环串联发电装置。
3.根据权利要求1所述的一种低温热流体的分级串联冷却系统控制方法，其特征在于：发电冷却单元产生的电能可以为常规冷却单元提供电能，或者输送至电网。
4.根据权利要求1或3所述的一种低温热流体的分级串联冷却系统控制方法，其特征在于：所述的常规冷却单元包括动力装置和常规冷却装置。
5.根据权利要求4所述的一种低温热流体的分级串联冷却系统控制方法，其特征在于：所述的常规冷却装置包括风冷装置、水冷装置、蒸发冷装置，以及至少两种上述冷却方式的复合冷却装置。
6.根据权利要求1或3所述的一种低温热流体的分级串联冷却系统控制方法，其特征在于：中间温度Tm根据优化控制目标，结合工艺条件和当地气象条件，由控制单元采用优化算法进行合理设定和实时调整，实现两级冷却系统所承担的冷却量的动态分配，使分级串联冷却系统整体上实时处于最优运行状态。
7.根据权利要求1或3所述的一种低温热流体的分级串联冷却系统控制方法，其特征在于：它还包括中间换热器，中间换热器位于串联布置的两级冷却单元上游，工艺热流体与换热介质在中间换热器中换热，实现工艺热流体的间接冷却。
8.根据权利要求7所述的一种低温热流体的分级串联冷却系统控制方法，其特征在于：需要冷却的工艺热流体不直接进入串联布置的两级冷却单元，而是与换热介质在中间换热器中进行换热并被冷却到目标温度，吸热后的换热介质进入串联布置的两级冷却单元进行冷却，冷却后的换热介质再进入中间换热器，如此循环。
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