CN108755840B - 一种工业流量均衡系统及其匹配方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种工业流量均衡系统，包括冷却塔、循环水泵、工业水力平衡装置、精馏塔、电动调节阀门、纵向同程管、压力传感器P、温度传感器T，本发明能够在精馏塔装置大于1台以上时，根据工业循环系统的流量均衡调整。本发明还公开此种工业流量均衡系统的匹配方法；采用纵向同程结构，经过计算公式，计算同程管网管径，确定实际流量需求。根据精馏塔装置流量均衡的情况，当前运行负荷的大小，对电动调节阀门开度进行实时调节控制；完全解决工业冷却水流量不均衡，而导致系统冗余大、系统能耗高、能量损失大、生产产品品质低等问题。
Description
技术领域
本发明涉及工业循环水系统，具体是涉及一种应用于精馏塔大于1台情况下的工业流量均衡系统及其匹配方法。
技术背景
工业冷却水系统运行中，冷却水流量是否均衡很大程度上决定了产品的产量与质量，所以提高精馏塔流量均匀也是整个工业冷却水技术中的研究重点，几乎所有系统都通过简单管网走向，手动阀门调节流量需求，但仅通过手动阀门无法保证冷却终端之间的水力平衡，不能按终端需求进行水量的合理输配，已成为行业内通病。
现有技术一般采用若干水泵作为输送水的动力源，首先通过管道需经过若干道阀门将水输送到若干台精馏塔；通过管道的若干道阀门将水输送回到冷却塔；完成一个周期循环。现场工业冷却水的循环管路。因为生产工艺的原因，换热器分布于多处，高度相差较大。每一个支路的水阻大小不一。在通常情况下，水会优先从阻力小的支路中通过，造成高处的换热器流量不足，为保证精馏塔能够运行，只有根据生产工况的变化进行实时调整，方可正常生产。
如果在这种管路设计的系统中未将精馏塔中阀门调整在适当位置，就会出现冷却水流量不均衡状态，影响生产，因此在正常运行时，需不断调整多个精馏塔阀门来满足正常运行。举例如下：当系统运行时，系统总流量需大于系统额定流量运行，当某精馏塔产生产能发生变化时，需随时进行调整，以应对生产负荷变化。
显然这样的运行方式方法局限有现有管网的结构，使用是粗犷的，没有从根源上解决问题，管网能量损失变大，精馏塔之间流量无法均衡，系统整体运行效率变低，最终影响生产产品品质。
发明内容
发明目的：本发明的目的在于解决现有的冷却塔管网设计局限于现有管网的结构，使用是粗犷的，没有从根源上解决问题，管网能量损失变大，精馏塔之间流量无法均衡，系统整体运行效率变低，最终影响生产产品品质。
技术方案：为解决上述问题，本发明提出以下技术方案：一种工业流量均衡系统，包括作为换热装置的精馏塔至少有两台，还包括作为水与空气流动进行冷热交换的冷却塔至少一台，输送动力源的循环水泵至少一台，冷却塔出水口通过管道与循环水泵进水口串联，循环水泵出水口通过管道连接到精馏塔进水口，每个精馏塔出水口通过纵向同程管道连接到冷却塔进水口，构成一个循环；精馏塔进水口设有进水压力传感器Pi和进水温度传感器Ti，精馏塔出水口设有出水压力传感器Po和出水温度传感器To，纵向同程管道还设有电动调节阀门V1；进水压力传感器Pi，进水温度传感器Ti，出水压力传感器Po，出水温度传感器To均与工业水力平衡装置的信号输入端相连，工业水力平衡装置的信号输出端与电动调节阀门V1相连。
进一步地，进水压力传感器Po和进水温度传感器To设置于纵向同程管道中电动调节阀门V1之前，电动调节阀门V1设置于纵向同程管道中传感器To之后。
进一步地，所述精馏塔装置数量不低于2台。在精馏塔只有1台时，精馏塔为独立需求量是固定流量需求，当精馏塔大于1台时，不同精馏塔高度不同，不同精馏塔流量需求不同，在系统输配总量一定的情况下，由于上述情况存在冷却水流量不均衡情况。
进一步地，每个精馏塔出水口均连接沿竖直方向设置的纵向同程管道，且所有纵向同程管道相同的一端在同一高度。
纵向同程管道必须设置为同一高度，当管网介质密度一定时，高度相同，才能压强相等，反则当管网介质密度一定时，高度不相同，才能压强不相等，无法实现流量均衡的条件。
一种工业流量均衡系统的匹配方法，包括以下步骤：
1)根据系统结构进行连接各部件，并沿竖直方向敷设纵向同程管道；
2)所有纵向同程管道的敷设，纵向同程管道的同一端部保持在同一高度；
3)确定精馏塔高度及标准工况下流量需求参数，计算所需纵向同程管道的管径；
4)系统运行时，实时检测进水压力传感器Pi，进水温度传感器Ti，出水压力传感器Po，进水温度传感器To，在工况的某一时刻进出水管压差ΔP一定时，若进出水管温差ΔT超过标准工况下流量需求，则目标压差ΔsP往上限补偿，电动调节阀门V1逐渐开大；反之，目标压差ΔsP往下限补偿，电动调节阀门V1逐渐开小，实现流量均衡实时匹配。
进一步地，所述步骤3)中在配置纵向同程管道时，必须清楚纵向同程管道的高、管径如何配置；纵向同程管道高度为：
H＝Hmax
式中，H为纵向同程管道高度；Hmax为最高精馏塔进水口高度；
纵向同程管道的管径为：
式中，D为纵向同程管道需求管径，单位m，Q为精馏塔标准工况流量，单位m3/h，V为需求水流速度，单位m/s。
进一步地，所述步骤4)中，电动调节阀门V1实时匹配流量时，必须进行流量均衡补偿计算，满足实时变化的工况条件，具体地：
Temp Set目标为ΔsP，即精馏塔需求压差，单位Kpa；积分比例set为ΔKvs，即自动补偿范围，单位％；ΔT set目标为ΔsT，即精馏塔需求温差,单位℃；
Temp Set目标、积分比例set为ΔKvs及ΔT set目标同时进入温差积分控制器计算，将计算结果目标值输出，输出值单位为Kpa,积分比例set为工况产生变化后的调整范围，ΔKvs为工况变化后的变化量系数，ΔT set目标作为当前时刻精馏塔需求值，则流量均衡补偿值为：
Kvs＝目标值输出-Temp Set目标
式中，Kvs为本次工况变化的补偿值，目标值输出为工况变化后精馏塔需求值，Temp Set目标为工况变化前精馏塔需求值；
积分比例变化调整范围计算：比例值不宜太大，会造成自动适应的空间过大，流量均衡补偿值容易偏离中心太多，且学习过程也需要较多的时间找到最合适点：
积分最大输出值＝ΔsP+(ΔKvs*ΔsP)/100％
积分最小输出值＝ΔsP-(ΔKvs*ΔsP)/100％
工况变化后的变化量系数，Kvs出水温度调制算法：
当精馏塔流量需求参数在ΔsP＝Pi-Po，ΔsT<To-Ti状态下，ΔsP往上限补偿，电动调节阀V1开度增加；
当精馏塔流量需求参数在ΔsP＝Pi-Po，ΔsT>To-Ti状态下，ΔsP往下限补偿，电动调节阀V1开度减小；
当精馏塔流量需求参数在ΔsP>Pi-Po，ΔsT<To-Ti状态下，ΔsP往上限补偿，电动调节阀V1开度增加；
当精馏塔流量需求参数在ΔsP>Pi-Po，ΔsT>To-Ti状态下，ΔsP往上限补偿，电动调节阀V1开度增加；
当精馏塔流量需求参数在ΔsP<Pi-Po，ΔsT<To-Ti状态下，ΔsP往下限补偿，电动调节阀V1开度减小；
当精馏塔流量需求参数在ΔsP<Pi-Po，ΔsT>To-Ti状态下，ΔsP往下限补偿，电动调节阀V1开度减小。
有益效果：本发明相对于现有技术而言：采用纵向同程结构，使系统内的换热设备流通阻力趋于一致，冷却水在系统中的流态趋于均匀。经过计算公式，计算同程管网管径，确定实际流量需求。根据精馏塔流量均衡的情况，当前运行负荷的大小，对电动调节阀门开度进行实时调节控制。完全解决工业冷却水流量不均衡，而导致系统冗余大、系统能耗高、能量损失大、生产产品品质低等问题。
附图说明
图1为现有管网的结构示意图；
图2为本发明的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
一种工业流量均衡系统，包括作为换热装置的精馏塔至少有两台，还包括作为水与空气流动进行冷热交换的冷却塔至少一台，输送动力源的循环水泵至少一台，冷却塔出水口通过管道与循环水泵进水口串联，循环水泵出水口通过管道连接到精馏塔进水口，每个精馏塔出水口通过纵向同程管道连接到冷却塔进水口，构成一个循环；精馏塔进水口设有进水压力传感器Pi和进水温度传感器Ti，精馏塔出水口设有出水压力传感器Po和出水温度传感器To，纵向同程管道还设有电动调节阀门V1；进水压力传感器Pi，进水温度传感器Ti，出水压力传感器Po，出水温度传感器To均与工业水力平衡装置的信号输入端相连，工业水力平衡装置的信号输出端与电动调节阀门V1相连。
进一步地，进水压力传感器Po和进水温度传感器To设置于纵向同程管道中电动调节阀门V1之前，电动调节阀门V1设置于纵向同程管道中传感器To之后。
进一步地，所述精馏塔装置数量不低于2台。在精馏塔只有1台时，精馏塔为独立需求量是固定流量需求，当精馏塔大于1台时，不同精馏塔高度不同，不同精馏塔流量需求不同，在系统输配总量一定的情况下，由于上述情况存在冷却水流量不均衡情况。
进一步地，每个精馏塔出水口均连接沿竖直方向设置的纵向同程管道，且所有纵向同程管道相同的一端在同一高度。
纵向同程管道必须设置为同一高度，当管网介质密度一定时，高度相同，才能压强相等，反则当管网介质密度一定时，高度不相同，才能压强不相等，无法实现流量均衡的条件。
一种工业流量均衡系统的匹配方法，包括以下步骤：
1)根据系统结构进行连接各部件，并沿竖直方向敷设纵向同程管道；
2)所有纵向同程管道的敷设，纵向同程管道的同一端部保持在同一高度；
3)确定精馏塔高度及标准工况下流量需求参数，计算所需纵向同程管道的管径；
4)系统运行时，实时检测进水压力传感器Pi，进水温度传感器Ti，出水压力传感器Po，进水温度传感器To，在工况的某一时刻进出水管压差ΔP一定时，若进出水管温差ΔT超过标准工况下流量需求，则目标压差ΔsP往上限补偿，电动调节阀门V1逐渐开大；反之，目标压差ΔsP往下限补偿，电动调节阀门V1逐渐开小，实现流量均衡实时匹配。
进一步地，所述步骤3)中在配置纵向同程管道时，必须清楚纵向同程管道的高、管径如何配置；纵向同程管道高度为：
H＝Hmax
式中，H为纵向同程管道高度；Hmax为最高精馏塔进水口高度；
纵向同程管道的管径为：
式中，D为纵向同程管道需求管径，单位m，Q为精馏塔标准工况流量，单位m3/h，V为需求水流速度，单位m/s。
进一步地，所述步骤4)中，电动调节阀门V1实时匹配流量时，必须进行流量均衡补偿计算，满足实时变化的工况条件，具体地：
Temp Set目标为ΔsP，即精馏塔需求压差，单位Kpa；积分比例set为ΔKvs，即自动补偿范围，单位％；ΔT set目标为ΔsT，即精馏塔需求温差,单位℃；
Temp Set目标、积分比例set为ΔKvs及ΔT set目标同时进入温差积分控制器计算，将计算结果目标值输出，输出值单位为Kpa,积分比例set为工况产生变化后的调整范围，ΔKvs为工况变化后的变化量系数，ΔT set目标作为当前时刻精馏塔需求值，则流量均衡补偿值为：
Kvs＝目标值输出-Temp Set目标
式中，Kvs为本次工况变化的补偿值，目标值输出为工况变化后精馏塔需求值，Temp Set目标为工况变化前精馏塔需求值；
积分比例变化调整范围计算：比例值不宜太大，会造成自动适应的空间过大，流量均衡补偿值容易偏离中心太多，且学习过程也需要较多的时间找到最合适点：
积分最大输出值＝ΔsP+(ΔKvs*ΔsP)/100％
积分最小输出值＝ΔsP-(ΔKvs*ΔsP)/100％
工况变化后的变化量系数，Kvs出水温度调制算法：
当精馏塔流量需求参数在ΔsP＝Pi-Po，ΔsT<To-Ti状态下，ΔsP往上限补偿，电动调节阀V1开度增加；
当精馏塔流量需求参数在ΔsP＝Pi-Po，ΔsT>To-Ti状态下，ΔsP往下限补偿，电动调节阀V1开度减小；
当精馏塔流量需求参数在ΔsP>Pi-Po，ΔsT<To-Ti状态下，ΔsP往上限补偿，电动调节阀V1开度增加；
当精馏塔流量需求参数在ΔsP>Pi-Po，ΔsT>To-Ti状态下，ΔsP往上限补偿，电动调节阀V1开度增加；
当精馏塔流量需求参数在ΔsP<Pi-Po，ΔsT<To-Ti状态下，ΔsP往下限补偿，电动调节阀V1开度减小；
当精馏塔流量需求参数在ΔsP<Pi-Po，ΔsT>To-Ti状态下，ΔsP往下限补偿，电动调节阀V1开度减小。
实施例
假设精馏塔装置分别为A，B，C三台，A装置高度40米，流量需求1000m3/h；B装置高度45米，流量需求1200m3/h；C装置高度48米，流量需求1500m3/h；如何设计冷却水流量均衡。
实施步骤1：设置3根纵向同程管路，其高度不得低于48米。
实施步骤2：分别于3根纵向同程管路上设置电动调节阀门V1。
实施步骤3：分别于3台精馏塔装置上设置进水压力传感器Pi和进水温度传感器Ti，精馏塔出水口设有出水压力传感器Po和出水温度传感器To。
实施步骤4：在精馏塔装置就近位置设置工业水力平衡装置。
实施步骤5：在满足上述条件后，系统运行时，若实时检测进水压力传感器Pi＝480kPa，进水温度传感器Ti＝30℃，出水压力传感器Po＝380kPa，进水温度传感器To＝35℃，在工况的某一时刻进出水管压差ΔP＝100kPa一定时，若进出水管温差ΔT＝5℃超过标准工况下流量需求，则目标压差ΔsP往上限补偿，电动调节阀门V1逐渐开大；反之，目标压差ΔsP往下限补偿，电动调节阀门V1逐渐开小，实现流量均衡实时匹配。
进一步地，所述步骤3)中在配置纵向同程管道时，必须清楚纵向同程管道的高、管径如何配置；纵向同程管道高度为：
H＝Hmax＝48米
式中，H为纵向同程管道高度；Hmax为最高精馏塔进水口高度；
纵向同程管道的管径为：
电动调节阀门V1实时匹配流量时，必须进行流量均衡补偿计算，设Temp Set目标为ΔsP＝120kPa，即精馏塔需求压差，单位Kpa；积分比例set为ΔKvs＝30％，即自动补偿范围，单位％；ΔT set目标为ΔsT＝3.5℃，即精馏塔需求温差,单位℃即：
积分最大输出值＝120+30％×120＝156
积分最小输出值＝120+30％×120＝84
存在精馏塔流量需求参数在ΔsP>Pi-Po，ΔsT<To-Ti状态下，ΔsP往上限补偿，电动调节阀V1开度增加，在变化范围84kPa～156kPa之间找寻ΔsT＝3.5℃位置。
Claims (3)
1.一种工业流量均衡系统，包括作为换热装置的精馏塔至少有两台，其特征在于：还包括作为水与空气流动进行冷热交换的冷却塔至少一台，输送动力源的循环水泵至少一台，冷却塔出水口通过管道与循环水泵进水口串联，循环水泵出水口通过管道连接到精馏塔进水口，每个精馏塔出水口通过纵向同程管道连接到冷却塔进水口，构成一个循环；精馏塔进水口设有进水压力传感器Pi和进水温度传感器Ti，精馏塔出水口设有出水压力传感器Po和出水温度传感器To，纵向同程管道还设有电动调节阀门V1；进水压力传感器Pi，进水温度传感器Ti，出水压力传感器Po，出水温度传感器To均与工业水力平衡装置的信号输入端相连，工业水力平衡装置的信号输出端与电动调节阀门V1相连；每个精馏塔出水口均连接沿竖直方向设置的纵向同程管道，且所有纵向同程管道相同的一端在同一高度；
纵向同程管道高度为：
H＝Hmax
式中，H为纵向同程管道高度；Hmax为最高精馏塔进水口高度；
纵向同程管道的管径为：
式中，D为纵向同程管道需求管径，单位m，Q为精馏塔标准工况流量，单位m3/h，V为需求水流速度，单位m/s；
电动调节阀门V1实时匹配流量时，必须进行流量均衡补偿计算，满足实时变化的工况条件，具体地：
Temp Set目标为ΔsP，即精馏塔需求压差，单位Kpa；积分比例set为ΔKvs，即自动补偿范围，单位％；ΔT set目标为ΔsT，即精馏塔需求温差,单位℃；
Temp Set目标、积分比例set为ΔKvs及ΔT set目标同时进入温差积分控制器计算，将计算结果目标值输出，输出值单位为Kpa,积分比例set为工况产生变化后的调整范围，ΔKvs为工况变化后的变化量系数，ΔT set目标作为当前时刻精馏塔需求值，则流量均衡补偿值为：
Kvs＝目标值输出-Temp Set目标
式中，Kvs为本次工况变化的补偿值，目标值输出为工况变化后精馏塔需求值，TempSet目标为工况变化前精馏塔需求值；
积分比例变化调整范围计算：
积分最大输出值＝ΔsP+(ΔKvs*ΔsP)/100％
积分最小输出值＝ΔsP-(ΔKvs*ΔsP)/100％
工况变化后的变化量系数，Kvs出水温度调制算法：
当精馏塔流量需求参数在ΔsP＝Pi-Po，ΔsT<To-Ti状态下，ΔsP往上限补偿，电动调节阀V1开度增加；
当精馏塔流量需求参数在ΔsP＝Pi-Po，ΔsT>To-Ti状态下，ΔsP往下限补偿，电动调节阀V1开度减小；
当精馏塔流量需求参数在ΔsP>Pi-Po，ΔsT<To-Ti状态下，ΔsP往上限补偿，电动调节阀V1开度增加；
当精馏塔流量需求参数在ΔsP>Pi-Po，ΔsT>To-Ti状态下，ΔsP往上限补偿，电动调节阀V1开度增加；
当精馏塔流量需求参数在ΔsP<Pi-Po，ΔsT<To-Ti状态下，ΔsP往下限补偿，电动调节阀V1开度减小；
当精馏塔流量需求参数在ΔsP<Pi-Po，ΔsT>To-Ti状态下，ΔsP往下限补偿，电动调节阀V1开度减小。
2.根据权利要求1所述的工业流量均衡系统，其特征在于：纵向同程管道进水口设有进水压力传感器Pi和进水温度传感器Ti，纵向同程管道出水口设有出水压力传感器Po和出水温度传感器To，电动调节阀门V1设置于纵向同程管道出水压力传感器Po和出水温度传感器To之后。
3.一种如权利要求1所述的工业流量均衡系统的匹配方法，其特征在于：包括以下步骤：
1)根据系统结构进行连接各部件，并沿竖直方向敷设纵向同程管道；
2)所有纵向同程管道的敷设，纵向同程管道的同一端部保持在同一高度；
3)确定精馏塔高度及标准工况下精馏塔标准工况流量和精馏塔需求水流速度，计算所需纵向同程管道的管径；
4)系统运行时，实时检测进水压力传感器Pi，进水温度传感器Ti，出水压力传感器Po，出水温度传感器To，在工况的某一时刻进出水管压差ΔP一定时，若进出水管温差ΔT超过标准工况下流量需求，则目标压差ΔsP往上限补偿，电动调节阀门V1逐渐开大；反之，目标压差ΔsP往下限补偿，电动调节阀门V1逐渐开小，实现流量均衡实时匹配。
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