CN109519360B - 化工循环冷却水系统水泵机组最优运行方案比较确定方法 - Google Patents

Abstract

一种化工循环冷却水系统水泵机组最优运行方案比较确定方法，属于工业节能减排技术领域。通过考虑全系统热平衡，计算确定不同计算环境工况下系统冷却水最小需要流量；提出通过调节并联支路阀门使所有并联支路冷却水流量同时满足最小需要流量的方法；基于风机定转速运行，以系统能耗最小为目标，计算确定全年各计算环境工况时系统水泵组合优化、水泵组合变阀优化、水泵组合变频优化三种优化运行方案；考虑不同优化运行方案运行费用、设备费用，以系统变频设备寿命期内总费用最低为目标，最终确定系统最优优化运行方案。结果表明，本发明提出的化工循环冷却水系统水泵机组最优运行方案比较确定方法确定的最优优化运行方案节能效果显著。

Description

化工循环冷却水系统水泵机组最优运行方案比较确定方法

技术领域

本发明属于工业系统节能领域，涉及一种化工循环冷却水系统优化设计与优化运行确定方法，具体的说是涉及以系统寿命期运行和设备总费用最低为目标，对系统冷却塔风机最优角度定转速运行时水泵运行组合优化、组合变阀优化、组合变频优化进行计算比较的方法。

背景技术

我国能源短缺和浪费严重同时存在，火力发电、石油化工、钢铁等行业中冷却水系统能耗非常高，其能耗占社会总能耗的15％左右，因此，研究工业冷却水系统的节能降耗有十分重要的意义。

工业循环冷却水系统设计，根据全年最不利环境工况选择水泵和风机，并长时间按照设计的额定工况运行。然而在冬季及春秋过渡季节，满足冷量要求所需要的冷却水量远低于设计工况，系统过冷现象严重，造成能耗巨大浪费；为了实现国家节能降耗的目标，企业开始重视循环冷却水系统的节能，通常采用的方法是，(1)通过合理选型，提高水泵的运行效率；也有专家提出了更为先进的节能方法：(2)通过优化水泵运行组合，节省系统能耗；(3)通过优化水泵运行组合及变阀，节省系统能耗；(4)通过优化水泵运行组合及变频，节省系统能耗。以上四种方法都存在缺陷：方法(1)未考虑系统的冷却要求，一年中大部分时间冷却水流量过大，存在过冷现象，能源浪费严重。方法(2)～(4)虽然分别按照不同环境工况湿球温度时的系统冷却水最小需要流量实施系统优化运行，但优化计算过程中未考虑冷却塔的冷却效果，被冷却设备进水温度采用当时当地的湿球温度，优化结果存在较大误差；另一方面，方法(2)～(4)仅分别提出了各自的优化运行方案，未考虑实施其优化运行所增加的设备费用，未从运行和设备总费用角度对数种优化运行方案进行全面比较，从中选择最优的优化运行方案。

发明内容

本发明的目的是为了克服目前化工企业循环冷却水系统全年定工况运行、优化过程考虑因素和范围不全面和未通过对不同优化运行方法进行比较、选择最优的优化运行方案造成能源浪费的缺点，提出一种化工循环冷却水系统泵阀最优优化运行方案比较确定方法，通过三种优化运行方案的运行与设备总费用，相比于系统水泵定工况运行的原方案，确定全年总费用最低的优化运行方案，进一步提高节能效果。

为实现以上目的，本发明提出一种化工循环冷却水系统泵阀最优运行方案比较确定方法，包括以下步骤：

A.不同计算环境工况下化工循环冷却水系统考虑冷却塔影响的全系统热平衡的冷却水最小需要流量计算确定。

循环冷却水系统冷却水最小需要流量，与冷却量、冷却温度要求、空气湿球温度、冷却塔的冷却能力等因素有关。对确定的循环冷却水系统，需要根据限定条件，考虑冷却塔热力平衡和换热器热交换，根据系统布局，计算确定不同计算环境工况湿球温度时系统冷却水最小需要流量。

机械通风逆流湿式冷却塔热力平衡利用的是水的总散热量与水的热量减少相等的原理，考虑蒸发水量带走的水的热量，采用麦克尔热力平衡方程：

式中：Q为循环冷却水流量，m³/s；β_xv为以含湿量差引起的容积蒸发散质系数，kg/(m²·s)；V为冷却塔填料的体积，m³；K为蒸发水量带走的热量系数，(K<1.0，无量纲)；t₁、t₂分别为进塔水温和出塔水温，℃；dt为填料层微元高度dZ之间的温度差，℃；i_θ为空气温度为θ时的比焓，kJ/kg(DA)；i_t”为饱和空气比焓，即当空气温度为水蒸气分压达到饱和状态温度t时放热比焓，kJ/kg(DA)；C_w为循环水的比热，kJ/(kg·℃)，取4.1868kJ/(kg·℃)。

式(1)中，等式左边为冷却塔填料特性数，用Ω_n’表示，无量纲量，计算公式如下：

Ω′_n＝Bλ^k (2)

式中：λ为进填料的空气(以干空气计)与进填料的循环冷却水的质量比，kg(DA)/kg；B、k为淋水填料的实验常数，由《冷却塔塑料淋水填料热力及阻力性能分析》中表2查得。

式(1)中，等式右边为逆流式冷却塔工作特性冷却数，用Ω_n表示，无量纲量。由于冷却数求解的积分换算过于繁琐，为简便计算，宜采用多段辛普逊求解法，计算公式如下：

当冷却塔进出水温差Δt<15℃且计算精度要求不高时，用以下简化计算：

式中：下标1、2、m分别为冷却塔进口、出口、塔内中间部位；t为水温，℃；i”为饱和空气焓，kJ/kg(DA)；i为空气比焓，kJ/kg(DA)。

工业用水中含有碳酸钙、碳酸镁等盐类，随着温度的升高溶解度减小，盐类析出后形成污垢结附在管道内壁，传热效果降低，故壳管式换热器中循环冷却水工艺换热侧出口温度控制在不高于45℃。

温度是化学工艺过程中需要考虑的重要因素之一，温度的高低往往直接影响着化学反应时间的长度、影响产品的转化率和品质，故换热器被冷却介质的温度需严格控制。

根据换热器的热交换原理，传热方程如下：

q＝h S△t_m (4)

式中：q为热负荷，kW；h为换热器传热系数，kW/(m²·℃)；S为换热器传热面积，m²；Δt_m为对数平均温差，·℃，逆流换热器出口冷热源温差较大，对数平均温差Δt_m计算公式如下：

式中：t_hi、t_ho分别为被冷却介质进、出口温度，℃；t_ci、t_co分别为冷却水进、出水温度，℃。热平衡方程式如下：

q_c＝C_c m_c(t_co-t_ci) (6)

式中：q＝q_c，C_c为冷却水比热容，kJ/(kg·℃)；m_c为冷却水质量流量，kg/s。将式(4)～(5)带入式(6)，推导出换热器冷却水流量为：

式(7)中，当冷却水出口温度为最高允许温度，即取t_co＝t_{co max}＝45℃时，m_c即为冷却水最小需要流量。

循环冷却水系统冷却水最小需要流量的求解中，需对换热器冷却水出口温度和被冷却介质的温度进行控制，考虑冷却塔热平衡的循环冷却水系统，其系统冷却水最小需要流量为系统中各并联换热器最小需要冷却水流量之和，计算公式如下：

式中：Q_z为循环冷却水系统冷却水最小需要总流量，m³/s；Q_i为系统第i层冷却水最小需要体积流量，m³/s；m_c,i为第i层冷却水最小需要质量流量，kg/s；n为系统中并联层数；ρ为冷却水密度，kg/m³。

忽略循环冷却水系统中管路的热量损失和水量损失，已知冷却负荷、系统实际管路特性、被冷却介质的最优反应温度和冷却水出口最高允许温度，通过编程，迭代计算出不同计算环境温度下循环冷却水系统冷却水最小需要水流量。

B.循环冷却水系统所有并联支路冷却水最小需要流量同步保证方法。

为防止水泵变阀运行后压力降低，导致换热设备负压运行，需将用于变阀优化的各支路调节阀安装在换热设备出水管路上。本发明考虑在系统各个并联支管换热器出水回路和总干管回路上加装调节阀，如图1。设计及应用时，通过调节各支路阀门开度和阻力，使得各支路冷却水流量恰好等于各支路换热设备的最小需要流量，减小水泵运行流量和功率。为减小整个回路阻力，保证其中一个支路阀门全开不调节，其余各支路按照负荷要求调节阀门开度和阻力。全年任一环境湿球温度下，并联支路冷却水进水温度相同，若出水温度均按最高允许出水温度控制，并联支路出水温度也相同，则并联支路冷却水流量与各支路冷却热负荷成正比，各支路的阀门在初次按流量比例需要设定开度后，在环境湿球温度改变后可以不做调节，仅通过调节干管总阀门开度和阻力满足当时湿球温度下整个系统冷却水最小需要流量即可；若各并联支路冷却水流量的比例关系改变，则各个支路阀门开度需要重新调整，按要求重新分配各支路流量。

以上所述方法，既保证了各并联支路以最小需要流量满足换热设备的冷却热交换要求，使系统流量和阻力最小，水泵功率最小，同时避免了支路阀门的频繁调节，减少管理工作量，延长阀门使用寿命。

各个支路水泵阀门初始设定开度的阻力，计算公式如下：

式中：下标k为支路编号，k＝1,2,…，m；Δh为各并联支路水头损失，m，各支路水头损失相等；S_k为第k个并联支路变阀后的总阻抗，s²/m⁵；Q_k为第k个并联支路冷却水最小需要流量，m³/s；S_k0为第k个并联支路阀门全开时的阻抗，s²/m⁵，可根据支路组成计算求得，也可根据实测的支路阀门全开时的支路水头损失Δh和水流量，用式

求得；ΔS_k为所有并联支路冷却水流量同时达到各自最小需要流量时第k个并联支路需调节阀门达到的阻抗，s²/m⁵。

计算比较并联各支路阀门全开即阀门阻抗ΔS_k＝0，k＝1，2，…，m时通过各支路最小需要流量时的水头损失

k＝1，2，…，m，设当k＝ζ时，即第ζ支路水头损失最大，其值为

其中，Q_ζ为第_ζ个并联支路冷却水最小需要流量，m³/s；S_ζ0为第ζ个并联支路阀门全开时的阻抗，s²/m⁵；Δh_ζ为第ζ个并联支路阀门全开时的水头损失，m；令其他各并联支路通过各自最小需要流量时的水头损失也等于Δh_ζ，则，初始状态需要调节各支路阀门开度，使其阻抗为

式中：ΔS_k>0，k＝1，2，…，m，且k≠ζ，当k＝ζ时，ΔS_k＝ΔS_ζ＝0；Q_ζ为第ζ个并联支路冷却水最小需要流量，m³/s；S_ζ0为第ζ个并联支路阀门全开时的阻抗，s²/m⁵；Δh_ζ为第ζ个并联支路阀门全开时的水头损失，m；ΔS_ζ为第ζ个并联支路需调节阀门开度达到的阻抗，s²/m⁵；

系统除了要满足管道、换热设备对压力极限的要求，还应保证系统最不利点对压力的要求，需对水泵实际运行工况点进行压力校核，保证系统正压运行。

C.循环冷却水系统水泵并联扬程性能曲线和系统需要扬程性能曲线计算。

根据参与单泵运行或并联运行的所有水泵扬程性能曲线横坐标-即流量相加的方法，计算确定系统水泵机组不同并联组合运行的扬程性能曲线，公式如下：

H_pbj＝A_jQ²+B_jQ+C_j (12)

式中：下标j为不同水泵组合编号，包括1台大泵、1台小泵、1台小泵+1台大泵、2台大泵；A、B、C为多项式系数；H_pb为水泵并联扬程，m。

根据确定的各支路阻抗，计算并联支路总阻抗，公式如下：

式中：S_bz为系统并联支路总阻抗，s²/m⁵；S_k为调节各并联支路阀门同时满足各并联支路冷却水最小需要流量时的第k并联支路的阻抗，s²/m⁵。

系统回路总阻抗为各串联管路总阻抗之和，计算公式如下：

式中：S_z为系统回路总阻抗，s²/m⁵；S_l为系统第l段串联管路阻抗，s²/m⁵，其中有一段即为并联的m个被冷却设备支路并联阻抗S_bz。

系统回路需要扬程性能曲线为：

H_r＝H_z+S_zQ² (15)

式中：H_r为系统需要扬程，m；H_z为装置扬程，即为系统回水管在冷却塔内的出水口与循环水泵进水池水面之间的高差，m。

D.循环冷却水系统基于风机定转速、水泵机组不同调节方式、使系统能耗最小的全年各计算环境工况优化运行方案计算确定。

考虑冷却塔及系统热平衡，全年不同环境工况下系统冷却水最小需要流量不同、相差较大，若全年全部水泵定工况大流量运行，则系统过度冷却，造成不必要的能源浪费，故应该充分利用水泵机组调节功能，根据一年中不同计算环境温度下的冷却水最小需要流量，进行运行机组组合优化、组合变阀优化、组合变频优化。

本发明考虑风机全年定叶片安装角定转速运行，分别计算确定全年不同计算环境工况各水泵机组优化运行方案泵机组输入功率和系统总输入功率，统计全年不同计算环境工况系统运行时间，计算循环冷却水系统全年运行总能耗。

(1)方案一：水泵组合优化运行方案计算确定。

水泵组合优化运行方法，根据不同计算环境工况时循环冷却水系统冷却水最小需要流量选择包括台数和大小的水泵优化运行组合，避免流量过大造成能源浪费，是一种运行管理简便有效的水泵调节方式。

此方法根据不同计算环境工况时循环冷却水系统冷却水最小需要流量选择水泵优化运行组合，已考虑满足各并联支路冷却要求，调节各并联支路阻抗使其冷却水流量与负荷成正比，实际已经变阀。若根据原系统需要扬程性能曲线进行水泵优化运行，保证最不利支路的流量和压力，能耗浪费巨大。

根据不同计算环境工况下循环冷却水系统冷却水最小需要流量，在满足系统冷却换热要求和系统最不利处的压力要求前提下，尽量减少水泵机组运行台数和容量，采用不同的大小水泵机组运行组合：1台小泵、1台大泵、1台大泵+1台小泵、2台大泵，以各计算环境工况系统运行能耗最低为目标，确定最优的水泵运行组合。将水泵不同组合的扬程性能曲线和系统需要扬程性能曲线联立求解，确定水泵运行工况点为水泵不同运行组合的分界点，如图2所示A、B、C、D点。

图2中，H_p2、H_p1、H_pb12、H_pb11分别为水泵单台小泵、单台大泵、1大1小泵组合和2大泵组合的流量-扬程性能曲线，H_r为系统需要扬程性能曲线。经校核，点A、B、C、D均满足系统最不利处的压力要求，故当系统冷却水最小需要流量小于Q_A时，选用单台小泵运行，运行工况点为A点；当系统冷却水最小需要流量在Q_A～Q_B之间时，选用单台大泵运行，运行工况点为B点；当系统冷却水最小需要流量在Q_B～Q_C之间时，选用1台大泵1台小泵并联运行，运行工况点为C点；当系统冷却水最小需要流量在Q_C～Q_D之间时，选用2台大泵并联运行，运行工况点为D点。

根据系统全年不同计算环境工况冷却水最小需要流量，按照图2确定水泵最优运行组合，按照不同水泵组合优化的运行工况点，计算泵机组输入功率和系统总输入功率。循环冷却水系统全年运行总能耗为各计算环境工况的风机和水泵能耗的累加，计算公式如下：

式中：A_z1为系统实施水泵组合优化运行全年运行总能耗，kW·h；w为设定的全年计算环境工况种数，即全年系统冷却水最小需要流量种数；N_fⅠε为系统实施水泵组合优化运行时第ε种计算环境工况风机机组定转速输入功率，kW；N_pⅠε为第ε种计算环境工况参与组合优化运行的所有水泵机组输入功率之和，kW；T_ε为第ε种计算环境工况系统年运行时间，h。

(2)方案二：水泵组合变阀优化运行方案计算确定。

在任一环境湿球温度下，根据系统冷却水最小需要流量选择水泵最优运行组合，通常系统冷却水流量仍大于系统冷却水最小需要流量，而少开一台机组流量又不够。由于系统采用离心泵，离心泵流量越小，功率越小，因此，系统在实施运行水泵组合优化后，还要在满足最小需要流量的前提下，尽可能减小流量，达到减小水泵机组输入功率的目的。通过减小总管阀门开度，使系统需要扬程性能曲线变陡，水泵工况点左移，水泵流量减小，控制各并联支路冷却水流量恰好满足被冷却设备或介质的换热负荷要求，在恰好满足最小需要流量和供水压力的前提下，减小运行能耗。

以系统一台泵变阀运行为例，干管变阀水泵调节原理如图3所示。

图3中，点N为单台大泵扬程性能曲线H_p1与系统未调阀前需要扬程性能曲线H_r的交点，某一计算环境工况时利用公式(1)～公式(8)计算系统冷却水最小需要流量Q_N’，当系统冷却水最小需要流量小于等于该点流量Q_N时，均可选用单台大泵运行。再此基础上，通过调节干管阀门开度调节系统需要扬程性能曲线至H_r’，使H_r’与水泵扬程性能曲线H_p1相交于N’点，水泵运行流量恰好等于系统最小需要流量Q_N’，水泵流量进一步减小，水泵机组输入功率减小。

系统需要扬程性能曲线H_r’计算如下：

其中，H_r’为系统干管阀门调节后的系统需要扬程；Q为系统流量；即在某计算环境工况下，要求系统回路总阻抗为：

则需要调节干管阀门增加的阻抗为

△S_z＝S'_z-S_z (19)

计算全年不同计算环境工况时风机和水泵机组输入功率，循环冷却水系统实施水泵组合变阀优化运行全年总能耗为：

式中：A_z2为系统实施水泵组合变阀优化运行全年运行总能耗，kW·h；w为设定的全年计算环境工况种数，即全年系统冷却水最小需要流量种数；T_ε为第ε种计算环境工况系统年运行时间，h；N_fⅡε为系统实施水泵组合变阀优化运行时第ε种计算环境工况风机机组定转速输入功率，kW；N_pⅡε为第ε种计算环境工况参与组合变阀优化运行的所有水泵机组输入功率之和，kW。

(3)方案三：水泵组合变频优化运行方案计算确定。

水泵组合变阀优化，通过阀门调节，增加了系统阻力，造成了能耗损失。因此，在水泵最优运行组合的基础上，采用水泵机组变频调速原理，在满足冷却水最小需要流量的前提下，使电动机在系统最节能的转速下运行。

根据系统冷却水最小需要流量选择水泵最优运行组合，通常系统冷却水流量仍大于系统冷却水最小需要流量，而少开一台机组流量又不够，此时，再通过单台水泵机组变频优化运行，在满足冷却要求的前提下，进一步降低能耗。单泵变频运行优化方法有两种：以系统最小需要水流量确定单泵最优运行转速、以变频水泵效率最高确定水泵最优运行转速。再在这两种变频优化方法中，以能耗最小确定最后采用的变频优化方法：以系统冷却水最小需要流量确定单泵运行转速进行水泵组合变频优化运行。

根据系统冷却水最小需要流量，选择单台水泵运行时，单泵变频优化运行工况点确定如图4所示；根据系统冷却水最小需要流量选择两泵并联运行时，一台水泵机组额定转速运行、另一台水泵机组变频运行工况点确定如图5所示。

图4和图5中，根据系统冷却水最小需要流量和满足系统正压的最低扬程，确定水泵组合优化运行方案及其运行工作点，根据相似工况抛物线，对其中参与运行的一台水泵机组变频，根据水泵相似律，确定电动机变频比δ_pn，得变频后水泵扬程性能曲线H_bp1表示为：

在满足系统冷却水最小需要流量和供水正压要求的前提下，全年不同计算环境工况时，以泵机组输入功率最低为目标建立数学优化模型。

系统单台水泵变频运行时，泵机组最小运行功率优化数学模型为

目标函数：

约束条件：

其中N_pbp为变频水泵机组变频器输入功率，kW；ρ为水体密度，kg/m³；g为重力加速度，m/s²；Q为水泵流量，m3/s；H为水泵扬程，m；Q与H满足式(3)；η_p为水泵效率；η_c为水泵与配套电动机的传动效率；η_em为水泵配套电动机效率；η_bp为水泵机组变频器效率；Q_min、Q_max分别为水泵允许最小、最大运行流量，m³/s；Q_{r min}为系统冷却水最小需要流量，m³/s；N_{pbp min}、N_{pbp max}分别为水泵机组变频器允许最小、最大输入功率，kW；电源变频比δ_pn，亦即水泵变速比，其约束条件代表水泵变速比的允许范围，变速比过小，水泵效率下降明显；变速比过大，影响水泵机组安全；

系统冷却水最小需要流量较大时，需要两台水泵并联运行，其中一台变频运行，另一台不需要变频器、额定转速运行，设系统1^#水泵机组变频变速、2^#水泵机组额定转速运行，系统泵机组最小运行功率优化数学模型为目标函数：

约束条件：

其中下标1表示1^#变频水泵机组，下标2表示2^#不变频水泵机组；N_pbp为变频水泵机组变频器输入功率N_p1bp与不变频水泵机组电动机输入功率N_p2e之和，kW；ρ为水体密度，kg/m³；g为重力加速度，m/s²；Q₁、Q₂分别为1^#水泵、2^#水泵运行流量，m³/s；H₁、H₂分别为1^#水泵、2^#水泵运行扬程，m；δ_pn1为1^#水泵变速比；η_p1、η_p2为分别为1^#、2^#水泵效率；η_c1、η_c2分别为1^#、2^#水泵与配套电动机传动效率；η_em1、η_em2分别为1^#、2^#水泵配套电动机效率；η_bp1为1^#水泵机组变频器效率；Q_{1 min}、Q_{1 max}分别为1^#水泵允许最小、最大运行流量，m³/s；Q_{2 min}、Q_{2 max}分别为2^#水泵允许最小、最大运行流量，m³/s；Q_{r min}为系统冷却水最小需要流量，m³/s；N_{p1bp min}、N_{p1bp max}分别为1^#水泵机组变频器允许最小、最大输入功率，kW；N_{p2e min}、N_{p2e max}分别为2^#水泵配套电动机允许最小、最大输入功率，kW；流量约束条件表示所有运行水泵总流量必须满足大于等于不同环境工况下系统最小需要流量的要求，且各水泵流量不超过各自允许运行的最小、最大流量范围；功率约束条件代表电动机和变频器输入功率控制在合理的范围内。

计算全年各计算环境工况时风机机组输入功率和水泵机组及变频器输入功率，循环冷却水系统实施水泵组合变频优化运行全年总能耗为：

式中：A_z3为系统实施水泵组合变频优化运行全年运行总能耗，kW·h；w为设定的全年计算环境工况种数，即全年系统冷却水最小需要流量种数；T_ε为第ε种计算环境工况系统年运行时间，h；N_fⅢε为系统实施水泵组合变频优化运行时第ε种计算环境工况风机机组定转速输入功率，kW；N_pⅢε为第ε种计算环境工况参与组合变频优化运行的所有水泵机组—包括变频机组和不变频机组的输入功率之和，kW。

E.化工循环冷却水系统水泵机组不同优化运行方案能耗、总费用比较与最优优化运行方案确定。

任一计算环境工况下，根据系统冷却水最小需要流量选择水泵优化运行方案，方案一：水泵组合优化运行方案，操作简单，节能效果较显著，但由于其运行流量仍大于系统冷却水最小需要流量，造成一定能源浪费，故可优化改进；方案二：水泵组合变阀优化运行方案，在水泵组合优化运行基础上，通过调节干管阀门，增大阻力，改变水泵运行工况点，减少全年运行能耗。但是通过阀门调节将水泵运行工况点的循环水量调节到系统冷却水最小需要流量的方式，增加了系统管网阻力，造成了能量损失；方案三：水泵组合变频优化运行方案，在水泵组合优化运行基础上，通过单台水泵变频，改变水泵运行工况点，使运行流量等于系统最小需要流量，避免了增大干管阀门阻力，运行费用降低，但需考虑寿命期内变频器设备费用。以设备寿命期内运行和设备总费用最小为目标，计算各优化运行方案总费用，比较后确定总费用最小的方案为冷却水系统水泵机组最优优化运行方案。

将循环冷却水系统运行的原方案：水泵定工况运行、方案一：水泵组合优化运行、方案二：水泵组合变阀优化运行、方案三：水泵组合变频优化运行共四种方案全年不同计算环境工况的系统总输入功率曲线，以环境湿球温度为横坐标、系统功率为纵坐标，绘在同一表中或图中进行比较，如图6。

在循环冷却水系统原运行方案、本发明提出的方案一、方案二和方案三中，原运行方案、方案一和方案二系统设备相同，方案三与前三种运行方案相比，增加了变频设备。在进行方案运行和设备总费用比较时，相同设备部分不计入。在变频器寿命期内，第j运行方案运行和设备总费用为：

式中，k为变频器运行年的序号；n_life为变频器寿命，年；F_j为系统第j运行方案运行n_life年换算成n_life年后的运行和设备总费用终值，元；j为方案编号，j＝0，1，2，3分别表示原运行方案、方案一、方案二和方案三；A_zj为系统第j运行方案年能耗，kW·h；a_k为第k年电价，元/(kW·h)；i为年利率；F_设备j为第j运行方案增加设备—变频器的费用，元，其中F_设备0＝F_设备1＝F_设备2＝0，F_设备3＝变频器费用；F_残值j为增加的设备寿命期末的残值，元，其中，F_残值0＝F_残值1＝F_残值2＝0，F_残值3＝变频器使用n_life年后的残值。

比较全年系统运行的原方案：水泵定工况运行、方案一：水泵组合优化运行、方案二：水泵组合变阀优化运行、方案三：水泵组合变频优化运行共四种方案的总费用，设第ξ方案在增加的变频设备寿命期内的运行和增加的变频设备总费用最低，即

F_jmin＝F_ξ＝MIN(F_j,j＝0,1,2,3) (30)

则，确定第ξ方案即为循环冷却水系统最优优化运行方案，其中ξ是在j＝0，1，2，3冷却水系统水泵机组四种运行方案编号中，在变频器寿命期内，冷却水系统运行和设备总费用最小的运行方案编号。

实施例计算表明，循环冷却水系统方案一、方案二和方案三三种优化运行方案的运行与设备总费用，相比于系统水泵定工况运行的原方案，方案一、方案二、方案三寿命期总费用分别节省46.93％、50.84％和65.19％。其中，方案三：水泵组合变频优化运行方案全年总费用最低。因此，本发明方法计算比较确定的化工循环冷却水系统最优优化运行方案节能效果显著。

附图说明

图1为化工循环冷却水系统并联支管换热器出口回路和总干管回路加装调节阀及系统热平衡计算方法原理图。

图2为系统水泵不同台数并联组合运行扬程性能曲线与组合方案确定图。

图3为系统水泵变阀调节原理图。

图4为单泵机组变频优化运行工况点确定图。

图5为两泵并联运行、其中一泵机组变频优化运行工况点确定图。

图6为不同计算环境湿球温度各运行方案冷却水系统总输入功率图。

图7为实施例循环冷却水系统简化分布图。

图8为实施例循环冷却水系统管路概化图。

图9为实施例系统水泵组合优化运行方案流量与扬程图。

图10为实施例水泵组合优化运行方案水泵风机机组输入功率图。

图11为实施例水泵组合变阀优化运行方案水泵风机机组输入功率图。

图12为实施例水泵组合变频优化运行方案水泵风机机组输入功率图。

图13为实施例不同计算环境湿球温度各运行方案冷却水系统总输入功率图。

具体实施方式

下面采用本发明的技术方案，结合附图和实施例对本发明作进一步说明，但本实施例不应理解为对本发明的限制。

某化工车间循环冷却水系统由冷却塔、循环水泵机组、输配管网和工艺设备组成，全年运行360天，用于3万吨苯胺、5万吨硝基苯的生产。系统配有2座并联LDCM-800SC型机械通风逆流湿式冷却塔，喷淋式冷却，每座冷却塔安装一台风机，风机型号LF-42，配Y180L-4型三相异步电动机，LJ3型减速机；3台并联水泵，其中2台大泵、1台小泵，两用一备。大泵型号350S44A，单泵设计流量1116m³/h，设计扬程36m，额定转速1450r/min，水泵配套Y315L-4型电动机，额定功率160kW，电动机效率91.9％，额定转速1450r/min。小泵型号KQL300/525-90/6，单泵设计流量0.167m³/s，设计扬程38m，额定转速为980r/min，配套电动机功率为90kW，异步电动机为6极，水泵电动机直联，传动效率η_c＝100％。

如图7所示，本实施例中有5个并联的换热用户组，其中第一、第二、第三层每层设备并联连接，第四层有三台设备，次高点的两台设备并联，最高点的设备单独成为一条支路。

将系统简化后工艺换热侧各层换热性能相关参数列表汇总如表1。

工业用水中含有如碳酸钙、碳酸镁等盐类，随着温度的升高溶解度减小，盐类析出后形成污垢结附在管道内壁，传热效果降低，故管式换热器中循环冷却水工艺换热侧出口温度不宜高于45℃。

表1实施例工艺侧各层换热设备相关性能参数

A.不同计算环境工况下化工循环冷却水系统考虑全系统热平衡的冷却水最小需要流量计算确定。

本实施例所在地区全年的计算环境工况，用近10年平均值统计，如表2所示。

表2实施例工程全年计算环境工况气象参数及系统运行时间

不同湿球温度下系统达到热平衡时的冷却水最小需要流量计算循环迭代求解方法原理如图1所示。

根据表1和表2数据，考虑冷却塔热平衡，并对换热器冷却水出口温度和被冷却介质的温度进行控制，利用公式(1)～公式(8)，编程计算全年各计算环境工况时运行所需冷却水最小需要流量，结果如表3所示。

表3全年不同计算环境温度系统热平衡时冷却水最小需要流量和进出塔水温

全年选择湿球温度5℃、10℃、15℃、20℃、25℃为计算环境工况，各并联换热器出口水温以不大于45℃控制，使得换热设备的冷却水侧平均水温降低，热侧的被冷却介质的平均温度相应降低，满足工艺换热要求，此时，由于系统热平衡时用户侧各并联支路换热器冷却水进出口温差不变，各支路冷却水流量与各负荷对应成正比关系。当湿球温度为30℃时，换热器出口水温小于45℃，若以45℃控制，换热器冷却水侧平均水温升高，热侧平均温度相应升高，达不到工艺要求，此时，应以被冷却介质的工艺温度要求确定冷却水流量，换热器冷却水出水温度小于45℃。

由表3可知，全年随着湿球温度的上升，冷却塔出塔水温升高，系统热平衡冷却水最小需要流量逐渐增大，进出口水温差逐渐减小，且湿球温度越高，增加单位温度的系统最小需要流量增加越快。

B.循环冷却水系统所有并联支路冷却水最小需要流量同步保证方法。

根据实施例系统管路特性，将整个循环冷却水系统管路分成三段并进行编号，管段Ⅰ表示水泵出口到工艺换热侧入口的干管段；管段①～⑤表示工艺换热侧高程从低到高的各并联支管段；管段Ⅱ表示工艺换热侧出口到冷却塔的干管段；水泵进水管端较短，可忽略。如图8所示。

根据管路性能，通过计算或实测各管段流量和水头损失，代入公式(9)，计算各管段阻抗，数据整理如表4所示。

表4实施例系统各管段阻抗

本发明在系统各个并联换热器回水支管各安装一只调节阀，在回水总干管安装一只调节阀。通过调节关小各支路调节阀开度—保证1个支路调节阀开度保持最大不调节以减小水头损失，使所有支路冷却水流量恰好等于最小需要流量。将表3和表4相关数据，代入公式(10)、(11)，求解得到各个支路调节阀需要调节到的阻抗ΔS_k＝0(k＝1、2、3、4、5)，计算结果如表5所示。

表5实施例不同计算环境工况时各并联支路需要的调节阀的阻抗增量

由于湿球温度在25℃以下时系统各并联支路水量与热负荷成正比，在各并联支路调节阀按表5要求调节后，在湿球温度变化时，支路阀门可以不做调节，通过调节干管总阀门即能满足系统不同计算环境工况时冷却水最小需要流量；湿球温度为30℃时，由于换热器冷却受被冷却介质温度要求的控制，换热器冷却水出口温度低于45℃，各并联支路水量与热负荷不成正比关系，支路阀门需要重新调整，重新分配各支路水量。由于表3全年计算湿球温度按5℃间隔，不能精准找出阀门调节的精确湿球温度点，故以0.1℃湿球温度间隔采用编程加密计算，结果如表6所示。

表6中，从湿球温度为28.8℃开始，并联支路出口温度低于45℃，各并联支路冷却水流量与热负荷不成正比关系，且随着湿球温度的升高而增大。由于湿球温度在28.8℃～30℃范围内变化时，不可能通过时刻调节支管阀门控制流量正好满足负荷侧要求，各支路冷却水流量比例发生变化，考虑仍采用25℃以内各支路冷却水流量与各负荷对应成正比关系，仅调节总管阀门，经校核，冷却水总流量和各并联支管流量均稍大于用户换热的需要流量，造成少量过冷情况，但满足系统换热要求。

表6不同湿球温度时系统平衡运行冷却水流量和进出塔温度

C.循环冷却水系统水泵并联扬程性能曲线和系统需要扬程性能曲线计算。

根据水泵性能确定不同水泵组合并联运行的扬程性能曲线；根据系统组成确定系统需要扬程性能曲线。将大、小泵性能参数代入式(12)分别得到1台大泵扬程性能曲线、1台小泵扬程性能曲线、1台大泵和1台小泵并联扬程性能曲线、2台大泵并联扬程性能曲线：

式中：下标“1”表示大泵，下标“2”表示小泵。如图8所示，本实施例循环冷却水系统管网是由工艺换热侧5个支管①～⑤并联后，再与进水总管Ⅰ、回水总管Ⅱ串联构成，根据各并联支路阀门调节，代入公式(13)～公式(15)，计算得出满足系统各并联支路冷却水流量比例要求的系统需要扬程性能曲线：

H_r＝4.8+180.27Q²

并联水泵性能曲线与系统需要扬程性能曲线联立求得的水泵运行工况点扬程均能满足用户侧换热端的正压要求。

D.循环冷却水系统基于风机定转速、水泵机组不同调节功能、使系统能耗最小的全年各计算环境工况优化运行方案计算确定。

(1)水泵组合优化运行方案计算确定。

如图2所示，对应水泵不同运行组合的分界点A、B、C、D的流量分别为0.3757m³/s、0.3017m³/s、0.4307m³/s和0.4563m³/s，系统最优运行组合的选择方案如图9所示。

如图9，当系统最小需要流量小于0.3017m³/s时，选用单台小泵运行；当系统最小需要流量在0.3017m³/s～0.3757m³/s之间时，选用单台大泵运行；当系统最小需要流量在0.3757m³/s～0.4307m³/s之间时，选用1台大泵与1台小泵并联运行；当系统最小需要流量在0.4307m³/s～0.4563m³/s之间时，选用2台大泵并联运行。

根据系统全年不同计算环境工况冷却水最小需要流量，确定水泵最优运行组合。在水泵最优组合运行时，循环冷却水总流量及各支路流量大部分情况下均大于当时湿球温度时的最小需要流量，造成用户换热侧过冷的情况，根据图2确定的冷却水总流量，重新计算系统平衡点，求解系统进出塔水温和各并联支路热侧介质出口温度。结果如表7所示。

表7水泵最优运行组合系统定流量定负荷平衡点参数

全年不同湿球温度下风机、水泵配套电动机输入功率和按式(16)计算的系统总运行能耗计算结果如表8所示。

绘制表8中不同湿球温度风机和水泵配套电动机输入功率、系统总输入功率变化情况，如图10所示。

表8不同湿球温度风机定工况水泵最优运行组合方案及能耗计算

图10中，随着湿球温度变化，风机输入功率变化不大。当湿球温度小于20℃时，均选用1台小泵运行，水泵配套电动机输入功率由小泵流量-扬程性能曲线与系统需要扬程曲线相交的运行工况点参数计算所得，功率值相同，冷却水流量不变。当湿球温度大于20℃时，随着湿球温度升高，水泵机组输入功率急剧增大。

(2)水泵组合变阀优化运行方案计算确定。

根据系统冷却水最小需要流量选择水泵最优运行组合，通常系统冷却水流量仍大于系统冷却水最小需要流量，而少开一台机组流量又不够。为进一步节能，通过调节系统回水干管阀门，调小开度增大阻力，使系统需要扬程性能曲线更陡，使其与并联水泵性能曲线交点向小流量一侧移动，保证其等于系统最小需要流量，原理如图3所示。

各并联支路阀门开度调节后保持不变，不同湿球温度时系统冷却水最小需要流量通过调节总干管阀门得以保证，按式(17)～(19)计算，总干管阻抗增量计算结果如表9所示。

表9不同湿球温度时水泵组合变阀优化运行总干管阻抗增量

按照表9调节干管阀门，增大干管阻力，水泵运行流量减小，功率减小。联立并联水泵性能曲线式(12)和干管阀门调节后的系统需要扬程性能曲线公式(17)，求得水泵运行工况点，计算全年不同计算环境工况风机和水泵配套电动机输入功率，应用式(20)计算系统全年运行总能耗，计算结果如表10。

表10不同湿球温度时风机定工况水泵组合变阀优化运行能耗

表10中，经过调节干管回水段阀门，循环运行水流量等于各湿球温度系统冷却水最小需要流量，当湿球温度小于20℃时，随环境湿球温度升高，系统冷却水最小需要流量增大，水泵配套电动机输入功率缓慢增大；当湿球温度大于20℃时，水泵配套电动机输入功率随环境湿球温度升高，系统总输入功率快速上升，如图11所示。

(3)水泵组合变频优化运行方案计算确定。

根据冷却水最小需要流量选择水泵最优运行组合，系统需要扬程性能曲线不变，通过变频调速改变其中一台水泵扬程性能曲线，改变水泵运行工况点，水泵扬程性能曲线如公式(21)。

单泵变频优化运行工况点确定原理如图4所示，两泵并联运行一泵变频优化运行工况点确定原理如图5所示，分别代入式(22)～(23)、式(26)～(27)，计算出不同湿球温度时水泵机组变频器变频比、输入功率，应用式(28)计算系统全年总能耗，具体计算结果如表11。

表11中，利用水泵变频方式将循环冷却水总流量调节到该环境湿球温度时的系统最小需要水量，当环境湿球温度升高时，系统最小需要流量增大，泵机组变频器输入功率增大，风机机组输入功率变化不大，系统总输入功率呈上升趋势，如图12所示。

风机定转速水泵组合变频优化运行方案，在水泵组合优化运行基础上，系统需要扬程性能曲线不变，通过变频调速改变一台水泵运行工况点，调节水泵总流量减小至等于系统最小需要流量，减小水泵机组运行功率和系统总输入功率，节省运行能耗。

表11不同湿球温度风机定工况水泵组合变频优化运行能耗计算

E.化工循环冷却水系统不同优化运行方案能耗、总费用比较与最优优化运行方案确定。

根据全年不同计算环境湿球温度系统冷却水最小需要流量，采用方案一水泵组合优化运行、方案二水泵组合变阀优化运行和方案三水泵组合变频优化运行方案。将系统各优化运行方案的系统总输入功率与系统风机定工况、水泵定工况原运行方案进行对比，分析结果如表12和图13所示。

表12不同计算环境湿球温度各优化运行方案冷却水系统总输入功率比较

表12中，比较三种水泵优化运行方案能耗，方案三水泵组合变频优化运行方案在各湿球温度下系统总输入功率最小，优化效果均明显，如图13所示。

图13中，不同标记的曲线代表不同的水泵运行方案，空心标记代表水泵未优化的原方案，实心标记分别代表水泵优化方案一～方案三。当湿球温度小于20℃时，系统总输入功率变化变化平缓，当湿球温度大于20℃时，系统总输入功率随环境湿球温度上升而急速增加。结果表明，不同湿球温度系统优化运行方案三组合变频方案总输入功率均最小。

选用EV2000-4T1600G型160kW变频器，初投资费用为39000元，使用寿命10年，残值按价格5％计算，为1950元，每年电价为0.6元/kW·h，年利率为3.85％，应用式(29)计算系统原运行方案、不同优化运行方案系统全年运行与设备总费用，费用比较如表13所示。

表13系统不同运行方案寿命期总费用比较

实施例计算表明，循环冷却水系统优化运行方案一、方案二和方案三，相比于水泵原定工况运行方案，寿命期总费用分别节省46.93％、50.84％和65.19％，应用式(30)，其中，方案三水泵组合变频优化运行方案全年总费用最低。因此，本发明方法计算比较确定的循环冷却水系统最优优化运行方案节能效果显著。

Claims (2)

1.化工循环冷却水系统水泵机组最优运行方案比较确定方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤A：不同计算环境工况下化工循环冷却水系统考虑冷却塔影响的全系统热平衡的冷却水最小需要流量计算确定；

步骤B：循环冷却水系统所有并联支路冷却水最小需要流量同步保证方法；

步骤C：循环冷却水系统水泵并联扬程性能曲线和系统需要扬程性能曲线计算确定；

步骤D：循环冷却水系统基于风机定转速、水泵机组不同调节方式、使系统能耗最小的全年各计算环境工况优化运行方案计算确定的求解过程如下：

考虑冷却塔及系统热平衡，全年不同环境工况下系统冷却水最小需要流量不同、相差较大，若全年全部水泵定工况大流量运行，则系统过度冷却，造成不必要的能源浪费，故应该充分利用水泵机组调节功能，根据一年中不同计算环境温度下的冷却水最小需要流量，进行运行机组组合优化、组合变阀优化、组合变频变速优化；

考虑风机全年定叶片安装角定转速运行，分别计算确定全年不同计算环境工况各水泵机组优化运行方案泵机组输入功率和系统总输入功率；统计全年不同计算环境工况系统运行时间，计算循环冷却水系统全年运行总能耗；

(1)方案一：水泵组合优化运行方案计算确定

水泵组合优化运行方法，是在步骤B设定各并联支路阀阻力的基础上，在满足各计算环境工况系统及各并联支路冷却水流量大于等于各自的最小需要流量的前提下，以系统运行能耗最低为目标，确定包括台数和大小的水泵优化运行组合，即在满足系统冷却换热要求和最不利处的压力要求前提下，尽量减少水泵机组运行台数和运行机组总功率；设将冷却水系统1台小泵、1台大泵、1台大泵+1台小泵和2台大泵四种运行组合的扬程或并联扬程性能曲线分别与系统需要扬程性能曲线联立求解，得到流量自小到大依次为B、A、C和D四个水泵工况点，其流量分别对应为即Q_B、Q_A、Q_C和Q_D，当系统冷却水最小需要流量小于Q_B时，选用1台小泵运行；当系统冷却水最小需要流量在Q_B～Q_A之间时，选用1台大泵运行；当系统冷却水最小需要流量在Q_A～Q_C之间时，选用1台大泵和1台小泵并联运行；当系统冷却水最小需要流量在Q_C～Q_D之间时，选用2台大泵并联运行；根据系统全年不同计算环境工况冷却水最小需要流量，确定水泵最优运行组合，按照不同水泵组合优化的运行工况点，计算泵机组输入功率和系统总输入功率；循环冷却水系统全年运行总能耗为各计算环境工况的风机和水泵能耗的累加，计算公式为：

其中，A_z1为系统实施水泵组合优化运行全年运行总能耗，kW·h；w为设定的全年计算环境工况种数，即全年系统冷却水最小需要流量种数；N_fⅠε为系统实施水泵组合优化运行时第ε种计算环境工况风机机组定转速输入功率，kW；N_pⅠε为第ε种计算环境工况参与组合优化运行的所有水泵机组输入功率之和，kW；T_ε为第ε种计算环境工况系统年运行时间，h；

(2)方案二、水泵组合变阀优化运行方案计算确定

在任一环境湿球温度下，根据系统冷却水最小需要流量选择水泵最优运行组合，通常系统冷却水流量仍大于系统冷却水最小需要流量，而少开一台机组流量又不够；由于系统采用离心泵，离心泵流量越小，功率越小，因此，系统在实施运行水泵组合优化后，还要在满足最小需要流量的前提下，尽可能减小流量，达到减小水泵机组输入功率的目的；通过减小总管阀门开度，使系统需要扬程性能曲线变陡，水泵工况点左移，水泵流量减小，控制各并联支路冷却水流量恰好满足被冷却设备或介质的换热负荷要求，在恰好满足最小需要流量和供水压力的前提下，减小运行能耗；系统干管阀门调节后，系统需要扬程性能曲线H_r’计算公式为

其中，H_r’为系统干管阀门调节后的系统需要扬程；Q为系统流量；H_z为装置扬程，即为系统回水管在冷却塔内的出水口与循环水泵进水池水面之间的高差；Q_N’、H_N’为调阀后所需要的泵流量、泵扬程，即在某计算环境工况下，要求系统回路总阻抗为：

则需要调节干管阀门增加的阻抗为△S_z＝S'_z-S_z，S_z为总管阀门调节前最大开度时系统回路阻抗，计算全年不同计算环境工况时风机和水泵机组输入功率，循环冷却水系统实施水泵组合变阀优化运行全年总能耗为：

其中，A_z2为系统实施水泵组合变阀优化运行全年运行总能耗，kW·h；w为设定的全年计算环境工况种数，即全年系统冷却水最小需要流量种数；T_ε为第ε种计算环境工况系统年运行时间，h；N_fⅡε为系统实施水泵组合变阀优化运行时第ε种计算环境工况风机机组定转速运行输入功率，kW；N_pⅡε为第ε种计算环境工况参与组合变阀优化运行的所有水泵机组输入功率之和，kW；

(3)方案三：水泵组合变频变速优化运行方案计算确定

水泵组合变阀优化，通过阀门调节，增加了系统阻力，造成了能耗损失；因此，在水泵最优运行组合的基础上，采用水泵机组变频变速原理，在满足冷却水最小需要流量的前提下，使电动机在系统最节能的转速下运行；

根据系统冷却水最小需要流量选择水泵最优运行组合，通常系统冷却水流量仍大于系统冷却水最小需要流量，而少开一台机组流量又不够，此时，再通过单台水泵机组变频变速优化运行，在满足冷却要求的前提下，进一步降低能耗；单泵变频变速运行优化方法有两种：①以系统最小需要水流量确定单泵最优运行转速，②以变频变速水泵效率最高确定水泵最优运行转速；再在这两种变频变速优化方法中，以能耗最小确定最后采用的变频变速优化方法：以系统冷却水最小需要流量确定单泵运行转速进行水泵组合变频变速优化运行；

根据系统冷却水最小需要流量和满足系统正压的最低扬程，确定水泵组合优化运行方案及其运行工作点，根据相似工况抛物线，对其中参与运行的一台水泵机组变频变速，设电动机电源变频比δ_pn，即水泵变速比，根据水泵相似律，变速后水泵扬程性能曲线表示为：

式中H为水泵扬程，m；Q为水泵流量，m³/s；A、B、C为系数；

在满足系统冷却水最小需要流量和供水正压要求的前提下，全年不同环境工况时，以泵机组输入功率最低为目标建立数学优化模型：

系统仅有1台水泵单泵变频变速运行时，泵机组最小运行功率优化数学模型为目标函数：

约束条件：

其中N_pbp为变频变速水泵机组变频器输入功率，kW；ρ为水体密度，kg/m³；g为重力加速度，m/s²；Q为水泵流量，m³/s；H为水泵扬程，m；η_p为水泵效率；η_c为水泵与配套电动机的传动效率；η_em为水泵配套电动机效率；η_bp为水泵机组变频器效率；Q_min、Q_max分别为水泵允许最小、最大运行流量，m³/s；Q_{r min}为系统冷却水最小需要流量，m³/s；N_{pbp min}、N_{pbp max}分别为水泵机组变频器允许最小、最大输入功率，kW；水泵变速比δ_pn，亦即水泵变速比，其约束条件代表水泵变速比的允许范围，变速比过小，水泵效率下降明显；变速比过大，影响水泵机组安全；

系统冷却水最小需要流量较大时，需要两台水泵并联运行，其中一台变频变速运行，另一台不需要变频器、额定转速运行，设系统1^#水泵机组变频变速、2^#水泵机组额定转速运行，系统泵机组最小运行功率优化数学模型为

目标函数：

约束条件：

其中下标1表示1^#变频变速水泵机组，下标2表示2^#不变频变速水泵机组；N_pbp为变频变速水泵机组变频器输入功率N_p1bp与不变频变速水泵机组电动机输入功率N_p2e之和，kW；ρ为水体密度，kg/m³；g为重力加速度，m/s²；Q₁、Q₂分别为1^#水泵、2^#水泵运行流量，m³/s；H₁、H₂分别为1^#水泵、2^#水泵运行扬程，m；δ_pn1为1^#水泵变速比；η_p1、η_p2为分别为1^#、2^#水泵效率；η_c1、η_c2分别为1^#、2^#水泵与配套电动机传动效率；η_em1、η_em2分别为1^#、2^#水泵配套电动机效率；η_bp1为1^#水泵机组变频器效率；Q_1min、Q_1max分别为1^#水泵允许最小、最大运行流量，m³/s；Q_2min、Q_2max分别为2^#水泵允许最小、最大运行流量，m³/s；Q_rmin为系统冷却水最小需要流量，m³/s；N_p1bpmin、N_p1bpmax分别为1^#水泵机组变频器允许最小、最大输入功率，kW；N_p2emin、N_p2emax分别为2^#水泵配套电动机允许最小、最大输入功率，kW；流量约束条件表示所有运行水泵总流量必须满足大于等于不同环境工况下系统最小需要流量的要求，且各水泵流量不超过各自允许运行的最小、最大流量范围；功率约束条件代表电动机和变频器输入功率控制在合理的范围内；

计算全年各计算环境工况时风机机组输入功率和水泵机组及变频器输入功率，循环冷却水系统实施水泵组合变频变速优化运行全年总能耗为：

其中A_z3为系统实施水泵组合变频变速优化运行全年运行总能耗，kW·h；w为设定的全年计算环境工况种数，即全年系统冷却水最小需要流量种数；T_ε为第ε种计算环境工况系统年运行时间，h；N_fⅢε为系统实施水泵组合变频变速优化运行时第ε种计算环境工况风机机组定转速输入功率，kW；N_pⅢε为第ε种计算环境工况参与组合变频变速优化运行的所有水泵机组—包括变频变速机组和不变频变速机组的输入功率之和，kW；

步骤E：化工循环冷却水系统水泵机组不同优化运行方案能耗、总费用比较与最优优化运行方案确定的求解过程如下：

任一计算环境工况下，根据系统冷却水最小需要流量选择水泵优化运行方案，方案一：水泵组合优化运行方案，操作简单，节能效果较显著，但由于其运行流量仍大于系统冷却水最小需要流量，造成一定能源浪费，故可优化改进；方案二：水泵组合变阀优化运行方案，在水泵组合优化运行基础上，通过调节干管阀门，增大阻力，改变水泵运行工况点，减少全年运行能耗；但是通过阀门调节将水泵运行工况点的循环水量调节到系统冷却水最小需要流量的方式，增加了系统管网阻力，造成了能量损失；方案三：水泵组合变频变速优化运行方案，在水泵组合优化运行基础上，通过单台水泵变频变速，改变水泵运行工况点，使运行流量等于系统最小需要流量，避免了增大干管阀门阻力，运行费用降低，但需考虑寿命期内变频器设备费用；以设备寿命期内运行和设备总费用最小为目标，计算各优化运行方案总费用，比较后确定总费用最小的方案为冷却水系统水泵机组最优优化运行方案；

将循环冷却水系统运行的原方案：水泵定工况运行方案、方案一：水泵组合优化运行方案、方案二：水泵组合变阀优化运行方案、方案三：水泵组合变频变速优化运行方案共四种运行方案全年不同计算环境工况的系统总输入功率曲线，以环境湿球温度为横坐标、系统功率为纵坐标，绘在同一表中或图中进行比较；

在循环冷却水系统运行的原方案：水泵定工况运行方案、本发明提出的方案一：水泵组合优化运行方案、方案二：水泵组合变阀优化运行方案和方案三：水泵组合变频变速优化运行方案中，原方案：水泵定工况运行方案、方案一：水泵组合优化运行方案和方案二：水泵组合变阀优化运行方案这三种运行方案的系统设备相同，方案三：水泵组合变频变速优化运行方案与前三种运行方案相比，增加了变频设备；在进行方案运行和设备总费用比较时，相同设备部分不计入；在变频器寿命期内，第j运行方案运行和设备总费用为：

其中，k为变频器运行年的序号；n_life为变频器寿命，年；F_j为系统第j运行方案运行n_life年换算成n_life年后的运行和设备总费用终值，元；j为运行方案编号，j＝0，1，2，3分别表示原方案：水泵定工况运行方案、方案一：水泵组合优化运行方案、方案二：水泵组合变阀优化运行方案和方案三：水泵组合变频变速优化运行方案；A_zj为系统第j运行方案年能耗，kW·h；a_k为第k年电价，元/(kW·h)；i为年利率；F_设备j为第j运行方案增加设备—变频器的费用，元，其中F_设备0＝F_设备1＝F_设备2＝0，F_设备3＝变频器费用；F_残值j为增加的设备寿命期末的残值，元，其中，F_残值0＝F_残值1＝F_残值2＝0，F_残值3＝变频器使用n_life年后的残值；

比较全年系统水泵定工况运行的原方案：水泵定工况运行方案、方案一：水泵组合优化运行方案、方案二：水泵组合变阀优化运行方案、方案三：水泵组合变频变速优化运行方案共四种运行方案的总费用，设第ξ方案在增加的变频设备寿命期内的运行和增加的变频设备总费用最低，即F_jmin＝F_ξ＝MIN(F_j,j＝0,1,2,3)，则确定第ξ方案即为循环冷却水系统水泵机组最优优化运行方案，其中ξ是在j＝0，1，2，3冷却水系统水泵机组四种运行方案编号中，在变频器寿命期内，冷却水系统运行和设备总费用最小的运行方案编号。

2.根据权利要求1所述的化工循环冷却水系统水泵机组最优运行方案比较确定方法，其特征在于，步骤B中所述循环冷却水系统所有并联支路冷却水最小需要流量同步保证方法的求解过程如下：

为防止水泵变阀运行后压力降低，导致换热设备负压运行，将用于变阀优化的各支路调节阀安装在换热设备出水管路上；在系统各个并联支管换热器出水回路和总干管上加装调节阀，设计及应用时，通过调节各支路阀门开度和阻力，使得各支路冷却水流量恰好等于各支路换热设备的最小需要流量，减小水泵运行流量和功率；为减小整个回路阻力，保证其中一个支路阀门全开不调节，其余各支路按照负荷要求调节阀门开度和阻力；全年任一环境湿球温度下，并联支路冷却水进水温度相同，若出水温度均按最高允许出水温度控制，并联支路出水温度也相同，则并联支路冷却水流量与各支路冷却热负荷成正比，各支路的阀门在初次按流量比例需要设定开度后，在环境湿球温度改变后可以不做调节，仅通过调节干管总阀门开度和阻力满足当时湿球温度下整个系统冷却水最小需要流量即可；若各并联支路冷却水流量的比例关系改变，则各个支路阀门开度需要重新调整，按要求重新分配各支路流量；

以上所述方法，既保证了各并联支路以最小需要流量满足换热设备的冷却热交换要求，使系统流量和阻力最小，水泵功率最小，同时避免了支路阀门的频繁调节，减少管理工作量，延长阀门使用寿命；

各个支路水泵阀门初始设定开度的阻力，计算公式如下：

其中：下标k为支路编号，k＝1,2,…，m；Δh为并联支路的水头损失，m，各支路水头损失相等；S_k为第k个并联支路变阀后的总阻抗，s²/m⁵；Q_k为第k个并联支路冷却水最小需要流量，m³/s；S_k0为第k个并联支路阀门全开时的阻抗，s²/m⁵，可根据支路组成计算求得，也可根据实测的支路阀门全开时的支路水头损失Δh和水流量，用式

求得；ΔS_k为所有并联支路冷却水流量同时达到各自最小需要流量时第k个并联支路需调节阀门达到的阻抗，s²/m⁵；

计算比较并联各支路阀门全开即阀门阻抗ΔS_k＝0，k＝1，2，…，m时通过各支路最小需要流量时的水头损失

k＝1，2，…，m，设当k＝ζ时，即第ζ支路水头损失最大，其值为

Q_ζ为第_ζ个并联支路冷却水最小需要流量，m³/s；S_ζ0为第ζ个并联支路阀门全开时的阻抗，s²/m⁵；Δh_ζ为第ζ个并联支路阀门全开时的水头损失，m；令其他各并联支路通过各自最小需要流量时的水头损失也等于Δh_ζ，则初始状态需要调节各支路阀门开度，使其阻抗为

k＝1，2，…，m，其中ΔS_k>0，k＝1，2，…，m，且k≠ζ，当k＝ζ时，ΔS_k＝ΔS_ζ＝0；Q_ζ为第ζ个并联支路冷却水最小需要流量，m³/s；S_ζ0为第ζ个并联支路阀门全开时的阻抗，s²/m⁵；Δh_ζ为第ζ个并联支路阀门全开时的水头损失，m；ΔS_ζ为第ζ个并联支路需调节阀门开度达到的阻抗，s²/m⁵；

系统除了要满足管道、换热设备对压力极限的要求，还应保证系统最不利点对压力的要求，需对水泵实际运行工况点进行压力校核，保证系统正压运行。

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