CN113240233A - 基于全生命周期的优化后工业循环冷却水系统评估方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于全生命周期的优化后工业循环冷却水系统评估方法，将工业循环冷却水系统的新鲜水视为产品，首先界定工业循环冷却水生命周期范围，确定主要过程及系统边界；其次确定生命周期各环节的物质、能源输入和环境排放输出，确定所需数据并收集，形成工业循环冷却水生命周期物料清单；最后运用能耗量化评估方法，获得优化方案在相对环境效益上的提升。本发明从能源高效利用和管网改造的整个生命周期视角出发，考察优化方案在环境效益上的提升，从多角度评估优化方案。
Description
技术领域
本发明涉及水资源节约与环境影响评估技术领域，具体涉及一种基于全生命周期的优化后工业循环冷却水系统评估方法。
背景技术
中国水资源公报最新数据显示，2019年全国水资源总量为29041 亿m3，全国用水总量6021.2亿m3，其中工业用水1217.6亿m3，占用水总量的20.2％，我国水资源的消耗巨大，水资源合理利用效果仍不乐观。如今，工业循环冷却水的优化重点在于将系统看作一个整体的基础上对其中的单个组成单元进行优化，而其中的夹点技术法又因其工程实用性而被应用。
目前，在针对工业循环冷却水系统设定新鲜水使用量最小化为优化目标，应用工业冷却水循环节能技术后，仅仅以水、电价格转换从经济性角度考察相对于基准方案的提升，而对于优化方案在环境效益的提升上却无法确定。工业循环冷却水系统作为整体工业用水网络的一部分，其改变将影响该工业用水网络整体的水资源生命周期的环境效益。因此基于全生命周期从环境效益提升角度考察能源高效利用及管网改造对整体水资源生命周期的变化是十分重要的。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提出了一种基于全生命周期的优化后工业循环冷却水系统评估方法。本发明将新鲜冷却水视为产品，从工业循环冷却水系统能源高效利用和管网改造的整个生命周期视角出发，适用于优化后的工业循环冷却水系统在环境效益上的评估。
本发明的技术方案如下：
基于全生命周期的优化后工业循环冷却水系统评估方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)将工业循环冷却水系统的新鲜水视为产品，界定工业循环冷却水系统生命周期范围以及工业循环冷却水系统生命周期边界；
2)确定工业循环冷却水系统生命周期各环节的物质、能源输入和环境排放输出，并收集所需数据，最终形成工业循环冷却水系统生命周期物料清单；
3)运用能耗量化评估方法，获得优化方案与环境影响类型关系，从而能够直观的判断优化方案在相对环境效益上的提升。
所述的基于全生命周期的优化后工业循环冷却水系统评估方法，其特征在于，所述步骤1)中工业循环冷却水系统生命周期范围包括取水、供水、回水及废水处理四个主要过程。
所述的基于全生命周期的优化后工业循环冷却水系统评估方法，其特征在于，所述步骤1)中工业循环冷却水系统生命周期边界包括两类边界，工业循环冷却水系统生命周期范围的四个主要过程为第一类边界；优化后工业循环冷却水系统所带来的工业循环冷却水系统各组成设施的改造、运行阶段的能耗及其相应的环境排放量为第二类边界。
所述的基于全生命周期的优化后工业循环冷却水系统评估方法，所述步骤2)中建立工业循环冷却水生命周期物料清单，包括如下步骤：
2.1)针对工业循环冷却水系统生命周期范围的四个主要过程和各组成设施的改造、运行阶段从头至尾整理各环节的原材料和能量输入及废气、废水、固体废弃物在内的环境排放输出，确定所需数据；
2.2)在确定所需数据的基础上通过实地调研、企业报表和统计报告、数据库搜索方式、设计院设计资料及国家研究报告和标准来搜集所需数据；
2.3)汇总工业循环冷却水系统生命周期内各环节的物质能量输入及输出，建立工业循环冷却水生命周期物料清单。
所述的基于全生命周期的优化后工业循环冷却水系统评估方法，所述步骤2)中所需数据包括：优化后工业循环冷却水系统使得新鲜水的使用量减少，进而使得工业循环冷却水系统生命周期范围的四个主要过程运行能耗的减少量，以及运行能耗的减少所带来的包括废气、废水、固体废弃物在内的环境排放减少量；
工业循环冷却水系统优化改造过程中因重新布置基础设施所需的原材料使用量、生产运输过程中直接或间接的环境排放量，工程施工所需的能源量及直接或间接的环境排放量。
所述的基于全生命周期的优化后工业循环冷却水系统评估方法，所述步骤3)中环境影响类型包括温室效应、富营养化及酸化，对选定的环境影响类型，量化负荷和环境影响之间的关系及其对环境影响的大小。
本发明的有益效果是：本发明提供的一种基于全生命周期的优化后工业循环冷却水系统评估方法，将新鲜冷却水视为产品，从工业循环冷却水系统能源高效利用和管网改造的整个生命周期视角出发，考察优化方案在环境效益上的提升，从多角度评估优化方案。
附图说明
图1为优化后工业循环冷却水系统结构布置；
图2为工业循环冷却水系统生命周期边界；
图3为工业循环冷却水生命周期物料清单的分类与特征化；
图1中：C、D表示是管道不同节点，E表示热交换器。
具体实施方式
结合说明书附图和具体实施例对本发明进一步详细说明。
实施例：
步骤一：某公司原工业循环冷却水系统结构布置在夹点技术法优化后得到如图1所示的优化布置方案。优化主要针对现有工厂在工艺确定的情况下对工业循环冷却水系统进行改造，故优化方案在第一类边界中影响四个主要过程的运行能源消耗以及环境排放；由于优化布置的要求，需对回用水管线及循环水泵进行重新布置，故优化方案在第二类边界中影响各组成设施的新建、运行能源消耗以及环境排放。在对优化方案的两类边界进行分析后，形成如图2所示的工业循环冷却水系统生命周期边界。
步骤二：针对系统边界内的四个主要过程和各组成设施的改造、运行阶段，从头至尾整理各环节的原材料和能量输入、包括废气、废水、固体废弃物等在内的环境排放输出，形成并确定如表1所示的数据表。数据内容为取水、供水、回水、废水处理四个主要过程由于新鲜水量减少使得泵运行能耗的减少量，以及运行能耗的减少所带来的包括废气、废水、固体废弃物等在内的环境排放减少量；改造过程中因重新布置循环水回用管线及循环水泵所需的原材料使用量、生产运输过程中直接或间接的环境排放量，工程施工所需的能源量及直接或间接的环境排放量。
表1工业循环冷却水生命周期物料清单
步骤三：运用能耗量化评估方法，获得优化方案在相对环境效益上的提升。由清单分析可知，应用工业冷却水循环节能技术后每年可节约新鲜水4742143.2t/a(运行时间为8600h/a)，每年节约电量 895427kWh。因改造回用管线及循环水泵一次性投入钢材13.11t，水泥4t，柴油0.0214t，公路运输距离为63.8km。
首先对工业循环冷却水系统生命周期物料清单进行如图3所示的分类及特征化，分类是指将清单分析中的不同种类环境干扰因子划分到不同的影响类型中，特征化就是针对所确定的环境影响类型对数据进行分析和定量化。本发明选取全球变暖、酸化、富营养化三种环境影响类型作为工业循环冷却水生命周期影响评价的影响类型。
全球变暖潜力是各种温室气体的排放量与当量系数乘积的和，计算公式如下：
其中，n指生命周期中排放的温室气体的种类；
δi指生命周期中第i种温室气体的当量系数；
DGWP指每生产一个单位产品的第i种温室气体的排放量。
表2全球变暖影响因子潜值
| 污染物种类 | GWP(kgCO<sub>2</sub>-eq/kg物质) |
| CO<sub>2</sub> | 1 |
酸化潜力是各种造成酸化的污染物排放量，与相对应的污染物当量系数乘积的和，计算公式如下：
其中，n指生命周期中造成酸化的污染物种类；
δi指生命周期中第i种酸性气体的当量系数；
DAP指每生产一个单位产品产生的第i种酸性气体的排放量。
表3酸化影响因子潜值
| 污染物种类 | AP(kgSO<sub>2</sub>-eq/kg物质) |
| SO<sub>2</sub> | 1 |
| NO<sub>X</sub> | 0.7 |
富营养化潜力是各种造成富营养化的污染物排放量，与相对应的污染物当量系数乘积的和，计算公式如下：
其中，n指生命周期中造成富营养化的污染物种类；
δi指生命周期中第i种污染物的当量系数；
DEP指每生产一个单位产品产生的第i种污染物的排放量。
表4富营养化影响因子潜值
| 污染物种类 | GWP(kgNO<sub>X</sub>-eq/kg物质) |
| NO<sub>X</sub> | 1.35 |
在对工业循环冷却水系统生命周期的能耗及环境排放数据进行分类和特征化后，将特征化潜值进行归一化处理得到归一化基值。经过查阅文献及书籍并结合我国国情，确定如表5所示的归一化基值：
表5中国各环境影响类型归一化基值
| 环境影响类型 | 单位 | 数值 |
| 全球变暖 | g/人 | 8.7E+06 |
| 酸化 | g/人 | 3.6E+04 |
| 富营养化 | g/人 | 6.2E+04 |
紧接着利用层次权重分析方法，求出环境影响类型的权重。因为即使两种不同类型环境影响潜值通过特征化得到相同影响潜值，但并不意味二者的潜在环境影响同样严重。因此需要对影响类型的严重性进行排序，即赋予不同类型于不同权重，然后才能进行比较。
表6影响类型的重要性标度
| 影响类型 | 全球变暖 | 酸化 | 富营养化 |
| 全球变暖 | 1 | 2 | 3 |
| 酸化 | 1/2 | 1 | 2 |
| 富营养化 | 1/3 | 1/2 | 1 |
由表6建立判断矩阵A，求出矩阵A的最大特征值特征向量分别为：
λmax＝3.0092
特征向量B＝[0.8468 0.4660 0.2562]
矩阵一致性检验：
其中CI为一致性指标；
RI为同阶平均随机一致性指标，三阶时取0.52；
CR为随机一致性比率；
n为矩阵阶数。
因此可得表7所示的环境影响类型权重：
表7环境影响类型权重
| 影响类型 | 全球变暖 | 酸化 | 富营养化 |
| 权重 | 0.8468 | 0.4660 | 0.2562 |
将各环境影响类型对应的污染物排放量乘以其当量系数再相加，得到各环境影响类型的影响潜值；然后把各环境影响类型的影响潜值除以各环境影响类型归一化基值，得到各环境影响类型归一化影响潜值；最后将各环境影响类型的归一化影响潜值加权求和，最终获得工业循环冷却水系统优化方案的总相对环境影响潜值。
表8工业循环冷却水系统生命周期影响评价计算过程
优化方案每年对温室效应、酸化、富营养化三个环境影响类型产生的影响潜值分别为-23.53、-555.49、-248.99，总相对环境潜值为-828.01。表明在应用工业冷却水循环节能技术后，不仅减少了新鲜水的使用和电量的使用，还对环境产生了积极影响。
Claims (6)
1.基于全生命周期的优化后工业循环冷却水系统评估方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)将工业循环冷却水系统的新鲜水视为产品，界定工业循环冷却水系统生命周期范围以及工业循环冷却水系统生命周期边界；
2)确定工业循环冷却水系统生命周期各环节的物质、能源输入和环境排放输出，并收集所需数据，最终形成工业循环冷却水系统生命周期物料清单；
3)运用能耗量化评估方法，获得优化方案与环境影响类型关系，从而能够直观的判断优化方案在相对环境效益上的提升。
2.根据权利要求1所述的基于全生命周期的优化后工业循环冷却水系统评估方法，其特征在于，所述步骤1)中工业循环冷却水系统生命周期范围包括取水、供水、回水及废水处理四个主要过程。
3.根据权利要求2所述的基于全生命周期的优化后工业循环冷却水系统评估方法，其特征在于，所述步骤1)中工业循环冷却水系统生命周期边界包括两类边界，工业循环冷却水系统生命周期范围的四个主要过程为第一类边界；优化后工业循环冷却水系统所带来的工业循环冷却水系统各组成设施的改造、运行阶段的能耗及其相应的环境排放量为第二类边界。
4.根据权利要求1所述的基于全生命周期的优化后工业循环冷却水系统评估方法，所述步骤2)中建立工业循环冷却水生命周期物料清单，包括如下步骤：
2.1)针对工业循环冷却水系统生命周期范围的四个主要过程和各组成设施的改造、运行阶段从头至尾整理各环节的原材料和能量输入及废气、废水、固体废弃物在内的环境排放输出，确定所需数据；
2.2)在确定所需数据的基础上通过实地调研、企业报表和统计报告、数据库搜索方式、设计院设计资料及国家研究报告和标准来搜集所需数据；
2.3)汇总工业循环冷却水系统生命周期内各环节的物质能量输入及输出，建立工业循环冷却水生命周期物料清单。
5.根据权利要求1所述的基于全生命周期的优化后工业循环冷却水系统评估方法，所述步骤2)中所需数据包括：优化后工业循环冷却水系统使得新鲜水的使用量减少，进而使得工业循环冷却水系统生命周期范围的四个主要过程运行能耗的减少量，以及运行能耗的减少所带来的包括废气、废水、固体废弃物在内的环境排放减少量；工业循环冷却水系统优化改造过程中因重新布置基础设施所需的原材料使用量、生产运输过程中直接或间接的环境排放量，工程施工所需的能源量及直接或间接的环境排放量。
6.根据权利要求1所述的基于全生命周期的优化后工业循环冷却水系统评估方法，所述步骤3)中环境影响类型包括温室效应、富营养化及酸化，对选定的环境影响类型，量化负荷和环境影响之间的关系及其对环境影响的大小。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20210810 |
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