循環(huán)水系統操作費用的優(yōu)化研究

第27卷,總第157期《節能技術(shù)》Vol.27，Sum. No. 1572009年9月,第5期ENERCY CONSERVATION TECHNOLOGYSep. 2009 ,No.5循環(huán)水系統操作費用的優(yōu)化研究龍德曉' ,賈曉朵? ,任若飛2 ,李志民(1.青島科技大學(xué)計算機與化工研究所,山東青島266042;2.蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院,甘肅蘭州730050)摘要:建立了循環(huán)水系統操作費用模型,討論了各種因素對循環(huán)水系統運行費用的影響規律。干球溫度,空氣相對濕度,冷卻塔鼓風(fēng)量等因素的變化直接影響循環(huán)水出塔溫度,而出塔溫度的變化對系統的循環(huán)水量具有很大的影響,如從28C增加到30C時(shí)，循環(huán)水量增加20%左右,輸送費用也會(huì )相應地增加。昆明地區,冬季循環(huán)水出塔溫度為22.5C時(shí),操作費用最低,而夏季循環(huán)水出塔溫度為27.5C時(shí),操作費用最低,另外,水價(jià),電價(jià)不同也會(huì )影響系統最佳出塔溫度選取。因此,相同的系統在不同的季節,不同的地區,具有不同的最佳操作參數。關(guān)鍵詞:循環(huán)水系統;經(jīng)濟模型;優(yōu)化;操作費用中圖分類(lèi)號:TK212. *2文獻標識碼:A .文章編號:1002 - 6339 (2009) 05 - 0430- 05Optimization Study of One Circulating Water System Operation CostsLONC De - xiao' ,JIA Xiao- du2 , REN Ruo- fe2 ,U Zhi - min?(1. Istute of Computer and Chemical Engineering, Qingdao University of Science and Technology ,Qingdao 266042, China;2. School of Petroleum and Chemical Engineering, Lanzhou University of Science and Technology , Lanzhou 730050, China)Abstract: A operational cost model of circulaing water system was established in this paper, some importantinfluent factors and their inluent behavior were discussed. The temperalure of leaving tower is directly afectedby changes of the factors such as dry bulb temperature, related humidity, air volume of tower and 80 on, andthe temperature change of leaving tower obviously afects on flowrate of cooling water, for example, when thetemperature increases from 28 to 30C, flowrate increases by 20 percent, the cost of transportation increases,too. In Kunning area, when the tempenalure of leaving tower is 22.5C in winter and is 27.5C in summer,the operational cost is minimal. In addition, different water price and eletricity price would afect the choiceof optimal temperature of leaving tower. Therefore, the same system behaves different operation performance indifferent seasons and regions.Key words: circulating water system; economic model; optimization; operation cost70%1左右,另外，系統運行需要消耗大量的電能和0前言水源，如何降低其運行操作費用是人們始終關(guān)注的循環(huán)水系統在化工，電力,冶金,煉油等行業(yè)中課題。循環(huán)水系統的影響因素很多,同一裝置在不是必不可少的。循環(huán)水的用量占整個(gè)工業(yè)用水量的同的季節運行,相同的設計在不同地區運行,操作費用不同,最佳操作參數也不同。目前對于循環(huán)水系收稿日期2009-07-08 修訂稿日期 2009-09- 10統的研究,主要集中在對循環(huán)水濃縮倍數(2)、防漏與作者簡(jiǎn)介:龍德曉(1982- ),男,在讀研究生。，430●藥劑處理方面的研究(3-4)。另外,冷卻塔換熱模T。= T。(Tmn,Th,rf)= 2.39043●70.391. T94型[5-8)、循環(huán)水節能[9-10)等方面也開(kāi)展了許多工. rf0.73(1)作。而事實(shí)上,系統運行需要消耗大量新鮮水的同rf = f( Range ,Approach , T.b)時(shí),還消耗大量的能量，僅僅考慮能耗或新鮮水都是Tm,ro,Tbf分別是冷卻塔進(jìn)，出塔溫度不全面的,把兩者聯(lián)系起來(lái)同時(shí)考慮的工作目前還(C),濕球溫度(C),冷卻塔單元數;，不多見(jiàn)11-12]。本文重點(diǎn)建立了循環(huán)水系統的操作Approach , Range分別為趨近度(T。- Tw) ,幅度費用數學(xué)模型，同時(shí)討論了各個(gè)因素對循環(huán)水系統(Tm- T。);的影響規律,為循環(huán)水系統的最優(yōu)操作提供依據?？諝饬?過(guò)程描述Win= w./[(1- Hm). (Hau- Hm)](2)冷卻循環(huán)水系統如圖1所示,這是-一個(gè)簡(jiǎn)單的蒸發(fā)水量Wev = 0.00153. We.(Tm- T。)(3)循環(huán)水系統，包括-一個(gè)閉式冷卻塔,- -個(gè)循環(huán)水泵，補充新鮮水量一個(gè)鼓風(fēng)機,換熱器。Wm= w./(CC-1)+ We(4)補充新鮮水后的循環(huán)水溫度T"。= w。. T。- wm.(T。- T)/W。(5)Wmu式中Hm,H一 濕空氣進(jìn),出口絕對濕度;CC一-濃縮倍數;w.- - 循環(huán)水量,kg/h。Wblowdomn-82.1.2水泵循環(huán)水泵功率與循環(huán)水量，揚程的關(guān)系圖1 循環(huán)冷卻水系統Pp= P。( w。,H,, 7pPme)(3)(6)冷卻塔是循環(huán)水系統最重要的設備之一，循環(huán)式中ηp一水泵效率;水與空氣在塔內進(jìn)行接觸,通過(guò)汽化與接觸傳熱,空H,-水泵揚程,m;氣溫度升高,濕度達到或接近飽和，循環(huán)水溫度降Puse-冷卻水密度 ,kg/m'。低。循環(huán)水泵為系統中循環(huán)水的輸送提供動(dòng)力,其2.1.3鼓風(fēng)機負荷與循環(huán)水流量，揚程有關(guān)。鼓風(fēng)機是冷卻塔的鼓風(fēng)機與風(fēng)量,出口風(fēng)壓力的關(guān)系一部分,它的功率與鼓人空氣量,出口風(fēng)壓有關(guān)。換pr= pr( Win. Ha, 7r,Pa)13)(7)熱器做為循環(huán)水系統用戶(hù),- -般是并聯(lián)操作,各個(gè)支Wi= Ww(Hu,Hm, w.,Tm, r.)"(8)路的壓降相同,水泵的揚程大于各支路中所需最大Hr-出 口風(fēng)壓,Pa;壓頭就滿(mǎn)足供水要求。循環(huán)水系統的各個(gè)因素之間是相互聯(lián)系的,一ηr - 風(fēng)機效率。.個(gè)因素波動(dòng),會(huì )影響整個(gè)系統的運行效果。例如,增2.2循環(huán)冷 卻水系統操作費用模型加風(fēng)機的風(fēng)量,會(huì )增加風(fēng)機的電耗,但能降低循環(huán)水目標函數:假設循環(huán)水年運行時(shí)間:7200 h,風(fēng)出塔溫度,從而降低循環(huán)水量，節約水泵能耗。因機中空氣出口風(fēng)壓:60 000 Pao此,需要建立整個(gè)系統的操作費用模型,研究各個(gè)因minCo = Cale + Cew(9)素對整個(gè)循環(huán)水系統費用的影響及其規律,綜合考Case= (Pr+ Pp). Cele慮循環(huán)水系統的節能降耗。P,Pp一分 別為循環(huán)水泵，鼓風(fēng)機的功率,kW;2數學(xué)模型的建立Cow,C。- - - -水費操作費用,￥/a;2.1 循環(huán)水系統數學(xué)模型Cele,Cade"電費，電價(jià),￥/kWh。2.1.1冷卻塔模 型[1]2.3因素分析在冷卻塔塔內,損失的水量主要有蒸發(fā)損失,排2.3.1出塔溫度出水量，夾帶損失(忽略)。循環(huán)水出塔溫度可表示出塔溫度是冷卻塔重要參數之一-，是冷卻塔,換為:熱器設計的重要依據,直接影響循環(huán)水量和操作費用。電耗越大,操作費用越大。但是接近干球溫度時(shí),需(1)出塔溫度對循環(huán)水量的影響要風(fēng)機能耗非常大,水費大,操作費用也大。操作費Q=K.A●Otm.用最小的出口溫度在25C,出塔溫度低于25C時(shí)，Q= Cp. w..(7m- r")(11)操作費用隨著(zhù)出塔溫度升高而降低,而出塔溫度高由上式推出于25C時(shí),操作費用隨著(zhù)出塔溫度升高而升高。W。=Cp.(T1+ T2-2. T。-2. Q/K. A)593X108.2x10(12): 1.5式中Q一移熱負荷,kW;，K一-傳熱系數;K 1.585￥7.9A- -換熱器面積;T,T-熱物料冷卻前、后溫度,C。0202530由式(6)、式(12)看出,隨著(zhù)循環(huán)水出塔溫度升T。.cs x10高，所需循環(huán)水量增大;反之,水量減小。因為循環(huán)水出塔溫度升高,傳熱系數變化不大,進(jìn)塔溫度降低,移走的熱負荷-定，需要更多的循環(huán)水量才能達到移熱要求,所以，隨著(zhù)循環(huán)水出塔溫度增大,所需循環(huán)水量增大。例1,某工廠(chǎng)有一循環(huán)水系統,已知各個(gè)參數和(e20J2530圈3出塔溫度與費用的關(guān)系條件如表1所示。表1已知參數一覽表2.3.2干球溫度熱物流處要求季其它條件不變時(shí),循環(huán)水系統的操作費用隨著(zhù).進(jìn)口溫度， 出口溫度，干球溫度， 濕球溫度，相對濕度，干球溫度的升高而升高,隨著(zhù)干球溫度升高,空氣濕MW15C%球溫度升高,進(jìn)冷卻塔的濕空氣比焓增大,空氣進(jìn)冷025.819.90.83出塔溫度與循環(huán)水量的關(guān)系如圖2所示,當出塔卻塔絕對濕度增大,空氣出冷卻塔絕對濕度不變,再溫度高于26C時(shí),循環(huán)水量隨著(zhù)出塔溫度迅速增大,由式(2) ,式(8)隨著(zhù)干球溫度升高,需要鼓入的空氣當出塔溫度28C升高到30C時(shí),循環(huán)水量增加20%量增大，風(fēng)機運行費用增大。左右，當30C升高到32C循環(huán)水量增加60%以上。從圖中看出,空氣適度在40%以下，干球溫度的影響很小，隨著(zhù)空氣濕度的增大,這種影響越來(lái)越22￥10大。這是因為濕度大時(shí),所需的風(fēng)量急劇增加,風(fēng)機20-1.8運行費用增加。1.6。x107114;1.2.5EO81.00.80.60418202224262830322.5t圖2出塔溫度與循環(huán)水量的關(guān)系(2)出塔溫度對操作費用的影響I255503干球溫度.c圖3給出了出塔溫度對操作費用的影響,從圖圖4不同空氣濕度下,干球溫度對操作費用的影響可以看出,隨著(zhù)出塔溫度升高,電費先降低后升高，2.3.3空氣濕度而水費降低,因為出塔溫度越高,進(jìn)塔溫度越低,循環(huán)水量越大，由式(3)、(4)循環(huán)水蒸發(fā)量越少,補充空氣濕度越大,單位體積空氣中循環(huán)水蒸發(fā)散水量越少,水費越低,需鼓入風(fēng)量越大,風(fēng)機和水泵熱量越小，接觸傳熱量不變，移熱量不變,需要風(fēng)量越大，風(fēng)機運行費用增加，系統操作費用相應增加。432●為28.3C。1.75*107Cew=0.04V/kg2.4510Cow=0.08 yAgp1.7.2.41.653 1.655家3202330351520230353.2* 10°3.9*.10Cewa0.12V/kgp、Gew=0.16￥/g0.10.20.30.4050.6 0.708 0.9相對溫度,中3.85團5不同出口溫度下,空氣濕度對操作費用的影響3.128 3.8圖5給出了例1條件下,不同出塔溫度時(shí),空氣濕度3.05)對操作費用的影響曲線(xiàn)?？梢钥闯?，隨著(zhù)濕度的增15 2023305 202530 35加,濕度對費用的影響越來(lái)越嚴重。并且任意出塔圖7不同水價(jià)下,出塔溫度與操作費用的關(guān)系溫度,空氣濕度對操作費用的影響趨勢相同。2.3.4電價(jià)各個(gè)地區電價(jià)不同,研究不同電價(jià)對操作費用3應用的影響規律,對循環(huán)水系統最優(yōu)操作具有重要意義。昆明某工廠(chǎng)有一循環(huán)水系統,熱物流工藝要求:圖6給出了例1條件下,電價(jià)變化對操作費用和最進(jìn)口溫度,80C,出口溫度,60C,,其它已知條件如佳出塔溫度的影響。表2已知條件一覽表1.565x 10Cele0.4￥AWh.37個(gè)10Cale=0.8￥AWhp換熱器干球溫度，濕球溫度，相對濕度電費?水費1.56.36負荷，__ 9￥/kWh V/kWhis5552.35Mw夏季冬季夏季冬季夏季冬季81.55昌2.3415 25.8 1 19.9-2.40.830.68 0.40.0415452.33用以上模型處理后,數據如下:1.54520一25302321520一2530表3夏季循環(huán)水系統參數 與費用的關(guān)系T。,c4.710°Cele=1.2￥/Wh6.26*10°Cele=1.6VAW6TTW.(x 10*) C(x 10) Ca(x 10) C(x 10)6.2420.0000 5.0000.4411 7.773 9686.2222.5000 47.5000 0.5238 7.6936 7.8242 1.5518.66. 6.2|25.0000 45.0000 0.648 07.61487.831 71.544 7.641827.5000 42.5000 0.8553 7.5377 7.8967 1.543 44.021520253030.000 40.0000 1.2701 7.462 18.1034__ 1.5566表4冬季循環(huán)水系統參數與費用的關(guān)系圖6不同電價(jià)下,循環(huán)水出塔溫度與操作費用的關(guān)系T. T。 W(x10) C。(x10)C(x10) C(x10)從圖6看出,電價(jià)在0.40￥/kWh時(shí),循環(huán)水最20.00 50.0000 0.3996 7.0439 1.1656 8.2096佳出塔溫度為27. 1C;電價(jià)在0.80￥/kWh時(shí),循環(huán)22.5000 47.500 0.4751 6.97791.2082 8. 18605.00000 45.000 0.588 36.91301.276 48.1895水最佳出塔溫度為25.3C。27.5000 42.5000 0.7772 6.8494 1.3959 8.245 32.3.5水價(jià)30.000 40.0000 1.1552 6. 786 9.1.6432_ 8.4301水價(jià)變化影響整個(gè)循環(huán)水系統的操作費用,同從上述數據和圖7可以看出，夏季循環(huán)水出塔時(shí)影響循環(huán)水系統最佳操作參數的選擇,例如水價(jià)溫度在27.5C時(shí),操作費用最低,而在冬季時(shí)循環(huán)的變化影響循環(huán)水最佳出塔溫度的選擇。其它條件出塔溫度在22.5C時(shí),操作費用最低，如果冬季的不變,隨著(zhù)水價(jià)升高，操作費用增大,循環(huán)水最佳出出塔溫度不做相應的調整,而使用夏季的出塔溫度，塔溫度升高。由例1的數據來(lái)說(shuō)明:從圖7可以看出,水價(jià)不同,循環(huán)水最佳出塔溫操作費用每年至少增加0.059 3x 10元。度不同,水價(jià)為0.04￥/kg,循環(huán)水最佳出塔溫度為總之,不同地區相同季節,同-一地區不同季節，27.1C,而水價(jià)為0.08￥/kg,循環(huán)水最佳出塔溫度循環(huán)水系統操作參數要做相應的調整，選擇各個(gè)季節,各個(gè)地區的最優(yōu)操作參數，獲得更好的經(jīng)濟效益。[5]趙振國.冷卻塔[M].北京:中國水利水電出版社，2001. 18- 30.4結論[6]Evans Jr., F. L. Cooling tower. Equipment design hand-循環(huán)水系統是一個(gè)非常復雜的系統,影響因素book for refinenies and chenical Plants (M]:Guf Publishing Houer很多,主要有:循環(huán)水出塔溫度，干球溫度,水價(jià),電ton, 1980.2.價(jià),空氣濕度等,其中循環(huán)水出塔溫度對循環(huán)水操作[7]孫奉仲,等.拎卻塔設計的數學(xué)模型及先進(jìn)設計方費用和循環(huán)水量等都有明顯影響,電價(jià),水價(jià)影響操法[].山東電力技術(shù),2002,6:6-9.[8]胡躍華,朱澤華.循環(huán)冷卻水系統蒸發(fā)損失的計算作參數的選擇,要重視出塔溫度的選擇,同時(shí)考慮上與分析[J].化工進(jìn)展,2004.23(5); 566 - 567.述因素的變化,對系統改造、設計和調優(yōu)進(jìn)行指導以[9]王金亮,孫光武.循環(huán)冷卻水系統的節能[J].節能節約能源。技術(shù),2000,18(1):28- 30.參考文獻[10]李偉.循環(huán)水系統的優(yōu)化分析[J].節能技術(shù)，[1]龍荷云.循環(huán)冷卻水處理[M].南京:江蘇科學(xué)技術(shù)2006,24(5):471 -473.出版社20.11- 13.[11)M. M.CASTRO,T.W.SONG, Minimization of opraional[2]劉崇明粱秀文.采用新技術(shù)提高循環(huán)水濃縮倍數costs in cooling water sytems[J] .Trans ICHemE. 200078: 192 -([].工業(yè)技術(shù),2004,16(3):22- 25.201.[3]張俊玲,李鳳來(lái),等.工業(yè)循環(huán)水冷卻水節水成套技[12)Jin - Kuk Kim , R. Srnith . 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