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ENERGY 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2,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)水系統運行費用的響規律。千球溫度,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)水岀塔溫度,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28℃增加到30℃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22.5℃時(shí),操作費用最低,而夏季循環(huán)水出塔溫度為27.5℃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:100-6339(200)05-0430-05Optimization Study of One Circulating Water System Operation CostsLONG De-xiao', JIA Xiao-duo2, REN Ruo-fei, LI Zhi-min2(1. Institute 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 circulating water system was established in this paper, some importantinfluent factors and their influent behavior were discussed. The temperature of leaving tower is directly afecteby changes of the factors such as dry bulb temperature, related humidity, air volume of tower and so on, andthe temperature change of leaving tower obviously affects 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 Kunming area, when the temperature 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 electricity price would affect the choiceof optimal temperature of leaving tower. Therefore, the same system behaves different operation performance inKey words: circulating water system; economic model; optimization; operation cost70%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)用水量的同的用不中國煤化工地區運行操作費前對于循環(huán)水系收稿日期2009-0-08修訂稿日期2009-0-10統的N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(Tm,Tw,小)=239043·7別,7型5-81、循環(huán)水節能9-0等方面也開(kāi)展了許多工(1)作。而事實(shí)上,系統運行需要消耗大量新鮮水的同了=( Range, Approach,T)時(shí),還消耗大量的能量,僅僅考慮能耗或新鮮水都是Tm,T,Tw,丁分別是冷卻塔進(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(℃),濕球溫度(℃),冷卻塔單元數;不多見(jiàn){-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-Twh),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(Tin-To);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W=W/[(1-Hn)·(Ha-Hin)](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)水量循環(huán)水系統包括一個(gè)閉式冷卻塔,一個(gè)循環(huán)水泵,W=0.00153·W?！?Tm-T)一個(gè)鼓風(fēng)機,換熱器。補充新鮮水量/(CC-1)+(4)補充新鮮水后的循環(huán)水溫度W?！。-Wm·(T-T如)W。(5)cooling式中H1n,H濕空氣進(jìn),出口絕對濕度;CC—濃縮倍數;W?！h(huán)水量,kg/h2.1.2水泵圖1循環(huán)冷卻水系統循環(huán)水泵功率與循環(huán)水量揚程的關(guān)系Pp=Pp(We,Hp,7pP water )(13)冷卻塔是循環(huán)水系統最重要的設備之一,循環(huán)水與空氣在塔內進(jìn)行接觸,通過(guò)汽化與接觸傳熱,空式中水泵效率;氣溫度升高,濕度達到或接近飽和,循環(huán)水溫度降H一水泵揚程低。循環(huán)水泵為系統中循環(huán)水的輸送提供動(dòng)力,其冷卻水密度,kg/m3。負荷與循環(huán)水流量,揚程有關(guān)。鼓風(fēng)機是冷卻塔的2.1.3鼓風(fēng)機部分,它的功率與鼓入空氣量,出口風(fēng)壓有關(guān)。換鼓風(fēng)機與風(fēng)量,出口風(fēng)壓力的關(guān)系熱器做為循環(huán)水系統用戶(hù),一般是并聯(lián)操作,各個(gè)支Pr Pr Wair, Hair,nr路的壓降相同,水泵的揚程大于各支路中所需最大W=W(H=,H1n,W。,Ta,T。)1(8)壓頭就滿(mǎn)足供水要求。式中H出口風(fēng)壓,Pa;循環(huán)水系統的各個(gè)因素之間是相互聯(lián)系的,7—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22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:7200h,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600此,需要建立整個(gè)系統的操作費用模型,研究各個(gè)因min Co Ceke +C(9)素對整個(gè)循環(huán)水系統費用的影響及其規律綜合考Cs=(Pr+Pp)·c慮循環(huán)水系統的節能降耗。式中P,P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C。,C水費操作費用,Y/a;2.1循環(huán)水系統數學(xué)模型電費,電價(jià),￥/kWh。2.1.1冷卻塔模型23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中國煤化工出水量,夾帶損失(忽略)。循環(huán)水出塔溫度可表示CNMHG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431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·△tm(10)用最小的出口溫度在25℃,出塔溫度低于25℃時(shí),Q=Cp·W·(Ta-T。)(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25℃時(shí),操作費用隨著(zhù)出塔溫度升高而升高?！?Cp·(T1+T2-2Q/K·A)式中Q—一移熱負荷,kWK—傳熱系數;你1585A—換熱器面積T1,T2熱物料冷卻前、后溫度,℃。T℃由式(6)、式(12)看出,隨著(zhù)循環(huán)水出塔溫度升高,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,移走的熱負荷一定,需要更多的循環(huán)水量才能達*都到移熱要求,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)參數和條件如表1所示。圖3出塔溫度與費用的關(guān)系表1已知參數一覽表2.3.2干球溫度熱物流處要求其它條件不變時(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,空氣濕球溫度升高,進(jìn)冷卻塔的濕空氣比焓增大,空氣進(jìn)冷出塔溫度與循環(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26℃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28℃升高到30℃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30℃升高到32℃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10的影響很小,隨著(zhù)空氣濕度的增大,這種影響越來(lái)越大。這是因為濕度大時(shí),所需的風(fēng)量急劇增加,風(fēng)機運行費用增加。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圖3給出了出塔溫度對操作費用的影響,從圖干球溫度,℃而水費降低,因為出塔溫度越高進(jìn)塔溫度越低,循27不同空氣濕度下,干球溫度對操作費用的影響圖可以看出,隨著(zhù)出塔溫度升高,電費先降低后升高中國煤化工環(huán)水量越大,由式(3)、(4)循環(huán)水蒸發(fā)量越少,補充CNMH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x103為283℃。9Ccw=0.16￥/k203040.5060.70.809相對溫度,φ3.85圖5不同出口溫度下,空氣濕度對操作費用的影響圖5給出了例1條件下不同出塔溫度時(shí),空氣濕度0對操作費用的影響曲線(xiàn)?？梢钥闯?隨著(zhù)濕度的增303520253035加,濕度對費用的影響越來(lái)越嚴重。并且任意出塔溫度,空氣濕度對操作費用的影響趨勢相同。圖7不同水價(jià)下,出塔溫度與操作費用的關(guān)系2.3.4電價(jià)3應用各個(gè)地區電價(jià)不同,研究不同電價(jià)對操作費用的影響規律,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,80℃,出口溫度,60℃,其它已知條件如佳出塔溫度的影響。下x103表2已知條件一覽表2.37換熱器干球溫度,濕球溫度,相對濕度電費水費負荷,￥/kWh￥/kWh1.5552.35MW夏季冬季夏季冬季夏季冬季25.8119.9-2.40.830.680.4用以上模型處理后,數據如下ca1W)63xt分表3夏季循環(huán)水系統參數與費用的關(guān)系T。T。(x10)C(×1P)C(x0)C(×10)20.000050.00000.441177739784641.562022.500047.50000.52387.6936782421.551825.000045.00000.64807.61487.83171.544727.500042,50000,85537.5377789671.543430.0040.0001.2017.4218.10341.5566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,TW(x10°)C(×10f)C(×0)c(x10)從圖6看出,電價(jià)在040￥/kWh時(shí),循環(huán)水最000000.096741.16568.2096佳出塔溫度為27.1℃;電價(jià)在080￥/Wh時(shí),循環(huán)2.0041.30004516.9791.x828.1025.00004500000.58836.91301.27648.1895水最佳出塔溫度為253℃。27.500042.50000.77726.84941.39598.24532.3.5水價(jià)30.004001.15526.78591643284301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27.5℃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225℃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)水最佳出塔濕操作到曲加 0 050 2 v100元。度不同,水價(jià)為0.04￥/kg,循環(huán)水最佳出塔溫度為中國煤化工地區不同季節,71℃,而水價(jià)為0.08￥/kg,循環(huán)水最佳出塔溫度循環(huán)CNMHG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[6JEvans 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 refineries and chemical Plants (M): Gulf Publishing Hous-很多,主要有:循環(huán)水出塔溫度,干球溫度,水價(jià),電〔7孫奉仲,等.冷卻塔設計的數學(xué)模型及先進(jìn)設計方價(jià),空氣濕度等其中循環(huán)水出塔溫度對循環(huán)水操作法[門(mén)〕.山東電力技術(shù),202.6:6-9費用和循環(huán)水量等都有明顯影響電價(jià),水價(jià)影響操〔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(門(mén).化工進(jìn)展,043(5):56-567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[刀.節能節約能源。技術(shù),200,18(1):28-30參考文獻〔10)李偉.循環(huán)水系統的優(yōu)化分析〔門(mén)〕.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):471-47出版社,2001.11-13[1l)M.M. CASTRO, T WSONG, Minimization of operational2)劉崇明梁秀文采用新技術(shù)提高循環(huán)水濃縮倍數∞ sts in cooling water systems[門(mén). Trans ICHemE200,078:192-〔刀.工業(yè)技術(shù),2004,16(3):22-25〔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. Smith. Cooling water system design術(shù)的應用[刀.現代化工,2004,24(11):50-55.2001,56:3641-36584)王艷紅.循環(huán)水系統泄漏及水質(zhì)惡化對策(.工業(yè)〔13]于遵宏,等.化工過(guò)程開(kāi)發(fā)與設計(M〕.上海:華東水處理,200,27(12):86-89理工大學(xué)出版社,1997347-350.(上接第429頁(yè))屏參數顯示界面,如圖3所示。根據上面的介紹,使用ABB傳動(dòng)通信協(xié)議的控空壓機控制系統參數顯示制字控制變頻器啟停的方法如下:設置變頻器參數1001為1后,初始化變頻器控制字,即向ABB傳動(dòng)32H55W[工作方式通信協(xié)議的控制字( MODBUS寄存器40001)中寫(xiě)人變頻器電流系統實(shí)際壓力動(dòng)工作方式1142(16進(jìn)制數為476);延時(shí)100毫秒后,進(jìn)入可進(jìn)210.4A行下一步的操作;停止電機,即主機向ABB傳動(dòng)通變頻器電壓系統設定壓力[手動(dòng)工作方式2677V6.9MP信協(xié)議的控制字( MODBUS寄存器4000)中寫(xiě)入1143(16進(jìn)制數為470);啟動(dòng)電機,即主機向ABB傳報警屏動(dòng)通信協(xié)議的控制字( MODBUS寄存器40001)中寫(xiě)圖3觸摸屏參數顯示界面人1151(16進(jìn)制數為47F)具體的串行通信程序需要使用西門(mén)子S7-200結論PC通信指令中的發(fā)送接收指令(XMT和RCV)來(lái)實(shí)現通信數據的收發(fā)操作,在控制字符串發(fā)送完成本文所述電氣控制系統在采用基于 MODBUS后觸發(fā)中斷事件26(端口1發(fā)送完成)再進(jìn)行狀態(tài)通信、使用PC和變頻調速技術(shù)的改造設計方案字符串的接收。接收到的字符串還需要單獨編寫(xiě)后,控制系統整體運行安全、穩定、可靠提高了控制CRC校驗程序以便對接收到的字符進(jìn)行校驗,具體系統的自動(dòng)化水平和管道出氣壓力的控制精度。同程序這里不再給出。時(shí),大大地節約了空壓機組能源的消耗降低了設備33人機界面的設計的運行成本,現已取得了比較明顯的經(jīng)濟效益和社控制系統的人機界面采用的是上海步科電氣會(huì )效益。Eview觸摸屏Mr0系列。該款觸摸屏具有界面美參考文獻觀(guān)、人機對話(huà)友好等優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)觸摸屏窗口可以設〔1)王強李齊權,變頻技術(shù)在恒壓供水系統中的應用定、修改關(guān)鍵運行參數和配方的下載、編輯。同時(shí)〔J.節能技術(shù),2009,27(1):87-88通過(guò)觸摸屏可以進(jìn)行空壓機組操作流程、運行狀態(tài)中國煤化工器入門(mén)教程(M.廣和報警的顯示并且可以形成實(shí)時(shí)數據曲線(xiàn)和數據州HCNMH器原理及過(guò)程控制報表以供顯示和打印?？諌簷C組電氣控制系統觸摸M).北京:中國電力出版社,09-98434·