复杂冷却循环水系统的建模与优化

山东化工， 60.SHANDONC CHEMICAL INDUSTRY2010年第39卷8计算机与信息化多复杂冷却循环水系统的建模与优化龙德晓' ,李玉刚',刘猛2( 1.青岛科技大学计算机与化工研究所,山东青岛266042;'2.青岛科技大学化工学院,山东青岛266042)摘要:建立了新的复杂冷却循环水系统的费用模型。利用优化软件CAMS求解了各冷却塔的最佳进出塔水温、用户进出水温、分配系数、循环水量、风量和循环水泵及风机功率等参数。通过工程实例验证了其可行性.并将其与原模型相比较。结果表明,新模型的操作费用减少了13%左右。因此.当处理复杂循环水系统时,应选取新模型。关键词:复杂循环水系统;建模;优化中團分类号:T0085*.2 .文献标识码:A文章编号:1008 -021X(2010)06 -0060 -04Modeling and Optimization of Complicated Cooling Water SystemLONG De -xiao' ,U Yu - gang' , LIU Meng2( 1. Institute of Computer and Chemical Engineering Qingdao University of Science andTechnology ,Qingdao 266042 ,China ;2 College of Chemical Engineering QingdaoUniversity of Science and Technology, Qingdao 266042 ,China)Abstract: New complicated cooling water system cost model has been established. Parameters ， such asoptimal inlet and outlet temperature in each tower of cooling water , inlet and outlet temperature of coolingwater in each user, flow rate of cooling water, air flow rate, power of pump and fan were solved byGAMS. Its feasibility has been testified through Engineering case, the result of this model has beencompared with that of the original one. The result shows that operational cost the new model hasdecreased by about 13 percent. Therefore , the new model must be selected , when complicated coolingwater will be solved.Key words: complicated cooling water system; modeling; optimization1引言建设。循环水系统在化工，电力,冶金等行业中应用广2过程描述泛。目前循环水系统的研究主要包括循环水浓缩倍复杂循环水系统包括若干冷却塔、用户和循环数"、防漏与药剂处理(2-3]和冷却塔换热模型[4-6] .水泵等,其结构如图1所示。等,另外,循环水节水节能等方面也进行了研究。而循环水从冷却塔流经循环水泵,然后分配到各对循环水系统尤其是复杂循环水系统的费用模型的个用户中,经过换热用户后通过一定的规则分配到研究在国内还不多见。事实上,气象条件,水价和电凉水塔中冷却,然后再循环使用。冷却塔是循环水价的波动均影响循环水系统的运行;对于复杂循环系统最重要的设备之一,循环水与空气在塔内进行水系统而言,系统结构也影响系统的运行费用。本接触,通过汽化与接触传热,空气温度升高,湿度达文以操作费用为目标函数,建立了复杂循环水系统到或接近饱和,循环水温度降低。循环水泵为系统模型,以优化循环水系统的结构及运行参数。该模中循营与循环水流量,扬型也可用于预测由气候、水价和电价等因素波动后程有中国煤化工分,它的功率与鼓的循环水系统最优运行参数,指导老厂改造和新厂人空CNMH G收稿日期:2010-03 -22作者简介:龙德晓( 1982- - -) ,硕士研究生,化学工程专业,导师:李玉刚,e - mail: longdexiao82@ 163. com。第6期龙德晓,等:复杂冷却循环水系统的建模与优化●61●换热器做为循环水系统用户,进换热器温度的数不变时,循环水进换热器温度低,出换热器温度越高低决定循环换水用量的大小。移热负荷,传热系高,所需循环水量越大。冷却塔i然发水新鲜水.换热用户j气循环水泵i排出水燕发新鲜水8Cbi=1j行蒸发水斤鲜水j=n-1i=2+C D-排出水蒸发水新鲜水大j=n空气i=m-1择出水图1复杂循环水系统的超结构循环水系统的各个因素之间是相互联系的,一w.,=w.,:/(CC-1)+W.(4)个因素波动,会影响整个系统的运行效果。例如,增To,=[q,xTo,-Wm,x(T,-T_)]/q;(5)加风机的风量,会增加风机的电耗,但能降低循环水式中Tm, T.,T。,T.,rf分别表示冷却塔i出塔温度,从而降低循环水量,节约水泵能耗;对于进、出塔温度,补充新鲜水后的循环水出塔温度,湿复杂循环水系统而言,内部结构变化,引起各个冷却球温度,C ;核算因子。塔中循环水的进水温度和实际处理量,从而影响整Xxm,xu,CC,q.分别表示空气进冷却塔i绝对个系统的操作费用。因此,需要建立复杂循环水系湿度,冷却塔i出口绝对湿度,浓缩倍数;循环水实统的操作费用模型,确定循环水系统中各冷却塔的际处理量, kg/h。最佳出塔温度,最佳结构,综合考虑循环水系统的节ww.,w.w.,w...分别表示风量,蒸发水量,补能降耗。充水量,kg/h。3数学模型的建立(2)冷却塔实际处理量的确定3.1 复杂循环水系统数学模型的建立为了保证循环水系统正常运行,冷却塔处理循3.1.1冷却塔模型!']环水量必须限制在- -定的范围之内:(1)冷却塔参数q.=Swej xu(j,i)≤q.1(j=1.2..m) (6)在冷却塔内,损失的水量主要有蒸发损失,排出0≤u(j,i)≤1(7)水量,夹带损失(忽略),其参数包括风量、蒸发水量补充新鲜水量、循环水出塔温度。zu(i,i)=1(8)循环水出塔温度可表示为:式中q; ,9ms.i,w.J分别是冷却塔i的处理量,最(1.8Xoj +32) =2.39043x(1.8大处理量,换热用户j循环水量;u(j,i)表示匹配系xTji.a).9136 x(1.8.T。+32) x-f0.03408 ,(i=数,即从换热用户j分配到冷却塔i的循环水量与换1,2... m)(1)热用户j循环水量之比。.Wi,= we,/[1 -xm x(xwu,-x_)],(i=1,中国煤化工，2...n)环水量,各换热器w..=0.00153 xqx(Tm,-T%)(3)出水.CHCNMHG山东化工, 62.SHANDONG CHEMICAL INDUSTRY2010年第39卷T.= (W.xT.s xu(j,)/q,(9)水泵的电耗, kW●h;tpp年运行时间,取7500h/a。式中Tj,Tm,分别为循环水出换热用户温度, .4模型的求解冷却塔进水温度,C。前期研究工作中,假设同等条件下,各个冷却塔3.1.2换热器(1)换热用户循环水量与进口温度的关系的出塔温度相同且等于最佳出塔温度(0) ,称为原模换热器作为循环水系统的用户,其所需冷却水型。新模型是复杂循环水系统中各塔的循环水出塔温度不同.该模型的求解需要已知条件包括:气象参量与冷却水进温有关间,数,换热器面积,换热器移热负荷,热物流进、出口温3600xQ,Wes= C, x(Tms +TmJ-2xTaj -000xQ/KxA度,各冷却塔最大处理量和核算因子,循环水出塔温(10)度的边界。需要给定的初值包括分配系数,冷却塔式中Tmj,Tws 分别是热物流的进，出口温实际处理量,进换热器冷却水温度。利用商业软件gams(NLP)求解模型,使在出塔温度有效范围内自度,C;动搜索出系统操作费用最小时的参数。Ta,表示换热器j的进口温度,C;Q,K,A,分别表示换热器j的移热负荷，平均5案例分析云南昆明某化工厂有一循环水系统,该系统具温差,传热系数,换热面积。有2个凉水塔,5个用户,冬季跟夏季的规律相似，.(2)进换热器循环水温度的确定故以夏季为例进行说明。已知条件见表1、表2。Tas= [T.a1c(,j)]/W。J(11)表1气象参数0≤l(i,j)≤1(12)干球温度湿球温度相对湿度(i;j)=1(13)25. 8C19.9C0.82t(i;,j)表示匹配系数,即从冷却塔i分配到换热器j的循环水量与冷却塔i实际处理量之比。表2换热用户的巳知条件3.1.3循环水泵Q,/kW4000.0 3000.0 5000.0 6000.0 800.0循环水泵功率与循环水量,扬程的关系'"!:A:/m29050.0 100.0 150.0 20.0T/C150.0 200.0 170.0 130.0 100.0Pp:=1283x-x(-"=)0.476(14)/C70.0 65.0 50.0 70.0 80.0ηp° Pmter '3.1.4鼓风机 与风量,出口风压力的关系[):设冷却塔最大处理量300/h,昆明地区冷却循环水进、出口设计温度35C、45C。经过该模型处Pp,=0.0548x[](15)p理后得出操作费用最小时的参数即复杂循环水系统3.2操作费用模型的建立最佳参数:复杂冷却塔循环水系统就是寻找冷却塔与换热(1)分配系数用户合理的匹配方式,在该方式下,水费(补充水j1 j23j4j5费)和电费(风机和循环水泵的运行费用)之和最(0.j)={iI 0.319 0.2360.446低,即操作费用最低,一般认为,冷却塔与循环水泵0.657 0.152 0.191)是一对一关系,故目标函数为:MIN C-=[(P.,+P.) xea+ ZC.Jxu，1.000(i=1,2..n)(16)式中: C- -循环水 系统操作费用,元/a;u(j,i)=C.i,Ce分别表示第i个冷却塔的补充水费,).226中国煤化工000元/h;电价,元/kW . h;P., Pr.分别表示第i个冷却塔中风机,循环MH.CNMHG(山1心pr个伏你瓣乡双第6期龙德晓,等:复杂冷却循环水系统的建模与优化优化后换热器和冷却塔的最佳参数见表3。原模型将简单循环水系统的冷却水最佳出塔表3优化后换热器和冷却塔的最佳参数温度作为复杂系统各个冷却塔的出水温度,经过求Th_461.628.530000.0解确定在夏季(8] ,昆明地区循环水最佳出塔温度为50.125.8257129.727. 5C。新模型给定出塔温度一个取值范围，让其Tj_Tj8.564.595674.5自动搜索,从而求出操作费用最小时对应的出塔温28. 565.170665.6度。将新模型与原模型的优化结果对比如表4。25.51.3169012.027.9172739.557.849038. 1表4两种优化方法的工况对 比高wu.高w一C。xI0726.9633627.1564275.534172.310.3新模型27.356.5642474.7557129.733030.49.0由上所述可以得出以下结论:[2]张俊玲,李风来,等.工业循环冷却水节水成套技术的应(1)复杂(多冷却塔)循环水系统中最优运行下用[J].现代化工,2004 ,24(11) :50-55.相同型号凉水塔的运行参数不相等，也不等于简单[3]王艳红.循环水系统泄漏及水质恶化对策[J].工业水处理,2007 ,27(12) :86-89.循环水系统的最佳运行参数,因为它受到多种因素[4]孙奉仲,等.冷却塔设计的数学模型及先进设计方法的约束。[J].山东电力技术,2002(6) :6 -9.(2)复杂循环水系统优化运行条件下,各个换[5 ] Papaefthimiou V D, Zannis T C, Rogdakis E D.热用户的进水温度不一定相同。Thermnodynamic study of wet cooling tower performace(3)新模型对复杂循环水系统的优化比原模型[J]. Int J Eenergy Res ,2006 ,30:411- 426.更可行。[6] Rafat Al - Waked, Masud Behnia. The performance of总之,复杂循环水系统的运行消耗大量的电能natural draft dry cooling towers undererosswind: CFD study和水源,如何做到节能降耗是人们关注的课题,本文[J]. Int J Energy Res ,2004, 28:147 - 161. .利用费用这-桥梁将电耗和水耗结合起来综合考[7] Williamson1 N, Behnia M, etc. Thermal optimization of a虑,改进了复杂循环水系统的操作费用模型,同时将natural draft wet cooling tower[J]. Int J Energy Res,新模型与原模型的优化结果相比较，效果明显。2008, 32:1349 - 1361.[8]龙德晓,贾晓朵,等.循环水系统操作费用的优化研究6结论[J].节能技术,2009 ,27(5) :430 -434.随着化学工业的发展,循环水系统尤其是复杂循环水系统的8益普遍,系统的运行费用模型的开[9] CASTRO M M, SONG T w. Minimizatin of operationalcosts in coling water systems[J]. Trans ICHemE, 2000,发和改进将越来越重要。本文改进了前期研究中的78:192 -201.操作费用模型,并进行了工程实例验证,与原模型相[10]龙德晓,李玉刚,等多冷却塔循环水系统的结构优化比,新模型的操作费用减少了13%左右。因此,该[J].广州化工,2009 ,37(9):11-14.模型能较好地预测循环水系统的最优结构及运行参数,也可指导循环水系统的参数调优。(本文文献格式:龙德晓,李玉刚,刘猛. 复杂冷却参考文献循环水系统的建模与优化[J].山东化工,2010,39[1]夏银辉,季淑絕.热电厂循环冷却水高浓缩倍数运行方(6) :6中国煤化工案的试验研究[J].净水技术,2004 ,16(3) :22 -25.TYHCNMHG