多冷却塔循环水系统的结构优化

.●202●广州化工2009年37卷第9期多冷却塔循环水系统的结构优化龙德晓'，任若飞”，李玉刚'(1青岛科技大学计算机与化工研究所,山东青岛266042;2兰州理工大学石油化工学院，甘肃兰州730050)摘要:对含有多个冷却塔的循环水系统进行研究,建立了多冷却塔循环水系统结构优化模型,用商业软件GAMS中NLP(非线性规划法)求解该模型,求解出操作费用最小时的匹配系数,并系统给出了最优结构;文章最后部分给出了详细的案例分析,将优化前后风机和水泵的电耗,补充水量,操作费用加以比较;结果表明,优化后风机和水泵的电耗,补充水量均有所降低,操作费用节约多达20%左右,优化效果明显。关键词:循环水系统;结构优化;NLPThe Structural Optimization of the CirculatingWater System for Multi - cooling TowersLONGDe-xiao',RENRuo-fei2,UIYu-gang'(1 Institute of Computer and Chemical Engineering, Qingdao University of Science and Technology,Shandong Qingdao 266042 ; 2 College of Petroleum and Chemical Engineering, Lan Zhou University ofScience and Technology, Ganshu Lanzhou 730050 ,China)Abstract: Cooling water systems for multi - cooling towers were studied , the circulating water system structure opti-mization model about multi - towers circulating water system was established and solved by NLP( non - linear program-ming) in GAMS- a business software. Optimal structure and matching coefficient when operational cost was minimum wasobtained. A detailed case study was given, the power of fans and pumps, makeup water, the operational cost under opti-mal matching had been compared with the original results. The results suggested that all of them were decreased after opti-mization. Thereinto, the operational cost had decreased by about 20% , the result was satisfied .Key words: circulating water system; structural optimization;NLP循环水系统在化工,电力,冶金,炼油等行业中是必不可少对于多用户 ,多冷却塔的情况下,换热用户与冷却塔的连接，如.的。循环水的用量占整个工业用水量的70%"左右,它在运行图 1所示。中消耗大量电能和水源,目前循环水系统研究主要集中于对循Cooling Towers环水浓缩倍数[2)、防漏与药剂处理方面的研究[3-4),冷却塔模型5-12),另外,循环水节能|13-14]等方面也开展了许多工作。随Heal Exchangers着化工企业的做大做强,循环水系统操作费用还将继续增大,系一回→统结构优化的研究更有特别的意义。例如,一个冷却塔已经不→回能满足循环水回用要求,需要多个冷却塔进行冷却处理。此时，一回多个用户,多个冷却塔,究竟采用哪种匹配方式处理循环水得到最低操作费用是人们关注的课题。目前对于对多冷却塔循环水--<→/En-系统结构优化研究还未见报道,本文建立了多冷却塔循环水系...........统优化模型,并重点阐述了系统匹配方式与操作费用的关系,对一+[=m]-循环水系统改造或扩建具有指导意义。中国煤化工1过程描述循环水系统包括:包括冷却塔,循环水泵,鼓风机,用户等,MHCNMHG超结构作者简介:龙德晓(1982- ),男,硕士研究生,化学工程专业,E- mlonglerin82@e@ 163. com;李玉刚(1966-),男,硕士生导师,从事化I系统工程方向研究。E - mail:lyg@ putech com. en2009年37卷第9期广州化工.203.冷却塔是循环水系统重要的设备之- -,循环水与空气在塔热用户j循环水量;u(i,j) ,匹配系数,即从换热用户j分配到冷内进行接触,通过汽化与接触传热,空气温度升高,湿度达到或却塔i的循环水量与换热用户j循环水量之比。接近饱和。空气湿球温度越低,空气量越大,循环水出塔温度越0≤u(j,i)≤1(7)低。循环水泵为系统中循环水的输送提供动力,其负荷与循环&u(,i)=1(8)水流敏.扬程有关。循环水流量越大,阻力越大,其能耗越大。(3)冷却塔进水温度的确定换热器做为循环水系统用户,-般是并联的,各个支路的压降相冷却塔进水温度与分配的循环水量,各个换热器出水温度同,水泵的扬程大于各支路中所需最大压头就满足供水要求。有关:鼓风机是冷却塔的一部分,它的功率与鼓人空气量.出口风压有关。鼓入空气量越大,功率越大。T.= (we, .1小. u(j)/q.)(9)对于多用户，多冷却塔的循环水系统而言,换热用户与冷却式中:T.J一循环水出换热用户温度,塔匹配方式直接影响循环水系统操作费用,综合考虑,选择合适2.2循环水泵的匹配系数,使操作费用最小。循环水泵功率与循环水量,扬程的关系:2循环水系统数学模型的建立P.;=1283.1.476[151(10)多用户,多冷却塔循环水系统的优化就是寻找冷却塔与换式中:np,Pm-分别是水泵效率,冷 却水密度,kg/m'热用户合理的匹配方式，在该方式下,水费(补充水费)和电费2.3鼓风机(风机和循环水泵的运行费用)之和最低,即操作费用最低,一般鼓风机与风量,出口风压力的关系:认为,冷却塔与循环水泵是-对- -关系，P. =0.0548.[=4]16)(11)故目标函数为:MCNC(LP+B+,)+C.+C.l.+(1i-1.n (1) 3模型的求解方法式中:C。循环水系统操作费用,元/年由式(1),(2),(3) ,(4),(5),(10) ,(11)确定不同地区,不C..-第i个冷却塔的补充水费 ,元/h同季节,不同水电价时循环水最佳出塔温度,已知条件包括:换Cca-电价,元/kW .hPs,Pp,分别第i个冷却塔中风机,循环水泵的电热器进出水温度及冷却水量,各冷却塔最大处理量。给定各冷却塔实际处理量,分配系数的初值,然后利用商业软件gams中耗,kW.hNLP(非线性规划法)模型求解该模型，从而得出循环水系统结t.-年运行时间,取 7500/年构优化后的最佳匹配系数。根据最佳匹配系数确定各冷却塔实2.1冷却塔际处理量.进塔温度,风量,补充水量,风机电耗,循环水泵电耗(1)冷却塔相关参数(4在冷却塔塔内,损失的水量主要有蒸发损失.排出水量,夹等参数,最终确定最小操作费用。为了方便研究需要两个假设:(1)同等条件下,各个冷却塔的出塔温度相同且等于最佳出带损失(忽略)。塔温度;风量:(2)各个换热器进水温度等于冷却塔最佳出塔温度。w.=./[(1-H.) .(Hw,-H,)],(i-=12..) (2)蒸发水量:4案例分析w..=0. 013.q.(T.-T..(3)云南昆明某化工厂的循环水系统，该系统具有5个冷却塔，补充新鲜水量:10个用户,已知数据如下:w.,=W./(CC-1)+W.(4)补充新鲜水后的循环水出塔温度:赞1气候参数.T.=[q;.T.-Wm..(T.-T_.)]/q; (5)项目干球温度/C湿球温度/C相对湿度式中:H,H,CC,q一分 别空气进冷却塔绝对湿度,冷却塔出口绝对湿度,浓缩倍数,循夏季25.819.90.82环水量,kg/h冬季.0-2.40.68T.一循环水出塔温度,C(2)冷却塔循环水实际处理量的确定循环水系统冷却塔最大处理量均为10000. 0kg/h,夏季最为了保证循环水系统正常运行,冷却塔处理循环水量必须佳出塔温度26C ,冬季最佳出塔温度22.5C。换热用户已知条限制在一定的范围之内有件如表2所示。q.= 2u.j . uJ(,in9<1(-=12..m) (6)中国煤化工:统-混合后，平均分配到到冷费用最低为目标进行结其中g,n.wo.J分别是冷却塔i的处理量,最大处理量,换|YHCNMHG构优化,n口循邛小术坑时切啊如四二、图●204●广州化工2009年37卷第9期表2换热用户的已知条件356890季T.50.035.040.045.038.032.030.055.026.098000.0780001000.0 6000.01000.00 3000.0 6000.0 10000.0 5000.0 4000.024T53.538.543.548.541.533.558.522.522.W75871.043875.06666.743846.05625.018947.0 27692.036364.0 3333.336250.0heat exchangersheat erchsogerscooling torers9000.0 woan 90000 /6069578000 0ke/0. 0.0盛的28.0 ”6.043875.0 kg/b n-43875.1000.0 .0.010000.0g/h C....1000.0元10225吧 一心43.0000 b/ 00000 g/30.0C. 0ka/b/ -0014840.0/h1000.0 k/mmn 1000.0 kg/b.0C45.9t T5035.0kp/b_ J125.08b01210000.0 kg/h00/0000.0 kg/h22.5比厂42.5028.008.018947.0 b/b18947.0k/ L.00000 br/rmn 0000 bg/22. 5-1-041.6020.0051.元L00000.0 g。10000 g/27692.0 kg/b2727692.058/h000.00135.5C0000里5000.0 b/p6384.0kg/h_ ep384.0ke20.0622.5c30.8 7 03s.4000.00 400.00333.3kg/b...333 JWT26.0 oS8.0t广34.8L536250.0kg/b. :10136250.0 bh圈2夏季,优化后循环水 系统超结构22.5 ' U058.5C團3冬季,优化后循环水系统超结构表3优化结构前后的工况对比项目状况PsWj高WjCp( x10*)优化前45653. 559211.9956990.224301.57365.8夏季优化后39542.557529.5731835.821459.87127.715938. 147026. 1375185.915399.94644.3冬季15164.035623.6356963.63767.6从表3看出以下几点:(5)冬季比夏季操作费用优化效果明显。因为操作费用中，(1)优化后风机的电耗明显降低。因为冷却塔处理效率与电 费所占的份额大,而电费中水泵运行费用的份额大,操作费用循环水进塔温度及循环水量有关”。进塔温度越高,处理量越主要 取决于水泵运行费用，由式( 10)中看出,在保证系统正常运小,塔处理效率高,所需风量越小，电耗越大,反之,所需风量越行的情况下,水泵数量越少,其电耗越小,故操作费用越少。大,电耗越大。本例中优化后各塔循环水进塔温度不同,进塔温综上所述,在夏季,优化后操作费用节省0. 23755 x度高处理量大,进塔温度低,处理小,冷却塔效率高,所需风量10 RMB/a,尤其在冬季,结构优化前后,操作费用节省20%左.小,故电耗降低。右,同时还省去两个冷却塔,优化效果明显。所以,对于循环水(2)优化后循环水泵的电耗降低。因为从式( 10)中看出，系统,内部结构合理与否影响整个循环换热器与冷却塔匹配合当所需水泵数量不变时,各循环水泵输送水量相同，其电耗最理 与否,影响整个循环水运行的费用，在循环水系统设计,改造大,反之,其电耗小。中国煤化工(3)夏季,优化后补充水略有减少。因为冷却塔内散热方式主要有:接触散热和蒸发移热,优化后,接触散热域稍变大,蒸YHCNMHG发散热量稍变小,所以,蒸发数斌稍少,补充水量也稍少。随着化学工业的做大做强,多用户多冷却塔循环水系统越来(4)优化后操作费用降低。(下转第207页)2009年37卷第9期广州化工●207.(2)电流增加焊丝的熔化速度加快,金属的填充速度加快,焊接电流:340 -370 A;焊接速度也随之加快。焊接电压:36 ~38 V;(3)煤丝伸出长度增长,增加了干丝的熔化速度。金属的填焊接速度:13 ~ 15 cm/min;充速度加快,焊接速度也加快。同时由于焊丝长度的增长,影响干丝伸出长度:32 ~38 mm;了CO,气体的保护效果,也容易造成焊接缺陷的产生。通过改坡口组对间隙:4 ~6mm;变焊接工艺参数,降低焊接速度,是消除条孔缺陷产生的有效途对口错边量:≤1 mm。至。焊接施I中要防止条形气孔的出现，根据以上产生气孔主3.3操作原因要原因的分析,选择优选的工艺参数,并严格按照焊接工艺要求由于是在同-块试板上做两组试验,因此在焊接过程中要进行施工,可以有效减少条状气孔缺陷的出现,保证工程质量。调节参数。而条状气孔起始点大部分出现在调节参数瞬间,焊接工艺参数大幅波动的情况主要有焊接设备电网电压波动和焊参考文献接人员人为调整,对后一种情况，要求焊接人员在焊接过程中,[1] 杨生,医学峰. 大型原油储罐施工中VEGA- -VB 气电立焊的应用[J].煤接,2004,25(10):12.设定好参数后不要随意大幅度更改焊接参数。[2] 邹莱莲 主编.焊接理论及工艺基础[ M].北京:航空航天大学出版4结论社,1994:150.根据试验,在排除外界干扰情况的条件下可以优选的工艺[3] 王刚， 记连权,张荫弟.大型贮油罐气电立焊焊接工艺的研究[J].焊接技术,1996.25(3):12-1.参数为:(上接第204页)越普遍,其结构优化模型的开发和改进越来越受到重视,本文初进展,2004 ,23(5): 566 -567.步建立了多用户多冷却塔循环水系统结构优化模型,并用商业软件CAMS中NLP(非线性规划法)求解模型,求解出了操作费study of wet cooling tower performace[J]. Int. J. energy Res,2006 ,30:411 -426.用最低时的最佳匹配方式。通过工程实例验证了结构优化的可行性,实例优化结果表明优化后操作费用节约20%左右。值得[10] N. Wlliamsonl , M. Behnia, et al. Thermal oplimizion of a naturaldrat wet coling tower[J]. Int. J. Energy Ree, 2008, 32:1349 -指出的是这些运行费用的节约完全不用更新设备来实现,最佳1361.匹配系数因季节不同而不同,对循环水系统扩建,改造具有很强[11] Rafat Al - Waked, Masud Behnia. The peformance of natual drnaft dry的指导意义。cooling lowers under croswind: CFD study[J]. Int. J. Energy Res,2004, 28:147 -161.[12] Hisham , EI - Desouky. Enhancement of the Thermnal Performance of a. [1] 龙荷云.循环冷却水处理[ M].南京:江苏科学技术出版社, 2001:Wet Cooling Tower[J]. The Canadian Joumal of Chemical Engering,11-13.1996. ,70(6) :31 -338.[2] 夏银辉,季溆泡.热电厂循环冷却水高旅缩倍敷运行方案的试验研[13]李伟.循环水系统的优化分析[J].节能技术，2006,24(5):471 -究[J].净水技术2004.16(3):22 -25.473.[3] 张俊玲,李风来,等工业循环冷却水节水成套技术的应用[J].现[14]王金亮,孙广武冷却循环水系统的节能[J].节能技术2000,18化化2004.,24(11):50-55.(29):28 - 30.4] 王艳红.循环水系统泄漏及水质恶化对策[J].工业水处理,2007， [15] M. M. CASTRO,r. w. sONG, Mininization of oerational cos in co27(12) :86 -89.ing water systems[J]. 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