工業循環水系統的節能優化研究

林雪茹，李 達，古 勇，田東鵬，吳玉成，侯衛鋒

(浙江中控軟件技術有限公司，浙江 杭州 310053)

0 引言

循環水系統作為各大工業企業重要的公用工程之一，在保障企業日常生產的同時，其高能耗問題也日益突出。多年來，由于缺乏理論計算的支撐以及精細化的運行管理措施，企業往往使用滿負荷的標準運行模式；或是靠檔選擇，“大馬拉小車”；或局限于單體節能，憑經驗調節單一參數，系統運行效率低下[1-3]。目前，國內外研究者段國武[4]、龍德曉[5]、Thielman[6]等對工業循環水系統的節能優化問題開展了大量的研究工作，但多以設備改造為主，并未從系統角度對各設備之間的能耗關系進行更深入的研究。

本文針對典型的工業循環水系統，深入分析其能耗特征，提出一套以系統節能為出發點的循環水系統優化方法，為工業企業循環水系統運行優化提供借鑒。

1 循環水系統的能耗特征

循環水系統通常由冷卻塔、循環水泵、冷水機組三大部件構成，其耗能設備包括冷卻塔風機、循環水泵、冷凍機和冷凍水泵。循環水系統結構如圖1所示。

圖1 循環水系統結構圖

整個循環水系統的能耗特征表現為各設備能耗的線性疊加，但各設備的能耗卻因冷凍水溫度與流量的非獨立性而存在耦合。例如，為了減少循環水泵的功耗而減少了循環水的流量，則冷卻水回水溫度必然升高，這就加大了冷卻塔的熱負荷，在相同的需冷量下，冷卻塔風機的功耗必然增加[7]。其次，循環水系統的能耗具有明顯的季節性特征。受環境溫濕度的影響，冷卻水一年四季的溫度都是不同的，上下溫差最大可達30 ℃。所以對于不同的季節，要達到同樣的冷卻效果需要的冷卻水量是不同的，需采用不同的供水策略。此外，不同設備在不同負荷下的運行效率不同， 在實際生產過程中需根據不同的負荷對設備啟停組合進行調整。

綜上所述，針對不同季節的冷量需求，采用最佳的冷卻水與冷凍水的調度分配方案，以及最優的設備組合運行策略，以保證整個循環水系統的綜合能耗最小。

2 循環水系統的優化建模原理

循環水系統優化的目標是在保證循環水供應量與制冷量需求的情況下，使整個循環水系統的綜合能耗最小。目標函數如下：

(1)

式中：Ptotal為循環水系統功率；Pfan,i為冷卻塔風機功率；Ppumpcw,i為循環水泵功率；Prefri,i為冷凍機功率；Ppumpchw,i為冷凍水泵功率。

2.1 設備電耗模型

各設備電功率基于數據驅動模型進行計算。根據設備的歷史運行數據，通過最小二乘法[8]等數據擬合方法，分別建立冷卻塔風機、循環水泵、冷凍水泵的流量與電耗的關聯模型：

Pi=Li×ai+bi

式中:Pi、Li分別為各設備的電耗、流量；ai、bi為模型的擬合系數。

因冷卻塔的風量隨環境溫濕度波動幅度較大，風量與風機電流的模型參數不穩定，還需借助風機的實時運行數據進行模型的更新與校正。

冷凍機的電耗模型如式(2)所示，其計算方法采用半機理半經驗建模方法。

Prefrii=f(Lchwi,Δtchwi,Δtcwi)

(2)

式中：Δtchwi為冷凍水溫差；Δtcwi為循環水溫差。

2.2 冷卻塔模型

根據大氣溫度tai、大氣濕度faii，可確定濕球溫度t1：

t1=tw(tai,faii)

(3)

根據濕球溫度t1，可確定熱量系數k：

(4)

根據tai、faii、k、冷卻水溫差Δcw，可確定冷卻塔進出口空氣的焓hai、hao：

(5)

根據冷卻水總流量Lcwtotal、Δcw，可確定所需冷量Q：

Q=Lcwtotal×1 000×4.187×

(6)

根據需冷量Q、進出口空氣的焓hai、hao，可確定所需風量V：

(7)

2.3 冷凍機模型

建立壓縮機、冷凝器、電子節流閥、蒸發器、制冷系統模型，分別為：

Pi=Qm×(H2-H1)+QC

(8)

Qk=Qm×(H2-H3)

(9)

0=Qm×(H1-H3)

(10)

Q0=Qm×(H1-H4)

(11)

Q0+Pi=Qk+QC

(12)

冷凍機能效比Pi為：

(13)

則制冷量Q0為：

(14)

(15)

式中：Qm為制冷劑質量流量；H1為制冷劑在壓縮機入口的焓值；H2為制冷劑在壓縮機出口的焓值；QC為單位時間制冷劑在壓縮機中向外界散發的熱量；Qk為單位時間制冷劑在冷凝器中向外界散發的熱量；H3為制冷劑在冷凝器出口的焓值；Q0為制冷量；H4為制冷劑在蒸發器出口焓值；c為冷凍機電耗模型擬合系數；COP為冷凍機能效比[9]。

2.4 優化模型

2.4.1 物料平衡約束

對于整個循環水系統，有：

∑(Fa,in-Fa,out)=0

(16)

對于各子設備，有：

∑(Fi,in-Fi,out)=0

(17)

式中：Fa,in為循環水系統的空氣入口量；Fa,out為循環水系統的空氣出口量；Fi,in為循環水系統各子設備的物料i入口量；Fi,out為循環水系統各子設備的物料i出口量。

2.4.2 能量平衡約束

∑(Fi,in×Hi,in-Fi,out×Hi,out-Wi-Qi)=0

(18)

式中：Hi,in為循環水系統各子設備的物料i入口焓值；Hi,out為循環水系統各子設備的物料i出口焓值；Wi為對外做功；Qi為能量損失。

2.4.3 裝置約束

分配到冷卻塔、循環水泵、冷水機組、冷凍水泵的介質流量必須在正常范圍內，否則會影響設備的正常運行。

Fi,min≤Fi≤Fi,max

(19)

Ii,min≤Ii≤Ii,max

(20)

式中：Fi為設備的物料量；Fi,min為設備所能承受的最小負荷；Fi,max為設備所能承受的最大負荷；Ii為設備的電流值；Ii,min為設備所能承受的最小電流量；Ii,max為設備所能承受的最大電流量。

2.4.4 效率約束

在實際生產過程中，往往要充分考慮單個設備的效率情況。通常，不啟用效率值過低的設備，以免造成負荷浪費。

ηi,min≤ηi≤1Ii>0

(21)

式中：ηi為設備效率。

2.4.5 需求約束

對于循環水系統的優化，必須滿足日常生產對循環水總量以及制冷量的需求。

Lcw,need≤Lcw

(22)

Qneed≤Qe

(23)

式中：Lcw為優化方案所提供的循環水總量；Lcw,need為實際生產對循環水的總需求；Qe為優化方案所提供的制冷量；Qneed為實際生產對循環水系統制冷量的需求。

采用非線性規劃法中的序列二次規劃法(sequential quadratic programming，SQP)[10]對上述模型進行求解。

3 典型應用案例

某化工企業的循環水系統包括四臺機械通風式冷卻塔、九臺冷卻水泵、九臺冷凍機及七臺冷凍水泵，其用戶端為五大空調區域。針對不同的環境溫濕度，用戶端對冷量的需求有所不同。根據上述優化建模原理，結合企業數據庫中保存的歷史運行數據，構建涵蓋用戶端的整個循環水系統的優化模型，獲得在保證循環水供應量與制冷量需求情況下的循環水優化調度方案、冷卻塔風機優化操作方案、循環水泵與冷水機組的優化運行策略。

分別以32 ℃、65%RH 的典型夏季模式與19℃、72%RH的典型春秋模式為例，結合企業數據庫中的系統歷史運行數據，對模型參數進行更新校正，并優化求解。循環水系統優化效果如表1所示。

由計算結果可知，夏季的循環水系統綜合能耗較春秋季有大幅提高，但循環水系統在環境溫度較低的春秋季更具有節能空間。這表明，當前企業在循環水系統精細管理層面有待提高。

通過對兩種典型模式的供冷量與需冷量的計算可知，夏季的現行供冷量為3 132.4冷噸，而需冷量(建議供冷量)僅為3 049.1冷噸，實際生產過程中存在著明顯的冷量浪費現象。同樣的，春秋模式現行供冷量為1 644.7冷噸，而實際需冷量(建議供冷量)僅為1 211冷噸，冷量過足現象尤為明顯。

進一步分析表1中的數據可知，該企業可適當降低冷凍水供水溫度以減少冷凍水流量，從而降低冷凍水泵功耗。根據運行建議結果，在滿足循環水總量需求與制冷量需求的情況下，該企業夏季和春秋季預計節能比例分別為5.1%和15.6%。

表1 循環水系統優化效果

4 結束語

針對工業循環水系統的綜合能耗受多參數耦合影響、系統的制冷量需求隨季節變化性較大、不同設備組合方式構成的系統效率存在高低等特征，進行循環水系統的系統分析與理論計算，可獲得循環水的調度優化方案及設備運行策略建議，為不同天氣條件的操作模式切換提供依據。經過分析發現，冷凍機啟停、冷凍水流量調節、冷卻水流量調節、冷凍水溫度調節/冷凍機壓縮比、冷卻水溫度調節/冷卻塔風機轉速等關鍵因素影響著系統的綜合能耗，在理論建模時可確定上述參數為關鍵可調變量。此外，泵、風機等設備的電耗模型可采用數據驅動模型，充分挖掘設備歷史運行數據，并利用實際數據進行模型更新與校正。典型案例應用表明，基于循環水系統的運行評價計算，開展調度或操作優化，可有效降低企業的冷量浪費問題，為企業帶來較好的節能效益。