多冷卻塔循環(huán)水系統的結構優(yōu)化

.●202●廣州化工2009年37卷第9期多冷卻塔循環(huán)水系統的結構優(yōu)化龍德曉'，任若飛”，李玉剛'(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:對含有多個(gè)冷卻塔的循環(huán)水系統進(jìn)行研究,建立了多冷卻塔循環(huán)水系統結構優(yōu)化模型,用商業(yè)軟件GAMS中NLP(非線(xiàn)性規劃法)求解該模型,求解出操作費用最小時(shí)的匹配系數,并系統給出了最優(yōu)結構;文章最后部分給出了詳細的案例分析,將優(yōu)化前后風(fēng)機和水泵的電耗,補充水量,操作費用加以比較;結果表明,優(yōu)化后風(fēng)機和水泵的電耗,補充水量均有所降低,操作費用節約多達20%左右,優(yōu)化效果明顯。關(guān)鍵詞:循環(huán)水系統;結構優(yōu)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循環(huán)水系統在化工,電力,冶金,煉油等行業(yè)中是必不可少對于多用戶(hù) ,多冷卻塔的情況下,換熱用戶(hù)與冷卻塔的連接，如.的。循環(huán)水的用量占整個(gè)工業(yè)用水量的70%"左右,它在運行圖 1所示。中消耗大量電能和水源,目前循環(huán)水系統研究主要集中于對循Cooling Towers環(huán)水濃縮倍數[2)、防漏與藥劑處理方面的研究[3-4),冷卻塔模型5-12),另外,循環(huán)水節能|13-14]等方面也開(kāi)展了許多工作。隨Heal Exchangers著(zhù)化工企業(yè)的做大做強,循環(huán)水系統操作費用還將繼續增大,系一回→統結構優(yōu)化的研究更有特別的意義。例如,一個(gè)冷卻塔已經(jīng)不→回能滿(mǎn)足循環(huán)水回用要求,需要多個(gè)冷卻塔進(jìn)行冷卻處理。此時(shí)，一回多個(gè)用戶(hù),多個(gè)冷卻塔,究竟采用哪種匹配方式處理循環(huán)水得到最低操作費用是人們關(guān)注的課題。目前對于對多冷卻塔循環(huán)水--<→/En-系統結構優(yōu)化研究還未見(jiàn)報道,本文建立了多冷卻塔循環(huán)水系...........統優(yōu)化模型,并重點(diǎn)闡述了系統匹配方式與操作費用的關(guān)系,對一+[=m]-循環(huán)水系統改造或擴建具有指導意義。中國煤化工1過(guò)程描述循環(huán)水系統包括:包括冷卻塔,循環(huán)水泵,鼓風(fēng)機,用戶(hù)等,MHCNMHG超結構作者簡(jiǎn)介:龍德曉(1982- ),男,碩士研究生,化學(xué)工程專(zhuān)業(yè),E- mlonglerin82@e@ 163. com;李玉剛(1966-),男,碩士生導師,從事化I系統工程方向研究。E - mail:lyg@ putech com. en2009年37卷第9期廣州化工.203.冷卻塔是循環(huán)水系統重要的設備之- -,循環(huán)水與空氣在塔熱用戶(hù)j循環(huán)水量;u(i,j) ,匹配系數,即從換熱用戶(hù)j分配到冷內進(jìn)行接觸,通過(guò)汽化與接觸傳熱,空氣溫度升高,濕度達到或卻塔i的循環(huán)水量與換熱用戶(hù)j循環(huán)水量之比。接近飽和?？諝鉂袂驕囟仍降?空氣量越大,循環(huán)水出塔溫度越0≤u(j,i)≤1(7)低。循環(huán)水泵為系統中循環(huán)水的輸送提供動(dòng)力,其負荷與循環(huán)&u(,i)=1(8)水流敏.揚程有關(guān)。循環(huán)水流量越大,阻力越大,其能耗越大。(3)冷卻塔進(jìn)水溫度的確定換熱器做為循環(huán)水系統用戶(hù),-般是并聯(lián)的,各個(gè)支路的壓降相冷卻塔進(jìn)水溫度與分配的循環(huán)水量,各個(gè)換熱器出水溫度同,水泵的揚程大于各支路中所需最大壓頭就滿(mǎn)足供水要求。有關(guān):鼓風(fēng)機是冷卻塔的一部分,它的功率與鼓人空氣量.出口風(fēng)壓有關(guān)。鼓入空氣量越大,功率越大。T.= (we, .1小. u(j)/q.)(9)對于多用戶(hù)，多冷卻塔的循環(huán)水系統而言,換熱用戶(hù)與冷卻式中:T.J一循環(huán)水出換熱用戶(hù)溫度,塔匹配方式直接影響循環(huán)水系統操作費用,綜合考慮,選擇合適2.2循環(huán)水泵的匹配系數,使操作費用最小。循環(huán)水泵功率與循環(huán)水量,揚程的關(guān)系:2循環(huán)水系統數學(xué)模型的建立P.;=1283.1.476[151(10)多用戶(hù),多冷卻塔循環(huán)水系統的優(yōu)化就是尋找冷卻塔與換式中:np,Pm-分別是水泵效率,冷 卻水密度,kg/m'熱用戶(hù)合理的匹配方式，在該方式下,水費(補充水費)和電費2.3鼓風(fēng)機(風(fēng)機和循環(huán)水泵的運行費用)之和最低,即操作費用最低,一般鼓風(fēng)機與風(fēng)量,出口風(fēng)壓力的關(guān)系:認為,冷卻塔與循環(huán)水泵是-對- -關(guān)系，P. =0.0548.[=4]16)(11)故目標函數為:MCNC(LP+B+,)+C.+C.l.+(1i-1.n (1) 3模型的求解方法式中:C。循環(huán)水系統操作費用,元/年由式(1),(2),(3) ,(4),(5),(10) ,(11)確定不同地區,不C..-第i個(gè)冷卻塔的補充水費 ,元/h同季節,不同水電價(jià)時(shí)循環(huán)水最佳出塔溫度,已知條件包括:換Cca-電價(jià),元/kW .hPs,Pp,分別第i個(gè)冷卻塔中風(fēng)機,循環(huán)水泵的電熱器進(jìn)出水溫度及冷卻水量,各冷卻塔最大處理量。給定各冷卻塔實(shí)際處理量,分配系數的初值,然后利用商業(yè)軟件gams中耗,kW.hNLP(非線(xiàn)性規劃法)模型求解該模型，從而得出循環(huán)水系統結t.-年運行時(shí)間,取 7500/年構優(yōu)化后的最佳匹配系數。根據最佳匹配系數確定各冷卻塔實(shí)2.1冷卻塔際處理量.進(jìn)塔溫度,風(fēng)量,補充水量,風(fēng)機電耗,循環(huán)水泵電耗(1)冷卻塔相關(guān)參數(4在冷卻塔塔內,損失的水量主要有蒸發(fā)損失.排出水量,夾等參數,最終確定最小操作費用。為了方便研究需要兩個(gè)假設:(1)同等條件下,各個(gè)冷卻塔的出塔溫度相同且等于最佳出帶損失(忽略)。塔溫度;風(fēng)量:(2)各個(gè)換熱器進(jìn)水溫度等于冷卻塔最佳出塔溫度。w.=./[(1-H.) .(Hw,-H,)],(i-=12..) (2)蒸發(fā)水量:4案例分析w..=0. 013.q.(T.-T..(3)云南昆明某化工廠(chǎng)的循環(huán)水系統，該系統具有5個(gè)冷卻塔，補充新鮮水量:10個(gè)用戶(hù),已知數據如下:w.,=W./(CC-1)+W.(4)補充新鮮水后的循環(huán)水出塔溫度:贊1氣候參數.T.=[q;.T.-Wm..(T.-T_.)]/q; (5)項目干球溫度/C濕球溫度/C相對濕度式中:H,H,CC,q一分 別空氣進(jìn)冷卻塔絕對濕度,冷卻塔出口絕對濕度,濃縮倍數,循夏季25.819.90.82環(huán)水量,kg/h冬季.0-2.40.68T.一循環(huán)水出塔溫度,C(2)冷卻塔循環(huán)水實(shí)際處理量的確定循環(huán)水系統冷卻塔最大處理量均為10000. 0kg/h,夏季最為了保證循環(huán)水系統正常運行,冷卻塔處理循環(huán)水量必須佳出塔溫度26C ,冬季最佳出塔溫度22.5C。換熱用戶(hù)已知條限制在一定的范圍之內有件如表2所示。q.= 2u.j . uJ(,in9<1(-=12..m) (6)中國煤化工:統-混合后，平均分配到到冷費用最低為目標進(jìn)行結其中g(shù),n.wo.J分別是冷卻塔i的處理量,最大處理量,換|YHCNMHG構優(yōu)化,n口循邛小術(shù)坑時(shí)切啊如四二、圖●204●廣州化工2009年37卷第9期表2換熱用戶(hù)的已知條件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比廠(chǎng)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廣34.8L536250.0kg/b. :10136250.0 bh圈2夏季,優(yōu)化后循環(huán)水 系統超結構22.5 ' U058.5C團3冬季,優(yōu)化后循環(huán)水系統超結構表3優(yōu)化結構前后的工況對比項目狀況PsWj高WjCp( x10*)優(yōu)化前45653. 559211.9956990.224301.57365.8夏季優(yōu)化后39542.557529.5731835.821459.87127.715938. 147026. 1375185.915399.94644.3冬季15164.035623.6356963.63767.6從表3看出以下幾點(diǎn):(5)冬季比夏季操作費用優(yōu)化效果明顯。因為操作費用中，(1)優(yōu)化后風(fēng)機的電耗明顯降低。因為冷卻塔處理效率與電 費所占的份額大,而電費中水泵運行費用的份額大,操作費用循環(huán)水進(jìn)塔溫度及循環(huán)水量有關(guān)”。進(jìn)塔溫度越高,處理量越主要 取決于水泵運行費用，由式( 10)中看出,在保證系統正常運小,塔處理效率高,所需風(fēng)量越小，電耗越大,反之,所需風(fēng)量越行的情況下,水泵數量越少,其電耗越小,故操作費用越少。大,電耗越大。本例中優(yōu)化后各塔循環(huán)水進(jìn)塔溫度不同,進(jìn)塔溫綜上所述,在夏季,優(yōu)化后操作費用節省0. 23755 x度高處理量大,進(jìn)塔溫度低,處理小,冷卻塔效率高,所需風(fēng)量10 RMB/a,尤其在冬季,結構優(yōu)化前后,操作費用節省20%左.小,故電耗降低。右,同時(shí)還省去兩個(gè)冷卻塔,優(yōu)化效果明顯。所以,對于循環(huán)水(2)優(yōu)化后循環(huán)水泵的電耗降低。因為從式( 10)中看出，系統,內部結構合理與否影響整個(gè)循環(huán)換熱器與冷卻塔匹配合當所需水泵數量不變時(shí),各循環(huán)水泵輸送水量相同，其電耗最理 與否,影響整個(gè)循環(huán)水運行的費用，在循環(huán)水系統設計,改造大,反之,其電耗小。中國煤化工(3)夏季,優(yōu)化后補充水略有減少。因為冷卻塔內散熱方式主要有:接觸散熱和蒸發(fā)移熱,優(yōu)化后,接觸散熱域稍變大,蒸YHCNMHG發(fā)散熱量稍變小,所以,蒸發(fā)數斌稍少,補充水量也稍少。隨著(zhù)化學(xué)工業(yè)的做大做強,多用戶(hù)多冷卻塔循環(huán)水系統越來(lái)(4)優(yōu)化后操作費用降低。(下轉第207頁(yè))2009年37卷第9期廣州化工●207.(2)電流增加焊絲的熔化速度加快,金屬的填充速度加快,焊接電流:340 -370 A;焊接速度也隨之加快。焊接電壓:36 ~38 V;(3)煤絲伸出長(cháng)度增長(cháng),增加了干絲的熔化速度。金屬的填焊接速度:13 ~ 15 cm/min;充速度加快,焊接速度也加快。同時(shí)由于焊絲長(cháng)度的增長(cháng),影響干絲伸出長(cháng)度:32 ~38 mm;了CO,氣體的保護效果,也容易造成焊接缺陷的產(chǎn)生。通過(guò)改坡口組對間隙:4 ~6mm;變焊接工藝參數,降低焊接速度,是消除條孔缺陷產(chǎn)生的有效途對口錯邊量:≤1 mm。至。焊接施I中要防止條形氣孔的出現，根據以上產(chǎn)生氣孔主3.3操作原因要原因的分析,選擇優(yōu)選的工藝參數,并嚴格按照焊接工藝要求由于是在同-塊試板上做兩組試驗,因此在焊接過(guò)程中要進(jìn)行施工,可以有效減少條狀氣孔缺陷的出現,保證工程質(zhì)量。調節參數。而條狀氣孔起始點(diǎn)大部分出現在調節參數瞬間,焊接工藝參數大幅波動(dòng)的情況主要有焊接設備電網(wǎng)電壓波動(dòng)和焊參考文獻接人員人為調整,對后一種情況，要求焊接人員在焊接過(guò)程中,[1] 楊生,醫學(xué)峰. 大型原油儲罐施工中VEGA- -VB 氣電立焊的應用[J].煤接,2004,25(10):12.設定好參數后不要隨意大幅度更改焊接參數。[2] 鄒萊蓮 主編.焊接理論及工藝基礎[ M].北京:航空航天大學(xué)出版4結論社,1994:150.根據試驗,在排除外界干擾情況的條件下可以?xún)?yōu)選的工藝[3] 王剛， 記連權,張蔭弟.大型貯油罐氣電立焊焊接工藝的研究[J].焊接技術(shù),1996.25(3):12-1.參數為:(上接第204頁(yè))越普遍,其結構優(yōu)化模型的開(kāi)發(fā)和改進(jìn)越來(lái)越受到重視,本文初進(jìn)展,2004 ,23(5): 566 -567.步建立了多用戶(hù)多冷卻塔循環(huán)水系統結構優(yōu)化模型,并用商業(yè)軟件CAMS中NLP(非線(xiàn)性規劃法)求解模型,求解出了操作費study of wet cooling tower performace[J]. Int. J. energy Res,2006 ,30:411 -426.用最低時(shí)的最佳匹配方式。通過(guò)工程實(shí)例驗證了結構優(yōu)化的可行性,實(shí)例優(yōu)化結果表明優(yōu)化后操作費用節約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 -指出的是這些運行費用的節約完全不用更新設備來(lái)實(shí)現,最佳1361.匹配系數因季節不同而不同,對循環(huán)水系統擴建,改造具有很強[11] Rafat Al - Waked, Masud Behnia. The peformance of natual drnaft dry的指導意義。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] 龍荷云.循環(huán)冷卻水處理[ M].南京:江蘇科學(xué)技術(shù)出版社, 2001:Wet Cooling Tower[J]. 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