工业循环水系统的节能优化研究

林雪茹，李 达，古 勇，田东鹏，吴玉成，侯卫锋

(浙江中控软件技术有限公司，浙江 杭州 310053)

0 引言

循环水系统作为各大工业企业重要的公用工程之一，在保障企业日常生产的同时，其高能耗问题也日益突出。多年来，由于缺乏理论计算的支撑以及精细化的运行管理措施，企业往往使用满负荷的标准运行模式；或是靠档选择，“大马拉小车”；或局限于单体节能，凭经验调节单一参数，系统运行效率低下[1-3]。目前，国内外研究者段国武[4]、龙德晓[5]、Thielman[6]等对工业循环水系统的节能优化问题开展了大量的研究工作，但多以设备改造为主，并未从系统角度对各设备之间的能耗关系进行更深入的研究。

本文针对典型的工业循环水系统，深入分析其能耗特征，提出一套以系统节能为出发点的循环水系统优化方法，为工业企业循环水系统运行优化提供借鉴。

1 循环水系统的能耗特征

循环水系统通常由冷却塔、循环水泵、冷水机组三大部件构成，其耗能设备包括冷却塔风机、循环水泵、冷冻机和冷冻水泵。循环水系统结构如图1所示。

图1 循环水系统结构图

整个循环水系统的能耗特征表现为各设备能耗的线性叠加，但各设备的能耗却因冷冻水温度与流量的非独立性而存在耦合。例如，为了减少循环水泵的功耗而减少了循环水的流量，则冷却水回水温度必然升高，这就加大了冷却塔的热负荷，在相同的需冷量下，冷却塔风机的功耗必然增加[7]。其次，循环水系统的能耗具有明显的季节性特征。受环境温湿度的影响，冷却水一年四季的温度都是不同的，上下温差最大可达30 ℃。所以对于不同的季节，要达到同样的冷却效果需要的冷却水量是不同的，需采用不同的供水策略。此外，不同设备在不同负荷下的运行效率不同， 在实际生产过程中需根据不同的负荷对设备启停组合进行调整。

综上所述，针对不同季节的冷量需求，采用最佳的冷却水与冷冻水的调度分配方案，以及最优的设备组合运行策略，以保证整个循环水系统的综合能耗最小。

2 循环水系统的优化建模原理

循环水系统优化的目标是在保证循环水供应量与制冷量需求的情况下，使整个循环水系统的综合能耗最小。目标函数如下：

(1)

式中：Ptotal为循环水系统功率；Pfan,i为冷却塔风机功率；Ppumpcw,i为循环水泵功率；Prefri,i为冷冻机功率；Ppumpchw,i为冷冻水泵功率。

2.1 设备电耗模型

各设备电功率基于数据驱动模型进行计算。根据设备的历史运行数据，通过最小二乘法[8]等数据拟合方法，分别建立冷却塔风机、循环水泵、冷冻水泵的流量与电耗的关联模型：

Pi=Li×ai+bi

式中:Pi、Li分别为各设备的电耗、流量；ai、bi为模型的拟合系数。

因冷却塔的风量随环境温湿度波动幅度较大，风量与风机电流的模型参数不稳定，还需借助风机的实时运行数据进行模型的更新与校正。

冷冻机的电耗模型如式(2)所示，其计算方法采用半机理半经验建模方法。

Prefrii=f(Lchwi,Δtchwi,Δtcwi)

(2)

式中：Δtchwi为冷冻水温差；Δtcwi为循环水温差。

2.2 冷却塔模型

根据大气温度tai、大气湿度faii，可确定湿球温度t1：

t1=tw(tai,faii)

(3)

根据湿球温度t1，可确定热量系数k：

(4)

根据tai、faii、k、冷却水温差Δcw，可确定冷却塔进出口空气的焓hai、hao：

(5)

根据冷却水总流量Lcwtotal、Δcw，可确定所需冷量Q：

Q=Lcwtotal×1 000×4.187×

(6)

根据需冷量Q、进出口空气的焓hai、hao，可确定所需风量V：

(7)

2.3 冷冻机模型

建立压缩机、冷凝器、电子节流阀、蒸发器、制冷系统模型，分别为：

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)

冷冻机能效比Pi为：

(13)

则制冷量Q0为：

(14)

(15)

式中：Qm为制冷剂质量流量；H1为制冷剂在压缩机入口的焓值；H2为制冷剂在压缩机出口的焓值；QC为单位时间制冷剂在压缩机中向外界散发的热量；Qk为单位时间制冷剂在冷凝器中向外界散发的热量；H3为制冷剂在冷凝器出口的焓值；Q0为制冷量；H4为制冷剂在蒸发器出口焓值；c为冷冻机电耗模型拟合系数；COP为冷冻机能效比[9]。

2.4 优化模型

2.4.1 物料平衡约束

对于整个循环水系统，有：

∑(Fa,in-Fa,out)=0

(16)

对于各子设备，有：

∑(Fi,in-Fi,out)=0

(17)

式中：Fa,in为循环水系统的空气入口量；Fa,out为循环水系统的空气出口量；Fi,in为循环水系统各子设备的物料i入口量；Fi,out为循环水系统各子设备的物料i出口量。

2.4.2 能量平衡约束

∑(Fi,in×Hi,in-Fi,out×Hi,out-Wi-Qi)=0

(18)

式中：Hi,in为循环水系统各子设备的物料i入口焓值；Hi,out为循环水系统各子设备的物料i出口焓值；Wi为对外做功；Qi为能量损失。

2.4.3 装置约束

分配到冷却塔、循环水泵、冷水机组、冷冻水泵的介质流量必须在正常范围内，否则会影响设备的正常运行。

Fi,min≤Fi≤Fi,max

(19)

Ii,min≤Ii≤Ii,max

(20)

式中：Fi为设备的物料量；Fi,min为设备所能承受的最小负荷；Fi,max为设备所能承受的最大负荷；Ii为设备的电流值；Ii,min为设备所能承受的最小电流量；Ii,max为设备所能承受的最大电流量。

2.4.4 效率约束

在实际生产过程中，往往要充分考虑单个设备的效率情况。通常，不启用效率值过低的设备，以免造成负荷浪费。

ηi,min≤ηi≤1Ii>0

(21)

式中：ηi为设备效率。

2.4.5 需求约束

对于循环水系统的优化，必须满足日常生产对循环水总量以及制冷量的需求。

Lcw,need≤Lcw

(22)

Qneed≤Qe

(23)

式中：Lcw为优化方案所提供的循环水总量；Lcw,need为实际生产对循环水的总需求；Qe为优化方案所提供的制冷量；Qneed为实际生产对循环水系统制冷量的需求。

采用非线性规划法中的序列二次规划法(sequential quadratic programming，SQP)[10]对上述模型进行求解。

3 典型应用案例

某化工企业的循环水系统包括四台机械通风式冷却塔、九台冷却水泵、九台冷冻机及七台冷冻水泵，其用户端为五大空调区域。针对不同的环境温湿度，用户端对冷量的需求有所不同。根据上述优化建模原理，结合企业数据库中保存的历史运行数据，构建涵盖用户端的整个循环水系统的优化模型，获得在保证循环水供应量与制冷量需求情况下的循环水优化调度方案、冷却塔风机优化操作方案、循环水泵与冷水机组的优化运行策略。

分别以32 ℃、65%RH 的典型夏季模式与19℃、72%RH的典型春秋模式为例，结合企业数据库中的系统历史运行数据，对模型参数进行更新校正，并优化求解。循环水系统优化效果如表1所示。

由计算结果可知，夏季的循环水系统综合能耗较春秋季有大幅提高，但循环水系统在环境温度较低的春秋季更具有节能空间。这表明，当前企业在循环水系统精细管理层面有待提高。

通过对两种典型模式的供冷量与需冷量的计算可知，夏季的现行供冷量为3 132.4冷吨，而需冷量(建议供冷量)仅为3 049.1冷吨，实际生产过程中存在着明显的冷量浪费现象。同样的，春秋模式现行供冷量为1 644.7冷吨，而实际需冷量(建议供冷量)仅为1 211冷吨，冷量过足现象尤为明显。

进一步分析表1中的数据可知，该企业可适当降低冷冻水供水温度以减少冷冻水流量，从而降低冷冻水泵功耗。根据运行建议结果，在满足循环水总量需求与制冷量需求的情况下，该企业夏季和春秋季预计节能比例分别为5.1%和15.6%。

表1 循环水系统优化效果

4 结束语

针对工业循环水系统的综合能耗受多参数耦合影响、系统的制冷量需求随季节变化性较大、不同设备组合方式构成的系统效率存在高低等特征，进行循环水系统的系统分析与理论计算，可获得循环水的调度优化方案及设备运行策略建议，为不同天气条件的操作模式切换提供依据。经过分析发现，冷冻机启停、冷冻水流量调节、冷却水流量调节、冷冻水温度调节/冷冻机压缩比、冷却水温度调节/冷却塔风机转速等关键因素影响着系统的综合能耗，在理论建模时可确定上述参数为关键可调变量。此外，泵、风机等设备的电耗模型可采用数据驱动模型，充分挖掘设备历史运行数据，并利用实际数据进行模型更新与校正。典型案例应用表明，基于循环水系统的运行评价计算，开展调度或操作优化，可有效降低企业的冷量浪费问题，为企业带来较好的节能效益。