山東化工， 60.SHANDONC CHEMICAL INDUSTRY2010年第39卷8計算機與信息化多復雜冷卻循環(huán)水系統(tǒng)的建模與優(yōu)化龍德曉' ,李玉剛',劉猛2( 1.青島科技大學計算機與化工研究所,山東青島266042;'2.青島科技大學化工學院,山東青島266042)摘要:建立了新的復雜冷卻循環(huán)水系統(tǒng)的費用模型。利用優(yōu)化軟件CAMS求解了各冷卻塔的最佳進出塔水溫、用戶進出水溫、分配系數(shù)、循環(huán)水量、風量和循環(huán)水泵及風機功率等參數(shù)。通過工程實例驗證了其可行性.并將其與原模型相比較。結(jié)果表明,新模型的操作費用減少了13%左右。因此.當處理復雜循環(huán)水系統(tǒng)時,應選取新模型。關(guān)鍵詞:復雜循環(huán)水系統(tǒng);建模;優(yōu)化中團分類號:T0085*.2 .文獻標識碼:A文章編號: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引言建設。循環(huán)水系統(tǒng)在化工，電力,冶金等行業(yè)中應用廣2過程描述泛。目前循環(huán)水系統(tǒng)的研究主要包括循環(huán)水濃縮倍復雜循環(huán)水系統(tǒng)包括若干冷卻塔、用戶和循環(huán)數(shù)"、防漏與藥劑處理(2-3]和冷卻塔換熱模型[4-6] .水泵等,其結(jié)構(gòu)如圖1所示。等,另外,循環(huán)水節(jié)水節(jié)能等方面也進行了研究。而循環(huán)水從冷卻塔流經(jīng)循環(huán)水泵,然后分配到各對循環(huán)水系統(tǒng)尤其是復雜循環(huán)水系統(tǒng)的費用模型的個用戶中,經(jīng)過換熱用戶后通過一定的規(guī)則分配到研究在國內(nèi)還不多見。事實上,氣象條件,水價和電涼水塔中冷卻,然后再循環(huán)使用。冷卻塔是循環(huán)水價的波動均影響循環(huán)水系統(tǒng)的運行;對于復雜循環(huán)系統(tǒng)最重要的設備之一,循環(huán)水與空氣在塔內(nèi)進行水系統(tǒng)而言,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)也影響系統(tǒng)的運行費用。本接觸,通過汽化與接觸傳熱,空氣溫度升高,濕度達文以操作費用為目標函數(shù),建立了復雜循環(huán)水系統(tǒng)到或接近飽和,循環(huán)水溫度降低。循環(huán)水泵為系統(tǒng)模型,以優(yōu)化循環(huán)水系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及運行參數(shù)。該模中循營與循環(huán)水流量,揚型也可用于預測由氣候、水價和電價等因素波動后程有中國煤化工分,它的功率與鼓的循環(huán)水系統(tǒng)最優(yōu)運行參數(shù),指導老廠改造和新廠人空CNMH G收稿日期:2010-03 -22作者簡介:龍德曉( 1982- - -) ,碩士研究生,化學工程專業(yè),導師:李玉剛,e - mail: longdexiao82@ 163. com。第6期龍德曉,等:復雜冷卻循環(huán)水系統(tǒng)的建模與優(yōu)化●61●換熱器做為循環(huán)水系統(tǒng)用戶,進換熱器溫度的數(shù)不變時,循環(huán)水進換熱器溫度低,出換熱器溫度越高低決定循環(huán)換水用量的大小。移熱負荷,傳熱系高,所需循環(huán)水量越大。冷卻塔i然發(fā)水新鮮水.換熱用戶j氣循環(huán)水泵i排出水燕發(fā)新鮮水8Cbi=1j行蒸發(fā)水斤鮮水j=n-1i=2+C D-排出水蒸發(fā)水新鮮水大j=n空氣i=m-1擇出水圖1復雜循環(huán)水系統(tǒng)的超結(jié)構(gòu)循環(huán)水系統(tǒng)的各個因素之間是相互聯(lián)系的,一w.,=w.,:/(CC-1)+W.(4)個因素波動,會影響整個系統(tǒng)的運行效果。例如,增To,=[q,xTo,-Wm,x(T,-T_)]/q;(5)加風機的風量,會增加風機的電耗,但能降低循環(huán)水式中Tm, T.,T。,T.,rf分別表示冷卻塔i出塔溫度,從而降低循環(huán)水量,節(jié)約水泵能耗;對于進、出塔溫度,補充新鮮水后的循環(huán)水出塔溫度,濕復雜循環(huán)水系統(tǒng)而言,內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化,引起各個冷卻球溫度,C ;核算因子。塔中循環(huán)水的進水溫度和實際處理量,從而影響整Xxm,xu,CC,q.分別表示空氣進冷卻塔i絕對個系統(tǒng)的操作費用。因此,需要建立復雜循環(huán)水系濕度,冷卻塔i出口絕對濕度,濃縮倍數(shù);循環(huán)水實統(tǒng)的操作費用模型,確定循環(huán)水系統(tǒng)中各冷卻塔的際處理量, kg/h。最佳出塔溫度,最佳結(jié)構(gòu),綜合考慮循環(huán)水系統(tǒng)的節(jié)ww.,w.w.,w...分別表示風量,蒸發(fā)水量,補能降耗。充水量,kg/h。3數(shù)學模型的建立(2)冷卻塔實際處理量的確定3.1 復雜循環(huán)水系統(tǒng)數(shù)學模型的建立為了保證循環(huán)水系統(tǒng)正常運行,冷卻塔處理循3.1.1冷卻塔模型!']環(huán)水量必須限制在- -定的范圍之內(nèi):(1)冷卻塔參數(shù)q.=Swej xu(j,i)≤q.1(j=1.2..m) (6)在冷卻塔內(nèi),損失的水量主要有蒸發(fā)損失,排出0≤u(j,i)≤1(7)水量,夾帶損失(忽略),其參數(shù)包括風量、蒸發(fā)水量補充新鮮水量、循環(huán)水出塔溫度。zu(i,i)=1(8)循環(huán)水出塔溫度可表示為:式中q; ,9ms.i,w.J分別是冷卻塔i的處理量,最(1.8Xoj +32) =2.39043x(1.8大處理量,換熱用戶j循環(huán)水量;u(j,i)表示匹配系xTji.a).9136 x(1.8.T。+32) x-f0.03408 ,(i=數(shù),即從換熱用戶j分配到冷卻塔i的循環(huán)水量與換1,2... m)(1)熱用戶j循環(huán)水量之比。.Wi,= we,/[1 -xm x(xwu,-x_)],(i=1,中國煤化工，2...n)環(huán)水量,各換熱器w..=0.00153 xqx(Tm,-T%)(3)出水.CHCNMHG山東化工, 62.SHANDONG CHEMICAL INDUSTRY2010年第39卷T.= (W.xT.s xu(j,)/q,(9)水泵的電耗, kW●h;tpp年運行時間,取7500h/a。式中Tj,Tm,分別為循環(huán)水出換熱用戶溫度, .4模型的求解冷卻塔進水溫度,C。前期研究工作中,假設同等條件下,各個冷卻塔3.1.2換熱器(1)換熱用戶循環(huán)水量與進口溫度的關(guān)系的出塔溫度相同且等于最佳出塔溫度(0) ,稱為原模換熱器作為循環(huán)水系統(tǒng)的用戶,其所需冷卻水型。新模型是復雜循環(huán)水系統(tǒng)中各塔的循環(huán)水出塔溫度不同.該模型的求解需要已知條件包括:氣象參量與冷卻水進溫有關(guān)間,數(shù),換熱器面積,換熱器移熱負荷,熱物流進、出口溫3600xQ,Wes= C, x(Tms +TmJ-2xTaj -000xQ/KxA度,各冷卻塔最大處理量和核算因子,循環(huán)水出塔溫(10)度的邊界。需要給定的初值包括分配系數(shù),冷卻塔式中Tmj,Tws 分別是熱物流的進，出口溫實際處理量,進換熱器冷卻水溫度。利用商業(yè)軟件gams(NLP)求解模型,使在出塔溫度有效范圍內(nèi)自度,C;動搜索出系統(tǒng)操作費用最小時的參數(shù)。Ta,表示換熱器j的進口溫度,C;Q,K,A,分別表示換熱器j的移熱負荷，平均5案例分析云南昆明某化工廠有一循環(huán)水系統(tǒng),該系統(tǒng)具溫差,傳熱系數(shù),換熱面積。有2個涼水塔,5個用戶,冬季跟夏季的規(guī)律相似，.(2)進換熱器循環(huán)水溫度的確定故以夏季為例進行說明。已知條件見表1、表2。Tas= [T.a1c(,j)]/W。J(11)表1氣象參數(shù)0≤l(i,j)≤1(12)干球溫度濕球溫度相對濕度(i;j)=1(13)25. 8C19.9C0.82t(i;,j)表示匹配系數(shù),即從冷卻塔i分配到換熱器j的循環(huán)水量與冷卻塔i實際處理量之比。表2換熱用戶的巳知條件3.1.3循環(huán)水泵Q,/kW4000.0 3000.0 5000.0 6000.0 800.0循環(huán)水泵功率與循環(huán)水量,揚程的關(guān)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鼓風機 與風量,出口風壓力的關(guān)系[):設冷卻塔最大處理量300/h,昆明地區(qū)冷卻循環(huán)水進、出口設計溫度35C、45C。經(jīng)過該模型處Pp,=0.0548x[](15)p理后得出操作費用最小時的參數(shù)即復雜循環(huán)水系統(tǒng)3.2操作費用模型的建立最佳參數(shù):復雜冷卻塔循環(huán)水系統(tǒng)就是尋找冷卻塔與換熱(1)分配系數(shù)用戶合理的匹配方式,在該方式下,水費(補充水j1 j23j4j5費)和電費(風機和循環(huán)水泵的運行費用)之和最(0.j)={iI 0.319 0.2360.446低,即操作費用最低,一般認為,冷卻塔與循環(huán)水泵0.657 0.152 0.191)是一對一關(guān)系,故目標函數(shù)為:MIN C-=[(P.,+P.) xea+ ZC.Jxu，1.000(i=1,2..n)(16)式中: C- -循環(huán)水 系統(tǒng)操作費用,元/a;u(j,i)=C.i,Ce分別表示第i個冷卻塔的補充水費,).226中國煤化工000元/h;電價,元/kW . h;P., Pr.分別表示第i個冷卻塔中風機,循環(huán)MH.CNMHG(山1心pr個伏你瓣鄉(xiāng)雙第6期龍德曉,等:復雜冷卻循環(huán)水系統(tǒng)的建模與優(yōu)化優(yōu)化后換熱器和冷卻塔的最佳參數(shù)見表3。原模型將簡單循環(huán)水系統(tǒng)的冷卻水最佳出塔表3優(yōu)化后換熱器和冷卻塔的最佳參數(shù)溫度作為復雜系統(tǒng)各個冷卻塔的出水溫度,經(jīng)過求Th_461.628.530000.0解確定在夏季(8] ,昆明地區(qū)循環(huán)水最佳出塔溫度為50.125.8257129.727. 5C。新模型給定出塔溫度一個取值范圍，讓其Tj_Tj8.564.595674.5自動搜索,從而求出操作費用最小時對應的出塔溫28. 565.170665.6度。將新模型與原模型的優(yōu)化結(jié)果對比如表4。25.51.3169012.027.9172739.557.849038. 1表4兩種優(yōu)化方法的工況對 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結(jié)論:[2]張俊玲,李風來,等.工業(yè)循環(huán)冷卻水節(jié)水成套技術(shù)的應(1)復雜(多冷卻塔)循環(huán)水系統(tǒng)中最優(yōu)運行下用[J].現(xiàn)代化工,2004 ,24(11) :50-55.相同型號涼水塔的運行參數(shù)不相等，也不等于簡單[3]王艷紅.循環(huán)水系統(tǒng)泄漏及水質(zhì)惡化對策[J].工業(yè)水處理,2007 ,27(12) :86-89.循環(huán)水系統(tǒng)的最佳運行參數(shù),因為它受到多種因素[4]孫奉仲,等.冷卻塔設計的數(shù)學模型及先進設計方法的約束。[J].山東電力技術(shù),2002(6) :6 -9.(2)復雜循環(huán)水系統(tǒng)優(yōu)化運行條件下,各個換[5 ] Papaefthimiou V D, Zannis T C, Rogdakis E D.熱用戶的進水溫度不一定相同。Thermnodynamic study of wet cooling tower performace(3)新模型對復雜循環(huán)水系統(tǒng)的優(yōu)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總之,復雜循環(huán)水系統(tǒng)的運行消耗大量的電能natural draft dry cooling towers undererosswind: CFD study和水源,如何做到節(jié)能降耗是人們關(guān)注的課題,本文[J]. Int J Energy Res ,2004, 28:147 - 161. .利用費用這-橋梁將電耗和水耗結(jié)合起來綜合考[7] Williamson1 N, Behnia M, etc. Thermal optimization of a慮,改進了復雜循環(huán)水系統(tǒng)的操作費用模型,同時將natural draft wet cooling tower[J]. Int J Energy Res,新模型與原模型的優(yōu)化結(jié)果相比較，效果明顯。2008, 32:1349 - 1361.[8]龍德曉,賈曉朵,等.循環(huán)水系統(tǒng)操作費用的優(yōu)化研究6結(jié)論[J].節(jié)能技術(shù),2009 ,27(5) :430 -434.隨著化學工業(yè)的發(fā)展,循環(huán)水系統(tǒng)尤其是復雜循環(huán)水系統(tǒng)的8益普遍,系統(tǒng)的運行費用模型的開[9] CASTRO M M, SONG T w. Minimizatin of operationalcosts in coling water systems[J]. Trans ICHemE, 2000,發(fā)和改進將越來越重要。本文改進了前期研究中的78:192 -201.操作費用模型,并進行了工程實例驗證,與原模型相[10]龍德曉,李玉剛,等多冷卻塔循環(huán)水系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化比,新模型的操作費用減少了13%左右。因此,該[J].廣州化工,2009 ,37(9):11-14.模型能較好地預測循環(huán)水系統(tǒng)的最優(yōu)結(jié)構(gòu)及運行參數(shù),也可指導循環(huán)水系統(tǒng)的參數(shù)調(diào)優(yōu)。(本文文獻格式:龍德曉,李玉剛,劉猛. 復雜冷卻參考文獻循環(huán)水系統(tǒng)的建模與優(yōu)化[J].山東化工,2010,39[1]夏銀輝,季淑絕.熱電廠循環(huán)冷卻水高濃縮倍數(shù)運行方(6) :6中國煤化工案的試驗研究[J].凈水技術(shù),2004 ,16(3) :22 -25.TYHCNMHG