（化学工程专业论文）降低循环冷却水系统操作费用的优化研究.pdf

i ：-土 青岛科技人学研究生学位论文 i j i i i iii i j i ii ii i i rll ir f l l l f y 17 4 0 3 8 4 降低循环冷却水系统操作费用的优化研究 摘要 循环冷却水系统在化工、电力、冶金、炼油等行业中是必不可少的。循环水 的用量占整个工业用水量的7 0 左右，同时其输送和冷却处理过程需要大量的电 能。近年来，化工行业对循环水系统研究主要集中于循环水系统节水节能、冷却 塔模型、循环冷却水系统的运行优化等方面。不同的地区，水价、电价不尽相同， 所以循环水系统在不同地区的最优操作条件不同；随着季节的变化，气象条件也 发生变化，同一循环水系统在相同地区的最优操作参数因季节的不同而不同。 本文建立了循环冷却水系统的优化模型，以操作费用为目标函数，以出塔温 度、干球温度、空气湿度、水价、电价等为变量，通过模型求解得到年操作费用 最小的系统结构和操作参数，并验证了模型的准确性。 讨论了循环水出塔温度，干球温度，空气相对湿度、水价、电价、系统结构 和传热系数等单因素对系统的影响及规律。( 1 ) 随着出塔温度升高，循环水量明显 增大，而操作费用先减小后增加，循环水系统运行存在最佳的出塔温度；( 2 ) 随着 干球温度，空气相对湿度升高，系统操作费用增大；( 3 ) 随着电价升高，风机和循 环水泵的运行费用增大，系统操作费用增大。( 4 ) 随着总传热系数的增大，循环水 量减小，操作费用减小。( 5 ) 随着水价升高，补充水费增加，系统操作费用增大。 提出了单塔多用户系统和多塔多用户系统的优化方案。对单塔多用户系统， 优化其操作参数，可以降低循环水量、风量，能降低年操作费用；对多塔多用户 系统，同时优化系统结构和操作参数，根据用户供水和回水情况将优化方案分为 用户的用水来自一个塔回同一个塔，用户的用水来自多个塔回任一个塔，用户的 用水来自一个塔回多个塔和用户的用水来自多个塔回多个塔四种优化方案。本文 采用工程实例对四种方案结果进行比较得出：对于多塔多用户的大型循环水系统 而言，用户的用水来自多个塔回多个塔优化效果最好 最后以某厂年产l o 万吨t d i 部分装置循环水系统为工程实例，优化系统结 构和操作参数。( 1 ) 优化后，夏季循环水量减少了5 0 左右，冬季循环水量减小了 6 0 以上。( 2 ) 优化后，结构发生了变化，系统的所需风量等有所降低，操作费用 夏季减低2 6 ，而冬季降低了5 0 。 关键词：循环冷却水系统；操作费用：优化 降低循环冷却水系统操作费用的优化研究 2 青岛科技人学研究生学位论文 s t u d yo nr e d u c i n go p e r a t i o n a l c o s to fc i r c u l a t i n gc o o l i n g 硝l t e r s y s t e m a bs t r a c t c i r c u l a t i n gc o o l i n gw a t e rs y s t e m sa r ea b s o l u t e l yn e c e s s a r yf o ri n d u s t r ys u c ha s c h e m i c a li n d u s t r y , p o w e ri n d u s t r y , m e t a l l u r g i c a li n d u s t r ya n dr e f i n i n g i n d u s t r y c o n s u m p t i o no fc i r c u l a t i n gc o o l i n gw a t e ra c c o u n t sf o r7 0 i nt o t a lc o n s u m p t i o no f w a t e ri ni n d u s t r y a tt h es a m et i m e ，l a r g ea m o u n t so fe l e c t r i c a le n e r g ya r ec o n s u m e d d u r i n gt h ep r o c e s s e so fc o o l i n ga n dt r a n s p o r t a t i o n r e c e n t l y , t h es t u d yo nc o o l i n g w a t e r s y s t e mm a i n l y c o n c e n t r a t e so n a s p e c t so fe n e r g y - s a v i n g ，w a t e r - s a v i n g ， d e v e l o p m e n to fc o o l i n gt o w e rm o d e l ，a n do p e r a t i o n a lo p t i m i z a t i o no fc o o l i n gw a t e r s y s t e m p r i c e so fw a t e ra n de l e c t r i c i t ya r ed i f f e r e n ti nd i f f e r e n tr e g i o n s ，s ot h eo p t i m a l o p e r a t i o n a lc o n d i t i o n so fc o o l i n gw a t e rs y s t e mi n d i f f e r e n tr e g i o n s a r ed i f f e r e n t w e a t h e rc o n d i t i o n sc h a n g e 、i t hd i f f e r e n ts e a s o n s ，s ot h eo p t i m a lo p e r a t i o np a r a m e t e r s o ft h es a m ec o o l i n gw a t e rs y s t e mc h a n g e 、i t l ls e a s o n s n l eo p t i m a lm o d e lo fc i r c u l a t i n gc o o l i n gw a t e rs y s t e mw a se s t a b l i s h e di nt h i sa r t i c l e ， i nw h i c ht h e o p e r a t i o n a lc o s tw a sa st h eo b j e c t i v ef u n c t i o n , a n do u t l e t t o w e r t e m p e r a t u r eo fc o o l i n gw a t e r , d r yb u l bt e m p e r a t u r e ，r e l a t e dh u m i d i t y , w a t e rp r i c ea n d e l e c t r i c i t yp r i c e w e r er e g a r d e d 嬲v a r i a b l e s n l eo p t i m a ls y s t e ms t r u c t u r ea n d o p e r a t i o n a lp a r a m e t e r sw e r eo b t a i n e db ys o l v i n go p t i m i z a t i o nm o d e la n dt h e nt h e a c c u r a c yo fm o d e lw a sv a l i d a t e d f a c t o r sw h i c hh a v ee f f e c to i lt h es y s t e ms u c ha so u t l e tt o w e rt e m p e r a t u r e ，d r y b u l bt e m p e r a t u r e ，r e l a t e dh u m i d i t y , w a t e rp r i c e ，e l e c t r i c i t yp r i c e ，s y s t e ms t r u c t u r ea n d h e a t t r a n s f e rc o e 伍c i e n tw e r ed i s c u s s e d ( 1 ) c i r c u l a t i n gw a t e rf l o wr a t ei n c r e a s e s ，a n d o p e r a t i o n a lc o s ti n c r e a s e sa n dt h e nd e c r e a s e dw h e nt h eo u t l e tt e m p e r a t u r eo ft o w e r i n c r e a s e d ，s ot h eo p t i m a lo u t l e tt o w e rt e m p e r a t u r ee x i s t e di n t h es y s t e m ( 2 ) t h e o p e r a t i o n a lc o s to fc o o l i n gw a t e rs y s t e mi n c r e a s e d 、i t l lt h ei n c r e a s eo fd r yb u l b t e m p e r a t u r ea n dr e l a t e dh u m i d i t y ( 3 ) t h eo p e r a t i o n a lc o s to fs y s t e mi n c r e a s e dw i t h t h e i n c r e a s eo fe l e c t r i c i t yp r i c e ( 4 ) t h ec i r c u l a t i n gw a t e rv o l u m ea n dt h eo p e r a t i o n a lc o s t r e d u c e dw i t ht h ei n c r e a s eo ft h eh e a t t r a n s f e rc o e 伍c i e n t ( 5 ) t h eo p e r a t i o n a lc o s ta n d 3 m a k e u pw a t e rv o l u m ei n c r e a s e dw i t ht h ei n c r e a s eo fw a t e rp n c e t h eo p t i m i z a t i o nm e t h o d so fo n et o w e ra n dm u l t i - u s e rs y s t e ma n dm u l t i 。t o w e r s a n dm u l t i u s e r ss y s t e mw a sp r o p o s e d f o rt h ef o r m e r , t h ec o o l i n gw a t e rv o l u m e , a i r v o l u m ea n da n n u a l l yo p e r a t i o n a lc o s tr e d u c e da f t e ro p t i m i z i n go p e r a t i o n a lp a r a m e t e r s f o rt h el a t t e r s y s t e ms t r u c t u r ea n do p e r a t i o n a lp a r a m e t e r s w e r es i m u l t a n e o u s l y o p t i m i z e d a c c o r d i n gt ot h ed i f f e r e n t f r o mo fw a t e rr e u s ea n dw a t e rs u p p l y , t h e o p t i m i z a t i o nm e t h o d sc o u l di n c l u d e f o u rc a s e sa sf o l l o w s ：w a t e ru s e di nh e a t e x c h a n g e r sf r o mo n et o w e ra n dr e t u r n t ot h es a m et o w e r w a t e ru s e di n h e a t e x c h a n g e r sf r o mm u l t i - t o w e ra n dr e t u r nt or a n d o mb l no n et o w e r w a t e ru s e di nh e a t e x c h a n g e r sf r o mo n e t o w e ra n dr e t u r nt om u l t i - t o w e r s w a t e ru s e di nh e a te x c h a n g e r s f r o mm u l t i - t o w e r sa n dr e t u r nt or a n d o mm u l t i t o w e r s f i n a l l y , 1o , 0 0 0 t at d ic o o l i n gw a t e rs y s t e mw a st a k e na se n g m e e n n gc a s e , w h o s es t r u c t u r ea n do p e r a t i o n a lp a r a m e t e r sw e r eo p t i m i z e d ( 1 ) a f t e ro p t i m i z a t i o n , c o o l i n gw a t e rv o l u m ew a sr e d u c e db y5 0 i ns u m m e r , 6 0 i nw i n t e r ( 2 ) a f t e r o p t i m i z a t i o n ，a i rv o l u m ew a sr e d u c e da n dt h eo p e r a t i o n a lc o s tw a sr e d u c e db ya b o u t 2 6 i ns u m m e ra n d5 0 i nw i n t e r k e yw o r d s ：c i r c u l a t i n gc o o l i n gw a t e rs y s t e m ；o p e r a t i o n a lc o s t ；o p t i m i z a t i 4 青岛科技大学研究生学位论文 目录 第一章文献综述1 1 1 概述1 1 2 循环冷却水系统的工业现状。2 1 2 1 工业现状2 1 2 2 课题研究的意义3 1 3 循环冷却水系统的研究进展3 1 3 1 冷却塔模型的研究进展。3 1 3 2 循环冷却水系统的节能节水7 1 3 3 循环冷却水系统换热网络的研究进展1 0 1 3 4 循环冷却水系统优化的研究进展1 1 1 4 模型的求解方法1 2 1 5 本文研究内容14 第二章循环冷却水系统优化模型的建立1 6 2 1 系统描述1 6 2 1 1 冷却塔17 2 1 2 换热用户18 2 1 3 循环水泵1 9 2 1 4 风机1 9 2 2 单元模型的建立2 0 2 2 1 冷却塔2 0 2 2 2 换热用户2l 2 2 3 循环水泵的模型。2 3 2 2 4 鼓风机的模型2 3 2 3 优化模型的建立2 4 2 3 1 问题的定义2 4 2 3 2 循环冷却水系统的优化模型2 4 2 4 优化模型的求解2 5 2 4 1 边界条件2 5 2 4 2 初值的设定2 5 2 4 3 模型求解方法的选取2 5 2 5 优化模型的验证。2 5 降低循环冷却水系统操作费用的优化研究 2 6 本章小结2 6 第三章循环冷却水系统影响因素的分析2 7 3 1 出塔温度2 7 3 1 1 出塔温度对循环水量的影响2 7 3 1 2 出塔温度对操作费用的影响2 8 3 2 干球温度3 0 3 3 空气湿度3l 3 4 电价3l 3 5 水价3 3 3 6 系统结构3 4 3 7 传热系数。3 4 3 7 1 传热系数对循环冷却水量的影响3 4 3 7 2 传热系数对操作费用的影响3 5 3 8 本章总结3 5 第四章循环冷却水系统的综合与优化3 7 4 1 单塔多用户循环水系统的优化3 7 4 2 多塔多用户系统的优化与综合。3 8 4 2 1 用户的用水来自一个塔回同一个塔。3 9 4 2 2 用户的用水来自多个塔回任一个塔。3 9 4 2 3 用户的用水来自一个塔回多个塔4 0 4 2 4 用户的用水来自多个塔回任意多个塔4 1 4 3 模型的求解4 3 4 4 多塔多用户系统优化方案的对比4 3 4 4 1 不同策略的优化结构对比4 3 4 4 2 不同优化方案的工况对比4 6 4 4 3 不同优化方案操作费用的比较4 7 4 5 多塔多用户循环水系统算例4 8 4 5 1 优化前后操作参数对比4 8 4 5 2 优化前后系统工况对比一4 9 4 6 本章小结4 9 第五章某厂年产l o 万吨t d i 装置循环水系统优化。5 0 5 1 分配系数的确定5 l 青岛科技大学研究生学位论文 5 2 操作参数的确定5 4 5 2 1 循环水进出塔温度的确定5 4 5 2 2 用户循环水入出口温度的确定5 5 5 2 3 用户实际循环水量的确定5 6 5 2 4 系统参数的对比5 7 5 3 本章小结5 8 结论5 9 参考文献6 1 致谢6 3 攻读学位期间发表的学术论文目录6 5 独创性声明6 7 i i i 降低循环冷却水系统操作费用的优化研究 i v 青岛科技大学研究生学位论文 符号说明 f 一冷却塔数： 一用户数； 乇，f ，乙f ，。，一分别为冷却塔f 进、出塔温度，补充新鲜水后循环水出塔温度，； 乙。，乙一分别是湿球温度，干球温度，； 矿一核算因子； ，厄州一分别表示空气进冷却i 塔绝对湿度，冷却塔i 出口绝对湿度， c c 一浓缩倍数； 吼一循环水实际处理量，船h ； w a u ，f ， f ，刈一分别表示风量，蒸发水量，补充水量，k g h ； g m 瓯f 一分别是冷却塔i 的最大处理量，堙h ； 心，_ ，一工艺物流流量，堙h ； 4 ，一用户换热面积，m 2 ： u ( y ，d 一用户回水分配系数； f ( z ，) 一冷却塔出水分配系数； 瓦乙。，一循环水进、出换热用户温度，； k ，一用户总传质系数，w ( 。c m 2 ) ； ，c 肋一分别表示冷，热物料的比热容，材( k g k ) ； w 吖，w h a 一分别表示冷却水，工艺物流的流量，培h ； q q ，9 一分别表示冷却剂的得热量，移热量，移热负荷，k w ； ，一分别为管程对流传热系数，壳程对流传热系数，角标i , o 表示管内，外； ，乙一分别为饱和蒸汽温度和管壁温度，； p ，五一分别为在纯+ t 。) 2 - f ，冷凝液的密度( 培肌3 ) ，粘度( p a j ) 和导热系数 ( 形( m k ) ) ； 岛，一分别表示饱和蒸汽的密度( 姆m 3 ) 和冷凝潜热( 材堙) ； 三一传热管长度，m ； 墨，尼一分别表示管程，壳程污垢热阻； 降低循环冷却水系统操作费用的优化研究 瓦u ，瓦。，一分别表示热物流的进，出口温度，； q ，蛾么，一分别表示换热器的移热负荷，平均温差，换热面积； ，z 一指数，是流动方向而定，当被冷却时，刀= 0 3 ，当被冷却时，刀：0 4 ： q 一循环水系统操作费用，￥a ； 例，巳拓一分别表示第f 个冷却塔的水价，￥堙，电价，￥k 形h 乞f ，弓，一分别表示第，个冷却塔中风机，循环水泵的电耗，k h ； 乙一年运行时间，a h 。 2 青岛科技大学研究生学位论文 1 1 概述 第一章文献综述 水资源是人类生存之本，水资源的短缺已经成为2 l 世纪三大生态问题之一， 被世界认为是威胁人类发展的重要问题之一。我国水资源严重短缺，据有关部门 统计，我国人均水资源拥有量仅为2 2 0 0 m 3 ，仅为世界平均水平的1 4 左右，是世 界上1 3 个主要缺水国家之一，是公认的“贫水国 。 近年来，我国用水紧张程度日益加剧，在我国6 6 9 个城市中，供水不足的城 市占2 3 左右。据有关部门预测，到2 1 世纪中期，当我国的人口数量达到1 6 亿 峰值时，人均水资源拥有量将减少到1 7 5 0 m 3 ，到那时，全国的大部分地区将出现 严重的缺水的局面。 据统计，1 9 8 0 年我国工业用水量2 8 3 9 亿m 3 a ，2 0 0 2 年工业用水量l1 3 8 亿 m 3 a 。二十多年来，我国工业用水量几乎翻了4 翻，至2 0 3 0 年工业用水量增加到 2 0 6 0 亿m 3 a ，也是我国缺水高峰期【l 】。 循环冷却水系统是遍及电力，冶金，石化等工业部门的系统，是石化行业重 要的公用工程，其运行的质量直接关系到生产装置和设备安全，关系到产品的产 率和质量；循环冷却水系统是决定企业产能是否实现长期稳定的重要因素，也是 化学工业中用水量最大的系统。目前，循环冷却水系统占工业用水量所占7 0 左 右【2 j ，随着我国工业化进程的推进，这个比例还将继续增大。 电力是优质的二次能源，它易于转化成其他形式的能源，具有许多其他能源 无法替代的优良性能，没有电力就没有现代社会和现代社会的文明。建国以来， 电力行业得到了很大的发展，发电量有了很大的提升，但由于我国人口众多，人 均用电量水平相当低。据权威部门统计，到2 0 0 2 年为止，我国人均装机能量为 0 2 5 k w ，人均年用电量仅为1 0 6 4 k w h ，低于世界平均水平的一半。 近年来，我国政府部f - i n 强电网建造和新电站的构建。发电量和人均用电量 均有了很大的提升。截止2 0 0 4 年底，我国发电装机容量达到4 4 亿千瓦，同比增 长1 2 6 ；全国累计发电量2 1 8 7 0 亿k w h ，同比增长1 4 8 。2 0 0 5 年1 8 月份， 全国新增发电装机容量3 3 4 0 2 8 万k w ，全国建成5 0 0 k v 输电线路5 4 2 5 2 万公里， 变电容量2 0 6 7 1 万k v a ，3 3 0 k v 输电线路1 0 7 7 3 万公里，变电容量2 0 6 4 万k v a ， 2 2 0 k v 输电线路1 6 3 8 3 5 万公里，变电容量4 8 7 5 3 亿k v a 。然而全国全社会用电 量1 6 1 1 3 8 7 亿k w h ，比去年同期增长1 4 1 2 ，随着用电量的增加，电力供需 形势依然严峻，冬夏两季大面积缺电现象依然存在【3 】。 降低循环冷却水系统操作费用的优化研究 随着工业化的迅速发展，循环水输送和冷却处理过程中消耗大量的电能。据 统计，仅火电厂中，循环冷却水系统所耗用的电能占电厂总发电量的1 5 以上【4 j 。 石化行业的循环冷却水系统运行耗电量远大于这个比例，故冷却循环水系统是化 工行业的电耗大户。 缺电缺水的今天，循环冷却水系统依然是电耗和水耗的大户。随着工业化进 程的迅速推进，系统的电耗和水耗量还会迅速增加。在不断开发新产品，新技术， 持续改善循环水系统的处理质量基础上，最大限度的降低系统运行成本，成为当 今循环冷却水系统的主要研究方向。 1 2 循环冷却水系统的工业现状 1 2 1 工业现状 我国对循环冷却水系统的掌握情况与发达国家相比还有相当大的差距。对整 个系统的研究也还未引起足够重视，除电力行业外，国内化工行业研究得相对较 少。 目前，我国循环冷却水系统的工业状况是： ( 1 ) 循环冷却水重复利用率低。我国一般化工行业循环水的浓缩倍数为2 - 3 倍左右，石化行业为4 倍左右。发达国家循环水的浓缩倍数5 倍左右，日本6 倍 左右，与发达国家相比，我国循环水浓缩倍数较低。循环水浓缩倍数低，意味着 循环水排出量大，补充新鲜水量大，系统运行所需水费高。 ( 2 ) 循环冷却水系统能耗过大。目前化工行业对循环冷却水系统的操作存在以 下不足：由于我国对循环冷却水系统没有足够的重视，系统操作缺乏理论支撑， 故循环水量，循环水出塔温度等操作参数在不同季节未做相应的调整。 事实上，不同的季节循环冷却水系统的最佳循环水量，最佳出塔温度等操作 参数各不相同。一般而言，冬季干球温度、湿球温度、空气湿度比夏季低，用户 的循环水实际入口温度比夏季低，如果冬季出塔温度，循环水量等参数继续采用 夏季的参数而不做相应的调整，势必造成电能不必要的浪费。 ( 3 ) 风机和循环水泵余量过大。水泵、风机以及管路的供水能力和处理水能力 与实际要求长存在“大马拉小车的现象 ，造成能耗的严重浪费现象【5 j 。 随着化工行业的做大做强，经济突飞猛进的发展，“低消耗，低排放，高效 率 的集约型经济增长方式必然取代“高消耗，高污染，低效率”的粗放型经济 增长方式。新经济增长方式越来越受到政府部门和公众的重视。循环水系统的高 能耗，高水耗工业现状是必须要改变的。 2 青岛科技人学研究生学位论文 1 2 2 课题研究的意义 循环冷却水系统运行需要消耗大量的电能和水源，操作费用是将系统电耗和 水耗联系起来的桥梁。目前，把两者联系起来同时考虑的工作还不多见1 6 j 1 7 j ，而 国内尚未见报道。 影响循环冷却水系统的因素很多，例如由于气象条件，水价，电价因地区不 同而不同，同一装置在不同的季节运行，相同的设计在不同地区运行，操作费用 不尽相同，最佳操作参数也不同。循环水系统的复杂性，普遍性，对气候条件、 水价、电价的敏感性意味着建立循环冷却水系统优化模型能准确预测系统在不同 地区、不同季节的最优操作参数和系统结构，在工业上具有很好的前途。 随着化工企业的做大做强，工业园模式经济日益普遍化，循环冷却水统一由 水处理厂提供和冷却处理，在水处理厂中由几个冷却塔甚至几十个冷却塔处理循 环水的系统很常见。各冷却塔的最优出塔温度的确定，循环冷却水的供水和回水 处理方式的确定，系统操作费用的估算都是必须要解决的问题。 本文建立了循环冷却水系统的优化模型，分别讨论了干球温度、空气湿度、 循环水出塔温度、系统结构、水价、电价和传热系数等因素对循环水系统操作费 用的影响，确定了操作费用随气候条件、水价、电价、结构变化而变化的规律； 分别讨论了单塔多用户和多塔多用户系统的优化方案。最后通过工程实例验证了 循环水系统优化的可行性，该模型能预测循环水系统在不同地区不同季节的运行 参数和最佳结构，对老厂改造和公用工程扩建具有重要的指导意义。 1 3 循环冷却水系统的研究进展 1 3 1 冷却塔模型的研究进展 冷却塔是循环冷却水系统最重要的设备之一，目前对冷却塔模型的研究很多 【2 1 。冷却塔模型主要包括一维和二维模型。 赵安顺等【1 3 l 建立了自然通风式冷却塔模型，即对气流运动采用雷诺时均方 程，雷诺应力采用k - f 双方程模型进行封闭，雨区热交换的雨滴当量直径采用已 有的冷却塔雨区热力特性研究成果，建立了二维自然通风逆流式冷却塔设计计算 模型。其模型如下： 1 空气流场数学模型： 冷却塔在稳定运行状态下，假设塔内气流动为定常流，空气为不可压缩的流 体。塔内填料顶面气流的雷诺数可达1 07 ，为湍流状态。流动符合轴对称定常不 可压缩二维雷诺时均方程，采用k - f 双方程湍流模型对雷诺应力进行封闭。 3 降低循环冷却水系统操作费用的优化研究 ( 1 ) 连续方程 塑+ 一1 o ( u r ) ：o 瓠ra r ( 2 ) 动量方程 ( 1 - 3 ) 亟掣+ 吾学一丢i 罢i j r 导i 总小考l 苏r务 叙i 州苏i升l 一务i ：一罢+ 昙 以罢 一吾昙 以二罢 二p g + 主 j 1 - 4 亟竽+ 7 1 亟掣o r 一丢i 乜罢l r 拿o ri 以垆孚o ri_ 十_ 一一i i 心。i | - _ l 心r 。_ i 饿， 优i蹴li ：一罢+ 昙r 鸬罢 一吾昙r 乜巾鲁 一丁2 , u e - v + c o 。5 一言+ 瓦i 鸬瓦i 一7 瓦i 乜。瓦i 一丁 j ( 3 ) k 方程 昙( p 协七) + 一1 拿( p 伊甜七) ：昙( 丝_ o k ) + ! 昙( ，丝_ o k ) + q p 占( 1 - 6 ) o x rd ro xo 。o xro ro 。o r 扣州+ 等协d = 丢嗟争一1 0 rr 靠o r 箦鲰o r 俄，蹴仉出 仉 式中 q = 以f2 l 罢 2 + 警 2 + 詈 2i + 暑等+ 罢 2i ( 1 - 8 ) 扣“) + - 1 扣m = 丢卦哥嚆卦锷m 9 ， 式中 u ，d ，尸分别是x ，厂向的气流速度( m l s ) ，气流密度( k g m 3 ) ； c ，c 分别是x ，向的填料及水力压力( 吒) ，g 为重力加速度( m s 2 ) ； q ，c i ，吒，吒，吒为湍流模型常数。 2 冷却塔内热交换模型 冷却塔热交换区域分喷淋区，淋水填料区和雨区等三个区，热力计算采用焓 差法。 a q = 疋( f 一f ) d v ( 1 - 1 0 ) 4 青岛科技大学研究生学位论文 水温与空气焓方程： 知一1 扣m = 船卦三r 旦o x 。旧, 盟o r ) + 锷( 1 - 1 1 ) g c w 瓦a t = 等m 式中 d v ，a o 分别为单位体积m 3 ，微体积的换热量( j 1 1 ) 5 。，i ，屯分别是对于水温的单位体积湿空气饱和焓，干空气焓，湿空气焓，单 位均为j k g ； k ，q ，g ，分别是填料或雨滴系数，淋水密度，水的比热和水温。 3 雨区数学模型 ( 1 ) 雨滴运动数学模型 冷却水雨滴在冷却塔中的运动是一个复杂的过程，雨滴可以简化成相同直径 的刚性球体，根据牛顿第二定律可以列出其运动方程： 聊警= 聊警啬”i d u w = - r e g + 六 m 。3 ) 聊譬：聊冬- d x ：删，了d u e ：z ( 1 - 1 4 ) 船i 硼苫石硼嘣，。i 2 ， 式中 m ，u wf 分别为雨滴质量，雨滴速度，时间。z ，z 分别为空气对雨滴的作用力， 根据实际情况获取【1 4 】。 ( 2 ) 雨区热交换散质系数数学模型 与阻力计算相仿，雨区的热交换亦将雨滴简化为相同大小的球，雨滴可以简 化为刚性球体，其系数分别为： k ：。5l4 p 。p 、( u - u ) 2 + ( u - v w ) 2 。一( 1 - 1 l 广7 j 5 ) 皿= 半山l 2 7 3 j 一9 8 l 。4 u - l o ) 。 只 疋= k 。万6 再qy wh w ”h ( 1 1 7 ) 降低循环冷却水系统操作费用的优化研究 式中 砬，k ，k ，以，丁分别是湿分子空气传热系数，球的面积散热系数，雨滴的散质 系数，大气压力，雨区热交换当量直径，空气绝对温度。 该二维模型采用s i m p l e 方法和四阶龙格库塔相结合求解。模型能较好预测 循环水进出塔温度，与一维模型相比较，效果更好。但该模型需要大量的实验数 据和经验常数，模型复杂。从环保和节能角度考虑，在国内外采用自然通风冷却 塔的情况越来越少。 v d p a p a e f l h i n m i o u 等【l5 】基于循环水和空气质量和能量守恒的规律，建立了 横流湿式冷却塔换热的数学模型，模型开发基于以下几个方面的假设： ( 1 ) 仅考虑沿着塔高方向的质量和能量传递； ( 2 ) 通过塔墙传递到环境的质量和能量忽略； ( 3 ) 从风机传递到循环水或空气的热量忽略； ( 4 ) 整个塔的质量和能量传递系数，路易斯准数是常数； ( 5 ) 漂滴损失的水量忽略； ( 6 ) 塔内，同一切面上循环水的水温一致； ( 7 ) 冷却塔横流部位的截面积相等。 冷却塔数学模型的微分形式： 鲁= c 等q 簪c 警， 鲁一m巩i盟+署瓦+觇)1wc 西一 a z 十西仰眇十十眠_ 罟= 警( 形删吲 一d i n w ：聊。盟d z 。忽 k 叫争仉4 5 ( 争0 6 = l e k 。 c 唧= cp 口+ w c 删l k - 2 ( 4 5 印n 6 边界条件： ( 乙) z ：o = ；( l ) 赳= 瓦o 6 劬 d 动 q $ 0 0 也 之 乏 之 乏 乞 0 0 0 0 0 0 0 0 青岛科技大学研究生学位论文 ( ) 捌= ；( m w ) ：= 聊 该模型采用r u n g e k u t t a 方法求解，然后采用数值计算软件m a t h c a d 进行 模型分析，该模型描述了横流式冷却塔内循环水的蒸发过程。另外，还从热力学 角度描述了空气相对湿度，水温，空气温度，随着塔高变化而变化过程。系统分 析了影响冷却塔的热力学性能和冷却效率的因素，为冷却塔设计和运行优化提供 参考。但是该模型比较复杂，需要变量多，求解困难。 m m c a s t r o 掣6 1 根据典型冷却塔的核算图拟合一般冷却塔模型，其操作点 转化为两个关联式，模型包括循环水进、出塔温度，空气湿球温度，核算因子等 因素。其模型如下： r o = 2 3 9 0 4 3 ( 瓦) n 捌躅( 乇) 0 4 咖矿m 仍堋 ( 1 - 2 6 ) r o = - 3 3 9 0 4 3 9 + 1 3 0 11 2 艺一4 1 0 1 9 1 0 - i 瓦曲+ 2 1 0 3 1 5 1 0 t 矿( 1 - 2 7 ) + 2 5 5 2 0 8 x 1 0 - 3 r 0 2 + 1 4 9 1 5 9 x 1 0 之圪一2 9 3 7 7 4 x 1 0 矿2 - 7 7 0 5 9 6 x 1 0 一乏瓦6 - 3 8 4 5 0 7 x 1 0 乃矿- 1 8 6 6 9 6 x 1 0 一瓦6 矿 - 1 2 3 7 3 8 x 1 0 弓- 巧- 9 8 4 4 6 8 x 1 0 。5 互一2 8 4 4 8 6 x 1 0 r f 3 - 2 8 2 4 9 2 x 1o - 5 碍瓦6 + 7 2 4 0 5 5 x 1 0 _ 5 乃毪+ 6 2 6 7 7 1 x 1 0 4 牙矿+ 3 1 4 3 2 8 9 x 1 0 _ 2 艺矿2 + 2 2 3 0 0 1 x 1 0 - 3 r ：2 矿+ 6 0 1 5 6 5 x 1 0 - 3 瓦岫矿2 矿= m w 。r f o m 。( 1 2 8 ) 边界条件： 6 5 。f r o 9 8 。f 0 5 f i 2 g p m 矿4 2 g p m 7 l 。f 死1 3 8 。f 6 0 。f 8 0 。f 求解该模型变量少且容易获取，计算准确。不足点是使用范围较窄。其中是 式( 1 2 7 ) 1 ：b 式( 1 2 6 ) 相关性好，然而式( 1 - 2 6 ) 更好反映冷却塔性能，故常采用式( 1 2 6 ) 描述冷却塔模型。 j i n - k u kk i m 等建立了冷却塔模型，此处不再详述，详见参考文献【7 】。 1 3 2 循环冷却水系统的节能节水 在循环冷却水系统的设计过程中，循环水换热过程分a 和b 两个过程，a 过 程是指热物流和冷却水换热过程，b 过程是指循环水在冷却塔的换热过程。换热 过程a 选取一般设计工艺发热量等于最大工艺发热量，换热b 过程以全年最热三 个月，频率为5 0 o , - - 1 0 的气象条件作为计算参数，在全年9 0 * * - 9 5 左右的时间段 7 降低循环冷却水系统操作费用的优化研究 里，系统都在低于设计规定的工况下运行，同时循环水泵的能耗占系统能耗的绝 大部分。 戎凯伦【1 6 】提出了循环冷却水系统的节能新概念，他认为：循环水进、出塔温 度越接近设计温度越可能实现节能；改变循环水泵的出水量可以实现循环水进、 出塔温度与设计温度逼近，而调节出水量又通过改变循环水泵中电机的转速的方 式来实现；不断建立，更新或完善循环冷却水系统节能降耗新概念，在引导下借 助本行业或相近行业近年出现的新技术及新产品；在增大系统处理能力的前提条 件下，使得系统能自动的适应用户要求，气象条件的瞬时变化的能力，使系统能 耗和水耗达到最低的程度，是节能新概念的目的。 变频技术是近年来电动行业兴起的一项新技术，目前它在循环水系统节能方 面的应用与研究是热点之一【1 7 2 2 1 。该技术的关键在于通过改变电源的频率从而改 变电机的转速。在循环冷却水系统中，通过改变电机转速调节水泵流量，没有人 为给系统附加阻力，根据循环水量的实际需求调节水泵功率，从而达到节能的目 的。闰桂焕等【2 3 1 将变频调速技术应用在循环水系统中，建立了循环冷却水系统 运行的数学模型并求解了调频循环水泵的工作点，得到了系统的最佳运行方式， 将变频调速方式的优化结果与循环水系统其它调节方式的优化结果进行比较发 现是切实可行的并且节能潜力极大，取得了很好的经济效益