[发明专利]循环冷却水系统水泵风机组合变频优化运行方案确定方法

权利要求书

1.一种化工循环冷却水系统水泵风机组合变频优化运行方案确定方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤A：不同计算环境工况下循环冷却水系统考虑全系统热平衡的冷却水最小需要流量计算确定；

步骤B：循环冷却水系统水泵并联扬程性能曲线和系统需要扬程性能曲线计算确定；

步骤C：循环冷却水系统考虑全系统热平衡的风机定工况水泵组合变频优化运行方案计算确定：

循环冷却水系统中，风机定转速运行，水泵可进行运行台数组合优化运行、组合变阀优化运行、组合变频调速优化运行；水泵运行台数组合优化运行，根据不同计算环境工况下循环冷却水系统考虑全系统热平衡的冷却水最小需要流量选择水泵包括台数和大小的最优运行组合，避免流量过大造成能源浪费，但运行台数组合优化运行，大部分情况下冷却水流量仍然过大，造成能源浪费，如果减少1台运行水泵，则供水量不足；水泵组合变阀优化运行，通过调节阀门开度，改变系统管网需要扬程曲线，调节系统循环水流量，控制各并联支路满足负荷换热要求的水流量，减少全年运行能耗，但是阀门调小增加了管网阻力，造成了能耗增大；水泵组合变频调速优化运行，是在水泵运行台数组合优化的基础上，根据水泵机组变频调速原理，在满足冷却水最小需要流量的前提下，使参与运行的一台水泵机组实施变频调速运行，可以显著降低系统能耗；

(1)水泵最优运行组合及其流量范围确定

为满足系统最不利处的压力要求，设定水泵大小组合运行方式，在水泵性能曲线图上，将单台小泵、单台大泵、1大1小泵组合和2大泵组合的4种单泵或并联组合的水泵流量-扬程性能曲线分别和系统需要扬程性能曲线联立求解，求得所述4种水泵流量-扬程性能曲线分别与系统需要扬程性能曲线的4个交点，自小流量到大流量交点分别为A、B、C、D点，A、B、C、D点即为水泵不同运行组合选用的流量分界点，分界点流量分别为Q_A、Q_B、Q_C、Q_D；当系统冷却水最小需要流量小于Q_A时，选用单台小泵运行；当系统冷却水最小需要流量在Q_A～Q_B之间时，选用单台大泵运行；当系统冷却水最小需要流量在Q_B～Q_C之间时，选用1台大泵加1台小泵并联运行；当系统冷却水最小需要流量在Q_C～Q_D之间时，选用2台大泵并联运行；

(2)水泵组合变频优化运行方案计算确定

根据系统最小需要流量选择水泵最优运行组合，通常系统冷却水流量仍大于系统冷却水最小需要流量，而少开一台机组流量又不够，此时，再通过单台水泵机组变频优化运行，在满足冷却要求的前提下，进一步降低能耗；单泵变频运行优化方法有两种：以系统最小需要水流量确定单泵最优运行转速、以变频水泵效率最高确定水泵最优运行转速；再在这两种变频优化方法中，以能耗最小确定最后采用的变频优化方法：以系统冷却水最小需要水流量确定单泵运行转速进行水泵组合变频优化运行；

在水泵性能曲线图上，根据系统冷却水最小需要流量确定水泵最优运行组合和满足正压的最低扬程确定点O，根据过点O的相似工况抛物线，进行水泵变频，根据水泵相似律，计算确定水泵变频比δ_pn，得变频后水泵扬程性能曲线表示为：其中A₁、B₁、C₁为多项式系数；

在满足系统冷却水最小需要流量和供水正压要求的前提下，全年不同计算环境工况时，以泵机组输入功率最低为目标建立数学优化模型；

系统单台水泵变频运行时，

目标函数：

约束条件：

系统2台水泵并联运行，其中水泵1变频运行，水泵2额定转速运行，

目标函数为

约束条件：

其中：ρ为水体密度，kg/m³；g为重力加速度，m/s²；下标1表示变频水泵机组，下标2表示不变频水泵机组；N_pbp为水泵机组输入功率，如有变频器，则为变频器输入功率，kW；η_p为水泵效率；η_c为水泵与配套电机的传动效率；η_em为水泵运行时的电动机效率；η_bp为水泵机组变频器效率；Q_{r min}为系统冷却水最小需要流量，m³/s；Q_{p max}为所有运行水泵最大临界流量，m³/s；N_{pe min}、N_{pe max}分别为单台水泵机组变频器允许最小输入功率、允许最大输入功率，kW；流量约束条件表示单台水泵运行流量必须满足不同计算环境工况下系统最小需要流量的要求，且不超过所有运行水泵的总最大流量；功率约束条件表示单台水泵机组输入功率控制在合理的泵机组输入功率范围内；变速比约束条件表示单台水泵变速比的允许范围，变频比过小，水泵效率下降明显；变频比过大，影响水泵机组安全；

累加各计算环境工况风机和水泵能耗，得循环冷却水系统全年运行总能耗：

其中，A_z为系统全年运行总能耗，kW·h；m为全年不同计算环境工况设定种数，即全年系统最小需要流量种数；N_feε为第ε种计算环境工况额定转速风机机组输入功率，kW；N_{p bpε}为第ε种计算环境工况冷却水系统实施变频优化运行的水泵机组输入功率，kW；t_hε为第ε种计算环境工况系统运行时间，h；

步骤D：循环冷却水系统考虑全系统热平衡的同时实施水泵组合变频、风机变频优化运行方案计算确定：

由于风机角度调节不方便并且调角费用高，所以风机优化运行选择定叶片安装角变频调速优化运行方法；在保证冷却目的前提下，以冷却水系统水泵风机全年总运行能耗最低为目标，同时实施水泵组合变频、风机变频优化运行方式；

具体方法：设定风机变频比范围0.6～1.1，一定湿球温度时，对任一确定的风机转速，应用步骤A～C的方法确定水泵组合变频优化运行方案，计算出多个风机转速时的水泵组合变频优化运行方案；

某一湿球温度时，循环冷却水系统冷却塔风机变频比较小时，风机转速较低，功率较小，但风量也较小，冷却塔冷却效果较差，为保证系统冷却效果，要求系统冷却水流量较大，水泵机组输入功率较大；随着风机变频比的增加，风机转速和功率增加，冷却塔通风冷却效果提高，冷却水最小需要流量减小，水泵功率下降，循环冷却水系统风机机组和水泵机组总输入功率先降低后增加，得出系统总输入功率最小时对应的风机最优变频比δ_{fn opt}；

依此方法，计算全年不同湿球温度计算环境工况时循环冷却水系统总输入功率最小时对应的风机最优变频比及对应的水泵运行组合和单台变频比，从而确定循环冷却水系统水泵风机组合变频优化运行方案。

2.根据权利要求1所述的一种化工循环冷却水系统水泵风机组合变频优化运行方案确定方法，其特征在于，步骤A中所述的不同计算环境工况下循环冷却水系统考虑全系统热平衡的冷却水最小需要流量计算确定的求解过程如下：

机械通风逆流湿式冷却塔热力平衡计算采用麦克尔热力平衡方程：等式左边为冷却塔填料特性数Ω_n’，求解为Ω′_n＝Bλ^k，等式右边为逆流式冷却塔工作特性冷却数Ω_n，采用多段辛普逊求解法，当冷却塔进出水温差Δt15℃且计算精度要求不高时，简化为其中Q为循环冷却水流量，m³/s；β_xv为以含湿量差引起的容积蒸发散质系数，kg/(m²·s)；V为冷却塔填料的体积，m³；K为蒸发水量带走的热量系数；t₁、t₂分别为进塔水温和出塔水温，℃；dt为微元高度dZ变化下冷却水进出填料层的温度，℃；下标θ、t分别为空气温度和水温，℃；i”为饱和空气焓，kJ/kg(DA)；i为空气比焓，kJ/kg(DA)；C_w为循环水的比热，kJ/(kg·℃)，取4.1868kJ/(kg·℃)；λ为进填料的干空气与进填料的循环水的质量比；B、k为淋水填料的实验常数，下标1、2、m分别为冷却塔进口、出口、塔内中间部位；

工业用水中的盐类随着温度的升高溶解度减小，盐类析出后形成污垢结附在管道内壁，传热效果降低，故壳管式换热器中循环冷却水工艺换热侧出口温度控制在不高于45℃，换热器被冷却介质的温度需严格控制；

根据换热器的热交换原理，传热方程为q＝h SΔt_m，逆流换热器出口冷热源温差较大，对数平均温差Δt_m计算公式为热平衡方程为q_c＝C_cm_c(t_co-t_ci)，将传热方程和对数平均温差带入到热平衡方程中，q＝q_c，计算换热器冷却水最小需要流量为式中冷却水出口温度为最高允许温度，即取t_co＝t_{co max}＝45℃；循环冷却水系统冷却水最小需要流量的求解中，需对换热器冷却水出口温度和被冷却介质的温度进行控制，考虑冷却塔热平衡的循环冷却水系统，其系统冷却水最小需要流量为系统中各并联换热器最小需要冷却水流量之和，计算公式为其中m_c为冷却水质量流量，kg/s；q为热负荷，kW；C_c为冷却水比热容，kJ/(kg·℃)；t_hi、t_ho分别为被冷却介质进、出口温度，℃；t_ci、t_co分别为冷却水进、出口温度，℃；h为换热器传热系数，kW/(m²·℃)；S为换热器换热面积，m²；Q_z为循环冷却水系统冷却水最小需要总流量，m³/s；Q_i为系统第i层冷却水最小需要体积流量，m³/s；m_c,i为第i层冷却水最小需要质量流量，kg/s；n为系统中并联层数；ρ为冷却水密度，kg/m³；

忽略循环冷却水系统中管路的热量损失和水量损失，已知冷却负荷、系统实际管路特性、被冷却介质的最优反应温度和冷却水出口最高允许温度，通过编程，迭代计算出不同环境温度下循环冷却水系统冷却水最小需要水流量；

热平衡计算过程为：先设置湿球温度t_s作为冷却塔的出塔水温t₂，即为工艺换热侧进口水温，考虑各并联支路被冷却介质冷却要求，同时控制换热器冷却水出口温度t_co≤45℃和被冷却介质的温度满足要求，利用m_c、Q_z公式计算得到各并联支路换热后的出口水温t_coi和对应冷却水流量Q_i，i代表并联支路编号，通过调节并联支路回水管阀门改变各支路运行水流量Q_i满足要求，各个支路出口冷却水混合得到工艺换热侧出口干管冷却水温度t₁和总流量Q_z，即为冷却塔进塔水温和水流量，再循环进入冷却塔进行换热散热，利用Ω_n’、Ω_n公式将得到的出塔水温t₂’与上一次循环计算的出塔水温t₂进行比较，若|t₂’－t₂|≤0.001，则系统工艺换热侧和冷却塔换热侧达到热平衡，得出此时系统的冷却水总流量Q_z和通风量G；若|t₂’－t₂|＞0.001，两者相差较大，则以此出塔水温t₂’代入重新进行循环计算，直至热平衡；热平衡时各支路冷却水流量为对应支路的最小需要流量，总冷却水流量即为系统冷却水最小需要流量。