夹点技术在循环冷却水系统优化中的应用

1、第二届全困石汕与化工行qk节能减排技术交流会夹点技术在循环冷却水系统优化中的应用冯霄沈人杰2 1中国石油大学化工学院，1022492西安交通大学化工系，71 0049摘要：当前循环冷却水系统采用并联结构。为了获得节水效果并提高冷却塔效率，本文 介绍了夹点技术用于循环冷却水系统时所产生的串联设计，以及具有中间水道的系统结构。给 出了最优设计的方法。并用一个例子比较了几者的不同。关键词：循环冷却水，水系统集成，串联结构，中间水道随着世界人U的4i断增长和工业的持续发展，水已经成为了短缺资源，工业的用水节约与 废水减排也成为了人类可持续发展的重要Ijf提之一。水的用途相当广泛，包括洗涤、作为传输热量

2、的介质以及参与反应等。在一个复杂的用水 系统中，涉及的用水单元较多，相应的单元操作种类也很多，包括有水处理、水利用、废水处 理等等。传统的研究方法仅仪是通过对系统中的每个单元做具体、深入的分析，从而寻找节水 的方法和策略，但这种节水方式不能达到较好的节水效果。因为任何一个用水网络系统不只是 众多用水单元的简单连接，他们之间存在着有机的相互联结和制约。只是孤立地对系统的每个 单元进行研究，难以取得理想的节水减排效果。所有需要对用水系统的整体考虑，这就是水系 统的集成技术【l】。循环冷却水系统作为工业用水系统中的一种，关于对它的研究目前也是主要集中在冷却系 统的单个组成单元上，而不是把系统看作一个

3、整体，无法获得很好的节水效果。而采用水系统 集成技术，就是把整个冷却水系统作为一个有机的整体来对待，在冷却水系统的设计和操作中 考虑系统中水在所有组成单元之间水量和水温的情况，可使系统水得到最有效的利用。一、循环冷却水系统构成一个完整的循环冷却水系统包括两个换热过程，如图l所示。冷却水在换热过程A(即冷却 器网络)中得到热罩=Hl，在换热过程B(例如冷却塔)中将热量H2交换，传递至环境(大气、 水)，若不计散热损失，HI=H2。35全困化工节能(减排)中心第二届全国石汕与化工行、lk节能减排技术交流会冷却水循环水泵 图l循环冷却水系统循环冷却水系统中的冷却水经过冷却器网络后被工艺介质加热成为热

4、水，热水基本上不排 放，经过冷却后仍然返回到系统中反复使用。企业中大部分采用敞开式循环水系统，其中的热水是经过冷却塔或者冷却池与空气直接接 触被冷却变成冷水，再返同系统循环使用的。它的流程如图2所示。此类冷却水系统包括冷却塔、再循环系统和冷却器网络。从冷却器网络中返回的循环热水 在冷却塔中被冷却，而从冷却塔出来降低了温度的循环水返回到换热网络中被工艺介质加热成 为热水。如此反复，因而大大节约了用水。冷却塔中热水的热量主要通过接传热和蒸发传热的 方式传递到空气中的。图2敞开式循环冷却水系统示意图 敞开式系统lfl，由于冷却塔的蒸发传热作用，使+。部分循环冷却水被空气带走，系统损失了一部分水。这部

5、分水没自带走所溶解的固体，而将它原来溶解的固体留在循环系统中，使循 环水中的溶解同体物浓度增加，这叫做浓缩现象。浓缩会改变水的腐蚀结垢性质，可能会加重全国化工节能(减排)中心第二届全困石油与化工行、Ik节能减排技术交流会水的结垢或者腐蚀倾向。故实际运行中需要排污。冈为过程中的蕉发和排污使得系统中的水产 生了耗损，因而运行中需要对系统进行补充水。冷却塔作为敞丌式系统中的一个苇要部件，它的性能常常是衡量该冷却l】9络系统一个承要 的性能指标。冷却塔的性能常采用效率来表示。冷却塔的效率被定义为系统实际移除热量与最 大可移除热量之比。该效率值越高表明会获得更好的冷却效果和除去更多的热量。研究表明，当冷

6、却水的进料状况为高温度和低流率时，冷却塔的效率就高【2】。换句话说， 冷却塔将能够从水中移去更多的热量。所以，保持冷却水进料的高温度和低流率对于维持高的 推动力是十分重要的。而在循环冷却水系统中，对冷却水的温度和流率影响最大的就是其中的 冷却器网络的结构。当前对于循环冷却水中的冷却器网络的设计，常常采用=J：联的连接方式。在这种平行的结 构中，新的冷却水分流直接进入到各个冷却器中进行换热。当冷却水在每个冷却器中使用变为 热的冷却水后，进行汇总然后就一起返回到冷却塔(图2)。此时最小冷却水片j量是由每个冷却 器的流率决定的。在并联的配置下，返回的冷却水流率虽然增人，但由于冷却水j进行一次换 热，

7、温度上升的幅度不大，换热以后的循环水温度还是比较低。这种状况将会导致冷却塔的性 能很差。二、串联结构的循环冷却水系统及其最优设计(一)循环冷却水系统的串联结构 为了使返回的冷却水具有更高的温度和更低的流次利用进行换热，这样返回的冷却水将会获得更高的温L圃2 i率，以节约用水并提高冷却塔的效率，可以采用串连的循环水系统结构，如图3所示【2】。冷却水在网络中被多L一冷却器 ：度。因而，如果换热任务一定则只要较低的流率就可以。L晤磊习3坐LI冷却器卜鲨由上面的分析可知，此时冷却塔的性能也获得了提高，即冷却塔将给冷却器提供更高的热量负荷图3冷却水网络的串联设计 为了获得最优设计，考虑到在循环水网络结构

8、中，重要影响冈素就是其中水的温度，因此，可以将水夹点 分析的方法应用于冷却水网络的设计中，将冷却水网络中的温度看作是水夹点中的浓度。具体 如下。37全固化工节能(减排)中心第二届全国石汕与化工行、Ik节能减排技术交流会(二)冷却器单元模型 冷却器中，过程物流与循环冷却水换热，使冷却水的温度升高，如图4所示。冷却器单元耳,OUT过程流股TelN上热量传递1L乙沂冷却水图4单元模型lL冷却器单元中的热量传递过程可以用图5所示的TMm耳D叮1Dr温焓图来表示。横坐标H代表热负荷，纵坐标T代表温度。温度是绝对的，即曲线不可上下移动；而热负TM“荷是相对的，只关心其进、出口的差值，因此曲线可l|NJ以左

9、右平移。温度最高的为物料线，较低的几条为冷?，。|：一t··· 却水线。冷却水线的左端点的纵坐标表示冷却器单元 冷却水的进口温度，右端点的纵坐标表示冷却器单元H冷却水的出口温度。冷却水线斜率的倒数。为冷却水图5温焓图 的流率。因此，在一定的进口温度下，出口温度越大，冷却水线斜率越大，冷却水的流率越小。 冷却水线与物料线之间的垂直距离，为温度差，代表了过程的传热推动力。通常进口温度在一 定范围内的冷却水以及一定范围内不同的冷却水的流率能够满足过程的需求，因此，能够满足 过程需求的冷却水线有多种选择，如图5物料线下的多条冷却水线。为了确定别的冷却器来的冷却水能被本冷却

10、器再利用的可能性，需要指定本冷却器最大允许进口温度(霸芦)。称为极限进l：-J温度；I-0时，为了确定所需冷却水的最小流率，需要指定本冷却器最大出口温度(碟筹)，称为极限出口温度。这样就得到了该单元冷却水的极限曲线(图5中物料线下的实线)。冷却器单元的冷却水线并不要求是冷却水的极限曲线，冷却水的极 限曲线只是给出了冷却水线的一个极限。由图5可以看出，位于极限曲线下方的冷却水线均可满 足过程要求。(三)极限复合曲线 为了达到循环冷却水网络的全局最优化必须从整体上来考虑整个系统的用水情况。所以，需要将所有冷却器单元的情况复合起来用复合曲线来分析。图6给出了如何将4个冷却器单元的 极限曲线复合为极限

11、复合曲线的方法：(1)在同一个温焓(T-H)图上画出所有冷却器单元的极限曲线： (2)按各个单元的进出口温度用水平线将T轴(温度轴)划分温度区间： (3)每个温度区间内，将该区间内所有冷却器单元的热负荷进行加和，得到该温度区问的复全国化工节能(减排)中心第二届全因石汕与化工行、lk节能减排技术交流会合lIllII线，该复合IItl线斜率的倒数Ffl F式计算：c 2 i云：=：南 =1”一'只V。1 ，V¨1(Z'ow，一互删，)式中：E区间V中冷却水的热容流率，kW'C； 日¨区间v中单元i的热负荷，kW；乃，'v，Z，Dw，区间V中单元i

12、的进、出口温度，；P瑚却器单元个数；V-i品度区间个数。LLTT171 7。|HH图6构造极限复合曲线(四)水夹点的形成及其意义 当确定了系统的极限复合曲线后，就可以确1定最小冷却水流量。位于复合曲线下方的冷却水线均可满足供水 要求。假定冷却水入口温度为某大干0的值，为 了使冷却水用量达到最小，应该尽可能增大其出 口温度，即增大供水线的斜率。但是为了保证一夹点 定的传热推动力，供水线必须处处位于极限复合 曲线之下。当供水线的斜率增大到在某点与复合 曲线开始重合时，出口温度达到最大，此时冷却 水用量达到最小。重合的位置就是所谓的“水夹 点”，见图7所示的“央点图”。水夹点对于用水刚络的设计具自泵

13、要的指导意义。水夹点上方冷却器单元的极限进U温度高图7夹点图39全固化工节能(减排)中心第二届全国石油与化工行、Ik节能减排技术交流会于夹点温度，不应直接使用冷却水；水夹点下方冷却器单元的极限jI口温度低丁夹点温度，不 应将升温后的冷却水送网剑冷却塔。图7中，水夹点所对应的冷却水流量就代表了整个系统冷却水的最小用量。可用卜式计算：磁=等业(3)pmch式中：碟。全网络系统最小冷却水热容流牢，kW。C； 日。胁夹点以下热总负荷，kW： 瓦，。c夹点温度，。由图7，在夹点处冷却水供给线与极限复合曲线重合，传热推动力似乎为0。实际并非如此， 在我们确定各冷却器单元的极限进、出L温度时，最小传热推动力

14、已经考虑在内。所以，夹点 处的推动力为最小传热推动力。通常，当返同冷却塔的冷却水超过某特定的温度，冷却水系统不能正常丁作。冈为过高的 返回冷却水温度会带来污垢问题、腐蚀或超H冷却塔冷却负倚等问题。所有实际操作中，常限 制流入塔中的返回冷却水温度不超过某个值，因此在设计中会存在一个温度的限制。三、具有中间水道的循环冷却水系统及其最优设计 (一)具有中间水道的循环冷却水系统结构当考虑水系统集成后采用串联结构时，由于所获得的用水网络各冷却器之问直接连接，对 于冷却器多的大规模系统，水网络过于复杂、不便于运行和控制。当生产中一个冷却器的水量、 温度状况发生变化时，将影响其它冷却器的运行。蒸发图8采用中

15、间水道技术设计的循环水系统 全国化工节能(减排)中心第二届全困石油与化工行、Ik节能减排技术交流会具有中fnJ水道的循环水系统克服了这个缺点，其网络结构如图8所示【3】。在这种新的冷却器 网络结构中，在循环水入U管道(Pi。)与出U管道(Po叭)之问设置宵一根中nJ管道(P。)，其温 度为Tm。P。接收来自一些冷却器排出的温度小人于Tm的冷却水，f：将它供给极限进U温度人于 或等于T。的其他一些冷却器。所谓的中间水道是指水温介于冷却塔所提供的循环水和返回冷却塔的循环水之问的水道， 它源于一些冷却器的具有较低温度的排放，又用于另一些可用较高温度的冷却器。用水网络中放置中间水道，可以简化设计方案、

16、水温的控制以及各种操作。一般来说，将中 间水道加入网络之后，循环水量减少。而且中间水道设置越多，循环水量越少。但是过多的中 间水道会增加网络的复杂性。因此，在循环冷却水网络的设计中，只考虑设立一级中间水道。这种网络结构，与常规的平行设计相比，该网络结构能明显减少循环水最和提高回水终温； 与串联结构设计相比，该网络结构简单，易于设计与控制。要设计出具有最少循环水量的网络系统，关键在于确定最优的中间水道的温度。当中问水 道温度较高时，可以有较多的冷却器的排水可以排入其中，但该水只能用于较少的其他冷却器； 反之，当中问水道温度较低时，其中的水可用于较多的冷却器，但岁有较少的其他冷却器的排 水可以排入

17、其中。显然，存在最优的温度。(二)优化设计的数学模型 为了对采用中间水道的冷却循环水网络系统进行优化设计，采用数学规划的方法进行。其中数学模型的建立主要针对其传热过程。假定此过程： (1)、过程中没有热鼍的损失； (2)、过程中物质没有损耗。此时可以将循环水系统中的冷却器网络看作是只有一个影响因数(即温度)的网络系统。 对于图8所示的循环水系统，我们的优化目标是获得最小的水出口热容流率，由此便可以建立相应的数学模型【l，3】：NNmin(艺，+乞，)a=lI-I(i_l N)(4)其中：f抽。州冷却器i由入口水道直接到中间水道的热容流率，kW'C，拥。刎J冷却器i由入CI水道直接到出口

18、水道的热容流率，kWN冷却器的个数 对每个冷却器的进行热负荷衡算：艺，(碥一矿)+圪，(Z 一矿)+艺，(巧刚一乙)=形 (i；1N) (5)式中：全固化工节能(减排)中心4I第二届全困石油与化工行、Ik节能减排技术交流会，一一冷却器i的流进中问水道的温度，r J盯1，冷却器i的入U温度，,it,out。，冷却器i的出口温度，个1m中问水道的温度，J冷却器i的由中问水道直接流到出u水道的的热容流率，kW。C形冷却器i的热负荷，kW温度的约束条件：o<Z”互 m“(i-1 N)(6)其中：J，冷却器i的入口极限温度，o<矿尹一(i=1 N)(7),it,out，max其中：Jf冷却器

19、i的出口极限温度，0<碍矿一(i-lN)(8)T个OUt懈0<”<MAX(o 1式中：MAX(1，卜所有的冷却器中出口极限温度最大值，r，max热容流率的约束条件：(碟+如J+圪“)s矿i-I(i=l 一N)(9)max其中：厶，冷却器i的极限热容流率，kW'CTI“。”，20(i=l 。N)(10)，m。训，2：0(i=l： N)(11)，舸。w。oO0=I N)(12)中问水道的热容流率的衡算：NNE如，J=11=l=一o(13)其中：L棚，为中间水道不经过冷却器直接排放到出口水道的热容流率，kW'C 中间水道的热量衡算：NN(艺，枣嘴。)=Z，·

20、;乙i=ll=l(14)求解该数学模型便可以获得中间水道结构冷却网络的最优化 在大多数情况F，中间水道的最优温度等于夹点温度。四、实例研究42全国化工节能(减排)中心第二届全固石汕与化工行、lk节能减排技术交流会该例了来自文献【2】，有四个冷却器，循环冷去¨水进U温度为20"C。热流数据见表l。如果 采用Jf：联结构，冷却水温丁f为10，则需要循环冷却水291th。设最小传热温差为lO，得到 各冷却器的极限进、出U温度(即冷却水在该冷封J器qJ的允许最人进、出U温度)见表2。该系统的央点图如图9所示。由此图可见，系统的央点温度为40"C，目标循环水流牢为 90kW

21、'C。文献【2】中采用央点技术设计的冷却器网络如图lO所示。表l实例的热流数据【l】冷却器热流进口温度()热流ff；口温度()热容流率(kW热负荷)(kW)150302040025040lOO 1000385404018004856510200采用本文的数学模型对该系统进行具有中间水道水系统优化设计，可以求I最优的中间水 道温度Tm为40"C，设计得到的水网络如图ll所示【3】。由图ll可以看；，循环水流率达到目 标值。此外，由于冷却器之间没有直接相连，网络相对简单，操作的弹性大，而儿在网络中增、 减冷却器比起采用水夹点技术设计的网络来说要较为容易。表2实例斧冷却器的极限数据【11冷却器极限进U温度()极限出U温度()热容流率热负荷(kW。C)(kW)l204020 400230401001000330754018004557510200T()75554020W)图9实例的夹点l冬I全固化工节能(减排)中心 43第二届全图石油与化工行qk节能减排技术交流会蒸发五、结论常规的节水措施、节水工艺通常着眼于单个的用水操作或者局部的用水系统，很少从全系 统范围统筹考虑用水的状