系統(tǒng)水熱平衡及自動控制設(shè)計

李忠國，王瑞霞，燕林波

(1.魯泰紡織股份有限公司 節(jié)能處，山東 淄博 255100; 2.魯泰紡織股份有限公司 動力處，山東 淄博 255100)

0 引言

在眾多節(jié)能技術(shù)措施中，余熱回收是最基本、最重要的一項。大量的企業(yè)在做余熱回收，但往往部門之間各自為政、重復(fù)建設(shè)，缺乏系統(tǒng)的規(guī)劃和精確的設(shè)計，因而效果不佳。余熱回收特別是水、熱的平衡問題涉及到自動化、熱力學(xué)、傳熱學(xué)等多個專業(yè)，需要較強的理論和實踐基礎(chǔ)。目前對水熱平衡的研究主要集中在宏觀地理層面［1－3］，在企業(yè)內(nèi)部，一般僅單獨研究水平衡［4－5］或熱平衡［6－10］，沒有對水熱平衡系統(tǒng)研究。本文重點論述余熱回收系統(tǒng)規(guī)劃和設(shè)計的原則、方法、步驟和注意事項。

1 余熱回收的原則

1.1 按需回用

這是進行余熱回收前首先要考慮的問題。如用熱部門、用量、工藝溫度要求、對熱介質(zhì)的理化性質(zhì)的要求等。

1.2 就近利用

余熱回收應(yīng)優(yōu)先用于設(shè)備本系統(tǒng)，例如預(yù)熱助燃空氣或煤氣、預(yù)熱被加熱物體等，以提高設(shè)備的熱效率，降低燃料消耗。在余熱余能無法回收利用于加熱設(shè)備本身，或用后仍有部分可回收時，可用于生產(chǎn)蒸汽或熱水、產(chǎn)生動力等方面，也可作為其他加熱設(shè)備的熱源，或進行綜合利用［11］。

1.3 梯級利用、優(yōu)質(zhì)優(yōu)用。

對于不同溫度、不同品種的余熱應(yīng)分別回收。應(yīng)優(yōu)先回收高溫、液態(tài)、清潔、無腐蝕性的余熱資源，對其它低品位的余熱應(yīng)謹慎回收，必要時根據(jù)實際情況作預(yù)處理。

1.4 系統(tǒng)規(guī)劃和綜合效益最大化。

根據(jù)余熱的種類，排出的情況，介質(zhì)溫度，數(shù)量及利用的可能性，進行綜合熱效率及經(jīng)濟可行性分析，決定設(shè)置余熱回收利用設(shè)備的類型及規(guī)模［11］。在進行經(jīng)濟可行性分析時，要綜合考慮設(shè)備和管路初始投資、維護費用、運行費用和節(jié)能效益。根據(jù)單位的經(jīng)濟狀況決定可取的投資回報期。

2 系統(tǒng)水熱平衡設(shè)計的方法和步驟

下面以某生產(chǎn)園區(qū)為例說明系統(tǒng)水熱平衡設(shè)計的具體方法和步驟。

2.1 調(diào)研工藝需求和余熱資源現(xiàn)狀

該園區(qū)有染色和整理兩個主要用熱車間，供水、供汽由動力車間負責(zé)。主要熱介質(zhì)為熱水和熱風(fēng)。列表1如下。

表1 給排水調(diào)查表

表2 余熱資源調(diào)查表

2.2 根據(jù)上述原則做系統(tǒng)平衡規(guī)劃

根據(jù)余熱回收的原則，對用熱需求和余熱資源做系統(tǒng)匹配如下:

染色熱水由染色92℃污水經(jīng)梯級換熱提供;整理80℃熱水可由堿回收90℃蒸堿凝水經(jīng)換熱向絲光機提供100 t/d，由拉幅機煙氣換熱提供水洗機100 t/d，由退漿90℃污水換熱提供100 t/d、由染色車間向退漿、絲光機提供200 t/d。

系統(tǒng)規(guī)劃是關(guān)鍵的一步，要統(tǒng)籌考慮各方面因素，如熱介質(zhì)的性質(zhì)、投資、運行、維護成本等，從各種可能的方案中選出最優(yōu)的方案。特別是各種方案各有利弊、效益相近時，更要詳細計算比較，根據(jù)設(shè)計要求作出取舍。

2.3 做水平衡與熱平衡校核

對不確定的匹配項目要校驗余熱量。本例中校核染色余熱量和拉幅機煙氣余熱量。

染色污水和蒸汽凝水可用余熱量為

染色和整理需要熱量為

Q1＜Q2，故由染色向整理供熱水不能達到滿意狀態(tài)。因此染色中溫?zé)崴疁囟纫档?，令其為x，則有

令Q1=Q2，求解得x=56.76℃。略低于工藝要求的60℃，仍為可行。

拉幅機煙氣余熱量為Q1=0.776 7 GJ/h

水洗機需要熱量為Q2=(75－45)×4.2×100/ 24/1000=0.525 GJ/h

Q1＞Q2，故利用拉幅機煙氣余熱向水洗機供熱水可行。

2.4 根據(jù)限定條件設(shè)計實施方案

本例中的限定條件如下:

(1)染色高溫供水溫度80℃，中溫供水55～60℃并盡可能高;

(2)向動力回水盡可能少;

(3)高溫污水換熱后排污溫度不高于35℃;

(4)整理供水85℃。

第一步，確定主體改造內(nèi)容。比較現(xiàn)狀和目標，需增加染色、整理高溫供水系統(tǒng)。把染色原有凝水池作為高溫水池，凝水不再向中溫水池溢流。高溫水供到每一臺染機，采用氣動閥控制入水。根據(jù)瞬時最大用水量確定管路、水泵和吸水口規(guī)格。需更換水泵，加大吸水口面積。新增一臺換熱器，使用中溫水與高溫污水換熱提升溫度后供整理車間。整理新增一臺板換，利用蒸堿凝水對中溫?zé)崴訜岷蠊┙z光機。安裝一臺熱管式換熱器，回收拉幅機廢氣余熱供2#水洗機。

第二步，確定運行參數(shù)。運行參數(shù)較多且相互之間有關(guān)聯(lián)，有的參數(shù)可直接計算;有的參數(shù)可以選擇，這時就需要優(yōu)選，找到最滿意的一組。對本例中各點參數(shù)計算如下:

(1)確定高溫水池入水量和入水溫度

已知工藝用水量為680 t/d，用汽量為170 t/d，用水溫度為80℃，蒸汽凝水溫度95℃。所以高溫水池入水量為:

根據(jù)熱平衡方程可以計算出入水溫度為:

(2)計算中溫水池補水量

因設(shè)計要求向動力回水量盡可能小，所以考慮回水量為0時:Q2=1080+680+200－170－700= 1090 t/d

(3)根據(jù)水熱平衡計算中溫水池入水溫度、水池溫度和排污溫度

方法一:列方程組求解

對換熱器2，按等水量換熱，有:

式中 t——中溫水池溫度;

To2——換熱器2污水出口溫度。

對換熱器1有:

式中 To1——換熱器1污水出口溫度。

換熱器3污水入口溫度為:Ti3=(To2×200+ To1×900)÷1100

對換熱器3有:

式中 to3——換熱器3清水出口溫度

對中溫水池有:

以上四個方程聯(lián)立求解，可得:To2=63.76℃To1=81.66℃ to3=68.81℃ t=56.76℃

方法二:逐步逼近法

首先確定中溫水池t的可能范圍為55～60℃，取t∈［55～60］一段利用計算機逐一計算。

由式1得:To2=t+7

由式2得:T01=(51t+4455)÷90

由式3得:to3=(20×To2+90×TO1－3850)÷ 109+25

根據(jù)熱平衡方程，中溫水池計算溫度為:t’= (700×38+1090×to3)÷1790

計算結(jié)果如表3。

表3 換熱參數(shù)計算表［13］

最后用中溫水池計算溫度校驗。由校驗條件t=t’可知，t≈57℃。

如需精確求解，可用同樣步驟逐步縮小范圍。在t∈［56.5，57.0］范圍內(nèi)每0.1℃再逐一計算各參數(shù)值。以此類推。

最終計算結(jié)果為 t=56.76℃，To2=63.76℃，T01=81.66℃，to3=68.81℃。

2.5 注意事項

(1)雖然理論上可以對各參數(shù)精確計算，但實際上沒有必要。因為系統(tǒng)設(shè)計的條件只是平均值，實際是波動的。即使計算再精確，也不能保證與實際運行參數(shù)完全一致。只要運行參數(shù)控制在可接受的范圍內(nèi)，即可作為滿意的設(shè)計方案。

(2)熱水流動過程中會有散熱損失，計算中數(shù)值應(yīng)向下取整。

2.6 水熱平衡設(shè)計結(jié)果

系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)如表4。

表4 系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)

系統(tǒng)水熱平衡如圖1。

3 自動控制系統(tǒng)設(shè)計

為實現(xiàn)方案目標，對系統(tǒng)中關(guān)鍵節(jié)點參數(shù)進行自動化精確控制。對于供水系統(tǒng)，需要控制的量為溫度、壓力和液位。本例中三臺換熱器、三個水池都要精確控制。各關(guān)鍵點設(shè)定值及控制方式如表5。

圖1 系統(tǒng)水熱平衡圖

4 結(jié)論

在了解工藝需求和余熱資源的基礎(chǔ)上，根據(jù)就近利用、梯級利用、系統(tǒng)規(guī)劃和系統(tǒng)效益最大化的原則進行系統(tǒng)水熱平衡設(shè)計并采用自動化控制，即可實現(xiàn)系統(tǒng)余熱利用效益最大化。

表5 自動控制要求明細表［14］

［1］董春雨，王乃昂，李卓侖，楊萍.基于水熱平衡模型的青海湖水位變化趨勢預(yù)測［J］.湖泊科學(xué)，2009，21(4):587－593.

［2］尹志芳，歐陽華，徐興良，等.拉薩河谷灌叢草原與農(nóng)田水熱平衡及植被水分利用特征［J］.地理學(xué)報，2009，64 (3):303－314.

［3］楊遠東.水熱平衡聯(lián)系方程的分析與建議［J］.地理科學(xué)，1987，7(2):171－178.

［4］馬永紅，趙宇.企業(yè)水平衡測試［R］.2012－3－08，http://cnh0tjbhj.s110.qooq.net/a/gongzuoyanjiu/2011/1207/ 205.html.

［5］陳潤.企業(yè)水平衡測試對促進水資源保護和循環(huán)經(jīng)濟的作用［R］.河海大學(xué)水文水資源學(xué)院，2010.

［6］張潤霞.企業(yè)熱平衡與節(jié)能技術(shù)［M］.北京，石油工業(yè)出版社，2010.

［7］陳立秋，李清，邱鳴.染整企業(yè)的熱平衡工作［J］.染整技術(shù)，2008，30(1):52－53.

［8］姬廣慶.熱平衡是企業(yè)節(jié)能的基礎(chǔ)(六)［J］.磚瓦世界，2008(11):21.

［9］呂少虹，曹蔚瓊，林春岱，等.論熱平衡測試在企業(yè)節(jié)能降耗中的作用［J］.冶金環(huán)境保護，2010(5):3－4.

［10］李德虎，賈增發(fā).企業(yè)熱平衡方法的改進［R］.1991－03－05，http://www.cenews.com.cn/historynews/200804/ t20080422_527728.html.

［11］辛定國，李愛仙，朱迎新，等.GB/T 3486－1993評價企業(yè)合理用熱技術(shù)導(dǎo)則［S］.北京:中國標準出版社，1994.

［12］賴周平，張榮克.空氣冷卻［M］.北京:中國化工出版社，2010.

［13］錢頌文.換熱器設(shè)計［M］.北京:中國化工出版社，2002.

［14］王永華.現(xiàn)代電氣控制及PLC應(yīng)用技［M］.北京:北京航天航空大學(xué)出版社，2008.