基于數(shù)學(xué)模型的大型工業(yè)循環(huán)水系統(tǒng)節(jié)能優(yōu)化研究

＊張海榮 韓鶴 趙海明 黎曦

（1.中煤陜西榆林能源化工有限公司 陜西 719000 2.北京清大五環(huán)節(jié)能技術(shù)有限公司 北京 101200）

循環(huán)水系統(tǒng)是一項常見的公用工程系統(tǒng)，主要是熱量交換、熱量轉(zhuǎn)移的作用，是整個裝置最重要的系統(tǒng)之一，同時也是耗水量最大的部分。目前煤化工企業(yè)的循環(huán)水系統(tǒng)多采用并聯(lián)序列的換熱器進(jìn)行冷卻降溫，冷卻水都只使用一次后通過主管回冷卻塔冷卻。通過對各流股的溫度和流量進(jìn)行優(yōu)化匹配，可以有效降低循環(huán)冷卻水用水量，并降低循環(huán)泵的電耗，在煤化工行業(yè)中是不可或缺的。我國煤炭資源和水資源分布的地理位置不匹配，水資源是制約煤化工產(chǎn)業(yè)發(fā)展的問題之一。在此背景下，大型煤化工項目通過采取節(jié)水措施，減少取水量，這是提高經(jīng)濟(jì)效益的必然選擇。據(jù)統(tǒng)計，循環(huán)水系統(tǒng)的耗電量約占企業(yè)總耗電量的20%～30%。因此，研究如何降低循環(huán)水系統(tǒng)的電耗對企業(yè)有著重要的意義。在循環(huán)水系統(tǒng)中兩個最大的耗電部分是循環(huán)水泵和冷卻塔風(fēng)機(jī)，兩者約占循環(huán)水系統(tǒng)能耗的70%和25%。因此循環(huán)水系統(tǒng)節(jié)能重點(diǎn)是降低循環(huán)水泵和冷卻風(fēng)機(jī)用電，尤其是可以降低循環(huán)水泵流量和揚(yáng)程，可大幅降低循環(huán)水系統(tǒng)的電耗，取得節(jié)電效果。

1.循環(huán)水系統(tǒng)目前存在的問題

不同工業(yè)企業(yè)裝置的循環(huán)水系統(tǒng)存在的問題各不相同，主要問題有設(shè)備問題和系統(tǒng)間不匹配導(dǎo)致循環(huán)水量不足、排污控制、蒸發(fā)損失大、排污損失大、濃縮倍數(shù)控制等問題，對于設(shè)備問題的解決，第一是設(shè)備的自身設(shè)計結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，這類優(yōu)化對象更偏向于單個設(shè)備，我們對系統(tǒng)的優(yōu)化要更關(guān)注整體。第二就是設(shè)備所用的技術(shù)優(yōu)化。近年來，泵和風(fēng)機(jī)使用變頻技等諸如此類的優(yōu)化越發(fā)成熟。對于單個換熱器的效率優(yōu)化已經(jīng)非常成熟。韓瀟等[1]對陜西渭河煤化工集團(tuán)某一期裝置的循環(huán)水系統(tǒng)進(jìn)行分析，指出系統(tǒng)存在機(jī)泵效率較低、水泵特征曲線和系統(tǒng)最優(yōu)需求曲線不匹配、管網(wǎng)流阻較大、冷卻塔處理能力富裕量較大、循環(huán)水流量可優(yōu)化等問題，同時對癥下藥給出了相應(yīng)的解決辦法，通過更換高效電機(jī)、高效風(fēng)機(jī)等措施實現(xiàn)了經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。劉濱濱等[2]對理論上影響濃縮倍數(shù)的因素進(jìn)行了全面地分析，并給出了提高循環(huán)水濃縮倍數(shù)的具體措施。總之，在常見涉及設(shè)備等問題的優(yōu)化上，解決方案已經(jīng)比較成熟。

近年來，隨著政府節(jié)能減排政策的執(zhí)行落實，工業(yè)上對于節(jié)水節(jié)能意識增強(qiáng)。受環(huán)保壓力和工廠位置的限制，現(xiàn)在絕大多數(shù)化工生產(chǎn)企業(yè)均采用循環(huán)冷卻水系統(tǒng)，冷卻水管網(wǎng)耗水情況為冷卻管網(wǎng)的補(bǔ)充水量，約占總管網(wǎng)水量的0.5%～10%[3]，但在老舊廠區(qū)的的循環(huán)冷卻水工程設(shè)計中，受制于年代以及技術(shù)不足的影響，很多企業(yè)的循環(huán)冷卻水管網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計粗放，整體設(shè)計值裕量過大，在滿足冷卻物料溫度要求時水耗過多，不符合節(jié)水政策要求[4]；此外部分廠區(qū)設(shè)計不合理，管線內(nèi)部水壓情況不明，多平衡管段；廠區(qū)維修不到位，管線結(jié)垢、腐蝕等，換熱設(shè)備缺乏定期停車維修[5]，導(dǎo)致實際的熱交換效率低下，循環(huán)管路系統(tǒng)設(shè)計水量合理，但實際運(yùn)行過程中經(jīng)年累月導(dǎo)致運(yùn)行工況與實際工況取用水偏差巨大；且廠區(qū)部分工段循環(huán)水冷卻水量不足情況下，其他工段又存在嚴(yán)重跑水、漏水等浪費(fèi)的現(xiàn)象，部分工段工業(yè)冷卻水循環(huán)利用率僅為52%，供水管道和用水設(shè)備“跑、冒、滴、漏”現(xiàn)象普遍，取水量逐年上升，浪費(fèi)和漏失的水量高于設(shè)計量的15%，因循環(huán)水量不足導(dǎo)致整個廠區(qū)無法滿負(fù)荷運(yùn)行。

文獻(xiàn)調(diào)研未發(fā)現(xiàn)用軟件模擬循環(huán)水系統(tǒng)工況的相關(guān)報道，因此，綜合應(yīng)用循環(huán)水力管線、閥門、循環(huán)水泵工作點(diǎn)、換熱設(shè)備壓降計算以及Smart Circulating工況仿真模擬等手段，針對循環(huán)冷卻水系統(tǒng)水力失調(diào)問題進(jìn)行優(yōu)化計算的方式非常必要，通過軟件模擬和分析，可在循環(huán)水量相同情況下，使冷量配置更加均勻合理，滿足廠區(qū)的生產(chǎn)要求，同時優(yōu)化后系統(tǒng)運(yùn)行水量的下降在一定程度上減少了泵的功率和冷卻塔風(fēng)機(jī)的功率，可達(dá)到既節(jié)水又節(jié)電的目的。

2.模型建立原理

循環(huán)冷卻水系統(tǒng)由換熱設(shè)備（換熱器、冷凝器），冷卻設(shè)備（如冷卻塔、空氣冷卻器等），水泵，管道和其他有關(guān)設(shè)備組成，主要分析管線閥門、水泵以及換熱設(shè)備的水力工況情況。使用的軟件Smart Circulating建模原理如下。

(1)管線水力工況計算基礎(chǔ)

分析水力工況變化的依據(jù)是水力計算，使系統(tǒng)中各管段的水流量符合設(shè)計要求，保證各個流進(jìn)換熱設(shè)備的水流量符合要求，應(yīng)該對管路進(jìn)行水力計算。

當(dāng)流體沿供水管網(wǎng)管道流動時，由于流體分子與其管壁間的摩擦，流體損失能量；當(dāng)流體流過管道的部分附件（諸如閥門、彎頭、三通等）時，由于流動速度或流動方向的改變，產(chǎn)生局部旋渦與撞擊，流體也會損失能量，前者稱為沿程損失，后者稱為局部損失，故而，循環(huán)冷卻水管網(wǎng)系統(tǒng)中對于管段壓力計算的公式，可以用式（1）簡要表示。

ΔP=ΔPy+ΔPj=RL+ΔPj（1）

式中，ΔP—管段計算的壓力損失，Pa；ΔPy—管段的沿程損失計算，Pa；ΔPj—管段的局部損失計算，Pa；R—每米管長的沿程損失，Pa/m；L—整體管線的總長度，m。

(2)管網(wǎng)系統(tǒng)水力工況計算基礎(chǔ)

系統(tǒng)水力工況計算主要有兩個重要參數(shù)，分別為管路阻力特性系數(shù)與管網(wǎng)的阻力數(shù)與導(dǎo)通數(shù)，分別計算如下：

在循環(huán)冷卻水管網(wǎng)中，水的流動狀態(tài)大多處于阻力平方區(qū)，此時的摩擦系數(shù)值的計算公式為（2）：

將公式（2）帶入，有：ΔP=RLzh=6.88×10-9×K0.25/d5.25×ρ(L+Ld)G2=sG2（3）

式中，

G—管網(wǎng)中管道內(nèi)冷卻水流量，m3/h；

s—管網(wǎng)中管道阻力特性系數(shù)又稱阻力數(shù)，Pa/(m3/h)2。

由上式可知，管道的阻力特性系數(shù)s只與管道的管段直徑d、長度L、管壁內(nèi)壁當(dāng)量絕對粗糙度K以及管段局部阻力當(dāng)量長度Ld有關(guān)，管網(wǎng)各管段的阻力數(shù)s僅取決于管段本身，并不隨流量變化。

管網(wǎng)的阻力數(shù)與導(dǎo)通數(shù)是在管網(wǎng)的串并聯(lián)管段中進(jìn)行討論說明的，在串聯(lián)管段中，管網(wǎng)的總阻力數(shù)為各串聯(lián)管段阻力數(shù)之和，即公式（4）：

式中，

Sch—管網(wǎng)中串聯(lián)管道總阻力數(shù)，Pa/(m3/h)2；

s1,s2,s3—管網(wǎng)中各串聯(lián)管路的阻力數(shù)，Pa/(m3/h)2。

在并聯(lián)管道中，其導(dǎo)通數(shù)為各并聯(lián)管道導(dǎo)通數(shù)之和，即公式（5）：

式中，

a1,a2,a3—管網(wǎng)中各并聯(lián)管路的導(dǎo)通數(shù)；

s1,s2,s3—管網(wǎng)中各并聯(lián)管路的阻力數(shù)，Pa/(m3/h)2；

G1,G2,G3—管網(wǎng)中各并聯(lián)管路的冷卻水流量，m3/h。

根據(jù)上述公式可得，無論是串聯(lián)還是并聯(lián)管路，管段的阻力數(shù)增大或變小時，整個熱網(wǎng)的總阻力數(shù)會隨之增大或減少，并聯(lián)管段間的流量分配取決于并聯(lián)管段導(dǎo)通數(shù)的比值。

(3)循環(huán)水泵水力工況計算基礎(chǔ)

循環(huán)水泵運(yùn)行方式的調(diào)節(jié)主要是通過對水泵、管路的調(diào)節(jié)，改變水泵運(yùn)行工況點(diǎn)的位置，使流量、揚(yáng)程、軸功率等運(yùn)行參數(shù)適應(yīng)新的工作狀況的需要。水泵的工況點(diǎn)是由性能曲線和裝置性能曲線的交點(diǎn)確定的。所以只要這兩條線發(fā)生改變或是交點(diǎn)發(fā)生變化后，泵的工作點(diǎn)即發(fā)生位移，所以對泵的運(yùn)行調(diào)節(jié)主要是對性能曲線和裝置的性能曲線進(jìn)行調(diào)節(jié)[6]。

泵的計算模型主要為泵機(jī)效率以及伯努利方程構(gòu)成，由式（6）～（7）所示。

泵的特性曲線上每一點(diǎn)代表一個工況，對應(yīng)一組參數(shù)（H、Q、N、η、NPSH）。當(dāng)水泵運(yùn)行時在特性曲線上哪一點(diǎn)工作，這是由泵的特性曲線和裝置特性曲線（需要揚(yáng)程曲線）確定的。

本文采用數(shù)值求解方法對水泵工況點(diǎn)進(jìn)行分析，數(shù)值求解法就是求水泵的Q～H方程與裝置特性曲線的交點(diǎn)，即公式（8）～（9）：

式中，

Hst—管網(wǎng)中水泵凈揚(yáng)程，m；

k—綜合管路系數(shù)。

上式中未知參數(shù)a、b、c是和水泵有關(guān)的常數(shù)，可通過廠家所提供的Q～H曲線求解或通過所選定的點(diǎn)進(jìn)行曲線擬合獲得多項式求解。

循環(huán)水泵為多泵并聯(lián)時，假設(shè)泵的流量與多臺泵并聯(lián)運(yùn)行的流量相同，揚(yáng)程與多臺泵并聯(lián)運(yùn)行相等，此泵稱為并聯(lián)當(dāng)量泵；同理對于串聯(lián)水泵，也可采用當(dāng)量泵的等效計算進(jìn)行求解。

并聯(lián)操作時，揚(yáng)程不變，流量為所有并聯(lián)水泵流量之和；串聯(lián)操作時，當(dāng)量泵的流量不變，揚(yáng)程為所有串聯(lián)水泵之和。

(4)管殼式換熱器壓降計算基礎(chǔ)

在過程工業(yè)中使用了許多類型的傳熱設(shè)備。到目前為止，最常用的是管殼式換熱器。本文中假設(shè)所有換熱器均采用管殼式換熱器。在換熱器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的概念階段，管殼式換熱器的傳熱系數(shù)和壓降的計算應(yīng)盡可能少的依賴于詳細(xì)的幾何結(jié)構(gòu)。但是，必須對幾何圖形進(jìn)行一些假設(shè)，用以方便公式計算。

①管徑

使用標(biāo)準(zhǔn)尺寸，但標(biāo)準(zhǔn)不常用。一般尺寸為do=20mm，di=16mm；do=25mm，di=19.8mm。

②管長

標(biāo)準(zhǔn)管長度是首選，但同樣，標(biāo)準(zhǔn)不是常用的。但是，原則上可以使用任何長度的管子。管子的工作長度比安裝在其上的管板所占用的長度略短。在初步設(shè)計階段，兩個管板的公差為0.05m是合理的假設(shè)。管道長度的選擇是由設(shè)計師決定的自由度。同樣的換熱面積可以用小直徑長殼中的少量長管或大直徑短殼中的大量短管來獲得。管長與殼體直徑之比通常在5到10之間。

③管距

管距（Pt）是相鄰管之間的中心距，通常為1.25do。

④管道布置

管道可以是方形或三角形配置，如圖1所示。方形結(jié)構(gòu)用于污染流體，為機(jī)械清洗提供通道。清洗通道應(yīng)連續(xù)穿過整個管束。三角形配置僅限于非污染流體，因為機(jī)械清洗更困難。但是，對于給定的管距，在給定的外殼直徑下，三角形配置可以排列更多的管道。

圖1 方形管道配置與三角形管道配置示意圖

⑤折流板切口

折流板用于引導(dǎo)流體流過管道。折流板切口是指為了形成折流板而移除的部分的高度，它是折流板直徑的一部分。使用0.15至0.45的折流板切口。在概念設(shè)計中，假設(shè)值為0.25。

(5)管殼式換熱器水力工況計算基礎(chǔ)

在過程工業(yè)中使用了許多類型的傳熱設(shè)備。到目前為止，最常用的是管殼式換熱器。對于管殼式換熱器，管程與殼程壓降不同，應(yīng)分開進(jìn)行計算，此外由于換熱設(shè)備中傳熱系數(shù)和壓降都與速度有關(guān)。因此，可以用速度作為兩者之間的橋梁來推導(dǎo)傳熱系數(shù)、壓力降和表面積之間的關(guān)系。

①管程壓降計算，即公式（10）。

式中，

ΔPT—管網(wǎng)中管程壓降，Pa；

NpT—管程換熱管束數(shù)目；

ρ—循環(huán)冷卻水密度，kg/m3；

A—換熱面積，m2；

C—常數(shù)，對于氣體取0.021，非粘滯流體取0.023，粘滯流體取0.027；

di—管程管內(nèi)壁直徑，m；

do—管程管外壁直徑，m。

②殼程壓降計算，即公式（11）。

式中，

ΔPs—管網(wǎng)中殼程壓降，Pa；

KpT—管程換熱管束數(shù)目；

ρ—循環(huán)冷卻水密度，kg/m3；

A—換熱面積，m2；

C—常數(shù)，對于氣體取0.021，非粘滯流體取0.023，粘滯流體取0.027。

3.建模及優(yōu)化

根據(jù)收集到的設(shè)備參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)，以清大五環(huán)循環(huán)水系統(tǒng)模擬優(yōu)化軟件（SmartCirculating）為平臺，繪制循環(huán)水系統(tǒng)流程圖，然后輸入設(shè)備參數(shù)和管線結(jié)構(gòu)參數(shù)，完成循環(huán)水系統(tǒng)設(shè)備和管網(wǎng)系統(tǒng)的模型。該模型可以作循環(huán)水系統(tǒng)水力、傳熱的計算，計算出管網(wǎng)上任何位置的循環(huán)水流量、流速、壓力、壓降、溫度、溫降，管線的散熱量、表面溫度以及換熱器管程和殼程傳熱系數(shù)、總傳熱系數(shù)、管程和殼程壓降、流速、換熱器冷卻負(fù)荷等。

根據(jù)模型模擬結(jié)果，通過對某甲醇制烯烴裝置內(nèi)循環(huán)水換熱器進(jìn)行分析，以下?lián)Q熱器運(yùn)行不合理，有優(yōu)化空間。對裝置內(nèi)換熱器優(yōu)化如下：

（1）E01A/B原設(shè)計為污水汽提塔頂冷凝器，目前用于排污急冷水冷卻，一開一備運(yùn)行，排污急冷水量約為50t/h，要求冷卻到40℃以下。兩個換熱器結(jié)構(gòu)參數(shù)一致，E01A只通過循環(huán)水，無冷卻任務(wù)，通過模型模擬，循環(huán)水走管程，流速1.84m/s，流速快，不易結(jié)垢；循環(huán)水流量太大，溫差僅有2.3～2.6℃；殼程流速僅有0.05m/s，流速過慢，易結(jié)垢，且由于殼程結(jié)構(gòu)原因，會有很多淤積，殼程清洗困難，檢修和維護(hù)需將管道全部取下來沖洗，清洗較麻煩。

建議將E01A/B換熱器管殼程管線互換，改造后急冷水走管程，循環(huán)水走殼程，同時改造后備開的換熱器可完全關(guān)閉循環(huán)水閥門，管殼程調(diào)換后，循環(huán)水走殼程，流量提高到1285.8t/h，流速為1.17m/s，流速適中，溫升為2.0℃；急冷水走管程，流量50t/h，流速為0.07m/s，和改造前變化不大；改造后在剛清洗完可調(diào)節(jié)閥門，將循環(huán)水流量控制在534.4t/h，殼程流速為0.5m/s，溫升達(dá)到4.7℃，比不控制流量上升了2.7℃，同時，由于排污急冷水走管程，檢修或清洗時只需要對換熱管沖洗，減少了檢修工作量，同時關(guān)停備開換熱器循環(huán)水閥門。改造后關(guān)停備開換熱器閥門可節(jié)省循環(huán)水1200.0t/h，全年效益約為302.4萬元。

（2）E02A/B和E02C是凈化水冷卻器，正常運(yùn)行工況下E02A和E02B既可串聯(lián)運(yùn)行，也可并聯(lián)運(yùn)行，和E02C都并聯(lián)運(yùn)行，凈化水正常運(yùn)行流量約為170t/h，要求冷卻到40℃以下。根據(jù)模擬，建議同樣將E02三個換熱器管殼程管線互換，改造后凈化水走管程，循環(huán)水走殼程，同時改造后備開的換熱器可完成關(guān)閉循環(huán)水閥門，經(jīng)模擬計算，改造后三臺換熱器可一開一備一清洗運(yùn)行，并關(guān)停備開和清洗換熱器循環(huán)水閥門，關(guān)停閥門可節(jié)省循環(huán)水800.0t/h，全年效益約為201.6萬元。

（3）E03A和E03B是甲醇廢水冷卻器，甲醇廢水流量6.0t/h，溫度96.7℃，并聯(lián)一開一備運(yùn)行。通過模型模擬，循環(huán)水走殼程，流速約為0.08m/s左右，極慢，易結(jié)垢，E03換熱器是整個甲醇制烯烴裝置循環(huán)水側(cè)溫升最高的換熱器，溫升超過18℃，且流速極低，換熱器易結(jié)垢堵塞，E02處于甲醇制烯烴裝置供水線最末端，資用壓力最低，供水管線管徑為DN100，從主線分支出來后到E03換熱器較遠(yuǎn)，因此E03循環(huán)水量較小。

建議將供往E03換熱器的循環(huán)水管線擴(kuò)徑到DN200，擴(kuò)徑后，E03換熱器循環(huán)水量增加到105.6t/h，流速達(dá)到0.41m/s，較擴(kuò)徑前有很大的提升；改造后循環(huán)水溫升為4.1℃，溫升較為合適；由于改造后流速提高，溫升降低，E03結(jié)垢速率會有明顯降低，清洗頻率也可相應(yīng)減少，增加了運(yùn)行穩(wěn)定性。

4.總結(jié)

針對某甲醇制烯烴裝置的閉式循環(huán)水系統(tǒng)利用模擬軟件SmartCirculating進(jìn)行系統(tǒng)建模和優(yōu)化分析，在兩個方面進(jìn)行了改造。

①調(diào)換甲醇制烯烴裝置E01、E02的管殼程流體，運(yùn)行方式改為一開一備，并關(guān)停備開換熱器的循環(huán)水。

②將甲醇制烯烴裝置E03的供水管道從DN100擴(kuò)徑到DN200。改造后，可減少循環(huán)水量約2000t/h，為企業(yè)帶來了良好的經(jīng)濟(jì)效益，每年可產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益504萬元，同時E03管線改造后可降低循環(huán)水溫升，緩解換熱器結(jié)垢和堵塞。優(yōu)化方法與結(jié)果，可為其他化工企業(yè)的循環(huán)水系統(tǒng)改造提供參考。