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        系統(tǒng)水熱平衡及自動(dòng)控制設(shè)計(jì)

        2013-03-29 10:23:04李忠國王瑞霞燕林波
        節(jié)能技術(shù) 2013年2期
        關(guān)鍵詞:中溫水池余熱

        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(dòng)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(xiàng)。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(jì),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(dòng)化、熱力學(xué)、傳熱學(xué)等多個(gè)專業(yè),需要較強(qiáng)的理論和實(shí)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(dú)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(diǎn)論述余熱回收系統(tǒng)規(guī)劃和設(shè)計(jì)的原則、方法、步驟和注意事項(xiàng)。

        1 余熱回收的原則

        1.1 按需回用

        這是進(jìn)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(shí),可用于生產(chǎn)蒸汽或熱水、產(chǎn)生動(dòng)力等方面,也可作為其他加熱設(shè)備的熱源,或進(jìn)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(jǐn)慎回收,必要時(shí)根據(jù)實(shí)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(jìn)行綜合熱效率及經(jīng)濟(jì)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(jìn)行經(jīng)濟(jì)可行性分析時(shí),要綜合考慮設(shè)備和管路初始投資、維護(hù)費(fèi)用、運(yùn)行費(fèi)用和節(jié)能效益。根據(jù)單位的經(jīng)濟(jì)狀況決定可取的投資回報(bào)期。

        2 系統(tǒng)水熱平衡設(shè)計(jì)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(jì)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(gè)主要用熱車間,供水、供汽由動(dòng)力車間負(fù)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(jī)提供100 t/d,由拉幅機(jī)煙氣換熱提供水洗機(jī)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(jī)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(yùn)行、維護(hù)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(shí),更要詳細(xì)計(jì)算比較,根據(jù)設(shè)計(jì)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(xiàng)目要校驗(yàn)余熱量。本例中校核染色余熱量和拉幅機(jī)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(dá)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(jī)煙氣余熱量為Q1=0.776 7 GJ/h

        水洗機(jī)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(jī)煙氣余熱向水洗機(jī)供熱水可行。

        2.4 根據(jù)限定條件設(shè)計(jì)實(shí)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(dòng)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(biāo),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(tái)染機(jī),采用氣動(dòng)閥控制入水。根據(jù)瞬時(shí)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(tái)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(tái)板換,利用蒸堿凝水對中溫?zé)崴訜岷蠊┙z光機(jī)。安裝一臺(tái)熱管式換熱器,回收拉幅機(jī)廢氣余熱供2#水洗機(jī)。

        第二步,確定運(yùn)行參數(shù)。運(yùn)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(jì)算;有的參數(shù)可以選擇,這時(shí)就需要優(yōu)選,找到最滿意的一組。對本例中各點(diǎn)參數(shù)計(jì)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(jì)算出入水溫度為:

        (2)計(jì)算中溫水池補(bǔ)水量

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

        (3)根據(jù)水熱平衡計(jì)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(gè)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(jì)算機(jī)逐一計(jì)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(jì)算溫度為:t’= (700×38+1090×to3)÷1790

        計(jì)算結(jié)果如表3。

        表3 換熱參數(shù)計(jì)算表[13]

        最后用中溫水池計(jì)算溫度校驗(yàn)。由校驗(yàn)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(jì)算各參數(shù)值。以此類推。

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

        2.5 注意事項(xiàng)

        (1)雖然理論上可以對各參數(shù)精確計(jì)算,但實(shí)際上沒有必要。因?yàn)橄到y(tǒng)設(shè)計(jì)的條件只是平均值,實(shí)際是波動(dòng)的。即使計(jì)算再精確,也不能保證與實(shí)際運(yùn)行參數(shù)完全一致。只要運(yùn)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(jì)方案。

        (2)熱水流動(dòng)過程中會(huì)有散熱損失,計(jì)算中數(shù)值應(yīng)向下取整。

        2.6 水熱平衡設(shè)計(jì)結(jié)果

        系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)如表4。

        表4 系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)

        系統(tǒng)水熱平衡如圖1。

        3 自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

        為實(shí)現(xiàn)方案目標(biāo),對系統(tǒng)中關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)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(tái)換熱器、三個(gè)水池都要精確控制。各關(guān)鍵點(diǎn)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(jìn)行系統(tǒng)水熱平衡設(shè)計(jì)并采用自動(dòng)化控制,即可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)余熱利用效益最大化。

        表5 自動(dòng)控制要求明細(xì)表[14]

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