蔡力宏

?

低溫工藝熱流體的分級冷卻及控制研究

蔡力宏

（神華寧夏煤業(yè)集團煤制油項目建設指揮部 銀川 750411）

針對常規(guī)冷卻方式和ORC發(fā)電冷卻方式的缺陷，提出了低溫工藝熱流體的分級冷卻系統(tǒng)；以某煤制油過程中的低溫熱流體工況為研究對象，計算了分級冷卻系統(tǒng)的能耗情況，并與常規(guī)冷卻方式和ORC發(fā)電冷卻方式的能耗進行了對比，結果表明：分級冷卻系統(tǒng)在工藝熱流體冷卻過程中，相比常規(guī)冷卻方式，不僅不消耗額外的電能和水資源，反而產(chǎn)生發(fā)電收益，并且其發(fā)電功率遠大于發(fā)電冷卻方式的發(fā)電功率；最后，提出了低溫工藝熱流體分級冷卻系統(tǒng)的控制方法。

低溫熱流體；分級冷卻；能耗

0 引言

在煤化工、石化等行業(yè)，有許多生產(chǎn)工藝過程都需要對溫度范圍為60～300℃的低溫工藝熱流體進行冷卻處理，冷卻到工藝要求的目標溫度。

工藝熱流體常規(guī)的冷卻方式主要有空冷、水冷、蒸發(fā)冷，以及這些方式的復合冷卻。常規(guī)冷卻系統(tǒng)投資較小，能夠有效降低熱流體的溫度，但這些冷卻方式均需消耗大量的電能，其中，水冷和蒸發(fā)冷還需要消耗大量的水，而且冷卻散熱還會對周邊環(huán)境產(chǎn)生熱污染[1]。

有機朗肯循環(huán)（ORC）余熱發(fā)電是一種利用熱功轉(zhuǎn)換原理將一部分低溫流體的熱量轉(zhuǎn)換為電能的技術，在獲得發(fā)電的同時，實現(xiàn)了工藝熱流體的降溫冷卻，即ORC發(fā)電冷卻方式[2]。ORC發(fā)電冷卻方式可以減少對環(huán)境的熱污染，具有良好的節(jié)能環(huán)保效果[3-8]。但是，ORC發(fā)電冷卻裝置投資較大，而且，其凈發(fā)電效率會隨著冷卻目標溫度的降低而迅速降低。

為了克服常規(guī)冷卻方式和ORC發(fā)電冷卻方式的不足，本文提出了低溫工藝熱流體的分級冷卻系統(tǒng)，進而，針對某煤制油變換工藝需要冷卻的工藝熱流體，進行了系統(tǒng)的能耗計算，并與其他冷卻方式的能耗進行了比較分析，最后，提出了低溫工藝熱流體分級冷卻系統(tǒng)的控制方法。

1 分級冷卻系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)簡介

低溫工藝熱流體分級冷卻系統(tǒng)如圖1所示。系統(tǒng)包括串聯(lián)布置的兩級冷卻單元，其中第一級冷卻單元為ORC發(fā)電冷卻單元，第二級冷卻單元為常規(guī)冷卻單元，其中，常規(guī)冷卻單元可以為風冷裝置、水冷裝置、蒸發(fā)冷裝置，以及上述冷卻方式的復合冷卻裝置。

圖1 低溫工藝熱流體分級冷卻系統(tǒng)

分級冷卻系統(tǒng)的運行原理為：入口溫度為T的熱流體首先進入ORC發(fā)電冷卻單元，被冷卻至一個合適的中間溫度T；ORC發(fā)電冷卻單元冷卻至中間溫度為T的熱流體再進入常規(guī)冷卻單元，被最終冷卻至目標出口溫度T。

1.2 系統(tǒng)優(yōu)勢

分級冷卻系統(tǒng)的有益效果是結合了ORC發(fā)電冷卻方式和常規(guī)冷卻方式的優(yōu)點：（1）與ORC發(fā)電冷卻方式相比：提高了ORC發(fā)電冷卻單元的熱流體出口溫度，將其從目標溫度t提高至中間溫度t，這將提高ORC發(fā)電冷卻單元的凈發(fā)電效率，并降低ORC發(fā)電冷卻單元的初投資，有效提高了ORC發(fā)電冷卻的技術經(jīng)濟性，大大拓展了ORC發(fā)電冷卻的應用范圍；（2）與常規(guī)冷卻方式相比：所述分級串聯(lián)冷卻系統(tǒng)ORC發(fā)電冷卻單元的凈發(fā)電量通常大于常規(guī)冷卻單元的耗電量，因此在對熱流體的冷卻過程中不消耗電能，反而產(chǎn)生發(fā)電收益，具有良好的節(jié)能環(huán)保效果。

2 比較與分析

本文以某煤制油變換工藝需要冷卻的工藝熱流體為研究對象，計算了分級冷卻系統(tǒng)的能耗情況，并與常規(guī)冷卻方式和ORC發(fā)電冷卻方式的能耗進行了對比分析。

2.1 工藝熱流體參數(shù)

本文研究的工藝熱流體介質(zhì)為水，流量為6000t/h，初始溫度為90℃，要求冷卻到的目標溫度為40℃。

工藝熱流體的冷卻負荷可按式（1）計算。

=··Δ（1）

其中，為工藝熱流體的冷卻負荷，kW；為工藝熱流體的比熱容，kJ/kg·℃；為工藝熱流體的質(zhì)量流量，kg/s；Δ為工藝熱流體進出口溫差，℃。

2.2 冷卻能耗的計算方法

（1）空冷方式

空冷裝置屬于耗電設備，其耗電功率可按式（2）計算。

E=1（2）

其中，E為空冷裝置耗電功率，kW；1為單位空冷負荷耗電功率，kW/kW。

（2）蒸發(fā)冷方式

蒸發(fā)冷裝置屬于耗電和耗水設備，耗電功率和耗水量可分別按式（3）和式（4）計算。

E= k2（3）

3（4）

其中，E為蒸發(fā)冷裝置耗電功率，kW；為蒸發(fā)冷裝置耗水量，t/h；2為單位蒸發(fā)冷負荷耗電功率kW/kW，3為單位蒸發(fā)冷負荷耗水量，t/h/kW。

（3）ORC發(fā)電冷卻方式

ORC發(fā)電冷卻方式采用有機朗肯循環(huán)發(fā)電裝置，該裝置屬于發(fā)電設備，當其冷凝器采用空冷設備時，整個裝置不消耗水，一般情況下，裝置的凈發(fā)電功率為正，其凈發(fā)電功率可按式（5）計算[9]。

E=f(T,T,T) （5）

其中，E為ORC發(fā)電冷卻裝置的凈發(fā)電功率，kW；T為年平均環(huán)境溫度；T為熱流體入口溫度；T為熱流體出口溫度。

（4）分級冷卻系統(tǒng)

分級冷卻系統(tǒng)先通過ORC發(fā)電冷卻單元將工藝熱流體冷卻至中間溫度，再通過常規(guī)冷卻單元進一步冷卻至目標溫度，其中，中間溫度由控制單元根據(jù)優(yōu)化控制目標和輸入的工藝、氣象參數(shù)確定，本文取為60℃。

分級冷卻系統(tǒng)的凈發(fā)電功率可按式（6）計算。

E=f(T, T,T,T) （6）

其中，E為分級冷卻系統(tǒng)的凈發(fā)電功率，kW。

2.3 比較與分析

上述幾種冷卻方式的比較結果見表1。從表中可以看出，分級冷卻系統(tǒng)在工藝熱流體冷卻過程中，相比常規(guī)冷卻方式不僅不消耗額外的電能和水資源，反而產(chǎn)生發(fā)電收益，并且其發(fā)電功率遠大于ORC發(fā)電冷卻方式的發(fā)電功率。由此可見，分級冷卻系統(tǒng)相比其它現(xiàn)有冷卻方式，綜合能耗性能最優(yōu)。

表1 幾種冷卻方式能耗對比

3 分級冷卻的控制方法

分級冷卻系統(tǒng)的控制由圖1中的控制單元實現(xiàn)。控制單元分別與ORC發(fā)電冷卻單元和常規(guī)冷卻單元相連，結合工藝條件和當?shù)貧庀髼l件，由控制單元采用優(yōu)化算法進行合理設定和實時調(diào)整，實現(xiàn)兩級冷卻系統(tǒng)所承擔的冷卻量的動態(tài)分配，使分級串聯(lián)冷卻系統(tǒng)整體上實時處于最優(yōu)運行狀態(tài)。優(yōu)化控制目標包括節(jié)能優(yōu)先、節(jié)水優(yōu)先、運行費用最低等。

分級冷卻系統(tǒng)的控制原理如圖2所示，主要為：（1）根據(jù)分級串聯(lián)冷卻系統(tǒng)的優(yōu)化控制目標確定兩級冷卻單元的中間溫度優(yōu)化設定值T；（2）通過監(jiān)測第一級ORC發(fā)電冷卻單元出口的流體溫度值T，并與設定值T比較，計算Δ=T-T的值。若Δ>T1，則加大第一級ORC發(fā)電冷卻單元的冷卻量；若Δ<T2，則調(diào)小ORC發(fā)電冷卻單元1的冷卻量；若T2<Δ<T1，則不調(diào)節(jié)；其中，T1和T2共同決定了控制精度。

圖2 分級冷卻系統(tǒng)的控制原理

4 結論

本文針對化工過程中低溫工藝熱流體的常規(guī)冷卻方式和ORC發(fā)電冷卻方式存在的缺陷，提出了低溫工藝熱流體的分級冷卻系統(tǒng)，進而，以某煤制油變換工藝需要冷卻的工藝熱流體為研究對象，計算了分級冷卻系統(tǒng)的能耗情況，并與常規(guī)冷卻方式和有機朗肯發(fā)電冷卻方式的能耗進行了對比分析，最后，提出了分級冷卻系統(tǒng)的控制方法，主要結論有：

（1）低溫熱流體的分級冷卻系統(tǒng)包括串聯(lián)布置的兩級冷卻單元，其中第一級冷卻單元為ORC發(fā)電冷卻單元，第二級冷卻單元為常規(guī)冷卻單元；

（2）分級冷卻系統(tǒng)在工藝熱流體冷卻過程中，相比常規(guī)冷卻方式不僅不消耗額外的電能和水資源，反而產(chǎn)生發(fā)電收益，并且其發(fā)電功率遠大于發(fā)電冷卻方式的發(fā)電功率；

（3）分級冷卻系統(tǒng)需結合工藝條件和當?shù)貧庀髼l件，由控制單元采用優(yōu)化算法進行合理設定和實時調(diào)整，實現(xiàn)兩級冷卻系統(tǒng)所承擔的冷卻量的動態(tài)分配，使分級串聯(lián)冷卻系統(tǒng)整體上實時處于最優(yōu)運行狀態(tài)。

[1] 蘭州石油機械研究所.換熱器[M].北京:中國石化出版社,2013.

[2] 王華,五輝濤.低溫余熱發(fā)電有機朗肯循環(huán)技術[M].北京:科學出版社,2010.

[3] 余斌.我國工業(yè)余熱回收利用空間廣闊[J].中國建材資訊,2015,(4):6-7.

[4] Sylvain Quoilin, Martijn Van DenBroek, et al. Techno-economic survey of Organic Rankine Cycle (ORC) systems [J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2013,22:168-186.

[5] Junjiang Bao, Li Zhao. A review of working fluid and expanders elections for organic Rankine cycle [J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2013,24:325-342.

[6] Roy JP, Mishra MK, Misra A. Parametric optimization and performance analysis of a waste heat recovery system using Organic Rankine Cycle [J]. Energy, 2010,35(12): 5049-5062.

[7] Athanasios I Papadopoulos, Mirko Stijepovic, Patrick Linke. On the systematic design and selection of optimal working fluids for Organic Rankine Cycles [J]. Applied Thermal Engineering, 2010,30(6):760-769.

[8] Tchanche BF, Lambrinos G, Frangoudakis A, et al. Low-grade heat conversion into power using organic Rankine cycles—a review of various applications [J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews 2011,15: 3963-3979.

[9] 沈維道,童鈞耕.工程熱力學[M].北京:高等教育出版社,2007.

The Research onMulti-stage Cooling System and its Control Method

Cai Lihong

( Shenhua Ningxia Coal Industry Group Co., Ltd, Yinchuan, 750411 )

The multi-stage cooling system of hot fluid is developed because of the weakness of the conventional and ORC power generation cooling method. The energy consumption of the multi-stage cooling system of hot fluid in some coal-to-liquids process is calculated, and then compared with that of the conventional and ORC power generation cooling method. It is found that the multi-stage cooling system does not consume power and water resources, and can obtain more power than the ORC power generation cooling method. Finally, the control method of the multi-stage cooling system is developed.

hot fluid; multi-stage cooling; energy consumption

1671-6612（2017）05-551-04

TK123

A

2017-04-25

作者（通訊作者）簡介：蔡力宏（1969-），男，本科，高級工程師，E-mail：cai.lihong@sngcc.com