藍政杰 譚薇薇

北京嘉木科瑞科技有限公司

0 化學(xué)工業(yè)冷卻循環(huán)水系統(tǒng)節(jié)能的必要性和潛力

化學(xué)工業(yè)冷卻循環(huán)水系統(tǒng)作為生產(chǎn)工藝重要的基礎(chǔ)設(shè)施，全年24 h 不間斷運行，系統(tǒng)運行好壞對產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)安全都有重大影響［1］。由于缺乏專用的冷卻循環(huán)水運行監(jiān)控系統(tǒng)，現(xiàn)場通常由運行人員根據(jù)經(jīng)驗和巡檢數(shù)據(jù)手動控制，根據(jù)負荷調(diào)整冷卻水泵、根據(jù)天氣調(diào)整冷卻塔風(fēng)機，屬粗放式控制，能源消耗不容忽視，節(jié)能潛力巨大。

1 傳統(tǒng)化學(xué)工業(yè)冷卻循環(huán)水系統(tǒng)能耗問題

1)恒定供水壓力問題

化學(xué)工業(yè)冷卻循環(huán)水系統(tǒng)為開式系統(tǒng)，循環(huán)水泵、冷卻塔安裝在地面，循環(huán)水用水點為分布于廠區(qū)內(nèi)各鋼結(jié)構(gòu)平臺上的末端殼管式換熱器。典型的化學(xué)工業(yè)冷卻循環(huán)水系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 典型化學(xué)工業(yè)循環(huán)水系統(tǒng)圖

由于生產(chǎn)工藝需要，其最高換熱器用水點距離地面高度要高于冷卻塔的距地高度，這一特點使其控制方式不同于傳統(tǒng)建筑空調(diào)冷卻水系統(tǒng)的控制方式。為保證最高處換熱器冷卻水的正常循環(huán)，運行人員需手動將冷卻循環(huán)水總管供水壓力Ps維持在一較高值，并根據(jù)負荷調(diào)整回水總管閥門Vr開度來調(diào)節(jié)流量［2］。由于冷卻塔冷卻水管出口與大氣相接，此處表壓為0 mH2O，表明循環(huán)泵大部分揚程是通過回水管阻力消耗的，且主要是通過回水總管閥門Vr關(guān)小開度消耗的［3］。系統(tǒng)回水管消耗的水泵揚程ΔPr為：

ΔPr—— 系統(tǒng)回水管消耗的水泵揚程，單位mH2O；

Hmax——系統(tǒng)位于最高處殼管換熱器中心距地面垂直高度，單位m；

Hatm——冷卻塔冷卻水管出水口距地面垂直高度，單位m；

Pr.h—— 系統(tǒng)最高處殼管換熱器冷卻水出口表壓，單位mH2O。

隨著負荷的變化，需動態(tài)調(diào)節(jié)冷卻水流量以保證穩(wěn)定的冷卻效果，如果采用維持恒定冷卻循環(huán)水供水壓力方式的話，會造成大量的能耗。

2)恒定供水溫度問題

化學(xué)工業(yè)冷卻循環(huán)水系統(tǒng)設(shè)計的供回水溫度一般為32/42 ℃，溫差10 ℃。殼管式換熱器換熱量計算公式為［4］：

Q—— 殼管式換熱器換熱量，單位W。在化學(xué)工業(yè)冷卻循環(huán)水系統(tǒng)中，Q 由生產(chǎn)工藝決定，在負荷穩(wěn)定的情況下，為達到換熱效果，換熱量是一定的。

K—— 總換熱系數(shù)，單位W/(m2.℃)。

A—— 換熱器傳熱面積，單位m2。當(dāng)換熱器確定后，物理換熱面積為常數(shù)。

Δt——進行換熱的兩個流體之間的對數(shù)平均溫差，單位℃。

在負荷穩(wěn)定時，當(dāng)冷卻水供水溫度低于設(shè)計供水溫度的32 ℃時，其換熱器對數(shù)平均溫差將大于設(shè)計值。根據(jù)上述公式，如果循環(huán)流量保持不變，則其換熱量將大于生產(chǎn)所需負荷，工質(zhì)會過冷卻，故運行人員需根據(jù)室外氣溫和濕度調(diào)節(jié)冷卻塔風(fēng)機頻率或運行臺數(shù)，將冷卻水供水溫度維持在一定值。這種方式?jīng)]有充分利用秋冬季室外天氣的有利條件，即通過獲取低于設(shè)計供水溫度的冷卻水，在保證換熱效果不變的前提下，降低冷卻水循環(huán)能耗。

2 化學(xué)工業(yè)冷卻循環(huán)水系統(tǒng)AI節(jié)能控制系統(tǒng)

針對上述化學(xué)工業(yè)冷卻循環(huán)水系統(tǒng)的兩個主要能耗問題，根據(jù)其特點和AI建模技術(shù)設(shè)計了專用的能效控制系統(tǒng)，在換熱效果不變的前提下，提高整體能效，減少能耗。

為使冷卻循環(huán)水系統(tǒng)具備監(jiān)控和調(diào)節(jié)能力，系統(tǒng)需滿足以下條件：

(1)冷卻循環(huán)泵、冷卻塔風(fēng)機應(yīng)能變頻調(diào)節(jié)，頻率調(diào)節(jié)范圍0～50 Hz；

(2)冷卻水回水總管閥門為電動調(diào)節(jié)閥，開度調(diào)節(jié)范圍0～100%；

(3)應(yīng)具備的數(shù)據(jù)采集：總管供回水溫度、總管供水壓力、冷卻循環(huán)水流量、最高處換熱器冷卻水進出管壓力、室外空氣濕球溫度；

(4)如有多個高度一樣的殼管式換熱器，則需對每個換熱器的冷卻水進出管壓力進行監(jiān)測。

化學(xué)工業(yè)冷卻循環(huán)水系統(tǒng)AIoT 能效控制系統(tǒng)流程圖見圖2。

圖2 化學(xué)工業(yè)冷卻循環(huán)水系統(tǒng)AIoT能效控制系統(tǒng)流程圖

AIoT系統(tǒng)采用了以下節(jié)能控制策略：

1)變供水壓力控制策略

變供水壓力控制取代了傳統(tǒng)的恒供水壓力控制。根據(jù)最高處換熱器冷卻水回水管壓力控制回水總管電動調(diào)節(jié)閥的開度，保證壓力在2～5 mH2O范圍內(nèi)，避免回水管負壓引起氣堵，同時監(jiān)測最高處換熱器冷卻水供水管壓力，以其作為保護邊界，避免最高處換熱器供水壓力過低導(dǎo)致冷卻水無法循環(huán)。控制原理圖見圖3。

圖3 循環(huán)水系統(tǒng)最高處壓力控制原理圖

2)殼管式換熱器AI 建模及冷卻循環(huán)水流量控制

殼管式換熱器換熱能力與冷卻水進水溫度、冷卻水流量的關(guān)系，由于涉及眾多換熱器，關(guān)系是非線性的，數(shù)理方式難以建模，而采用AI 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可解決此問題。通過對循環(huán)水系統(tǒng)歷史數(shù)據(jù)進行訓(xùn)練，建立殼管式換熱器換熱量與冷卻水進水溫度、冷卻水流量的關(guān)系模型［5］，在不同的供回水溫度下，模型給出換熱效果最優(yōu)的冷卻水流量，冷卻循環(huán)泵以此流量為控制目標，自動調(diào)節(jié)運行頻率。殼管式換熱器AI控制原理見圖4。

圖4 殼管式換熱器AI控制原理圖

3)冷卻塔AI建模及冷卻水溫度設(shè)定優(yōu)化

冷卻塔額定冷卻能力是根據(jù)室外濕球溫度、冷卻水流量和回水溫度設(shè)計值確定的，但實際運行時，室外濕球溫度是客觀變化的獨立變量，而冷卻水流量和回水溫度是兩個相關(guān)的、受負荷影響的變量，當(dāng)這三個變量的任何一個小于設(shè)計值時，冷卻塔由于其物理換熱面積不變，相當(dāng)于實際冷卻能力變相變大。利用這一特性和實際工況，綜合考慮系統(tǒng)整體能耗，確定最優(yōu)冷卻水供水溫度設(shè)定值，在保證換熱效果不變的前提下，進一步降低循環(huán)水泵的能耗。

由于冷卻塔的換熱涉及熱濕交換，同樣難以使用數(shù)理方式建模，為此也采用AI神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。通過對冷卻塔系統(tǒng)歷史數(shù)據(jù)進行訓(xùn)練，建立冷卻塔冷卻能力與室外濕球溫度、冷卻水回水溫度、冷卻水流量的關(guān)系模型，在不同的工況下，利用此模式尋優(yōu)，確定最優(yōu)的冷卻水供水溫度設(shè)定值和冷卻塔運行臺數(shù)，冷卻塔風(fēng)機以此溫度為控制目標，自動調(diào)節(jié)運行頻率。冷卻塔AI控制原理見圖5。

圖5 冷卻塔AI控制原理圖

3 實施案例介紹

AIoT 化學(xué)工業(yè)冷卻循環(huán)水能效控制系統(tǒng)在重慶某化工廠進行了應(yīng)用。該項目設(shè)有5 臺10 kV

4 結(jié)論

通過理論計算和實施案例證明，AIoT化學(xué)工業(yè)冷卻循環(huán)水能效控制系統(tǒng)可以解決目前化學(xué)工業(yè)冷卻循環(huán)水系統(tǒng)粗放的控制方式，AIoT根據(jù)系統(tǒng)管路特性優(yōu)化了監(jiān)控點和控制邏輯，利用AI技術(shù)建立多變量、非線性化的化熱模型以優(yōu)化控制參數(shù)，實現(xiàn)整體節(jié)電率30%以上，為同類型項目提供了參考和借鑒。450 kW 的循環(huán)水泵，4 臺運行 1 臺備用；設(shè)有 5 臺132 kW 的冷卻塔，全年24 h 運行。改造前后運行工況對比見表1，改造前基礎(chǔ)能耗和改造后能耗逐月對比見圖6。

表1 循環(huán)水系統(tǒng)改造前后對比表

圖6 改造前基礎(chǔ)能耗和改造后能耗逐月對比曲線