AIoT 化學(xué)工業(yè)冷卻循環(huán)水能效控制系統(tǒng)淺析

藍(lán)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(yùn)行，系統(tǒng)運(yùn)行好壞對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)安全都有重大影響［1］。由于缺乏專(zhuān)用的冷卻循環(huán)水運(yùn)行監(jiān)控系統(tǒng)，現(xiàn)場(chǎng)通常由運(yùn)行人員根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和巡檢數(shù)據(jù)手動(dòng)控制，根據(jù)負(fù)荷調(diào)整冷卻水泵、根據(jù)天氣調(diào)整冷卻塔風(fēng)機(jī)，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(wèn)題

1)恒定供水壓力問(wèn)題

化學(xué)工業(yè)冷卻循環(huán)水系統(tǒng)為開(kāi)式系統(tǒng)，循環(huán)水泵、冷卻塔安裝在地面，循環(huán)水用水點(diǎn)為分布于廠區(qū)內(nèi)各鋼結(jié)構(gòu)平臺(tái)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(diǎn)距離地面高度要高于冷卻塔的距地高度，這一特點(diǎn)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(yùn)行人員需手動(dòng)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(fù)荷調(diào)整回水總管閥門(mén)Vr開(kāi)度來(lái)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(yáng)程是通過(guò)回水管阻力消耗的，且主要是通過(guò)回水總管閥門(mén)Vr關(guān)小開(kāi)度消耗的［3］。系統(tǒng)回水管消耗的水泵揚(yáng)程ΔPr為：

ΔPr—— 系統(tǒng)回水管消耗的水泵揚(yáng)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(fù)荷的變化，需動(dòng)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(huà)，會(huì)造成大量的能耗。

2)恒定供水溫度問(wèn)題

化學(xué)工業(yè)冷卻循環(huán)水系統(tǒng)設(shè)計(jì)的供回水溫度一般為32/42 ℃，溫差10 ℃。殼管式換熱器換熱量計(jì)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(fù)荷穩(wěn)定的情況下，為達(dá)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?yè)Q熱面積為常數(shù)。

Δt——進(jìn)行換熱的兩個(gè)流體之間的對(duì)數(shù)平均溫差，單位℃。

在負(fù)荷穩(wěn)定時(shí)，當(dāng)冷卻水供水溫度低于設(shè)計(jì)供水溫度的32 ℃時(shí)，其換熱器對(duì)數(shù)平均溫差將大于設(shè)計(jì)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(fù)荷，工質(zhì)會(huì)過(guò)冷卻，故運(yùn)行人員需根據(jù)室外氣溫和濕度調(diào)節(jié)冷卻塔風(fēng)機(jī)頻率或運(yùn)行臺(tái)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(guò)獲取低于設(shè)計(jì)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(duì)上述化學(xué)工業(yè)冷卻循環(huán)水系統(tǒng)的兩個(gè)主要能耗問(wèn)題，根據(jù)其特點(diǎn)和AI建模技術(shù)設(shè)計(jì)了專(zhuān)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(mǎn)足以下條件：

(1)冷卻循環(huán)泵、冷卻塔風(fēng)機(jī)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(mén)為電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，開(kāi)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(jìn)出管壓力、室外空氣濕球溫度；

(4)如有多個(gè)高度一樣的殼管式換熱器，則需對(duì)每個(gè)換熱器的冷卻水進(jìn)出管壓力進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

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(jiàn)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(dòng)調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度，保證壓力在2～5 mH2O范圍內(nèi)，避免回水管負(fù)壓引起氣堵，同時(shí)監(jiān)測(cè)最高處換熱器冷卻水供水管壓力，以其作為保護(hù)邊界，避免最高處換熱器供水壓力過(guò)低導(dǎo)致冷卻水無(wú)法循環(huán)?？刂圃韴D見(jiàn)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(jìn)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(xiàn)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(wèn)題。通過(guò)對(duì)循環(huán)水系統(tǒng)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練，建立殼管式換熱器換熱量與冷卻水進(jìn)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(biāo)，自動(dòng)調(diào)節(jié)運(yùn)行頻率。殼管式換熱器AI控制原理見(jiàn)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(jì)值確定的，但實(shí)際運(yùn)行時(shí)，室外濕球溫度是客觀變化的獨(dú)立變量，而冷卻水流量和回水溫度是兩個(gè)相關(guān)的、受負(fù)荷影響的變量，當(dāng)這三個(gè)變量的任何一個(gè)小于設(shè)計(jì)值時(shí)，冷卻塔由于其物理?yè)Q熱面積不變，相當(dāng)于實(shí)際冷卻能力變相變大。利用這一特性和實(shí)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(jìn)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(guò)對(duì)冷卻塔系統(tǒng)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)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(yùn)行臺(tái)數(shù)，冷卻塔風(fēng)機(jī)以此溫度為控制目標(biāo)，自動(dòng)調(diào)節(jié)運(yùn)行頻率。冷卻塔AI控制原理見(jiàn)圖5。

圖5 冷卻塔AI控制原理圖

3 實(shí)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(jìn)行了應(yīng)用。該項(xiàng)目設(shè)有5 臺(tái)10 kV

4 結(jié)論

通過(guò)理論計(jì)算和實(shí)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?xún)?yōu)化了監(jiān)控點(diǎn)和控制邏輯，利用AI技術(shù)建立多變量、非線(xiàn)性化的化熱模型以?xún)?yōu)化控制參數(shù)，實(shí)現(xiàn)整體節(jié)電率30%以上，為同類(lèi)型項(xiàng)目提供了參考和借鑒。450 kW 的循環(huán)水泵，4 臺(tái)運(yùn)行 1 臺(tái)備用；設(shè)有 5 臺(tái)132 kW 的冷卻塔，全年24 h 運(yùn)行。改造前后運(yùn)行工況對(duì)比見(jiàn)表1，改造前基礎(chǔ)能耗和改造后能耗逐月對(duì)比見(jiàn)圖6。

表1 循環(huán)水系統(tǒng)改造前后對(duì)比表

圖6 改造前基礎(chǔ)能耗和改造后能耗逐月對(duì)比曲線(xiàn)