技术领域
[0001] 本
发明涉及工业循环水系统技术领域，具体地，涉及一种估算工业循环水系统能效的方法。
背景技术
[0002] 工业循环水系统可分为密闭式循环水系统和开放式循环水系统。开放式循环水系统又分为净循环水系统和浊循环水系统。净循环水系统常用于一般设备的间接冷却及作为换热器的冷媒水。浊循环水系统常用于
冶金行业的炼
铁、炼
钢、
连铸、
热轧等工艺直接冷却、
煤气清洗、冲渣、精炼除尘等。
[0003] 工业循环水系统用循环
冷却水来冷却工艺设备和物料，使被冷却工艺设备能够安全运行，被冷却物料的终冷
温度满足工艺要求和保证产品
质量，其主要包括顺序连接且形成循环回路的供水单元、配水单元、用水单元及冷却单元，所述供水单元主要包括
电机驱动的供水设备，如水
泵等，所述配水单元主要包括
阀门和输送管道，所述用水单元主要包括工艺末端冷却设备，所述冷却单元主要包括
冷却塔。工业循环水系统的最终需求在于维持用水单元各工艺末端冷却设备合理的温度，而系统的
能量输入则主要来源于供水单元。
[0004] 经大量统计数据表明，目前我国热
流体输送系统的平均
能源实际使用率只有25％-35％。但是由于热流体系统的复杂性，加之不同的工业门类的生产运行工艺千差万别，人们往往在进行系统节能改造时，缺少能效指标的统一参照基准。
[0005] 在对工业循环水系统进行节能改造时，可采用系统参数的静态优化技术，通过确定工业循环水系统满足工艺要求的最大稳态工况参数，对组成单元进行改造，降低系统能耗；也可根据工艺参数的变化规律来确定是否采用自动化技术对系统运行参数进行动态优化。
申请号为CN20121010886.2的中国
专利从系统设备实际配置出发，提出动态的优化方法来实现最优的供水量和必须的最小压
力，进而获得实际工程实施过程中的最优能耗。
发明内容
[0006] 本发明的目的在于提供一种估算工业循环水系统能效的方法，能够有效地指导工业循环水系统节能设计并帮助节能改造工程的实施，同时工艺冷却末端计算模型丰富，具有方便、快捷和有效的优点。
[0007] 本发明提供一种估算工业循环水系统能效的方法，所述工业循环水系统包括顺序连接且形成循环回路的供水单元、配水单元、用水单元及冷却单元，所述供水单元包括多个供水设备，所述用水单元包括多个工艺冷却末端设备，包括以下步骤：
[0008] 步骤一、计算工艺冷却末端设备的循环冷却水的必需流量mi；
[0009] 步骤二、计算工艺冷却末端设备的循环冷却水的必需扬程Hi；
[0010] 步骤三、根据步骤一计算得到必需流量mi和步骤二计算得到的必需扬程Hi计算工艺冷却末端设备的循环冷却水的必需能耗Pi，Pi为功率，计算公式如(1)所示：
[0011]
[0013] 步骤四、计算所有工艺冷却末端设备的必需能耗功率之和得到所述工业循环冷却系统的必需能耗P，P计算公式如(2)所示：
[0014]
[0015] 其中，n表示工艺冷却末端设备的数量，Pi表示某个工艺冷却末端设备的必需能耗；
[0016] 步骤五、分别采集所有供水设备的功率数据，并按公式(3)计算所有供水设备的功率之和；
[0017]
[0018] 其中，n表示供水设备的数量，Wk表示某个供水设备的功率；
[0019] 步骤六、计算工业循环水系统能效η，能效η的计算公式如(4)所示：
[0020]
[0021] 在本发明提供的估算工业循环水系统能效的方法的一较佳
实施例中，所述工艺冷却末端设备为换热器，被冷却工艺介质和循环冷却水在所述换热器进行热量交换，所述步骤一包括以下步骤:
[0022] 现场测量
环境温度t0、被冷却工艺介质的工艺参数和循环冷却水的进口温度t2′，所述被冷却工艺介质的工艺参数包括被冷却介质的进口温度t1′、出口温度t1″和质量流量αi；
[0023] 估算被冷却工艺介质的热负荷Qi，所述Qi的计算公式如(5)如示：
[0024] Qi＝aiC1(t1′-t1″) (5)
[0025] 其中，C1为被冷却工艺介质在温度为0.5*(t1″+t1′)时的
比热；
[0026] 根据热平衡估算循环冷却水必需流量mi，所述循环冷却水必需流量mi的计算公式如(6)所示：
[0027]
[0028] 其中，
[0029] t2″为循环冷却水的出口温度，估算公式如下：t2″＝t0+Δt，Δt为换热器冷却水侧出口温度与环境的温度差；
[0030] C2为循环冷却水在温度为0.5*(t2″+t2′)时的比热。
[0031] 在本发明提供的估算工业循环水系统能效的方法的一较佳实施例中，所述工艺冷却末端设备为内热源冷却设备，所述内热源冷却设备包括内壁和外壁，循环冷却水用于对所述外壁降温，所述步骤一包括以下步骤，
[0032] 现场测量循环冷却水的质量流量M、进口温度t2′和出口温度t2″；
[0033] 计算冷却水每小时吸收的热量Q1，所述热量Q1的计算公式如(7)所示：
[0034] Q1＝cm(t2″-t2′)； (7)
[0035] c为循环冷却水在温度为0.5*(t2″+t2′)时的比热；
[0036] m为循环冷却水的质量流量；
[0037] 计算所述内热源冷却设备的所述内壁面每小时通过导热传递到所述外壁面的热量；
[0038]
[0039] 其中，
[0040] F为内热源冷却设备的壁面面积；
[0041] λ为壁面的导热系数；
[0042] δ为壁面的厚度；
[0043] t1′为内壁面的温度；
[0044] t1″为外壁面的温度；
[0045] 计算所述外壁面每小时通过
对流换热过程传递给冷却水的热量Q3，所述热量Q3的计算公式如(9)所示：
[0046]
[0047] 其中，
[0048] α为循环冷却水与外壁面之间对流换热系数；
[0049] F为内热源冷却设备的壁面面积；
[0050] 计算循环冷却水必需流量mi：
[0051] 根据热负荷平衡公式Q1＝Q2＝Q3，将上述式(7)、(8)和(9)式联立得到方程组，设m为变量，以现场实测的循环冷却水质量流量M为初始值m，计算外壁温度t2″；
[0052] 判断计算出的外壁温度t2″是否大于工艺
许可范围内外壁的最高温度tmax，当t2″＞tmax，采用
迭代计算方法，逐步减小循环
冷却水流量m的取值，直至外壁温度t2″≤tmax，此时求解所代入的循环冷却水流量m的值为通过所述内热源冷却设备的循环冷却水必需流量mi。
[0053] 在本发明提供的估算工业循环水系统能效的方法的一较佳实施例中，所述工艺冷却末端设备为喷淋设备，所述喷淋设备将循环冷却水直接喷淋在被冷却物料及制备被冷却物料设备的表面，所述步骤一包括以下步骤:
[0054] 计算被冷却物料每小时散发的热量Q1，所述Q1的计算公式如(10)所示:
[0055] Q1＝3600cpγhbv(t1′-t1″) (10)
[0056] 其中，
[0057] cp、γ、h、b分别为被冷却物料的比热、密度、宽度和厚度；
[0058] v为被冷却物料的水平移动速度；
[0059] t1′和t1″分别为被冷却物料冷却前和冷却后的温度；
[0060] 计算循环冷却水每小时吸收的热量Q2，所述热量Q2的计算公式如(11)所示:
[0061] Q2＝cmi(t2″-t2′) (11)
[0062] 其中，
[0063] c为循环冷却水在温度为0.5*(t2″+t2′)时的比热；
[0064] mi为循环冷却水的质量流量；
[0065] t2′为循环冷却水的进口温度；
[0066] t2″为循环冷却水的出口温度；
[0067] 计算被冷却物料通过对流
传热每小时传递给循环冷却水的热量Q3，所述热量Q3的计算公式如(12)所示：
[0068]
[0069] 其中，
[0070] α为循环冷却水与被冷却物料之间的对流换热系数；
[0071] F为循环冷却水与被冷却物料之间的
接触面积；
[0072] 计算循环冷却水必需流量：
[0073] 根据热负荷平衡公式Q1＝Q2＝Q3，联立方程式(10)、(11)和(12)，求得循环冷却水质量流量mi与被冷却物料冷却后的温度t1″的函数关系式如(13)所示：
[0074]
[0075] t1″代入被冷却物料冷却后许可的最高温度，t1′和t2′通过现场测量数据得到，通过公式(13)计算得到的质量流量为喷淋设备的循环冷却水必需流量。
[0076] 在本发明提供的估算工业循环水系统能效的方法的一较佳实施例中，其特征在于，步骤二所述的循环冷却水的必需扬程Hi的计算公式如(14)所示：
[0077] Hi＝ΔZi+P0+ΔHi (14)
[0078] 其中，
[0079] ΔZi为工艺末端冷却设备最高点与供水设备出口之间的高度差，数据源于工艺设计图或现场实测；
[0080] P0为循环冷却水位于出口温度t2″时的
饱和蒸汽压；
[0081] ΔHi＝0.07P0，表示安全裕量。
[0082] 相较于
现有技术，本发明提供的估算工业循环水系统能效的方法具有以下有益效果：
[0083] 一、本发明直接集中围绕工艺末端冷却设备，通
过热负荷平衡的原理与工程限制条件的结合来计算满足工艺末端冷却设备需求所必须的供水设备能耗，进而与实际供水设备能耗比较得到能效，计算出工业循环水系统的能效指标，一方面，在进行节能改造时，可以该指标作为统一的基准来考察不同工业循环水系统的能效指标，另一方面，本发明提供的方法从静态
角度直接定义理想情况下循环冷却水系统的理论最低能耗需求，确定了工业循环水系统满足工艺要求的最大稳态工况参数，可以根据上述数据对组成单元进行改造，降低系统能耗，简捷方便；
[0084] 二、建立了三种工艺末端冷却设备的模型，包括换热器、内热源冷却设备和喷淋设备，计算模型更丰富，可得到更加精确的必需能耗，适合作为统一的基准来评价不同循环冷却水系统的能效指标，操作实施更直接、快捷和有效。
附图说明
[0085] 为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图，其中：
[0086] 图1为本发明提供的工业循环水系统的示意图；
[0087] 图2为本发明提供的估算工业循环水系统能效的方法的步骤
流程图；
[0088] 图3为图1所述估算工业循环水系统能效的方法中步骤S1的实施例一的步骤流程图；
[0089] 图4为图1所述估算工业循环水系统能效的方法中步骤S1的实施例二的步骤流程图；
[0090] 图5为图1所述估算工业循环水系统能效的方法中步骤S1的实施例三的步骤流程图。
具体实施方式
[0091] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
[0092] 请参阅图1，为本发明提供的工业循环水系统的示意图。
[0093] 所述工业循环水系统100主要是用循环冷却水来冷却工艺设备和物料，使被冷却工艺设备能够安全运行，被冷却物料的终冷温度满足工艺要求和保证产品质量。所述工业循环水系统100主要包括顺序连接且形成循环回路的供水单元110、配水单元130、用水单元150及冷却单元170，具体地，所述供水单元110和所述冷却单元170连接。所述供水单元110主要包括电机驱动的供水设备，如水泵等；所述配水单元130主要包括阀门和输送管道；所述用水单元150主要包括工艺末端冷却设备，在本发明中，所述工艺末端冷却设备为换热器、内热源冷却设备或喷淋设备；所述冷却单元170主要包括冷却塔。所述工业循环水系统
100的最终需求在于维持所述用水单元150各工艺末端冷却设备合理的温度，而系统的能量输入则主要来源于供水单元110。
[0094] 本发明仅从需求和供给两个角度出发，忽略中间的输送环节，只考虑理想情况下所述工艺末端冷却设备所需要的必需能耗，并将每一个工艺末端冷却设备所需要的必需能耗加总后与所述供水单元110的每一台供水设备能耗的总和进行比较，得到工业循环水系统能效。在进行节能改造时，采用该估算方法可从静态角度直接定义理想情况下循环冷却水系统的理论最低能耗需求，确定工业循环水系统满足工艺要求的最大稳态工况参数，从而对组成单元进行改造降低系统能耗，提高节能空间。
[0095] 在本发明中，温度测度采用
温度计，质量流量测量采用固定式或便携式的流量计，也可以采用相应的
传感器和远传设备进行远程检测，还可以采用相应的传感器通过
信号采集设备和无线(有线)
信号传输备进行异地检测。
[0096] 在以下实施例中，必需流量、必需扬程和必需能耗功率指在理想情况下使被冷却物料的终冷温度满足工艺要求和保证产品质量的前提下，取最小数值。必需流量指必需的质量流量。
[0097] 请参阅图2，为本发明提供的估算工业循环水系统能效的方法的步骤流程图。
[0098] S1、计算工艺冷却末端设备的循环冷却水的必需流量mi，单位为kg/h；
[0099] S2、计算工艺冷却末端设备的循环冷却水的必需扬程Hi，单位为m；
[0100] 具体地，Hi＝ΔZi+P0+ΔHi
[0101] 其中，
[0102] ΔZi为工艺末端冷却设备最高点与供水设备出口之间的高度差，单位为m，数据源于工艺设计图或现场实测；
[0103] P0为循环冷却水位于出口温度t2″时的饱和
蒸汽压，单位为m，可以通过查询设计资料获得；
[0104] ΔHi＝0.07P0，表示安全裕量，单位为m。
[0105] S3、计算工艺冷却末端设备的循环冷却水的必需能耗Pi；
[0106] 根据S1计算得到必需流量mi和S2计算得到的必需扬程Hi计算工艺冷却末端设备的循环冷却水的必需能耗Pi，Pi为功率，计算公式如(1)所示：
[0107]
[0108] 其中
[0109] Pi，单位为kw；
[0110] ρ为循环冷却水的密度，取值998kg/m3；
[0111] S4、计算所述工业循环冷却系统的必需能耗功率P；
[0112] 计算所有工艺冷却末端设备的必需能耗功率之和得到所述工业循环冷却系统的必需能耗功率P，P计算公式如(2)所示：
[0113]
[0114] 其中，n表示工艺冷却末端设备的数量，Pi表示某个工艺冷却末端设备的必需能耗，单位为kw；
[0115] S5、计算所有供水设备的功率之和；
[0116] 分别采集所有供水设备的功率数据，并按公式(3)计算所有供水设备的功率之和；
[0117]
[0118] 其中，n表示供水设备的数量，Wk表示某个供水设备的功率，单位为kw；
[0119] 供水设备的功率可以用三相
电能表进行计量，当然也可以通过测量
电流和
电压通过计算得到。
[0120] S6、计算工业循环水系统能效η，能效η的计算公式如(4)所示：
[0121]
[0122] 请参阅图3，为图1所述估算工业循环水系统能效的方法中步骤S1的实施例一的步骤流程图。在该实施例中，所述工艺冷却末端设备为换热器，被冷却工艺介质和循环冷却水在所述换热器进行热量交换，所述S1包括以下步骤，
[0123] S11、现场测量环境温度t0(℃)、被冷却工艺介质的工艺参数和循环冷却水的进口温度t2′(℃)，所述被冷却工艺介质的工艺参数包括被冷却介质的进口温度t1′(℃)、出口温度t1″(℃)和质量流量αi；
[0124] 上述数据也可查阅工艺文件或历史工艺数据获得；
[0125] S12、估算被冷却工艺介质的热负荷Qi，所述Qi的计算公式如(5)如示：
[0126] Qi＝aiC1(t1′-t1″) (5)
[0127] 其中，C1为被冷却工艺介质在温度为0.5*(t1″+t1′)时的比热，单位J/(kg·℃)；
[0128] S13、根据热平衡估算循环冷却水必需流量mi，所述循环冷却水必需流量mi的计算公式如(6)所示：
[0129]
[0130] 其中，
[0131] t2″为循环冷却水的出口温度，单位为℃；
[0132] 估算公式如下：t2″＝t0+Δt，Δt为换热器冷却水侧出口温度与环境的温度差，一般情况下Δt取4℃；
[0133] C2为循环冷却水在温度为0.5*(t2″+t2′)时的比热，单位J/(kg·℃)。
[0134] 请参阅图4，为图1所述估算工业循环水系统能效的方法中步骤S1的实施例二的步骤流程图。在该实施例中，所述工艺冷却末端设备为内热源冷却设备，所述内热源冷却设备包括内壁和外壁，循环冷却水用于对所述外壁降温，所述步骤S1包括以下步骤，[0135] S11′、现场测量循环冷却水的质量流量M(kg/h)、进口温度t2′(℃)和出口温度t2″(℃)；
[0136] S12′、计算循环冷却水每小时吸收的热量Q1，所述热量Q1的计算公式如(7)所示：
[0137] Q1＝cm(t2″-t2′)； (7)
[0138] c为循环冷却水在温度为0.5*(t2″+t2′)时的比热，单位J/(kg·℃)；
[0139] m为循环冷却水的质量流量，单位为kg/h；
[0140] S13′、计算所述内热源冷却设备的所述内壁面每小时通过导热传递到所述外壁面的热量；
[0141]
[0142] 其中，
[0143] F为内热源冷却设备的壁面面积，单位为m2；
[0144] λ为壁面的导热系数，单位为W/(m·℃)；
[0145] δ为壁面的厚度，单位为m；
[0146] t1′为内壁面的温度，单位为℃；
[0147] t1″为外壁面的温度，单位为℃；
[0148] S14′、计算所述外壁面每小时通过对流换热过程传递给循环冷却水的热量Q3，所述热量Q3的计算公式如(9)所示：
[0149]
[0150] 其中，
[0151] α为循环冷却水与外壁面之间对流换热系数，单位为W/(m2·℃)可以通过查询设计资料获得；
[0152] F为内热源冷却设备的壁面面积，单位为m2；
[0153] S15′、计算循环冷却水必需流量mi：
[0154] 根据热负荷平衡公式Q1＝Q2＝Q3，将上述式(7)、(8)和(9)式联立得到方程组，设m为变量，以现场实测的冷却水质量流量M为初始值m，计算外壁温度t2″；
[0155] 判断计算出的外壁温度t2″是否大于工艺许可范围内外壁的最高温度tmax，当t2″＞tmax，采用迭代计算方法，逐步减小冷却水流量m的取值，直至外壁温度t2″≤tmax，此时求解所代入的冷却水流量m的值为通过所述内热源冷却设备的循环冷却水必需流量mi。
[0156] 请参阅图5，为图1所述估算工业循环水系统能效的方法中步骤S1的实施例三的步骤流程图。所述工艺冷却末端设备为喷淋设备，所述喷淋设备将循环冷却水直接喷淋在被冷却物料及制备被冷却物料设备的表面，所述步骤S1包括以下步骤:
[0157] S11″、计算被冷却物料每小时散发的热量Q1，所述Q1的计算公式如(10)所示:
[0158] Q1＝3600cpγhbv(t1′-t1″) (10)
[0159] 其中，
[0160] cp、γ、h、b分别为被冷却物料的比热(J/kg·℃)、密度(kg/m3)、宽度(m)和厚度(m)；
[0161] v为被冷却物料的水平移动速度，单位为m/s；
[0162] t1′和t1″分别为被冷却物料冷却前和冷却后的温度，单位为℃；
[0163] S12″、计算循环冷却水每小时吸收的热量Q2，所述热量Q2的计算公式如(11)所示:
[0164] Q2＝cmi(t2″-t2′) (11)
[0165] 其中，
[0166] c为循环冷却水在温度为0.5*(t2″+t2′)时的比热，单位为J/kg·℃；
[0167] mi为循环冷却水的质量流量，单位为kg/h；
[0168] t2′为循环冷却水的进口温度，单位为℃；
[0169] t2″为循环冷却水的出口温度，单位为℃；
[0170] S13″、计算被冷却物料通过对流传热每小时传递给循环冷却水的热量Q3，所述热量Q3的计算公式如(12)所示：
[0171]
[0172] 其中，
[0173] α为循环冷却水与被冷却物料之间的对流换热系数，单位为W/(m2·℃)，可以通过查询设计资料获得；
[0174] F为循环冷却水与被冷却物料之间的接触面积，单位为m2；
[0175] S14″、计算循环冷却水必需流量：
[0176] 根据热负荷平衡公式Q1＝Q2＝Q3，联立方程式(10)、(11)和(12)，求得循环冷却水质量流量mi与被冷却物料冷却后的温度t1″的函数关系式如(13)所示：
[0177]
[0178] t1″代入被冷却物料冷却后许可的最高温度，t1′和t2′通过现场测量数据得到，通过公式(13)计算得到的质量流量为喷淋设备的循环冷却水必需流量。
[0179] 本发明提供的估算工业循环水系统能效的方法具有以下有益效果：
[0180] 一、本发明直接集中围绕工艺末端冷却设备，通过热负荷平衡的原理与工程限制条件的结合来计算满足工艺末端冷却设备需求所必须的供水设备能耗，进而与实际供水设备能耗比较得到能效，计算出工业循环水系统的能效指标，一方面，在进行节能改造时，可以该指标作为统一的基准来考察不同工业循环水系统的能效指标，另一方面，本发明提供的方法从静态角度直接定义理想情况下循环冷却水系统的理论最低能耗需求，确定了工业循环水系统满足工艺要求的最大稳态工况参数，可以根据上述数据对组成单元进行改造，降低系统能耗，简捷方便；
[0181] 二、建立了三种工艺末端冷却设备的模型，包括换热器、内热源冷却设备和喷淋设备，计算模型更丰富，可得到更加精确的必需能耗，适合作为统一的基准来评价不同循环冷却水系统的能效指标，操作实施更直接、快捷和有效。
[0182] 以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何
修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
