关键词：
循环水系统
变频器
结垢
遗传算法
混合整数非线性规划
摘要：
循环水系统是最常用的工业冷却系统,其操作与环境条件具有强相关性。为了使系统在不同环境条件下高效运行,工业通常采用改变并联泵开启数量和阀门调节的方式对系统进行操作。然而,改变泵的开启数量无法对系统进行连续操作,使得系统无法在最优操作参数下进行操作,同时,改变阀门开度的方式会造成能量的浪费。因此,可以考虑采用变频调节的方式对循环水系统进行操作。然而在现有循环水系统中设置变频,需要决策并联泵的变频台数,另外在变频操作时,其如何与泵的开启台数和阀门调节协同操作,使循环水系统的运行达到最优,当前研究中并未见报道。另外,循环水中含有大量矿物离子,包括钙离子、镁离子等。冷却塔中水的蒸发会导致水中离子浓度不断增大,经过长期操作积累,产生严重的结垢问题,降低传热效果,增大管路压降,导致循环冷却水系统运行效率低下。而系统流量的调节对结垢速率有显著影响,因此,在循环水系统的操作优化中,也需要考虑结垢的影响。
本论文提出了一种混合整数非线性规划方法。通过在并联安装的泵上设置频率驱动器,将恒速泵改变为变速泵,并考虑通过阀门和变频调节的方式对系统流量进行改变。采用遗传算法对系统进行优化,以达到精确决策操作优化变量的目的,变量包括变频器的配置、恒速泵和变速泵的数量以及分支管和主管阀门的阻力系数。采用灵敏度分析对不同温度、不同泵的类型以及不同电价下变频器的节能效果、泵的运行状态和管道的状态进行了分析。结果表明,变频调节总费用明显低于阀门调节,且变频器的投资费用只占总费用的3.4%,总节省费用为6.2×10～5$,约占原总费用的24.6%。该模型可以确定泵系统和阀门的精确操作参数,包括主管道和支管道阀门的阻力系数以及变速泵的转速比,从而优化流量分配并实现节能效果。在案例分析的5台泵中,共有4台泵安装了变频器,且变速泵的效率保持在一个较高的范围。在冬季时,阀门调节下有2台恒速泵处于运行状态,变频调节下有2台变速泵处于运行状态。在夏季时,阀门调节下有4台恒速泵处于运行状态,变频调节下有4台变速泵处于运行状态。
在所提基于遗传算法的混合整数非线性规划优化模型基础上,进一步考虑系统结垢对现有循环水系统的操作影响,从而实现系统长周期的高效稳定运行。在已知循环水离子浓度的情况下,优化系统的整体操作变量,包括泵的开启数量、变频器的数量、频率和阀门开度。同时对模型进行灵敏度分析,分析不同环境温差和电价情况下模型的最优解。结果表明,变频调节节约的总费用约为1.09×10～6$,约为原总费用的20.4%。变频调节下,泵的效率维持在较高范围,系统总压降比阀门调节降低约30 k Pa,显著降低了管路压降。模拟周期前期结垢速率较大,随着垢层的积累和流速的增大,结垢速率逐渐减小直至为零,垢层厚度趋于稳定不再继续增大。为延缓结垢,循环水流量必须足够大。
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