СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ ОХЛАЖДЕНИЯ ОБОРОТНОЙ ВОДЫ В БЛОКЕ ГРАДИРЕН
METHOD OF CONTROLLING RE-COOLING TOWERS

Изобретение относится к способам управления процессом охлаждения оборотной воды в градирнях с естественной и искусственной тягами и может быть использовано в химической, нефтеперерабатывающей, металлургической промышленности.
7
Известен способ охлаждения жидкости в градирне энергетической установки, заключающийся в том, что получают факел капель жидкости с размерами частиц величиной в среднем 0,7-0,9 мм эквивалентного диаметра, причем угол отклонения оси факела капель жидкости от вертикали устанавливают не более 30° и направляют раздробленную жидкость во внутрь шахты при скорости движения жидкости в нижней части шахты 8-9 м/с (патент РФ 2168131, МПК F28C 1/00, опубл. 27.05.2001).
Недостатком известного способа является то, что он не предусматривает распределение нагрузок по охлаждаемой воде между градирнями и не позволяет регулировать расход воздуха в градирню на охлаждение воды.
7
Известен способ охлаждения жидкости в градирне, включающий подачу воды, ее распыление и теплообмен с охлаждающим воздухом, причем охлаждение ведут в активных зонах градирни, образованных потоками охлаждающего воздуха, которые не совпадают по направлению и величине со скоростью частиц распыляемой форсунками жидкости и которые получают за счет принудительного удаления воздуха из верхней части градирни (патент РФ 2228501, МПК F28C 1/00, опубл. 10.05.2004).
Недостатком известного способа является то, что он не позволяет определить охладительную характеристику градирни, не предусматривает регулирования расхода воды в градирню в зависимости от ее охладительной характеристики, не осуществляет регулирование расхода воздуха в градирню с учетом потребляемой электрической энергии.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к предлагаемому изобретению является способ оптимального распределения нагрузки по нагреваемому (охлаждаемому) продукту в параллельно работающих теплообменниках (Минскер И.Н. Оперативное управление химико-технологическими комплексами: Оптимальное распределение нагрузок. - М.: Химия, 1972, с.96-108). Способ позволяет оптимально распределять охлаждаемый (нагреваемый) продукт между теплообменниками в зависимости от их охладительной характеристики, определяемой по коэффициенту теплопередачи или температуре на выходе. Способ предусматривает контроль за температурой и расходом охлаждаемого (нагреваемого) продукта на входе в теплообменники.
Недостатком данного способа является то, что он не позволяет оптимально распределять оборотную воду между градирнями, так как неточно определяет охладительную характеристику градирен, в связи с тем, что охлаждение воды в градирне осуществляется не за счет теплопередачи, а за счет испарения (примерно 80% передаваемого тепла) и за счет теплоотдачи от воды к воздуху при их контакте (примерно 20% передаваемого тепла) (Перри Дж.Г. Справочник инженера-химика. T.1. Пер. с англ. под ред. Н.М.Жаворонкова и П.Г.Романкова. - М.: Химия, 1969. - С.479). Из-за этого эффективность охлаждения оборотной воды в блоке градирен снижается. Кроме того, данный способ не предусматривает регулирование расхода воздуха в градирню.
Техническая задача изобретения заключается в минимизации потребления электрической энергии за счет повышения эффективности охлаждения оборотной воды в водоблоке, достигаемой путем более точного определения охладительной характеристики градирен, оптимального распределения охлаждаемой воды между градирнями и оптимального регулирования подачи воздуха в градирни.
Эта задача решается тем, что способ управления процессом охлаждения оборотной воды в блоке градирен путем распределения нагрузки по охлаждаемой воде между градирнями в зависимости от их охладительной характеристики включает измерение температуры и объемного расхода горячей воды на входе в градирни, температуры холодной воды на выходе из градирен, температуры мокрого термометра и барометрического давления наружного воздуха, температуры мокрого термометра воздуха на выходе из градирен, давления горячей воды на входе в градирни, определение охладительной характеристики по барометрическому давлению, температуре горячей и холодной воды, температуре мокрого термометра наружного воздуха и воздуха, выходящего из градирен, вычисление среднего значения охладительной характеристики градирен, определение массового расхода горячей воды на входе в градирни по его объемному расходу, температуре и давлению и распределение суммарного массового расхода между градирнями водоблока в зависимости от отношения охладительной характеристики градирни к ее среднему значению.
Возможно дополнительное измерение скорости вращения вала вентилятора и активной электрической мощности, потребляемой его приводом, расчет массового расхода воздуха и вычисление коэффициентов зависимостей активной электрической мощности и охладительной характеристики от массовых расходов воды и воздуха, расчет оптимального расхода воздуха в градирни и, с учетом измеренной скорости вращения вала, оптимального числа его оборотов путем минимизации значения активной электрической мощности при оптимальном расходе воды в градирню и при условии выполнения задания по температуре холодной воды, определяемого согласно зависимости охладительной характеристики от массовых расходов воды и воздуха.
Технический результат предлагаемого изобретения поясняется примером его выполнения и чертежом, на котором изображена схема реализации.
Способ управления процессом охлаждения оборотной воды в блоке градирен осуществляется следующим образом. Холодная оборотная вода из бассейнов градирен 1 самотеком поступает во всасывающий коллектор 2 водоблока, откуда насосами 3 подается в напорный коллектор 4 водоблока, в котором создается избыточное давление, достаточное для прокачки воды через гидравлические сети потребителей 5 и подачи в градирни 1 на охлаждение. Объемный расход горячей воды в градирни, ее температура и давление измеряются соответственно датчиками 6, 7 и 8. Параметры наружного воздуха измеряются соответственно датчиком барометрического давления 9 и температуры мокрого термометра 10. Температура мокрого термометра воздуха на выходе из градирен измеряется датчиками 11. Температура холодной воды на выходе из градирен измеряется датчиками 12. Скорость вращения вентиляторов 13 измеряется тахометрами 14, а активная электрическая мощность, потребляемая приводами 15 вентиляторов, измеряется счетчиками электрической энергии 16. Регулирование скорости вращения вентиляторов осуществляется либо частотными регуляторами 17, либо с помощью рычага гидромуфты 18. Переключение режимов управления (автоматический - автоматизированный) реализуется с помощью переключателей 19 оперативным персоналом 20. Подача горячей воды в градирни регулируется посредством исполнительных механизмов 21. Информация от датчиков расхода 6, температуры 7, 10, 11, 12, давления 8, 9, тахометров 14, счетчиков электрической энергии 16 поступает на входы блока управления 22, в котором осуществляется оптимальное распределение нагрузки по горячей воде и расчет оптимальных расходов воздуха в каждую градирню и, соответственно, скорости вращения вентилятора. Рассчитанные значения управляющих воздействий по расходу горячей воды и скорости вращения вентиляторов с выходов блока управления 22 через переключатели 19 поступают соответственно на исполнительные механизмы 21 и частотные регуляторы 17. В резервном автоматизированном режиме управления значения управляющих воздействий выдаются блоком 22 в качестве заданий оперативному персоналу 20, который устанавливает оптимальный расход горячей воды с помощью исполнительных механизмов 21 и оптимальную скорость вращения вентиляторов посредством воздействия на рычаги гидромуфт 18.
На основе информации, поступающей от датчиков 9 и 10, рассчитывается энтальпия воздуха на входе в градирни водоблока:
где  - температура мокрого термометра наружного воздуха, измеряемая датчиком 10, °С;
П - барометрическое давление наружного воздуха, измеряемое датчиком 9, мм ртутного столба (мм Hg);
- парциальное давление насыщенного водяного пара при температуре мокрого термометра воздуха на входе в градирни, рассчитывается по формулам:
где
Выражение (2) получено нами путем обработки табличных данных по зависимости давления насыщенного водяного пара от температуры (Перри Дж.Г. Справочник инженера-химика. Т.1. Пер. с англ. под ред. Н.М.Жаворонкова и П.Г.Романкова. - Л.: Химия, 1969. - С.475, табл.VII-2).
На основе информации, поступающей от датчиков 9 и 11 блок 22 рассчитывает энтальпию воздуха на выходе из градирни:
где  - парциальное давление насыщенного водяного пара при температуре мокрого термометра воздуха на выходе из градирни, мм Hg, определяется по формулам (2) и (3) с заменой величины  на ;
- температура мокрого термометра воздуха на выходе из градирни, измеряемая датчиками 11, °С.
По разности энтальпий воздуха на выходе и входе градирен и разности температур горячей и холодной воды, измеряемых соответственно датчиками температуры 7 и 12, блок 22 рассчитывает текущее массовое отношение воды и воздуха в каждой градирне:
где m - текущее отношение массовых расходов воды и воздуха в градирне;
г
t - температура горячей воды на входе в градирни, измеряемая датчиками 7, °С;
x
t - температура холодной воды на выходе из градирен, измеряемая датчиками 12, °С;
x
г
Энтальпия насыщаемого в градирне воздуха для каждой температуры воды t, входящей в диапазон t≤t≤t, рассчитывается блоком 22 по формуле:
где  рассчитано блоком 22 ранее по формулам (1), (2), (3);
x
г
t - температура охлаждаемой воды из диапазона t≤t≤t, °С.
x
г
Энтальпия насыщенного воздуха для каждой температуры воды t, входящей в диапазон t≤t≤t, определяется блоком 22 по выражению:
нас
где P(t) - парциальное давление насыщенного водяного пара при температуре воды t, мм Hg. Рассчитывается по формулам (2) и (3) с заменой  на t.
Далее блоком 22 для каждой градирни рассчитывается текущая охладительная характеристика:
являющаяся аналогом коэффициента теплоотдачи.
Среднее значение охладительной характеристики градирен водоблока определяется в блоке 22 по формуле:
где j - номер градирни в водоблоке;
М - количество градирен в водоблоке.
j
Величина I рассчитывается для каждой градирни по формуле (8).
Массовый расход горячей воды L в каждую градирню определяется блоком 22 согласно информации, поступающей от датчиков объемного расхода воды 6, ее температуры 7 и давления 8:
W
3
где Q - объемный расход горячей воды, измеряемый датчиком 6, м/час,
W
ρ - плотность горячей воды, зависящая от ее температуры и давления:
W
t - температура горячей воды, измеряемая датчиком 7, °С;
W
Р - давление горячей воды, измеряемое датчиками 8, ;
L - массовый расход горячей воды в градирню, .
Формула (11) получена нами путем обработки табличных данных по зависимости плотности чистой воды от ее температуры и давления (РД 50-213-80. Правила измерения расхода газов и жидкостей стандартными сужающими устройствами. - М.: Издательство стандартов, 1982. - С.111, таблица 1).
Усредненный расход горячей оборотной воды в градирни определяется суммированием рассчитанных значений массовых расходов L в каждую градирню и делением суммы расходов на количество градирен М:
Оптимальные значения расходов воды в градирни рассчитываются блоком 22 по формуле:
где  - оптимальное значение расхода воды в j градирню, .
Оптимальные значения массовых расходов воды в градирни перерасчитываются в объемные расходы и выдаются блоком 22 в качестве задания на исполнительные механизмы 21 либо непосредственно, либо через обслуживающий персонал 20. Перерасчет осуществляется по формуле:
Wj
где ρ - текущая плотность воды в j градирню, рассчитывается по формуле (11).
Нами экспериментально установлено, что величина охладительной характеристики градирни, рассчитываемая по формуле (8), зависит от массового расхода воды L и отношения массовых расходов воды к воздуху:
1
2
3
4
где а, а, а, а - коэффициенты модели.
1
2
3
4
В выражениях (8) и (15) все значения входящих параметров либо измерены, либо рассчитаны блоком 22, поэтому значения коэффициентов а, а, а, а могут быть также определены.
Модель (15) является линейной относительно коэффициентов, поэтому их текущие значения определяются методом адаптивной идентификации. Расчет ведется блоком 22 по формулам:
1i-1
2i-1
3i-1
4i-1
где а, а, а, а - значения параметров модели (15), рассчитанные блоком 22 на прошлом i-м шаге управления;
1i
2i
3i
4i
а, а, а, а - значения параметров модели (15), определенные на текущем i шаге управления;
i
(m) - отношение массовых расходов воды и воздуха, рассчитанное по формуле (5) на текущем i шаге управления;
L - массовый расход воды в градирню, рассчитанный по формуле (10) на текущем i шаге управления;
i
I - текущее значение интеграла I, рассчитанное по формуле (8) на текущем i шаге управления;
p
I - значение интеграла I, рассчитанное исходя из модели (15) по формуле:
10
20
30
40
10
20
30
40
Начальные значения коэффициентов при i=1 а, а, а, а выбираются экспериментально в пределах: 0,001≤a≤0,01; 0,1≤а≤0,95; 0,001≤а≤0,01; 0,001≤а≤0,95.
По рассчитанным по формуле (10) значениям массовых расходов горячей воды в градирни и по формуле (5) отношениям массовых расходов воды и воздуха блок 22 определяет массовый расход воздуха в каждую градирню:
На основании информации, поступающей от датчиков активной электрической мощности 16 и рассчитанных по формулам (10) и (21) массовых расходов воды и воздуха, блок 22 вычисляет коэффициенты математической зависимости активной электрической мощности, потребляемой приводами вентиляторов градирен, от массовых расходов воды и воздуха в градирни:
где N - активная электрическая мощность привода вентилятора, измеряемая счетчиками 16, кВт.
1
2
3
Модель (22) является линейной относительно коэффициентов k, k, k, поэтому их значения для каждой градирни могут быть вычислены методом адаптивной идентификации:
1i-1
2i-1
3i-1
где k, k, k - значения параметров зависимости (22), определенные на прошлом i-1 шаге управления;
1i
2i
3i
k, k, k - значения параметров зависимости (22), определенные на текущем i шаге управления;
i
N - измеренное счетчиком 16 на текущем i шаге значение активной электрической мощности;
p
N - расчетное значение активной электрической мощности, равное:
i
i
где G, L - рассчитанные на текущем i-шаге управления массовые расходы воздуха и воды в градирню.
10
20
30
Начальные значения коэффициентов при i=1 k, k, k определяются экспериментально в следующих пределах:
10
20
30
-1,0≤k≤1,0; -1,0≤k≤1,0; -1,0≤k≤1,0.
С использованием информации о скорости вращения вала вентилятора, поступающей от тахометров 18, блок 22 рассчитывает приведенную к скорости вращения потребляемую мощность:
-1
где n - скорость вращения вала вентилятора j градирни, измеряемая тахометрами 18, с;
N - измеренная счетчиком 16 j градирни активная электрическая мощность, кВт.
*
Далее блок 22 вычисляет оптимальный расход воздуха в каждую градирню G. Расчет ведется путем минимизации выражения
при условии выполнения равенства
*
где L - оптимальный расход воды в j градирню, вычисленный по формуле (13);
- задание по температуре холодной воды, устанавливаемое для j градирни.
Таким образом, минимальное значение активной электрической мощности, потребляемой приводом вентилятора j градирни, равно:
Соответствующая этой мощности оптимальная скорость вращения вала вентилятора j градирни рассчитывается блоком 22 в соответствии с законом вентилятора по формуле:
np
где N - приведенная мощность, рассчитанная по формуле (27).
Оптимальное значение скорости вращения вала вентилятора выдается блоком 22 в качестве уставки частотному регулятору скорости вращения электродвигателя привода 15. В простейшем случае оперативный персонал 20 с помощью рычага гидромуфты 18 реализует рассчитанную оптимальную скорость вращения вентилятора.
Способ управления процессом охлаждения оборотной воды в блоке градирен поясняется следующим примером.
Водоблок состоит из 2 градирен типа СК-1200. Измеренные значения технологических параметров были равны:
- барометрическое давление наружного воздуха П=745 мм Hg;
- температура мокрого термометра наружного воздуха ;
- объемные расходы воды в градирни
W1
W2
3
3
Q=8000 м/ч; Q=8000 м/ч;
г1
г2
- температура горячей воды t=42°С; t=44°С;
x1
x2
- температура холодной воды на выходе из градирни t=24°С; t=25°С;
W1
W2
2
2
- давление горячей воды на входе в градирни P=2,0 кгс/см; P=3,0 кгс/см;
- температура мокрого термометра воздуха на выходе из градирен ; ;
1
2
- активная электрическая мощность, потребляемая электродвигателями вентиляторов, N=558 кВт; N=585 кВт;
- скорость вращения вентилятора
Суммарное количество потребляемой электроэнергии
1
2
N=N+N=558+585=1143 кВт.
Приведенная к скорости вращения вала вентиляторов потребляемая мощность соответственно равна:
Начальные значения коэффициентов зависимостей (15) и (22) для обеих градирен были приняты равными:
10
20
30
40
a=0,005; а=0,5; а=0,005; a=0,1;
10
20
30
k=0,2; k=0,1; k=0,065.
Заданное значение температуры холодной воды на выходе обеих градирен равно .
Расчетные значения плотности горячей воды равны (формула 11):
W1
W2
3
3
ρ=991,512 кг/м, ρ=990,747 кг/м.
Массовые секундные расходы горячей воды
Энтальпия насыщенного воздуха на входе в градирню (формула 1):
Энтальпия насыщенного воздуха на выходе из градирен (формула 4) равны:
Отношения массовых расходов воды и воздуха (формула 5):
Тогда массовые расходы воздуха в градирни равны:
1
2
Охладительные характеристики градирен, рассчитанные по формуле 8 (интегрирование осуществлялось методом Симпсона с шагом 0,1°С), равны: I=0,248; I=0,2.
Среднее значение охладительной характеристики
Оптимальные значения массовых расходов воды в градирни равны:
Оптимальные значения объемных расходов воды будут равны:
Скорректированные значения коэффициентов зависимостей (15) и (22) определяются следующим образом.
Для 1 градирни
Для 2 градирни
Для каждой градирни записываются выражения (28) и (29).
Для 1 градирни
Для 2 градирни
Целевая функция запишется следующим образом.
Для 1 градирни
Для 2 градирни
20
где 10 - штрафной коэффициент.
Если выражение в фигурных скобках не равно 0, то целевые функции принимают очень большое значение, то есть на них накладывается «штраф».
Поиск оптимальных значений  и  выполним одним из методов нелинейного программирования, например методом конфигураций Хука-Дживса. (с.178-182, Шуп Т. Решение инженерных задач на ЭВМ: Практическое руководство. Пер. с англ. - М.: Мир, 1982 г.)
Начальные значения  и  вычисляются следующим образом.
Для 1 градирни
Для 2 градирни
Оптимальные значения  и , рассчитанные методом Хука-Дживса, получились равными ;
Минимальные значения активной электрической мощности, рассчитанные исходя из оптимальных значений расходов воды  и воздуха , равны:
Оптимальные значения скорости вращения вентиляторов градирен определяются по формулам (31):
Суммарное количество потребляемой электроэнергии при оптимальном управлении
Суммарное количество потребляемой электроэнергии при управлении по прототипу равно N=1143 кВт.
Таким образом, экономия электрической энергии составит
ΔN=1143-1135=8 кВт.
Г
А годовая экономия электроэнергии N на 1 водоблоке, состоящем из 4 градирен, составит:
Г
N=4·4·24·180=69120 кВт,
где 4 - экономия электрической энергии на 1 градирне, кВт;
180 - количество календарных дней в году, когда включены вентиляторы.
Таким образом, использование изобретения позволяет минимизировать потребление водоблоком электрической энергии за счет повышения эффективности охлаждения оборотной воды, достигаемой путем более точного определения охладительной характеристики градирен, оптимального распределения охлаждаемой воды между градирнями и оптимального регулирования подачи воздуха в градирни.