PROCESS AUTOMATION INSTRUMENTATION
白 动化仪表
Vol. 39 No. 8
Aug. 2018
工业循环水系统的节能优化研究
林雪茹，李达，古勇，田东鹏，吴玉成，侯卫锋
(浙江中控软件技术有限公司，浙江杭州310053)
摘要：针对工业循环水系统现存的高能耗问题，分析了工业循环水系统的能耗特征，确定了其关键可调参数，并挖掘了设备历史运 行数据。通过最小二乘法等数据拟合方法建立设备电耗的数据驱动模型，以半机理半经验法建立冷却塔及冷冻机的数学模型。在此 基础上，构建系统能耗优化模型。借助序列二次规划（SQP)等非线性优化问题求解算法，获得在保证循环水供应量与制冷量需求情况 下的循环水优化调度方案、冷却塔风机优化操作方案、循环水泵与冷水机组的优化运行策略，并结合实际案例介绍运行评价技术的应 用效果。结果表明，工业循环水系统能耗受环境温湿度影响较大，夏季系统能耗明显高于春秋季节;冷水机组效率（COP)随冷却水供 水温度的降低而提高;在循环水系统运行评价的基础上进行循环水的调度或操作优化，可有效降低企业的冷量浪费问题，获得显著的 节能效益。
关键词：循环水；制冷；节能；优化；冷却塔；中央空调系统；冷水机组
中图分类号：TH165;TP391.9
文献标志码：A
DOI：10.16086/j. cnki. issnl000-0380.2018020039
Research on the Energy Conservation Optimization
of Industrial Circulating Water System
LIN Xueru,LI Da,GU Yong,TIAN Dongpeng,WU Yucheng,HOU Weifeng
(Zhejiang SUPCON Software Technology Co. ,Ltd. ,Hangzhou 310053,China)
Abstract ： In view of the current high energy consumption problem in industrial circulating water system, the energy consumption
characteristics of industrial circulating water system are analyzed, the key adjustable parameters are determined, and the historical operation data of equipment are fully mined. The data driven model of equipment power consumption is established by means of least squares and other data fitting methods, and the mathematical models of cooling tower and freezer are established by semi-mechanism and semi-empirical method. Then, on this basis, the optimization model of the system energy consumption is established. With help of sequential quadratic programming ( SQP) and other nonlinear optimization solving algorithms, the optimal dispatching scheme of circulating water,the optimal operation scheme of the cooling tower fan and the optimal operation strategy of circulating water pump and chiller are obtained in the case of ensuring the demand for circulating water supply and cooling capacity. Finally,the operation evaluation technology is introduced combining with actual cases. The results show that the energy consumption of industrial circulating water system is greatly influenced by the ambient temperature and humidity,and the energy consumption in summer is obviously higher than that in spring and autumn. In addition,the efficiency of refrigeration unit increases along with the water supply temperature decreasing. On the basis of the evaluation of circulating water system operation, the scheduling or operation optimization of circulating water can effectively reduce the waste of cold capacity of the enterprise and obtain significant energy-saving benefits.
Keywords： Circulating water； Refrigeration； Energy-saving； Optimization； Cooling tower； Central air-conditioning system；
Chiller
一，在保障企业日常生产的同时，其高能耗问题也日益
51 S
循环水系统作为各大工业企业重要的公用工程之
收稿日期=2018-02-24
基金项目：工信部2013年度电子信息产业发展基金资助项目
作者简介:林雪煎（1995—），女，学士，助理工程师，主要从事能源预测与调度优化、成品油调合调度优化等方向的研究，
突出。多年来，由于缺乏理论计算的支撑以及精细化的运行管理措施，企业往往使用满负荷的标准运行模
E-mail ：linxueru@ supcon. com
第8期工业循环水系统的节能优化研究林雪茹，等• 37 •
式;或是靠档选择，“大马拉小车”；或局限于单体节 能，凭经验调节单一参数，系统运行效率低下[1_3]。目
前，国内外研究者段国武[4]、龙德晓[5]、Thielman[6]等 对工业循环水系统的节能优化问题开展了大量的研究 工作，但多以设备改造为主，并未从系统角度对各设备 之间的能耗关系进行更深入的研究。
本文针对典型的工业循环水系统，深入分析其能 耗特征，提出一套以系统节能为出发点的循环水系统 优化方法，为工业企业循环水系统运行优化提供借鉴。
1
循环水系统的能耗特征
循环水系统通常由冷却塔、循环水泵、冷水机组三
大部件构成，其耗能设备包括冷却塔风机、循环水泵、 冷冻机和冷冻水泵。循环水系统结构如图1所示。
水或
空气
冷冻水
冷却水
空气
冷冷水却机循环水栗
塔系组
统
冷冻泵
图1循环水系统结构图
Fig. 1 Structure of circulating water system
整个循环水系统的能耗特征表现为各设备能耗的 线性叠加，但各设备的能耗却因冷冻水温度与流量的 非独立性而存在耦合。例如，为了减少循环水泵的功 耗而减少了循环水的流量，则冷却水回水温度必然升 高，这就加大了冷却塔的热负荷，在相同的需冷量下， 冷却塔风机的功耗必然增加[7]。其次，循环水系统的 能耗具有明显的季节性特征。受环境温湿度的影响， 冷却水一年四季的温度都是不同的，上下温差最大可 达30 T。所以对于不同的季节，要达到同样的冷却效 果需要的冷却水量是不同的，需采用不同的供水策略。 此外，不同设备在不同负荷下的运行效率不同，在实 际生产过程中需根据不同的负荷对设备启停组合进行 调整。
综上所述，针对不同季节的冷量需求，采用最佳的 冷却水与冷冻水的调度分配方案，以及最优的设备组 合运行策略，以保证整个循环水系统的综合能耗最小。
2
循环水系统的优化建模原理
循环水系统优化的目标是在保证循环水供应量与
制冷量需求的情况下，使整个循环水系统的综合能耗 最小。目标函数如下：
MinP.
I
+ I '
i=l
'^refri’i +
i=l
^pumpchw, i
( 1 )
式中：为循环水系统功率；Aal^为冷却塔风机功 率；PpUmp~为循环水泵功率；匕^为冷冻机功率;
PpUmp~
为冷冻水泵功率。
2.1设备电耗模型
各设备电功率基于数据驱动模型进行计算。根据 设备的历史运行数据，通过最小二乘法[8]等数据拟合 方法，分别建立冷却塔风机、循环水泵、冷冻水泵的流 量与电耗的关联模型：
Pi = Li
+ bi
式中:分别为各设备的电耗、流量;为模型
的拟合系数。
因冷却塔的风量随环境温湿度波动幅度较大，风 量与风机电流的模型参数不稳定，还需借助风机的实 时运行数据进行模型的更新与校正。
冷冻机的电耗模型如式（2)所示，其计算方法采 用半机理半经Prefrii验建模方法。
= /( Lchwi, ^tchwi, Atcwi) (2)
式中:为冷冻水温差;Ak%为循环水温差。
2.2冷却塔模型
根据大气温度£以、大气湿度/«圮可确定湿球温度
hi
tx = tw( tai Jaii) (3)
根据湿球温度L可确定热量系数b
^
1-4187^
(4)
根据冷却水温差Acw;，可确定冷却塔
进出口空气的給
hai = Hair (tai，faii)
hao = hai + 4. 187 xk
根据冷却水总流量可确定所需冷 量
Q = Lcwtotal x 1 000 x 4. 187 x
^cw
3.517 x 3 600
根据需冷量F = (? X3.517
3 600
1. 2 x
(hao - hai)
(7)
2.3冷冻机模型
建立压缩机、冷凝器、电子节流阀、蒸发器、制冷系 统模型，分别为：
• 38 •自动化仪表第39卷
Pi =Qmx(H2-Hl) +(8)QkQc
= Qmx (h2-h3)(9)0 = Qmx (H, -H3)(10)Q〇 =Qmx (H, -(11)QHa)〇 + pi = Qk + Qc
(12)
冷冻机能p效比尽为：
273. 15 + tcwi + a 1
15 + tcwo — b
X c(13)
则制冷量％为：
Q〇 = Lchw x 1 000 x 4. 187 x
A.chw 3 600
(14)COP = ^
(15)
式中：为制冷剂质量流量;^为制冷剂在压缩机入
口的焓值;凡为制冷剂在压缩机出口的焓值;久为单 位时间制冷剂在压缩机中向外界散发的热量;ft为单 位时间制冷剂在冷凝器中向外界散发的热量;^为制 冷剂在冷凝器出口的給值;〇〇为制冷量;凡为制冷剂 在蒸发器出口焓值;c为冷冻机电耗模型拟合系数;
COP为冷冻机能效比[9]〇2.4优化模型2.4.1物料平衡约束
对于整个循环水系统，有：
I
n - U
= 0
(16)
对于各子设备，有:
n - ^,out) = 0
(17)
式中：心，in为循环水系统的空气入口量；心，。ut为循环
水系统的空气出口量；'m为循环水系统各子设备的 物料f入口量；F_t为循环水系统各子设备的物料f出 口量。
2.4.2能量平衡约束
I
(^
inx^in-Fi)〇utx^out-^-^) =0 (18)式中：尽，in为循环水系统各子设备的物料i入口焓值; 尽，。ut为循环水系统各子设备的物料〖出口焓值；％为
对外做功；仏为能量损失。2.4.3装置约束
分配到冷却塔、循环水泵、冷水机组、冷冻水泵的 介质流量必须在正常范围内，否则会影响设备的正常运行。
以
“—X
(19)
U h k腿 (2
〇)
式中：八为设备的物料量；'_为设备所能承受的最 小负荷；Fi max为设备所能承受的最大负荷；（为设备
的电流值；
为设备所能承受的最小电流量；'max
为设备所能承受的最大电流量。
2.4.4效率约束
在实际生产过程中，往往要充分考虑单个设备的 效率情况。通常，不启用效率值过低的设备，以免造成 负荷浪费。
Vi,min ^Vi^1 Ji > 0
(21)
式中：％为设备效率。2.4.5需求约束
对于循环水系统的优化，必须满足日常生产对循 环水总量以及制冷量的需求。
^cw,need
wK A
^ ^c
(22)
(23)式中：k为优化方案所提供的循环水总量；
为
实际生产对循环水的总需求；仏为优化方案所提供的
制冷量；为实际生产对循环水系统制冷量的
需求。
(sequential采用非线性规programming划法中的序列二次规划法 quadratic ，SQP) [10]对上述模型进行求解。
3
典型应用案例
某化工企业的循环水系统包括四台机械通风式冷
却塔、九台冷却水泵、九台冷冻机及七台冷冻水泵，其 用户端为五大空调区域。针对不同的环境温湿度，用 户端对冷量的需求有所不同。根据上述优化建模原 理，结合企业数据库中保存的历史运行数据，构建涵盖 用户端的整个循环水系统的优化模型，获得在保证循 环水供应量与制冷量需求情况下的循环水优化调度方 案、冷却塔风机优化操作方案、循环水泵与冷水机组的 优化运行策略。
分别以32 T、65% RH的典型夏季模式与19T、 72% RH的典型春秋模式为例，结合企业数据库中的 系统历史运行数据，对模型参数进行更新校正，并优化 求解。循环水系统优化效果如表1所示。
由计算结果可知，夏季的循环水系统综合能耗较 春秋季有大幅提高，但循环水系统在环境温度较低的 春秋季更具有节能空间。这表明，当前企业在循环水 系统精细管理层面有待提高。
通过对两种典型模式的供冷量与需冷量的计算可 知，夏季的现行供冷量为3 132. 4冷吨，而需冷量（建 议供冷量）仅为3 049.1冷吨，实际生产过程中存在着 明显的冷量浪费现象。同样的，春秋模式现行供冷量 为1 644.7冷吨，而实际需冷量（建议供冷量）仅为
第8期工业循环水系统的节能优化研究林雪茹，等• 39 •
1 211冷吨，冷量过足现象尤为明显。
进一步分析表1中的数据可知，该企业可适当降 低冷冻水供水温度以减少冷冻水流量，从而降低冷冻
表
水泵功耗。根据运行建议结果，在满足循环水总量需求与制冷量需求的情况下，该企业夏季和春秋季预计节能比例分别为5.1%和15.6%。
1循环水系统优化效果
Tab. 1 Optimization effects of circulating water system
关
冷冻机启停冷冻水流量/(m3/h)四期冷却水流量/(m3/h)五期冷却水流量/(m3/h)系统供冷量/(冷吨/h)冷冻水供水温度冷冻水回水温度四期冷却水供水温度四期冷却水回水温度五期冷却水供水温度五期冷却水回水温度总能耗/kW
键
参
数
夏季优化效果 春秋季优化效果
---------------------------------------------------------------------------------------现行状态 建议状态 现行状态 建议状态启用 1#、4#、5#、6#、7#、 9#冷冻机
启用 1#、4#、5#、6#、7#、 9#冷冻机
启用1#、4#、5#冷冻机
启用2#、3#、5#冷冻机
2 844.472 471.951 842.001 220.705 874.90
6 910.28
3 043.873 132.40
9.5712.9028.5633.2527.9932.754 346.80
6 966.50
3 026.313 049.10
8.3012.0326.0029.7526.0029.754 126.00
6 115.31
2 160.00
1 644.7010.7713.4724.6427.4026.0229.423 044.60
2 102.00
1 211.0010.00
13.0025.6028.1626.8030.302 569.80
4
结束语
针对工业循环水系统的综合能耗受多参数耦合影
参考文献：
[1 ]
马正军.工业循环水系统节能策略研究[D ].南京：江苏大学，
响、系统的制冷量需求随季节变化性较大、不同设备组 合方式构成的系统效率存在高低等特征，进行循环水 系统的系统分析与理论计算，可获得循环水的调度优 化方案及设备运行策略建议，为不同天气条件的操作 模式切换提供依据。经过分析发现，冷冻机启停、冷冻 水流量调节、冷却水流量调节、冷冻水温度调节/冷冻 机压缩比、冷却水温度调节/冷却塔风机转速等关键因 素影响着系统的综合能耗，在理论建模时可确定上述 参数为关键可调变量。此外，泵、风机等设备的电耗模 型可采用数据驱动模型，充分挖掘设备历史运行数据， 并利用实际数据进行模型更新与校正。典型案例应用 表明，基于循环水系统的运行评价计算，开展调度或操 作优化，可有效降低企业的冷量浪费问题，为企业带来 较好的节能效益。
2013：5-8.[2] 虞谦.谈大马拉小车及节能改造[J].浙江节能，2006(3):
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