混合风-水循环冷却水系统变频改造的多周期优化

《Chinese Journal of Chemical Engineering》：Multi-period optimization of variable frequency drive retrofit for hybrid air–water circulating cooling water systems

　　

一个多时期模型用于优化工业循环冷却水系统。变频改造决策与系统运行优化相结合。明确考虑了季节性冷却需求和环境条件。泵、冷却塔和空气冷却器在统一框架内进行优化。该方法能够识别具有成本效益的改造和运行策略。引言 在水资源约束日益收紧和节能减排压力不断加大的背景下，过程工业领域的节能节水工作日益受到关注。工业循环冷却水系统（CCWS）作为工艺废热排放和温度控制的关键单元，广泛应用于空调系统[1]、分布式能源系统[2][3]、服务器液冷系统[4]、过程工业[5][6]以及综合能源系统[7]中。由于循环水量大、电机驱动设备耗电量大，在某些工业场景下，CCWS可占工业总用水量的70%至80%[8]。因此，现有CCWS的节能节水改造不仅能降低年化系统成本，还能在水、能资源双重约束下提升过程工业的可持续运行水平。CCWS的设计与优化研究在多个层面已取得显著进展。根据系统配置和优化目标的不同，现有研究主要集中在冷却器网络、泵网络、冷却塔和空冷设备等关键子系统上。其中，冷却器网络直接决定了循环水与工艺流体之间的换热匹配关系，是影响系统耗水量、耗能量和运行可行性的基础组件。针对冷却器网络，已有学者提出系统化的设计方法，在考虑能耗和可操作性的同时最小化耗水量[9]。后续研究进一步将换热器约束、压降和热负荷需求纳入热交换网络配置优化[10]。另有研究通过引入松弛策略，提高了复杂热交换网络优化问题的可行性和计算稳定性[11]。Zhang等人[12]提出了一种两步优化方法，将并联冷却器网络改造为混合串并联配置。其结果表明，冷却器网络优化可显著降低成本，而进一步考虑水力效应还可额外降低泵网络成本。这些研究说明，CCWS中的热网络、水力网络与电机驱动设备之间存在强耦合关系。因此，孤立地改造或优化单一子系统可能无法实现全局经济最优，必须在系统层面综合考虑各子系统之间的相互作用。在CCWS中，泵网络负责循环水的输送和压力维持，其能耗通常占系统总用电量的较大比例。因此，泵网络优化一直是CCWS设计与改造中的重要研究方向。现有研究涉及泵组合优化[13][14]、主备泵网络设计[15]、泵调度策略[16]以及耦合优化方法[12]。在这些方法中，变频驱动（VFD）控制被认为是降低阀门节流损失、提高泵运行效率的有效手段[17]。He等人[18]采用多策略遗传算法对变频泵站进行优化，结果表明与阀门调节相比，VFD控制可显著降低泵组能耗。Tirmizi等人[19]进一步指出，在部分负荷工况下，VFD泵相比定速泵可节能15%至35%，而以VFD控制为主、按需并联运行的方案相比传统定速并联运行可降低22%至28%的总能耗。这些发现表明，VFD技术不仅是设备层面的节能措施，更是一种系统层面的控制手段，能够改变流量分配、水力平衡和运行点。除泵网络外，冷却塔是工业CCWS中最常见的冷却终端。其性能受湿球温度和风机运行模式等因素的强烈影响。现有研究涉及冷却塔运行参数优化[20][21]、干湿混合冷却配置[22]、环境适应性提升[23][24]以及高精度冷却塔建模[25][26][27]。在这些措施中，风机转速控制是提高冷却塔运行适应性的重要方法。Lemouari等人[28]指出，冷却塔风机的VFD运行可实现风量与实时热负荷的匹配，与传统启停控制相比可节能20%至40%，同时提高出水温度的控制精度。然而，对于耦合冷却塔与空气冷却器的工业循环水系统，冷却塔性能不仅影响其自身的风机能耗，还影响循环水回水温度、蒸发损失、补水需求以及水侧冷却的负荷分配。为降低耗水量，空气冷却器作为水冷系统的替代或补充技术被引入工业冷却系统中。与蒸发式冷却塔相比，空气冷却器几乎不消耗水，在水资源匮乏地区具有明显优势。Karimi等人[29]比较了空气冷却和水冷系统在炎热干旱地区冷却系统中的能耗和耗水特性，表明合理配置空气冷却器可显著降低耗水量。在空气冷却器优化方面，已有研究建立了鲁棒的随机设计框架[30]、详细的空气冷却器设计数学模型[31]以及平衡传热性能与运行成本的 thermo-economic 优化方法[32]。此外，空气冷却器运行对干球温度及非设计工况非常敏感。Fahmy[33]提出了一种空气冷却器非设计性能的快速预测方法，Yin等人[34]则开发了一种结合能效优化和串级控制的综合策略。这些研究为空气冷却器的设计和运行优化提供了理论依据。因此，在改造设计阶段，空气冷却器是否配置变频风机也应作为重要的决策变量。随着对组件间相互作用的理解不断深入，CCWS优化已从单一设备优化逐渐转向系统集成优化。早期研究强调热交换网络与冷却水系统的协调设计[35]。后续工作开发了混合整数非线性规划模型，将热交换网络、冷却塔、热力学因素和水力因素纳入统一优化框架[36][37]。Ma等人[38]提出了多回路泵网络和主备泵网络配置，用于冷却器网络、泵网络和冷却塔的集成优化，结果表明同时优化相比顺序优化可降低6.3%的年总成本。此外，已有研究将夹点技术与数学规划方法相结合[39]，开发了混合整数非线性规划模型[37]，并将热力学-水力相互作用引入CCWS优化[40][41]。总体而言，CCWS优化的研究范式已从单一目标成本最小化演进为综合考虑节能、节水和经济性的多目标优化[39][42][43][44][45]。由冷却塔和空气冷却器组成的混合冷却系统为协调用水量和能耗提供了有效途径。空气冷却器可承担部分预冷负荷，从而降低后续冷却塔负荷和蒸发耗水量。同时，当空冷能力受限时，冷却塔可提供蒸发冷却。现有研究表明，集成空气冷却器、水冷器和冷却塔的混合冷却技术可实现12%至28%的节能和18%至38%的节水[46]。此外，CCWS表现出显著的季节性特征。传统设计通常基于单一运行工况，如夏季高温或最大负荷。然而在实际运行中，环境条件和冷却负荷逐月变化。已有研究表明，考虑环境温度季节性变化的多时期优化可降低年运行成本，并提高系统对不同气象条件的适应性[47][48]。因此，VFD改造方案的评估不应仅依赖单一设计工况，而应在全年多时期条件下进行。尽管已有研究证明了VFD泵的节能潜力和空气冷却器的节水潜力，但针对现有空-水混合CCWS中不同VFD改造目标的系统比较仍然有限。特别是在多时期运行条件下，循环水泵变频调节会改变水侧流量、泵扬程和阀门节流损失，而空气冷却器风机变频则影响空气侧传热能力、风机功耗以及由水冷系统和冷却塔承担的剩余热负荷。这两类VFD改造措施之间存在强耦合关系，其节能和节水效益需要在统一的系统级优化框架中进行评估。本研究的主要贡献如下：1.开发了一种多时期混合整数非线性规划（MINLP）模型，用于空-水混合CCWS的变频改造与运行协同优化。针对集成空气冷却器、水冷却器、循环泵和冷却塔的工业CCWS，本研究建立了考虑全年12个月环境条件变化的运行-改造协同优化模型。该模型在综合考虑泵功耗、空气冷却器风机功耗、冷却塔运行成本、耗水成本以及变频驱动年化资本成本的基础上，最小化年总成本。它能够在全年多种运行工况下评估不同VFD改造方案的经济性。2.提出了一种结合循环泵VFD和空气冷却器风机VFD的联合改造设计方案。考虑空-水混合CCWS中泵送能耗、空冷能耗和水冷负荷之间的耦合关系，本研究将循环泵VFD和空气冷却器风机VFD同时纳入改造设计。共建立了四种方案：无VFD改造（基线方案）、仅循环泵VFD（Pump-VFD）、仅空气冷却器风机VFD（Fan-VFD）以及循环泵与空气冷却器风机双重VFD（Dual-VFD）。系统分析了不同改造组合对年总成本、月运行成本和系统运行参数的影响，为泵-风机协同VFD改造提供了设计依据。3.阐明了VFD控制、水力分配和冷却负荷分配之间的耦合关系。通过分析不同月份循环泵频率、空气冷却器风机频率以及水冷却器支路阀门开度的变化，本研究阐明了不同VFD改造组合影响泵送能力、空冷能力、水冷负荷和冷却塔运行的机制。章节摘要系统配置 传统CCWS一般由循环泵、供回水总管、支路控制阀、水冷换热器和冷却塔组成。循环泵通常在额定转速下运行，为系统提供相对固定的流量和扬程。在各支路中，冷却水流量主要通过控制阀调节，通过改变局部水力阻力满足不同热工艺流体的冷却需求。然而，当Mathematical Formulation 混合冷却水系统的整体优化框架如图2所示。该框架集成了月度运行条件、改造方案和系统参数，以及水力、换热和冷却塔模型。遗传算法协调泵、风机和阀门运行变量，耦合仿真模型评估系统性能、运行约束和年总成本。基础数据 本研究基于工业CCWS的实际运行数据进行建模和分析。该系统包含21股需要冷却的热物流，采用总管并联配置。每个支路对应一个特定的冷却任务，冷却水流量分配通过支路控制阀调节。主管道上也安装了一个控制阀，以维持系统压力稳定。各热工艺流体的基础数据，包括进口温度，Conclusions 本研究开发了一种多时期VFD改造优化模型，用于工业空-水混合循环冷却水系统，考虑了全年12个月的运行条件变化。共比较了四种VFD改造情景，即基线方案、Pump-VFD、Fan-VFD和Dual-VFD方案。主要结论如下。1.不同VFD改造策略的经济性差异显著，泵与风机的协同变频控制可实现的CRediT作者贡献声明 崔一：方法学。刘晓辉：可视化、数据整理。杨森：撰写初稿、可视化、验证、方法学、调查研究。

王宇飞：写作——审阅与编辑、监督、资金获取、构思
备注 作者声明无竞争性经济利益。
符号说明
集合 符号 描述
运营月份或周期的集合
水冷换热器、热流股或支路的集合
配备空冷器的热流股集合
循环水泵集合
运营月份或周期的索引，运营周期的索引，换热器、空冷器、热流股或支路的索引，或循环水泵的索引，
参数 符号 描述
空冷器的传热面积，m2
设计
利益声明 ? 作者声明不存在已知可能影响本文所报告工作的竞争性经济利益或个人关系。
致谢 感谢北京市自然科学基金 (L259009)、国家自然科学基金委 (22393954) 以及中国石油大学（北京）前沿交叉探索研究计划 (2462025XKQY002) 提供的资金支持。
杨森 | 崔逸 | 刘晓辉 | 王宇飞