一种循环水系统的运行诊断方法及系统

技术领域

本发明涉及循环水系统技术领域，特别是涉及一种循环水系统的运行诊断方法及系统。

背景技术

大型工业企业中，循环冷却水系统是最重要的公用工程系统之一。但循环冷却水系统庞大复杂，在设计阶段就缺乏精细计算的工具，导致大部分循环冷却水系统的裕量设计偏大，实际耗水量和耗电量很高，致使水泵不能在额定工况下运行，工业循环冷却水的用量约占整个工业用水量的70％～80％，节水意义重大。

循环冷却水系统是异程管网，即每个用水分支(装置或设备)的管长和管径，以及距离供水源的距离均不同，因此各分支的水力特性也不同。如图1所示，换热器1-4距离供水源的管长依次增加，循环冷却水的压力沿流向逐渐降低，供水主管路上的各供水支线三通的压力依次降低，而回水支线三通的压力沿流向依次升高。例如换热器1，供水支线距离最近，压力最高；而回水支线距离回水点也最近，但是压力最低。对于换热器4来说，供水支线距离最远，压力最低。如图2所示，上面一条线为供水压力随管长变化的曲线，下面一条线为回水压力随管长变化(供水源为起点)的曲线,上下两条线之间的距离即为资用压力(每个分支供水压力和回水压力的差值称为资用压力，即可以利用的压力)。

从上述分析可知，距离供水源最近的换热器1分支的资用压力最大，距离最远的D设备资用压力最小。如果换热器1-4的参数相同，由于资用压力不同，进入换热器1-4的循环冷却水流量也不同。这种由于距离不同，而出现不同流量分布的现象称为水力失调现象。实际的循环冷却水系统比上述示例要复杂得多，大分支下还有小分支，甚至更多的分级，每个分支带的设备不同，循环冷却水需求量不同，使管网的异程问题更加复杂，资用压力也有变化，水力失调问题也变得更加复杂，水力耦合现象使循环冷却水系统的调整难度大大增加。目前，本领域的技术人员调节循环冷却水系统时，只能凭借经验调试各分支的阀门或总阀门，无法判断循环冷却水系统具体哪个位置需要调试。

发明内容

本发明的目的是提供一种循环水系统的运行诊断方法及系统，能够计算各分支的水力特性，确定循环冷却水系统中需要调节的位置。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种循环水系统的运行诊断方法，包括：

获取循环水系统的流程图；所述流程图用于描述所述循环水系统中各元件的连接关系；

基于所述流程图，根据循环冷却水的物性参数和所述循环水系统的操作参数计算所述循环水系统各分支处循环冷却水的流速和进出口的温差；

根据各分支处的所述流速和所述温差确定所述循环水系统中需要调节的分支。

可选的，所述基于所述流程图，根据循环冷却水的物性参数和所述循环水系统的操作参数计算所述循环水系统各分支处循环冷却水的流速和进出口的温差，具体包括：

判断所述循环冷却水是否走管程，若是，则根据管程流速公式计算各分支处循环冷却水的流速，并根据管程温差公式计算各分支处循环冷却水的温差；若否，则根据壳程流速公式计算各分支处循环冷却水的流速，并根据壳程温差公式计算各分支处循环冷却水的温差。

可选的，

所述管程流速公式为：

式中，v

所述管程温差公式为：

式中，T

所述壳程流速公式为：

其中，

式中，v

所述壳程温差公式为：

式中，T

可选的，所述根据各分支处的所述流速和所述温差确定所述循环水系统中需要调节的分支，具体包括：

判断当前分支的所述流速和所述温差是否满足第一预设条件，得到第一判断结果；所述第一预设条件为所述流速大于预设流速阈值且所述温差小于预设温差阈值；

若所述第一判断结果为是，则所述当前分支为需要调节的分支；

若所述第一判断结果为否，则判断当前分支的所述流速和所述温差是否满足第二预设条件，得到第二判断结果；所述第二预设条件为所述流速小于所述预设流速阈值且所述温差大于所述预设温差阈值；

若所述第二判断结果为是，则所述当前分支为需要调节的分支；

若所述第二判断结果为否，则判断是否遍历所有分支，得到第三判断结果；

若所述第三判断结果为否，则更新当前分支，并返回步骤“判断当前分支的所述流速和所述温差是否满足第一预设条件”。

可选的，

所述预设流速阈值为1m/s；

所述预设温差阈值为10℃。

可选的，在所述根据各分支处的所述流速和所述温差确定所述循环水系统中需要调节的分支之后，还包括：

若所述第一判断结果为是，则增加所述需要调节的分支的管路阻力，更新所述循环冷却水的物性参数和所述循环水系统的操作参数，并返回步骤“基于所述流程图，根据循环冷却水的物性参数和所述循环水系统的操作参数计算所述循环水系统各分支处循环冷却水的流速和进出口的温差”；

若所述第二判断结果为是，则减小所述需要调节的分支的管路阻力，更新所述循环冷却水的物性参和所述循环水系统的操作参数，并返回步骤“基于所述流程图，根据循环冷却水的物性参数和所述循环水系统的操作参数计算所述循环水系统各分支处循环冷却水的流速和进出口的温差”。

一种循环水系统的运行诊断系统，包括：

流程图获取模块，用于获取循环水系统的流程图；所述流程图用于描述所述循环水系统中各元件的连接关系；

计算模块，用于基于所述流程图，根据循环冷却水的物性参数和所述循环水系统的操作参数计算所述循环水系统各分支处循环冷却水的流速和进出口的温差；

诊断模块，用于根据各分支处的所述流速和所述温差确定所述循环水系统中需要调节的分支。

可选的，所述计算模块，具体包括：

公式选择单元，用于判断所述循环冷却水是否走管程，若是，则根据管程流速公式计算各分支处循环冷却水的流速，并根据管程温差公式计算各分支处循环冷却水的温差；若否，则根据壳程流速公式计算各分支处循环冷却水的流速，并根据壳程温差公式计算各分支处循环冷却水的温差。

可选的，

所述管程流速公式为：

式中，v

所述管程温差公式为：

式中，T

所述壳程流速公式为：

其中，

式中，v

所述壳程温差公式为：

式中，T

可选的，所述诊断模块，具体包括：

第一判断单元，用于判断当前分支的所述流速和所述温差是否满足第一预设条件，得到第一判断结果；所述第一预设条件为所述流速大于预设流速阈值且所述温差小于预设温差阈值；若所述第一判断结果为是，则执行位置确定单元；若所述第一判断结果为否，则执行第二判断单元；

位置确定单元，用于确定所述当前分支为需要调节的分支；

第二判断单元，用于判断当前分支的所述流速和所述温差是否满足第二预设条件，得到第二判断结果；所述第二预设条件为所述流速小于所述预设流速阈值且所述温差大于所述预设温差阈值；若所述第二判断结果为是，则执行所述位置确定单元；若所述第二判断结果为否，则执行第三判断单元；

第三判断单元，用于判断是否遍历所有分支，得到第三判断结果；若所述第三判断结果为否，则更新当前分支，并执行第一判断单元。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明提出了一种循环水系统的运行诊断方法及系统，方法包括：获取循环水系统的流程图；基于流程图，根据循环冷却水的物性参数和循环水系统的操作参数计算循环水系统各分支处循环冷却水的流速和进出口的温差；根据各分支处的流速和温差确定所述循环水系统中需要调节的分支。本发明提供的循环水系统的运行诊断方法，能够计算各分支的水力特性，确定循环冷却水系统中需要调试的位置，有针对性地改善循环水系统的水力失调问题，提高了调节循环水系统的准确性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有技术中循环水系统的流程图；

图2为现有技术中循环水系统的进出口压力对比图；

图3为本发明实施例中循环水系统的运行诊断方法的流程图；

图4为本发明实施例中循环水系统的运行诊断系统的结构示意图。

具体实施方式

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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种循环水系统的运行诊断方法及系统，能够计算各分支的水力特性，确定循环冷却水系统中需要调节的位置。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例

图3为本发明实施例中循环水系统的运行诊断方法的流程图，如图3所示，本发明提供了一种循环水系统的运行诊断方法，包括：

步骤101：获取循环水系统的流程图；流程图用于描述循环水系统中各元件的连接关系。

步骤102：基于流程图，根据循环冷却水的物性参数和循环水系统的操作参数计算循环水系统各分支处循环冷却水的流速和进出口的温差。

步骤102，具体包括：判断循环冷却水是否走管程，若是，则根据管程流速公式计算各分支处循环冷却水的流速，并根据管程温差公式计算各分支处循环冷却水的温差；若否，则根据壳程流速公式计算各分支处循环冷却水的流速，并根据壳程温差公式计算各分支处循环冷却水的温差。

管程流速公式为：

式中，v

管程温差公式为：

式中，T

壳程流速公式为：

其中，

式中，v

壳程温差公式为：

式中，T

步骤103：根据各分支处的流速和温差确定循环水系统中需要调节的分支。

步骤103，具体包括：判断当前分支的流速和温差是否满足第一预设条件，得到第一判断结果；第一预设条件为流速大于预设流速阈值且温差小于预设温差阈值；若第一判断结果为是，则当前分支为需要调节的分支；若第一判断结果为否，则判断当前分支的流速和温差是否满足第二预设条件，得到第二判断结果；第二预设条件为流速小于预设流速阈值且温差大于预设温差阈值；若第二判断结果为是，则当前分支为需要调节的分支；若第二判断结果为否，则判断是否遍历所有分支，得到第三判断结果；若第三判断结果为否，则更新当前分支，并返回步骤“判断当前分支的流速和温差是否满足第一预设条件”。其中，预设流速阈值为1m/s；预设温差阈值为10℃。

在步骤103之后，还包括：若第一判断结果为是，则增加需要调节的分支的管路阻力，更新循环冷却水的物性参数和循环水系统的操作参数，并返回步骤“基于流程图，根据循环冷却水的物性参数和循环水系统的操作参数计算循环水系统各分支处循环冷却水的流速和进出口的温差”。其中，增加管路阻力的方法包括：减小换热器入口的阀门开度或减小总管路的阀门开度。

若第二判断结果为是，则减小需要调节的分支的管路阻力，更新循环冷却水的物性参和循环水系统的操作参数，并返回步骤“基于流程图，根据循环冷却水的物性参数和循环水系统的操作参数计算循环水系统各分支处循环冷却水的流速和进出口的温差”。其中，减小管路阻力的方法包括增加换热器入口的阀门开度或增加总管路的阀门开度或对管路进行扩径处理。

具体的，步骤“基于流程图，根据循环冷却水的物性参数和循环水系统的操作参数计算循环水系统各分支处循环冷却水的流速和进出口的温差”还采用如下公式计算循环水系统的参数。

(1)管路压降方程

循环冷却水在管路中流动的压降方程可以用下式表示：

其中：

式中：P1

(2)换热器管程的压降方程

换热器管程的压降方程的计算公式为：

其中：

式中：P1

(3)换热器壳程的压降方程

换热器壳程压降方程的计算公式为：

其中：

其中，

具体的，若列管呈方形排列，则

式中：P1

(4)调节阀的压降方程

调节阀压降方程的计算公式为：

式中：P1

具体的，开度系数y根据阀门的流量特征计算，计算方法如下：

若阀门的流量特性为直线型，则y＝OP。

若阀门的流量特性为等百分比型，则y＝AD

若阀门的流量特性为等抛物线型，则y＝OP

若阀门的流量特性为等快开型，则y＝OP

式中：OP为阀门开度，取值范围为为0～1；AD为阀门的可调比。

(5)换热器管程传热系数

换热器管程传热系数h

若Re

若Re

若Re

其中：

式中：Re

(6)换热器壳程传热系数计算

换热器壳程传热系数h

其中：

具体的，如果列管是方形排列，则

式中：Re

(7)换热器总传热系数计算

换热器总传热系数h的计算公式为：

式中：d

(8)换热器流体出口温度的计算

换热器的传热量Q(计算换热器的出口温度)的计算公式为：

Q＝hAΔT

其中：A＝πd

H

ΔT

ΔT

式中：h为总传热系数；A为传热面积；ΔT为对数平均温差；d

根据能量守恒原理，得出：

Q＝H

Q＝H

其中，T

以图1所示循环水系统为例，图1中4个换热器参数相同，且循环冷却水走管程。

(1)已知条件输入。每个换热器的参数如下：管程数为2、列管数为500、列管长度为6米、列管绝对粗糙度为0.5毫米、列管外径为25毫米、列管内径为20毫米、列管间距为32毫米、列管排列方式为方形、壳径为1米、折流板数为10、折流板间距为0.4米；主管线管径为508毫米、分支管线的管径为325毫米、管段绝对粗糙度为0.5毫米、主管线每段管长为500米、分支管长为25米；阀门初始开度为100％；供水点压力为0.4MPa，供水温度25℃，总供水量为1600t/h。

(2)计算与分析

4个换热器的原始数据如表1所示：

表1换热器主要参数的原始数据

可知，换热器1-4的流量和流速依次减小，温差依次增大。且换热器1的流量是换热器4的两倍，水力失调严重。由于离供水点最近的换热器1的流量最大、流速最大、进出口温差最小；首先对换热器1的阀门开度进行调节。(本方法计算处换热器1所在的分支需要调节即调节换热器1所在的分支，其他分支的参数可根据执行者的命令计算，此处为说明效果将其他分支的水力特性参数也示出。此外，本方法仅计算循环冷却水的热量等参数，若执行者输入被冷却物料的原始参数也可计算被冷却物料的热量等参数)调节换热器1的阀门开度后各换热器的主要参数如表2所示：

表2换热器第一次调整优化后的主要参数

对比表1-2的数据可知：换热器1的流量和流速大幅减小，温差增大，水力失调问题有所缓解；但是换热器2-4的流量和流速都有不同程度的增大，这就是水力耦合现象。此时继续计算循环水系统的参数并根据参数调节循环水系统。经过多次调整，换热器的主要参数如表3所示：

表3换热器多次调整优化后的主要参数

对比表1-3可知：多次调整后，4个换热器的流量、流速和温差均比较接近，相差最大的换热器1和换热器4的流量偏差仅为6％。但是，此时换热器的流速仍远大于1m/s，温差也远小于10℃，因此减小总管路的阀门开度来减少总水量，将总水量减少到1200t/h，最终调整后的计算结果如表4：

表4换热器最终调整优化后的主要参数

由表4的数据可知：总循环冷却水流量从1600t/h减少到1200t/h后，4个换热器所在分支的流速和温差均在正常范围内，且数值相差不大。继续减少流量会再次增加温差，影响传热效果，因此对于该系统来说，表4的调整结果是最佳的运行参数。相对于原始工况，总循环水量从1600t/h减少到1200t/h，节约了25％的循环水消耗。

通过上述分析，本发明提供的循环水系统的运行诊断方法能够确定大型循环冷却水系统中需要调试的位置，优化后能够减少循环冷却水用量，进而减少循环冷却水系统的水耗和电耗。

图4为本发明实施例中循环水系统的运行诊断系统的结构示意图，如图4所示，本发明提供了一种循环水系统的运行诊断系统，包括：

流程图获取模块201，用于获取循环水系统的流程图；流程图用于描述循环水系统中各元件的连接关系。

计算模块202，用于基于流程图，根据循环冷却水的物性参数和循环水系统的操作参数计算循环水系统各分支处循环冷却水的流速和进出口的温差。

计算模块具体包括：

公式选择单元，用于判断循环冷却水是否走管程，若是，则根据管程流速公式计算各分支处循环冷却水的流速，并根据管程温差公式计算各分支处循环冷却水的温差；若否，则根据壳程流速公式计算各分支处循环冷却水的流速，并根据壳程温差公式计算各分支处循环冷却水的温差。

管程流速公式为：

式中，v

管程温差公式为：

式中，T

壳程流速公式为：

其中，

式中，v

壳程温差公式为：

式中，T

诊断模块203，用于根据各分支处的流速和温差确定循环水系统中需要调节的分支。

诊断模块203，具体包括：

第一判断单元，用于判断当前分支的流速和温差是否满足第一预设条件，得到第一判断结果；第一预设条件为流速大于预设流速阈值且温差小于预设温差阈值；若第一判断结果为是，则执行位置确定单元；若第一判断结果为否，则执行第二判断单元。

位置确定单元，用于确定当前分支为需要调节的分支。

第二判断单元，用于判断当前分支的流速和温差是否满足第二预设条件，得到第二判断结果；第二预设条件为流速小于预设流速阈值且温差大于预设温差阈值；若第二判断结果为是，则执行位置确定单元；若第二判断结果为否，则执行第三判断单元。

第三判断单元，用于判断是否遍历所有分支，得到第三判断结果；若第三判断结果为否，则更新当前分支，并执行第一判断单元。

其中，预设流速阈值为1m/s；预设温差阈值为10℃。

本发明提供的运行诊断系统，还包括：第一调节模块和第二调节模块。

若第一判断结果为是，则执行第一调节模块。

第一调节模块，用于增加需要调节的分支的管路阻力，更新循环冷却水的物性参数和循环水系统的操作参数，并执行计算模块；

若第二判断结果为是，则执行第二调节模块。

第二调节模块，用于减小需要调节的分支的管路阻力，更新循环冷却水的物性参和循环水系统的操作参数，并执行计算模块。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。