本發(fā)明涉及低溫熱流體冷卻技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種低溫熱流體的分級串聯(lián)冷卻系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

在煤化工、石化等行業(yè)，有許多生產(chǎn)工藝過程都需要對溫度范圍為60～300℃的低溫工藝熱流體進行冷卻處理，冷卻到工藝要求的目標溫度。

常用的工業(yè)級大容量冷卻方式有空冷、水冷、蒸發(fā)式冷卻以及這些方式的復(fù)合冷卻,此類冷卻方式都屬于耗能型的常規(guī)冷卻方式。

水冷系統(tǒng)的初始投資較小，但運行時需要消耗大量的電能和水資源，能耗和環(huán)境壓力巨大；空冷系統(tǒng)在缺水區(qū)域被廣泛使用，初投資較水冷系統(tǒng)高，雖然不消耗水資源，但運行電耗較水冷系統(tǒng)更大，同時最低冷卻溫度受到環(huán)境溫度的限制，可能出現(xiàn)不能滿足較低的冷卻目標溫度要求的情況。蒸發(fā)式冷卻及復(fù)合式冷卻方式，耗電、耗水量介于空冷和水冷之間。常規(guī)冷卻方式的高能耗和造成的環(huán)境污染，使其生命周期的費用消耗巨大。

低溫余熱發(fā)電是一種利用熱功轉(zhuǎn)換原理將一部分低溫流體的熱量轉(zhuǎn)換為電能的技術(shù)，在獲得發(fā)電的同時，實現(xiàn)了工藝熱流體的降溫冷卻。低溫余熱發(fā)電對工藝熱流體進行降溫冷卻，減少了對環(huán)境的熱污染，具有良好的節(jié)能環(huán)保效果。但是，對這種附帶冷卻效果的低溫余熱發(fā)電方式的技術(shù)經(jīng)濟性起決定作用的關(guān)鍵指標----凈發(fā)電效率，卻隨著冷卻目標溫度的降低而迅速降低。例如80℃的熱水，當冷卻至60℃時凈發(fā)電效率約為6％，當冷卻至40℃時凈發(fā)電效率約為2％，當冷卻至30℃時所發(fā)電能甚至小于機組設(shè)備自耗電能。對工藝冷卻目標溫度的敏感性，限制了發(fā)電冷卻方式這種產(chǎn)能型冷卻方式的應(yīng)用范圍。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是針對目前工業(yè)低溫熱流體耗能型常規(guī)冷卻方式和附帶冷卻效果的低溫余熱發(fā)電方式存在的不足，提供一種低溫熱流體的分級串聯(lián)冷卻系統(tǒng)，以實現(xiàn)冷卻系統(tǒng)節(jié)水、節(jié)能、環(huán)保和良好經(jīng)濟性的目標。

本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)的：一種低溫熱流體的分級串聯(lián)冷卻系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括串聯(lián)布置的兩級冷卻單元，其中第一級冷卻單元為發(fā)電冷卻單元，第二級冷卻單元為常規(guī)冷卻單元；入口溫度為tin的熱流體首先進入發(fā)電冷卻單元，被冷卻至一個合適的中間溫度tm；發(fā)電冷卻單元冷卻至中間溫度為tm的熱流體再進入常規(guī)冷卻單元，被最終冷卻至目標出口溫度tout。

作為優(yōu)選方式，本發(fā)明還包括控制單元，控制單元分別與發(fā)電冷卻單元和常規(guī)冷卻單元相連，控制單元用于控制各冷卻單元所承擔的冷卻量。

作為優(yōu)選方式，所述的發(fā)電冷卻單元包括直接膨脹發(fā)電裝置或有機朗肯循環(huán)發(fā)電裝置或直接膨脹、有機朗肯循環(huán)串聯(lián)發(fā)電裝置。

作為優(yōu)選方式，發(fā)電冷卻單元產(chǎn)生的電能可以為常規(guī)冷卻單元提供電能，也可以輸送至電網(wǎng)。

作為優(yōu)選方式，所述的常規(guī)冷卻單元包括動力裝置和常規(guī)冷卻裝置，動力裝置分別與電網(wǎng)、發(fā)電裝置(或發(fā)電冷卻單元)和常規(guī)冷卻裝置相連。

作為優(yōu)選方式，所述的常規(guī)冷卻裝置包括風冷裝置、水冷裝置、蒸發(fā)冷裝置，以及至少兩種上述冷卻方式的復(fù)合冷卻裝置。

作為優(yōu)選方式，所述中間溫度tm根據(jù)優(yōu)化控制目標，結(jié)合工藝條件和當?shù)貧庀髼l件，由控制單元采用優(yōu)化算法進行合理設(shè)定和實時調(diào)整，實現(xiàn)兩級冷卻系統(tǒng)所承擔的冷卻量的動態(tài)分配，使分級串聯(lián)冷卻系統(tǒng)整體上實時處于最優(yōu)運行狀態(tài)。

作為優(yōu)選方式，所述分級串聯(lián)冷卻系統(tǒng)控制單元的控制流程為：步驟(1)：控制單元實時監(jiān)測并采集熱流體入口溫度tin、出口溫度tout、氣象參數(shù)tenv等信號參數(shù)；步驟(2)：控制單元內(nèi)嵌程序根據(jù)優(yōu)化控制目標(節(jié)能優(yōu)先、節(jié)水優(yōu)先、最小運行費用等)和輸入的監(jiān)測信號實時計算出中間溫度的優(yōu)化設(shè)定值topt；步驟(3)：控制單元將中間溫度優(yōu)化設(shè)定值topt輸出到發(fā)電冷卻單元；步驟(4)：控制單元調(diào)節(jié)發(fā)電冷卻單元所承擔的冷卻量，將發(fā)電冷卻單元出口溫度tm控制在合理范圍內(nèi)。

作為優(yōu)選方式，本發(fā)明還包括中間換熱器，中間換熱器位于串聯(lián)布置的兩級冷卻單元上游，工藝熱流體與換熱介質(zhì)在中間換熱器中換熱，實現(xiàn)工藝熱流體的間接冷卻。

作為優(yōu)選方式，需要冷卻的工藝熱流體不直接進入串聯(lián)布置的兩級冷卻單元，而是與換熱介質(zhì)在中間換熱器中進行換熱并被冷卻到目標溫度，吸熱后的換熱介質(zhì)進入串聯(lián)布置的兩級冷卻單元進行冷卻，冷卻后的換熱介質(zhì)再進入中間換熱器，如此循環(huán)。

本發(fā)明的有益效果是結(jié)合了發(fā)電冷卻方式和常規(guī)冷卻方式的優(yōu)點：(1)與發(fā)電冷卻方式相比：提高了發(fā)電冷卻單元的熱流體出口溫度，將其從目標溫度tout提高至中間溫度tm，這將提高發(fā)電冷卻單元的凈發(fā)電效率，并降低發(fā)電冷卻單元的初投資，有效提高了發(fā)電冷卻的技術(shù)經(jīng)濟性，大大拓展了發(fā)電冷卻的應(yīng)用范圍；(2)與常規(guī)冷卻方式相比：所述分級串聯(lián)冷卻系統(tǒng)發(fā)電冷卻單元的凈發(fā)電量通常大于常規(guī)冷卻單元的耗電量，因此在對熱流體的冷卻過程中不消耗電能，反而產(chǎn)生發(fā)電收益，具有良好的節(jié)能環(huán)保效果。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為發(fā)電冷卻單元為直接膨脹發(fā)電裝置時的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為發(fā)電冷卻單元為有機朗肯循環(huán)發(fā)電裝置時的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為發(fā)電冷卻單元為直接膨脹、有機朗肯循環(huán)串聯(lián)發(fā)電裝置時的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5為本發(fā)明設(shè)置中間換熱器后的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖中，1、發(fā)電冷卻單元，2、常規(guī)冷卻單元，3、入口溫度為tin的熱流體，4、中間溫度為tm的熱流體，5、目標出口溫度為tout的熱流體，6、發(fā)電裝置，6.1、第一發(fā)電裝置，6.2、第二發(fā)電裝置，7、動力裝置，8、冷卻介質(zhì)，9、電網(wǎng)，10、膨脹機，10.1、第一膨脹機，10.2、第二膨脹機，11、冷凝器，12、有機工質(zhì)泵，13、蒸發(fā)器，14、有機工質(zhì)，15、控制單元，16、熱流體入口溫度信號tin，17、熱流體目標出口溫度信號tout，18、氣象參數(shù)信號tenv，19、熱流體中間溫度優(yōu)化設(shè)定值信號topt，20、常規(guī)冷卻裝置，21、中間換熱器，22、工藝熱流體，23、換熱介質(zhì)，23.1、入口溫度為tin的換熱介質(zhì)，23.2、中間溫度為tm的換熱介質(zhì)，23.3、目標出口溫度為tout的換熱介質(zhì)。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖進一步詳細描述本發(fā)明的技術(shù)方案，但本發(fā)明的保護范圍不局限于以下所述。

實施例一：

如圖1～圖5所示，一種低溫熱流體的分級串聯(lián)冷卻系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括串聯(lián)布置的兩級冷卻單元，其中第一級冷卻單元為發(fā)電冷卻單元1，第二級冷卻單元為常規(guī)冷卻單元2；入口溫度為tin的熱流體3首先進入發(fā)電冷卻單元1，被冷卻至一個合適的中間溫度tm；發(fā)電冷卻單元1冷卻至中間溫度為tm的熱流體4再進入常規(guī)冷卻單元2，被最終冷卻至目標出口溫度tout，即目標出口溫度為tout的熱流體5。

優(yōu)選地，所述的常規(guī)冷卻單元2包括動力裝置7(泵、風機等)和常規(guī)冷卻裝置20：風冷裝置、水冷裝置、蒸發(fā)冷裝置，以及至少兩種上述冷卻方式的復(fù)合冷卻裝置，本發(fā)明用到的冷卻介質(zhì)8包括水、空氣等。

優(yōu)選地，所述的發(fā)電冷卻單元1包括直接膨脹發(fā)電裝置或有機朗肯循環(huán)發(fā)電裝置或直接膨脹、有機朗肯循環(huán)串聯(lián)發(fā)電裝置。

如圖2所示，發(fā)電冷卻單元1由直接膨脹發(fā)電裝置發(fā)電時，發(fā)電冷卻單元1包括發(fā)電裝置6和膨脹機10，膨脹機10與發(fā)電裝置6連接，發(fā)電裝置6分別與電網(wǎng)9、動力裝置7連接；動力裝置7連接常規(guī)冷卻裝置20；

如圖3所示，發(fā)電冷卻單元1由有機朗肯循環(huán)發(fā)電裝置發(fā)電時，發(fā)電冷卻單元1包括蒸發(fā)器13、有機工質(zhì)泵12、膨脹機10、冷凝器11和發(fā)電裝置6，膨脹機10分別連接發(fā)電裝置6、冷凝器11和蒸發(fā)器13，冷凝器11與蒸發(fā)器13之間設(shè)置有機工質(zhì)泵12(流過有機工質(zhì)泵12的為有機工質(zhì)14)，發(fā)電裝置6分別與電網(wǎng)9、動力裝置7連接；動力裝置7連接常規(guī)冷卻裝置20；

如圖4所示，發(fā)電冷卻單元1由直接膨脹、有機朗肯循環(huán)串聯(lián)發(fā)電裝置發(fā)電時，發(fā)電冷卻單元1包括第一膨脹機10.1、第二膨脹機10.2、第一發(fā)電裝置6.1、第二發(fā)電裝置6.2、蒸發(fā)器13、有機工質(zhì)泵12和冷凝器11，第一膨脹機10.1分別連接第一發(fā)電裝置6.1和蒸發(fā)器13，第二膨脹機10.2分別連接第二發(fā)電裝置6.2、蒸發(fā)器13和冷凝器11，冷凝器11通過有機工質(zhì)泵12(流過有機工質(zhì)泵12的為有機工質(zhì)14)連接蒸發(fā)器13，第一發(fā)電裝置6.1分別與電網(wǎng)9、動力裝置7連接；第二發(fā)電裝置6.2分別與電網(wǎng)9、動力裝置7連接；動力裝置7連接常規(guī)冷卻裝置20；

優(yōu)選地，發(fā)電冷卻單元1產(chǎn)生的電能可以為常規(guī)冷卻單元2提供電能，也可以輸送至電網(wǎng)9。

實施例二：

在實施例一的基礎(chǔ)上，本發(fā)明還包括控制單元15，控制單元15分別與發(fā)電冷卻單元1和常規(guī)冷卻單元2相連，控制單元15用于控制各冷卻單元所承擔的冷卻量。

優(yōu)選地，所述中間溫度tm根據(jù)優(yōu)化控制目標，結(jié)合工藝條件和當?shù)貧庀髼l件，由控制單元15采用優(yōu)化算法進行合理設(shè)定和實時調(diào)整，實現(xiàn)兩級冷卻系統(tǒng)所承擔的冷卻量的動態(tài)分配，使分級串聯(lián)冷卻系統(tǒng)整體上實時處于最優(yōu)運行狀態(tài)。

優(yōu)選地，所述分級串聯(lián)冷卻系統(tǒng)控制單元15的控制流程為：步驟(1)：控制單元15實時監(jiān)測并采集熱流體入口溫度tin(即熱流體入口溫度信號tin16)、出口溫度tout(即熱流體目標出口溫度信號tout17)、氣象參數(shù)tenv(即氣象參數(shù)信號tenv18)等信號參數(shù)；步驟(2)：控制單元15內(nèi)嵌程序根據(jù)優(yōu)化控制目標(節(jié)能優(yōu)先、節(jié)水優(yōu)先、最小運行費用等)和輸入的監(jiān)測信號實時計算出中間溫度的優(yōu)化設(shè)定值topt；步驟(3)：控制單元15將中間溫度優(yōu)化設(shè)定值topt輸出到發(fā)電冷卻單元1；步驟(4)：控制單元15調(diào)節(jié)發(fā)電冷卻單元1所承擔的冷卻量，將發(fā)電冷卻單元1出口溫度tm控制在合理范圍內(nèi)。

實例：某煤制油變換工藝，需要冷卻的工藝熱流體為熱水，流量為6000t/h，熱水初始溫度為90℃，要求冷卻到的目標溫度為40℃，當?shù)啬昶骄h(huán)境溫度為15℃。

分別計算風冷方式、蒸發(fā)冷方式、發(fā)電冷卻方式及本發(fā)明一種低溫熱流體的分級串聯(lián)冷卻系統(tǒng)的耗能量或產(chǎn)能量，以進一步說明本發(fā)明的效果。

(1)冷卻負荷

本煤制油變換工藝熱流體的冷卻負荷可按式(1)計算，本實例計算結(jié)果為350000kw。

q＝c·m·δt(1)

其中，q為工藝熱流體的冷卻負荷(kw)，c為工藝熱流體的比熱容(kj/kg.℃)，m為工藝熱流體的質(zhì)量流量(kg/s)，δt為工藝熱流體進出口溫差(℃)

(2)空冷方式

空冷裝置屬于耗電設(shè)備，其耗電功率可按式(2)計算，本實例計算結(jié)果為9856kw。

ek＝k1q(2)

其中，ek為空冷裝置耗電功率(kw)，k1為單位空冷負荷耗電功率(kw/kw)

(3)蒸發(fā)冷方式

蒸發(fā)冷裝置屬于耗電和耗水設(shè)備，耗電功率和耗水量可分別按式(3)和式(4)計算，本實例計算結(jié)果分別為4480kw和665t/h。

ez＝k2q(3)

w＝k3q(4)

其中，ez為蒸發(fā)冷裝置耗電功率(kw)，w為蒸發(fā)冷裝置耗水量(t/h)，k2為單位蒸發(fā)冷負荷耗電功率(kw/kw)，k3為單位蒸發(fā)冷負荷耗水量(t/h/kw)。

(4)發(fā)電冷卻方式

發(fā)電冷卻方式采用有機朗肯循環(huán)發(fā)電裝置6，該裝置屬于發(fā)電設(shè)備，當其冷凝器11采用空冷設(shè)備時，整個裝置不消耗水，且裝置的發(fā)電量一般大于冷凝器11的耗電量，即裝置的凈發(fā)電功率為正，其凈發(fā)電功率可按式(5)計算，本實例計算結(jié)果為1260kw。

eorc＝f(tin,tout,tenv)(5)

其中，eorc為有機朗肯循環(huán)發(fā)電裝置的凈發(fā)電功率(kw)，tenv為年平均環(huán)境溫度，tin為熱流體入口溫度，tout為熱流體出口溫度。

(5)本發(fā)明一種低溫熱流體的分級串聯(lián)冷卻系統(tǒng)

本發(fā)明一種低溫熱流體的分級串聯(lián)冷卻系統(tǒng)，發(fā)電冷卻單元1采用有機朗肯循環(huán)發(fā)電裝置，常規(guī)冷卻單元2采用空冷裝置，控制單元15根據(jù)優(yōu)化控制目標和輸入的工藝、氣象參數(shù)確定的中間溫度(即熱流體中間溫度優(yōu)化設(shè)定值信號topt19)優(yōu)化設(shè)定值為60℃。工藝熱流體首先通過發(fā)電冷卻單元1被冷卻至中間溫度60℃，然后再通過常規(guī)冷卻單元2被冷卻至目標溫度40℃。分級串聯(lián)冷卻系統(tǒng)的凈發(fā)電功率可按式(6)計算，本實例計算結(jié)果為5178kw。

ecas＝f(tin,tm,tout,tenv)(6)

其中，ecas為本發(fā)明一種低溫熱流體的分級串聯(lián)冷卻系統(tǒng)的凈發(fā)電功率(kw)。

上述幾種冷卻方式的比較結(jié)果見表1。

表1幾種冷卻方式能耗對比

通過所述實例中本發(fā)明一種低溫熱流體的分級串聯(lián)冷卻系統(tǒng)與其他冷卻方式的能耗對比，可看出，本發(fā)明一種低溫熱流體的分級串聯(lián)冷卻系統(tǒng)在工藝熱流體冷卻過程中，相比常規(guī)冷卻方式不僅不消耗額外的電能和水資源，反而產(chǎn)生發(fā)電收益，并且其發(fā)電功率遠大于發(fā)電冷卻方式的發(fā)電功率。由此可見，本發(fā)明一種低溫熱流體的分級串聯(lián)冷卻系統(tǒng)相比其它現(xiàn)有冷卻方式，綜合能耗性能最優(yōu)。

實施例三：

在實施例一或者實施例二的基礎(chǔ)上，如圖5所示，本發(fā)明還包括中間換熱器21，中間換熱器21位于串聯(lián)布置的兩級冷卻單元上游，工藝熱流體22與換熱介質(zhì)在中間換熱器21中換熱，實現(xiàn)工藝熱流體22的間接冷卻。

優(yōu)選地，需要冷卻的工藝熱流體22不直接進入串聯(lián)布置的兩級冷卻單元，而是與換熱介質(zhì)在中間換熱器21中進行換熱并被冷卻到目標溫度，吸熱后的換熱介質(zhì)進入串聯(lián)布置的兩級冷卻單元進行冷卻，冷卻后的換熱介質(zhì)再進入中間換熱器21，如此循環(huán)。如圖5所示，入口溫度為tin的換熱介質(zhì)23.1首先進入發(fā)電冷卻單元1，被冷卻至一個合適的中間溫度tm；發(fā)電冷卻單元1冷卻至中間溫度為tm的換熱介質(zhì)23.2再進入常規(guī)冷卻單元2，被最終冷卻至目標出口溫度tout，即目標出口溫度為tout的換熱介質(zhì)23.3。

控制單元15實時采集換熱介質(zhì)入口溫度tin信號、換熱介質(zhì)出口溫度tout信號和氣象參數(shù)tenv信號，經(jīng)過優(yōu)化計算后，向發(fā)電冷卻單元1輸出換熱介質(zhì)中間溫度優(yōu)化設(shè)定值信號topt19，并對發(fā)電冷卻單元1進行實時調(diào)節(jié)。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，應(yīng)當指出的是，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。