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[转载]柔性拓扑网络的新概念优化冷却水系统
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1 文章导读
循环冷却水系统 （CWSs）因其良好的传热性能，低廉的操作成本，被广泛用于移除各类工业装置的废热。目前关于循环冷却水系统的研究大多是基于稳态条件的设计优化问题，而针对动态条件下的设计和操作优化问题，主要考虑大尺寸的裕量配置和泵的变频调节来实现。然而，对于这些工作，存在裕量设计偏大的问题，同时系统网络结构一旦完成，就不能进行结构调整，使得系统网络结构无法根据动态条件的变化而相应调整，即使采用变频调节，系统也无法最佳运行。为了弥补这一研究空白，中国石油大学（北京）王彧斐教授课题组提出了柔性拓扑网络的新概念，用于冷却器网络优化，使得在不同的运行工况下调整网络结构成为可能。该研究建立了相关超结构模型来实现这一构想，并通过优化算法得到系统最终的柔性拓扑网络。
2 研究亮点
◽ 提出了一种柔性拓扑网络优化的新方法，寻找不同周期的最佳网络结构。
◽ 分析了可变网络匹配与系统性能之间的关系，精确匹配设备操作需求，保持系统经济性。
◽ 采用空冷器部分代替水冷器以减少其冷却负荷，研究了空气冷却器和水冷却器负荷分布的季节适应性。
3 内容概述
在典型的循环水系统中，冷却水通过循环泵输送至水冷却器以冷却热物流。冷水经过冷却器后被加热，转化为高温回水。换热完成后，高温水送回冷却塔，经空气冷却后成为低温冷却水。本工作在此基础上提出了一种柔性拓扑网络结构，如图1所示。配置了柔性拓扑的冷却水系统使冷却器网络结构在不同的运行条件下可调。在每个周期内，确定该周期的阀门开闭，从而实现当下条件下的最优串并联水冷器网络结构。当周期改变时，阀门开闭状况调整，实现新的串并联连接方式。最终使得变化条件下的冷却水网络可调，同时配套的冷却塔和空冷器设备的效率和功率随之变化，最终实现系统长周期运行最优。
图1. 柔性冷却水系统示意图。
空气冷却器的应用使系统在不同季节具有额外的操作灵活性。图2显示了四种情景下不同月份的冷却负荷分布。当系统配置空冷（案例S4-不具有柔性拓扑、案例S5-具有柔性拓扑）时，空冷负载分配（Qa）的增加表明空冷在环境温度较低的情况下效率更高。可以得出结论，空气冷却在较冷的环境中表现更好。还可以发现，与S4相比，S5水冷负荷分布（Qw）更高，说明应用柔性拓扑结构可以使水冷效率更高。
图2. 四种情景下不同月份的冷负荷分布。
在图3中，比较了S4和S5中耗水量和耗电量的变化。如图3a 所示，夏季空冷的耗电量（Ep）在 12个周期内达到最大值。与图2相比，虽然夏季空气负荷（Qa）降低，但由于夏季气温升高，耗电量更高。相比之下，冬季空冷负荷增加，而电力消耗仅略有增加。空冷单位负荷耗电量（Ep/Qa）在冬季比在夏季低得多，如图3a所示。这表明在冬季或寒冷地区与CWS结合使用空冷器更节能。在不同的工况下，两种情景下系统耗水量的变化趋势（图3b）与水冷负荷（Qw）的变化趋势一致（图2）。此外，它还表明，在夏季使用更多的水冷可以减少每单位制冷负荷的电力消耗（Ep/Qw），从而提高能源效率。
图3.（a）S4和S5中耗电量的变化；（b）两种情景下耗水量的变化。
情景S5 的多周期柔性网络拓扑如图4a 和 b 所示。该网络中有 8 个柔性节点，分别出现在水冷却器 2、3、5、9 和 10 处。在S5中，空气冷却器共享的冷却负荷周期性变化，水冷却器的冷却负荷也随之变化，这为柔性网络提供了更多的可能性，可以产生更多的连接和灵活的节点。图4b 显示了 S5 柔性节点的周期分布。节点组合 V1、V6 和 V8 往往发生在温度较低的冬季，而节点组合 V2、V3 和 V7 更可能发生在温度较高的夏季。然而，在春季和秋季，当温度适中时，会产生前两种方法的组合。如果不考虑柔性，则连接方法是固定的。相反，通过改变柔性网络，可以更准确、更高效地进行传热过程，更好地控制热负荷分布，从而降低投资和运营成本。
图4. （a）场景S5的多周期柔性网络拓扑；（b）S5 柔性节点的周期分布。
4 总结与展望
冷却水系统的柔性拓扑优化方法，可实现冷却器网络结构的最优动态调整，并在环境温度和湿度不断变化的条件下最大限度地降低成本。同时，空气冷却器承担部分冷却任务，能够很好地减轻冷却水的负担；空气冷却器与柔性拓扑网络相结合，可显著提升系统性能。
该工作表明，柔性拓扑结构可以提高水冷部分的工作效率。最优系统在冬季倾向于使用更多的空冷冷却。水冷器之间的柔性连接越多样化，水冷的动态性能就越好，系统就越倾向于使用水冷而非空冷。此外，柔性节点往往在夏季连接较大面积的冷却器，反之在冬季连接较小的面积。不同节点连接的网络所提供的换热面积之间的差距越大，网络越容易切换，差距越小，网络越稳定。未来致力于研究数据驱动的可变参数对工业CWSs节水性能的影响，将智能化方法和传统工业相结合将具有深远的指导意义。
5 通讯作者简介
王彧斐 教授
王彧斐，博士，教授，博士生导师，国家自然科学基金优秀青年基金获得者。主要研究方向为化工过程节能减排，系统集成，以及新能源化工。任中国化工学会能源化工智能制造专业委员会副主任委员，以及中国系统工程学会过程系统工程专业委员会等5个专委会委员/青年委员。以第一作者/通讯作者发表SCI收录论文60篇，参与起草国家标准1项，授权发明专利4项，软件著作权4项，著有论著4本，并参与编写中英文专著4本。主持各类科研项目近20项。获教育部自然科学二等奖（排名2），中国化工学会基础研究二等奖（排名1）以及中国发明学会创新创业奖二等奖（排名1）。获侯德榜化工科学技术奖青年奖，中国系统工程学会过程系统工程专业委员会首届青年科技奖。目前任国际期刊Green Energy and Environment、Process Integration and Optimization for Sustainability 及中文期刊《化工进展》的编委/青年编委。
撰稿：原文作者
编辑：GreenChE编辑部
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