在沿海工业企业里,冷却系统就像工厂的“散热空调”——但传统的冷却塔冷却方式,每年要“喝掉”大量淡水,还得花不少电费维持运行。有没有更省水、更省钱的办法?我国中国石油大学(北京)与杭州华电双冠能源科技有限公司的研究团队,在《Frontiers of Chemical Science and Engineering》期刊上发表论文,提出了一种闭式海水循环冷却系统的多周期优化方案,像给工业冷却装了“智能调节器”,能根据季节动态调整,比传统冷却塔省水9.22%,总成本降低8.93%。
传统冷却的“痛点”:费水、费电、不灵活
工业冷却系统有多“费水”?数据显示,循环冷却水占工业总用水量的70%。传统系统靠冷却塔蒸发散热,水会因蒸发、风吹等不断流失,得频繁补淡水;同时,水与空气接触会吸收杂质,加剧设备腐蚀,维护成本高。沿海地区虽有丰富海水可用,但现有海水冷却技术多假设参数不变,遇到季节变化(比如夏季海水温度升高),系统效率可能下降,甚至“罢工”。
多周期优化:让冷却系统“看天行事”
研究团队的关键创新,是引入“多周期优化”——把环境温度、海水温度等参数的月度变化考虑进去,让系统像“智能空调”一样,根据季节动态调整。具体来说,他们构建了一个包含空冷器(用空气散热)、水冷器(用循环水散热)和板式换热器(用海水给循环水降温)的闭式系统,通过数学模型(混合整数非线性规划)和GAMS软件优化,找到不同月份下最经济的配置。
核心策略有三个:
一是“空冷+水冷”协同。空冷器在冬季(气温低)多干活,减少循环水用量;夏季(气温高)则让水冷器多分担,避免空冷器因温差小效率降低。二是闭式循环设计。循环水不与空气接触,减少蒸发损失,还能通过板式换热器用海水降温,省去冷却塔的淡水补充。三是动态匹配海水用量。根据每月海水温度变化,调整板式换热器的热交换量,确保循环水温度稳定,同时避免海水过度使用。
实验验证:省水又省钱,灵活抗波动
团队用某炼油厂的10股热流数据做了5种场景对比,结果亮眼:
- 仅用空冷器(场景1):成本最高(383万美元/年),因为空冷器受气温影响大,极端天气需加大风量,电费飙升。
- 传统冷却塔+水冷(场景2):成本219万美元/年,但需大量淡水补充。
- 闭式海水冷却(场景3):成本降至125万美元/年,省水效果初显。
- 闭式海水+空冷协同(场景5):成本最低(94.7万美元/年),比传统冷却塔系统省8.93%,循环水用量减少65.16%!
更关键的是,多周期优化让系统能“看天吃饭”:冬季空冷器承担更多负荷(循环水用量少),夏季水冷器“接棒”(循环水用量增加),板式换热器的海水用量也随季节波动调整,确保全年高效运行。
未来展望:沿海工业的“绿色冷却”新选择
论文提到,这种闭式海水冷却系统特别适合沿海地区——既解决了淡水短缺问题,又通过动态优化降低了运行成本。虽然需要额外投资板式换热器等设备,但长期看节省的水费和电费能“回本”。未来,团队计划进一步优化多周期模型,拓展到更多工业场景(如数据中心、化工园区),让“绿色冷却”更普及。
来源: 化学工程前沿FCSE