水夹点设计与优化在工业节水中的应用

　

第24卷,总第139期2006年9月,第5期《节能技术》

E NERGY C ONSERVATI ON TECH NO LOGY V ol.24,Sum.N o.139

Sep.2006,N o.5

　

水夹点设计与优化在工业节水中的应用

梁　伟,苗　磊,赵国铮,张洪林,梁红玉(辽宁石油化工大学,辽宁　抚顺　113001)

摘　要:为提高工业水的重复利用率,以水的循环利用率最大为目标,运用水夹点设计与优化

进行分析、综合和改造用水操作,做到可利用价值高的水进行再次利用,可利用价值低的水经过再生后再次利用,从而对过程用水进行用水网络最优化设计。水夹点设计与优化软件是采用Visual 2Basic 6.0(VB )编写,它将水夹点技术原理直接转换成一个可以实际应用的软件,从而减少了应用水夹点技术繁琐的建模与复杂的计算分析,达到把理论直接转换为实践的目的,大大加快水夹点技术在工业节水中的应用。

关键词:水夹点设计与优化;工业用水;水夹点技术;VisualBasic 6.0中图分类号:TK 01+2 文献标识码:A 文章编号:1002-6339(2006)05-0390-04

Application of Softw are in W ater N etw orks to Save I ndustry W ater

LI ANG Wei ,MI AO Lei ,ZH AO G uo -zheng ,ZH ANG H ong -lin ,LI ANG H ong -yu (Liaoning University of Petroleum &Chemical T echnology ,Fushun 113001,China )

Abstract :This paper introduces the application of s oftware in water netw orks design to im prove the circulating rate of industry water.The s oftware is designed with VB6and converts the theoretic knowledge of water pinch technology into practical application s o that the effort could sim plifies the m odelling and calculating of water pinch technology.With the help of new method ,the application of water pinch technology is m ore conveniently and effectively in engineering.

K ey w ords :s oftware of water netw orks ;water pinch technology ;industry water ;VB

收稿日期　2006-05-29 修订稿日期　2006-09-11基金项目:中国石油天然气股份有限公司,项目编号

(04041247)。

作者简介:梁　伟(1980～),男,硕士。

人类和水的关系非常密切,不论是生产还是生

活都离不开水这一宝贵的自然资源。随着人口的增长、城市化、工业化以及灌溉对水的需求日益增加,将会出现许多用水紧缺问题。世界许多国家面临严重的水危机,我国水资源短缺的问题与世界其他国家相比更加突出。水资源的短缺问题已成为制约社会经济发展的主要因素,而且严重影响人民群众的生活质量和社会安定。因此,节水、增效是关系到各

行各业能否生存并实现可持续发展的当务之急〔1〕

。

Visual Basic 610(VB6)以Windows98/2000/XP 为

操作平台,采用面向对象的程序设计技术及交互式方法开发应用程序,具有强大的数据库开发功能,利用DA0、RDO 、AD0数据对象及数据控件动态地链接数据库。此外,VB6与其他微软产品日趋紧密地结合,O ffice 系列办公软件诸如W ord 、Excel 的宏都是用VB6编写的,VB6利用0LE 技术可灵活调用W ord 、Excel 。因此,采用VB6为开发语言,以Access 为数据库系统进行用水网络设计与优化软件的开发。

本文对复杂的水夹点技术的应用与计算,采用VB 语言进行编程,把计算机技术与水夹点技术结合

起来,能够使水夹点技术更有效、更快捷、更准确地完成水系统优化的改造,因此本软件具有相当的实用性和推广价值。1　水夹点设计与优化软件的开发原理

1.1　水夹点技术的简介

水夹点技术是由英国曼彻斯特理工学院的Y.P.,Wang 和R obin Smith 于1994年首次提出,将20世纪90年代得到极大发展的过程集成技术应用于新鲜水用量最小化、废水产生量最小化和废水处理

系统设计〔2〕

。水夹点技术包括三个方面的内容:一是通过对用水操作进行分析,判别预用的新鲜水消耗和废水产生的最小值;二是通过水回用、再循环技术,设计一个用水网络以实现新鲜水消耗和废水产生量的目标值;三是通过有效的过程改变,改造现有的用水网络以使水回用最大化(即减少新鲜水用量)

和废水产生最小化〔3〕

。1.2　水夹点设计与优化软件开发的基本思想

根据各厂实际情况进行水评价指标体系的分析,确定排放的污水源以及可作为回用水、再生循环水和再生回用水代替新鲜水的水源,作到高价值水合理优质回用。列出所选单元操作的水流量和水质清单,确定和评价限制水回用的一些影响因素,选择合适的水,采用回收水处理技术和方法,以满足各个操作单元对各种水的水量和水质要求。1.3　水夹点设计与优化软件开发的基本原理

一般来说,从一个用水单元出来的废水如果在浓度、腐蚀性等方面满足另一个单元的进口要求,则可为其所用,从而达到节约新鲜水的目的。这种废水的重复利用是节水工作的主要着眼点。如图1所示的用水单元,该单元中,物料通过与水接触达到净化的目的。这个过程可以用图2所示的负荷—浓度图来表示。

图1　过程水应用模型

注:C p ,in ,C p ,out -工艺物流进、出口杂质浓度,μg/g

C w

,in ,C w ,out -水进、出口杂质浓度,μg/g ;

f p ,f w -工艺物流、水中杂质含量,kg

图2中浓度最高的为物料线,较低的为供水线。

供水线斜率越大,流率越小。由图可以看出,位于物料线下方的供水线均可满足要求。但是,为了确定别的单元的废水能被本单元再利用的可能性,需要

指定本单元最大进口浓度。同时,为了确定所需水的最小流率,需要指定本单元最大出口浓度。这样就得到了该单元用水的极限曲线(图3a )。图中,C 表示污染物浓度;M 表示物料。为了达到节水的全局最优化,必须从整体上来考虑整个系统的用水情况。所以,需要将所有用水单元的情况用复合曲线来分析。图3b 给出了如何将4个用水单元的极限曲线复合为一条极限复合曲线的方法。

图2　水应用负荷-浓度图

图3　构造浓度组合曲线

位于复合曲线下方的供水线均可满足供水要求。假定供水线入口浓度为0,为了使所用新鲜水量达到最小,应该尽可能增大出口浓度,即增大供水线的斜率。由图4可见,当供水线的斜率增大到在某点与复合曲线开始重合时,出口浓度达到最大,新鲜水用量达到最小。重合的位置就是所谓的“水夹点”。此供水线的斜率就代表了新鲜水的最小用水

图4　水夹点及最小供水线

量。然后,根据复合曲线与供水线,就可设计新鲜水

量最小、水的循环利用率最大的水系统网络。此外,若想进一步降低新鲜水用量。还可考虑水的再生再

利用〔4〕〔5〕〔6〕

。

2　水网络设计与优化软件的实施步骤

通常利用水夹点技术进行水系统优化设计改造

步骤如下:(1)建立系统水平衡图;(2)确定工艺过程对水的约束条件;(3)构造水系统C —M 图;(4)对水系统进行夹点分析确定系统最小用水量;(5)根据

水夹点设计原则进行系统用水网络的优化设计〔7〕

。而采用本软件后,第3、4、5步骤将通过本软件来完成,从而大大减少建模过程难度和复杂性,使原来必须由专业技术人员才能完成的工作,现在可以通过短期的培训就可以由非专业人员来完成。

3　水夹点设计与优化软件的应用研究

3.1　某厂各操作过程的现有用水流程数据

在某石化厂,通过进行总体的水平衡测试与分

析和对各用水操作单元的用水分析,确定各操作过程对工业用水的约束条件,从而得出各操作进出水的杂质数据如表1所示。该厂各用水系统过程原设计进水均采用新鲜水,总用水量为205t/h 。

表1　水夹点设计软件各操作过程杂质进出口数据

操作

进水浓度最大值,ppm

出水浓度最大值,ppm

极限进水流量,t/h

极限出水流量,t/h

101007575

2501504040

37510040404

100

125

50

50

3.2　常规分析优化系统用水流程数据

根据表1各过程杂质进出口约束,使各过程出口杂质浓度达最大值,所有过程仍用新鲜水,系统总用水量为123t/h 。3.3　水夹点设计与优化软件优化系统用水流程数据

从表1系统约束数据,将表中各数据输入到图5中,应用本软件即可得出图6所示的水夹点优化

设计系统用水流程图。该软件将根据表1各过程杂质进出口约束,部分过程仍用新鲜水,而操作l 排水可重复用于操作4及部分的操作2补水,系统总用水量为105t/h 。

根据软件所绘制的系统浓度组合曲线可知,用水系统的夹点浓度为100ppm ,以重复使用水量最大即系统新鲜水用量最小为目标确定的系统最小供水量为105t/h 。根据水夹点设计原则,夹点上方过程用

水纯度要求低于夹点处水的纯度,不需用新鲜水,可

用另一些过程的排水位与水夹点下方过程;用水纯度要求高于夹点处水的纯度,必需使用新鲜水;水夹点上方过程引人新鲜水将增加系统新鲜水的用量〔8〕〔9〕。利用本软件设计出用水流程见图6。

图5　操作过程数据输入及修改图

图6　用水网络设计与优化软件优化设计后的用

水流程图

3.4　结果比较

通过软件的应用分析可知,系统出口杂质浓度

最大时用水数据;常规分析优化后系统用水数据;水夹点设计软件优化系统用水流程数据,与系统原设计用水数据比较,可知利用水夹点技术优化后比原设计节水48.7%,比常规优化技术节水14.6%。

4　结　语

近年来,水夹点技术在许多发达国家已经得到了广泛的应用,而在我国尚属理论研究,实践应用较

少,主要是由于该技术具有相当的复杂性和抽象性,而且缺少专业的水夹点技术人员。而采用本软件后,该复杂过程就可以通过本软件来完成,从而大大

减少建模过程难度和复杂性,使原来必须由专业技术人员才能完成的工作,现在可以通过短期的培训就可以由非专业人员来完成。同时可以结合重复使用、再生重复使用、再生循环等节水策略进行用水系统优化设计,设计出用水系统比原设计节水48.7%,比常规优化策略节水14.6%。

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大学,20031

〔9〕冯霄1水夹点技术原理及其应用〔J〕1计算机与应用

化学,20011

(上接第389页)

参考文献〔7〕提供的烟管辐射换热系数h f为

h f=511×10-11εf T3f(1+τ2)(1+τ)(10)

式中　εf———烟气黑度;

T f———烟气定性温度,K;

τ———壁温T

b

与烟气定性温度T f之比。

传热系数K为

K=ψ(h d+h f)(11)

式中ψ为烟管的热有效系数。

4.2　计算结果与实验结果的对比分析

采用上述计算程序,以实验样机中的烟管为对

象,对其排烟温度t py随天然气流量变化的情况作了

计算,随后,专门作了实验验证。计算结果与实测结

果一同示于图5。

图5　排烟温度随燃料量的变化

由图5可见,从总体上看,排烟温度的计算结果

与实测结果变化趋势上一致,两者差别不大,绝对误

差小于7.5℃,相对误差小于4.5%,说明这套烟管

传热计算方法可以满足工程计算需要。

5　结　论

针对相变-液浴式热水锅炉炉侧的传热特点,

提出了一套炉侧传热计算方法。通过计算得出了相

变-液浴式锅炉的炉胆出口烟温t″l、排烟温度t py分

别随天然气流量B j变化的曲线。计算结果与实测结

果之间的误差均在10%以内,说明这套炉侧计算方

法完全可以满足工程设计和校核计算的需要。

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