电厂冷却系统的优化设计

尺寸进料水泵;考虑热交换器选项;确定冷却系统功率和能量使用

由Doug Kolak 2020年5月12日
图8:并联泵的成本比较。礼貌:导师

为了优化工厂冷却系统,让我们首先看看使用系统模拟软件来获得准确的给水泵尺寸。仿真软件可以减少系统的体积,提高安全性和效率。为了分析一个工厂冷却系统的设计,仿真软件能够建模热和流体动力学是需要的。

然后,仿真分析将用于将冷却系统的冷冻水侧集成到设计中,考虑各种热交换器选项,并确定冷却系统预期的电力和能源使用,创造基线模型,更好地了解生命周期成本。

最后,使用基线设计,优化软件将进一步细化设计,使工厂冷却系统的最优安排。

开始

泵送系统确保流体通过经常复杂的流量分配网络到达目的地。然而,对于大多数工业部门来说,泵送系统通常具有任何过程系统的最高功耗。估计运行,运营和维护通常占寿命泵送系统成本的80%以上。

初始泵尺寸通常在设计过程中提前来。所有数据和最终路由可能都不可用,但可以根据初始布局估计(参见图1)。该模型由多个热源组成:柴油发电机,辅助设备,清除剂油冷却器,润滑油冷却器和发动机夹克。进料水泵也是该冷却回路的一部分。整个环路与冷却环相互作用,冷却环通过热交换器泵送海水。

图1:泵送系统过程控制图。礼貌:导师

图1:泵送系统过程控制图。礼貌:导师

系统约束包括:

  • 系统中任何地方的温度限制为80°C。
  • 海水系统已经完成,所以不需要对另一边的泵或管道做任何改变,只需要对其相互作用的热交换器做任何改变。
  • 由于布置和限制,最大管道尺寸为200毫米,计划-40,公称管道尺寸。

有了这些约束,哪些参数可以更改?

首先是管道尺寸。为了简单起见,考虑在100- 200毫米管道中使用40不锈钢,标称增量为25毫米,由于缺乏可用性,7英寸或175毫米被排除在外。

其次,初始估计产生了0.0631m3 / s的预期流速,约为1,000加仑/分钟。然而,为了确保在不同流速下的适当泵运行,应考虑从0.0158至0.0788 m3 / s的扫描,或约250至1,250加仑/分钟。

最后,我们来看看热交换器。它是一种壳管结构,有两个或四个通道。它的长度将从1米到5米。

问几个问题可以得到最好的解决方案。整个系统压降是多少?哪种泵选择适合该系统?最后,所选泵的功率要求是什么?

计算系统压降

在这个分析中,我们关注冷却系统的闭环部分,不包括海水侧。为了确定系统在一定流量范围内的损失,泵最初可以配置为一个流源和压力收集器。这允许对系统施加一个流量,以便模拟软件根据出口压力和系统组件累积损失计算所需的上游压力。

从一个设计到另一个设计,假定某些固定的数据是不变的。对于管道,可以使用0.025毫米的粗糙度。管道长度从5米到35米不等。对于公用事业,可以使用0.2的损耗系数。其他数据变化,包括管道直径,体积流速,孔直径和流通面积的公用事业。

为了准确地估计系统性能,让我们看看四种不同的管道内径,分别对应于100mm、125mm、150mm和200mm的调度-40管道。还考虑了从0.0158到0.0788 m3/s的五种不同的流量(见图2)。

图2:泵和管线尺寸的输入数据。礼貌:导师

图2:泵和管线尺寸的输入数据。礼貌:导师

运行的虚拟实验

这里是主要软件好处的应用。运行许多场景是简单而快速的。我们创建变量参数,并将它们分配给组件,而不是特定的数字。然后,我们可以配置实验的设计,使这些值在不同的运行中发生变化。

一旦配置好变量,软件就开始进行实验。我们决定如何改变变量参数数据。对于管径,使用离散值,允许输入特定的数字。当条目(如管道调度)没有明确的数学模式时,这很有用。对于流量,我们设置一个开始值和结束值,并选择值的数量;在这个例子中,是5个。

然后,该软件确定值并创建完整因子的运行矩阵,在这种情况下,总共20个,在15秒内运行。

从实验中,结果被直接导出到一个电子表格,用于绘制四个可能的系统曲线。100毫米的选择导致了太高的阻力,立即排除了该选项。至于125毫米、150毫米和200毫米的选项,系统曲线看起来是合理的,因此可能要根据重量和运营费用来决定。

根据初始热负荷计算,我们知道系统应该在0.63 m3/s左右运行。如果在图中画一条垂直线,我们可以看到它与系统曲线的交点(图3)。在y轴上画一条水平的线,决定了从泵中所需的扬程。例如,对于125毫米的选项,它将是大约22.1米。这些信息有助于将泵的选择范围缩小到那些额定扬程和额定流量尽可能接近这些值的泵。

图3:系统曲线结果。礼貌:导师

图3:系统曲线结果。礼貌:导师

一旦搜索范围缩小到制造商的两个泵,头部曲线就可以叠加到图上。根据泵制造商提供的信息,当泵的转速为2500 RPM时,两种泵的最大效率为77%,流量为0.63 m3/s。唯一的不同是从最佳效率点泵的形状性能。

最后一步是查看泵曲线与系统曲线相互作用的地方。如图4所示。观察两个泵与125mm泵的对比,100B泵与所需流量的左侧相交。这意味着除非泵的转速高于额定转速,否则无法提供所需的流量,这将降低效率,增加成本。

图4:泵和系统曲线。礼貌:导师

图4:泵和系统曲线。礼貌:导师

虽然泵101A并没有在期望的流量下精确相交,但是它很接近并且稍微偏右,所以它可以提供足够的流量和一些缓冲。

选择101A,我们可以输入制造商的泵数据可以输入,分析运行,看看它如何在模型中运行。结果表明交叉点或操作点比0.063m3 / s的流速略高的流速;但不是很多,这意味着头部上升将略低于速率值。但再次,不是很多。这意味着效率将略低于74.9%,而且规定的77%。最终,所需的力量将超过8千瓦。

第一步,优化设计一个新的工业冷却系统的成本和性能已被证明。传统的建立热流体仿真模型的设计方法对于满足工程约束是完全有效的。然而,这些解决方案可能仍然是低成本的。进一步的分析将完善我们的选择。

热交换器的选择

现在让我们看看如何使用仿真分析来考虑热交换器的选择,并确定电厂冷却系统的预期功率和能源使用,工作模型和优化生命周期成本。

将泵的尺寸和海水回路纳入模型(图B1)后,让我们看一下热交换器数据。仿真软件利用经验数据来确定换热器。这包括在公用事业中使用的热负荷,冷热流温差,或有效性或新生数量,指定为单个值或随流量变化。如果你有测试或制造商的数据,这些通常是很好的选择。

但是,如果不是一个选项,或者对于定义热交换器的更大控制,则可以指定几何形状。在这种情况下,热交换器的选择可以基于发电和工艺行业中使用的VDI热ATLA,以及一种高级选项,其更适合设计汽车热交换器。在此示例中,使用来自VDI热ATLAS的基于几何的选项。

第一个决定是换热器的类型。要看两道和四道管壳逆流式换热器的区别,管的内径和厚度可以是固定的,管的长度,管的数量和管壳直径,这是管的数量的函数,可以变化。然后可以比较五种不同的管长度和五种不同的管数量的值。

这提供了25个实验,与确定泵的大小一样,使用虚拟实验在大约30秒内解决了问题。这为每个热交换器选项提供了25次运行,或总共50次。

完成后,结果将导出到Excel中,如图5所示。不出所料,在一定数量的管道中,随着管道长度的增加,计算出的出口温度降低,当管道数量增加而长度不变时也是如此。增加管长比增加管数对出口温度的影响更大。例如,这一次,我们将从50根1米长的管子开始,增加到100根,然后从出口温度105到82.5°C。

图5:各种长度的管道的影响。礼貌:导师

图5:各种长度的管道的影响。礼貌:导师

然而,如果假设50根管子长2米,则出口温度降至64°C,提高了19°C。随着管数的增加和管的延长,这种效应减小。

与选择标准相比,只有四种选择是可接受的:4米长的250管,长150,200和250管。现在,让我们看看四遍的设计。

图中显示,温度低于双通设计(图6),对于1米长的管,温度高达40℃。出口温度的变化趋势与双通道换热器的管的数量和长度相同,最终出现了四种可接受的设计。四通选项提供了更多满足标准的选项:总共14个。我们将选择四通,3米管长,200管。

图6:温度低于双通设计。礼貌:导师

图6:温度低于双通设计。礼貌:导师

电力和能源使用

有了泵和换热器的尺寸在手,我们可以在成本的基础上对系统进行优化,同时仍然满足原来的要求。对于模型的成本部分,使用了一个与热量相关的Excel电子表格。影响冷却系统生命周期成本的主要因素是初始购置成本;管道、泵、换热器费用;超过25年的维修费用;和能源成本的运行,如预期。预计的停机时间、环境成本和退役费用不包括在内,尽管它们可以包括在内。

使用这些数字,可以建立使用原始模型的基线(图7)。成本仅为382,000美元多一点,以及其他在温度、压力和功率方面的重要注意事项。如前所述,这些费用大部分用于电力和维护。如何才能降低这些成本?

图7:基线模型的成本结果。礼貌:导师

图7:基线模型的成本结果。礼貌:导师

在参数研究方法中,结合四个输入变量代表了980个独特的模拟,而这与成本函数没有直接联系。重要的手工后处理将决定最佳选择,但必须有一个更好的选择。

简化流程

其次,设计优化工具可以根据设计目标和成本功能改进初始仿真模型和设计分析,从而使研究规模更小,节省时间,优化设计。

要做到这一点,需要简化虚拟产品开发过程。今天,大多数公司开始建立他们的虚拟原型模拟连接他们的CAD, CAE,也许成本工具。然后他们为虚拟原型重新创建产品操作测试。一旦对虚拟原型的性能预测有了信心,设计就会通过手动修改或使用实验设计方法来改进,如上所示。最后,在产品投入生产之前,可以对结果设计进行健壮性评估。

许多制造商将他们的建模和仿真资源分配给构建和测试虚拟原型。然而,这些工具的最大价值来自于对设计的理解和改进。如何改进呢?

通过改变设计变量,可以轻松地重建经过验证或健壮的CAD和CAE模型。使用各种CAD或CAE工具模拟一个完整的设计原型可以自动化,甚至包括成本模型。这可以根据需要简单或复杂来完全模拟一个设计或一个虚拟原型的行为。

一旦流程被自动化,在每个任务被定义之后,流程将在高性能计算环境中进行模拟,以便可以快速探索许多变化。有些任务可能分配给Windows计算机,有些分配给Linux集群,还有一些分配给外部云资源。

现代的直接搜索技术可以有效地探索整个非线性设计空间,并快速发现更好的设计,而不需要代理模型。

最后,我们检查了最佳设计的灵敏度、鲁棒性和变量交互,以获得洞察力和理解性能将如何受到正常制造公差的影响。这是当今艺术和现代设计探索的现状。

即使软件解决方案提供了混合策略,它们仍然包含预定义的算法,而不是针对手边的问题进行调整。我们需要的是一个工具,它知道所有的策略,包含所有的部分,并且可以根据设计方法和标准进行裁剪。用于此分析的设计探索软件框架既混合又自适应,消除了之前用传统方法描述的问题。

对于这种情况,在Excel电子表格中创建了指定的仿真模型以及基线条件。该软件然后有效地搜索设计空间,以找到一个最优的解决方案,较少的模拟。让我们来看一些改进的设计。

在初始设计中,优化了三种不同的东西(表1)。管径从125 mm增加到150 mm。泵的尺寸减半,热交换器的尺寸从3米改为1米。最高温度和最高压力仍然在需要的地方,泵功率明显下降。这是由于所需的压力上升和流量下降,从而可以使用更小的泵。减少泵的尺寸还减少了电力的使用以及所需的维护。

表1:优化数据。礼貌:导师

表1:优化数据。礼貌:导师

该软件显示,管道安装和购买价格将增加。然而,即使前期成本增加,从长远来看,也可以节省近18万美元。这是一个很好的优化时考虑到寿命的设计。

使用更多变量

但是,假设所有管道必须具有相同的大小是安全的吗?可能需要较少职责的一些较小的路径,因此应该需要较小的流速,是不同的尺寸?这会如何影响泵的成本和选择?

如果使用过六英寸或150毫米,则使用六英寸或150毫米,使用150和100mm或六英寸,允许泵和热交换器相同的尺寸?可以保持泵功率。最高温度仍然涉及。压力增加一点,但可忽略。但是,储蓄约为17,000美元,主要是因为管道购买和安装下降(图8)。

图8:并联泵的成本比较。礼貌:导师

图8:并联泵的成本比较。礼貌:导师

该软件还可以权衡购买两台并联泵的选择。这意味着购买成本的两倍,但可以假设安装和维护成本仅为1.5倍。有了这个选择,我们将它们分成两半,因为我们关心的是确保流量保持不变,压力保持不变,这是我们可以用平行结构做到的。

现在代替使用需要近3千瓦的泵,我们可以使用使用小于1 kW的泵。最高温度略高,但压力有点较低。这意味着,虽然这些泵被分开,但性能不一样。如果它在相同的工程可接受范围内,这是合理的,因为节省约为30,000美元。大多数节省的储蓄来自系统生活中的电力,以及泵维护的一点。

最后的话

本文演示了如何优化一个新的工业冷却系统设计的成本和性能。采用传统的设计流程建立满足工程约束的热流体仿真模型。尽管这些解决方案可能很好,但它们可能比需要的成本更高。通过将模型与设计优化工具相结合,结合成本计算对模型进行操作,发现了最优安排,并进一步细化了系统设计。在这个例子中,节省了超过225,000美元。而且,进行这项研究的时间比在参数研究中做的时间要少得多。

今天的现代设计工具可以以新的、有趣的方式结合在一起,为今天和明天生产更好、更高效的产品。

使用的系统仿真软件是西门子Simcenter FloMaster。

采用西门子HEEDS设计探索软件对设计进行进一步细化。


Doug Kolak
作者简介:Doug Kolak是西门子门托机械分析部门的业务发展经理。