工業(yè)冷卻循環(huán)水系統(tǒng)節(jié)能優(yōu)化技術(shù)及應(yīng)用

汪家銘

/>(川化集團(tuán)有限責(zé)任公司，成都 610301)

根據(jù)國家有關(guān)規(guī)定，企業(yè)高溫產(chǎn)品和設(shè)備必須用工業(yè)循環(huán)水冷卻，循環(huán)水系統(tǒng)用于工藝過程冷(熱)量交換和傳送的過程中，涉及循環(huán)水泵組、管網(wǎng)、換熱裝置、制冷設(shè)備和冷卻塔等，主要依靠水泵為動(dòng)力源來推動(dòng)循環(huán)水流動(dòng)[1]。據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)，水泵的耗電量約占全國發(fā)電量的15%～21%，當(dāng)前，我國循環(huán)水用量已經(jīng)占到工業(yè)用水總量的70%，工業(yè)循環(huán)水系統(tǒng)用泵能耗占到70%以上，運(yùn)行能耗巨大。

循環(huán)水系統(tǒng)在石油化工等領(lǐng)域是必不可少的基本環(huán)節(jié)，電能消耗較大，約占石化生產(chǎn)過程中總用電量的8%～10%，而我國工業(yè)循環(huán)水泵系統(tǒng)普遍存在能耗較高的現(xiàn)象，運(yùn)行效率只有50%，與先進(jìn)國家相比，系統(tǒng)運(yùn)行效率低20%以上。因此，推廣工業(yè)冷卻循環(huán)水系統(tǒng)節(jié)能優(yōu)化技術(shù)對(duì)行業(yè)節(jié)能意義重大[2]。

1 基本原理

工業(yè)循環(huán)水節(jié)能優(yōu)化技術(shù)是按照工業(yè)循環(huán)水系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行原則，建立系統(tǒng)能量平衡現(xiàn)場測試與計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)，從循環(huán)水泵組、管網(wǎng)、換熱裝置、制冷裝置、制冷設(shè)備、冷卻塔等方面入手，進(jìn)行系統(tǒng)能量利用效率研究與分析，開發(fā)系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行數(shù)學(xué)模型，通過模擬與計(jì)算，判別并評(píng)價(jià)系統(tǒng)當(dāng)前能量利用效率指標(biāo)，結(jié)合生產(chǎn)工藝要求，提出的一種循環(huán)水系統(tǒng)過程能量優(yōu)化解決方案。該方案對(duì)循環(huán)水系統(tǒng)流程各參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測、系統(tǒng)能效分析與運(yùn)行優(yōu)化，使復(fù)雜管網(wǎng)的動(dòng)態(tài)水力和熱力平衡，確保系統(tǒng)流量與管網(wǎng)阻尼極小化，提高工業(yè)循環(huán)水系統(tǒng)整體能效，實(shí)現(xiàn)綜合節(jié)能的目標(biāo)。

工業(yè)循環(huán)水節(jié)能優(yōu)化技術(shù)由系統(tǒng)運(yùn)行能量利用效率分析、系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行優(yōu)化整改、系統(tǒng)能量監(jiān)測和控制、高效節(jié)能產(chǎn)品與制造技術(shù)組成，主要內(nèi)容包括：① 循環(huán)水系統(tǒng)各換熱設(shè)備、管網(wǎng)、泵站的壓力、流量、溫度等運(yùn)行參數(shù)精確采集；② 換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化和管網(wǎng)水力優(yōu)化數(shù)學(xué)模型建立；③ 對(duì)流量、管網(wǎng)阻力、水泵運(yùn)行效率等專家分析診斷及優(yōu)化系統(tǒng)；④ 水力平衡調(diào)節(jié)裝置、高效節(jié)能泵等多種針對(duì)性強(qiáng)的系列高效節(jié)能產(chǎn)品。

在工業(yè)冷卻循環(huán)水系統(tǒng)運(yùn)行過程中，通過水泵水量和智慧閥門的輸配協(xié)同節(jié)能優(yōu)化控制，將冷卻終端的溫度嚴(yán)格控制在設(shè)定的區(qū)間內(nèi)。智慧閥門始終處在大開度位置進(jìn)行實(shí)時(shí)智能調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜管網(wǎng)的動(dòng)態(tài)水力和熱力平衡，使系統(tǒng)流量與管網(wǎng)阻尼極小化。根據(jù)冷卻水溫度的在線檢測，對(duì)冷卻塔的智慧閥門和冷卻風(fēng)機(jī)進(jìn)行優(yōu)化控制，在自適應(yīng)滿足冷卻塔管網(wǎng)的動(dòng)態(tài)水力平衡、熱力平衡及高效輸配條件下，使各個(gè)冷卻塔的冷卻效果最優(yōu)化。在實(shí)行上述控制的同時(shí)，確定水泵組的開機(jī)臺(tái)數(shù)和變頻的優(yōu)化控制，使水泵輸出功率極小化，機(jī)組效率極大化，從而最大程度節(jié)電，并可對(duì)水泵的規(guī)格特性進(jìn)行調(diào)整和改造，以達(dá)到水泵機(jī)組能效優(yōu)化配置。同時(shí)基于物聯(lián)網(wǎng)智慧閥門技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了循環(huán)水系統(tǒng)流程各參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測、系統(tǒng)能效分析與運(yùn)行優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行的遠(yuǎn)程智能診斷。

2 典型的技術(shù)改造情況

工業(yè)冷卻循環(huán)水系統(tǒng)節(jié)能優(yōu)化技術(shù)因其實(shí)際應(yīng)用節(jié)能效果顯著，目前已廣泛應(yīng)用于工業(yè)循環(huán)水系統(tǒng)的節(jié)能改造項(xiàng)目，其中也有相當(dāng)一部分石化企業(yè)正處于大范圍推廣應(yīng)用階段。該技術(shù)在鋼鐵、石化、電力、化工、化纖、醫(yī)藥、冶金、樓宇中央空調(diào)、城鎮(zhèn)區(qū)域供熱、城市供熱等行業(yè)中應(yīng)用，與原有循環(huán)水系統(tǒng)相比，節(jié)能改造后綜合節(jié)能率達(dá)到30%～60%，節(jié)能效果十分明顯。兩種典型工業(yè)循環(huán)水冷卻系統(tǒng)的技術(shù)改造情況見表1。

表1 兩種典型工業(yè)循環(huán)水冷卻系統(tǒng)的技術(shù)改造情況

3 應(yīng)用現(xiàn)狀

工業(yè)冷卻循環(huán)水系統(tǒng)節(jié)能優(yōu)化技術(shù)現(xiàn)已被列入國家發(fā)展改革委員會(huì)2012年12月26日正式對(duì)外公布的第五批國家重點(diǎn)節(jié)能技術(shù)推廣目錄中，適用于石油化工、機(jī)械電子、鋼鐵冶金、食品制藥、化纖、熱電等相關(guān)領(lǐng)域中用電力驅(qū)動(dòng)的循環(huán)水系統(tǒng)。

(1)中國石油天然氣股份有限公司大慶石化分公司

中國石油天然氣股份有限公司大慶石化分公司水汽廠處理能力3 000 m3/h的鋼結(jié)構(gòu)大型冷卻塔，近年來冷卻效果逐年下降，收水器老化變形，使大量的循環(huán)水漂出塔外，造成水和藥劑大量損失。該廠實(shí)施了循環(huán)水系統(tǒng)優(yōu)化技術(shù)改造，合理優(yōu)化生產(chǎn)工藝，采用管式閉路配水取代原設(shè)計(jì)槽式配水，通過集中配水，減少水源擴(kuò)散面積，降低循環(huán)水漂滴損失率。同時(shí)，還采用薄膜點(diǎn)滴混裝專利技術(shù)，安裝了新式多波雙功能收水器，可以進(jìn)行二次收水，使冷卻效率、填料強(qiáng)度和抗老化性均得到了較大提高。該項(xiàng)循環(huán)水系統(tǒng)優(yōu)化改造完成后每年可節(jié)約運(yùn)行費(fèi)用18萬元[3]。

(2)中國石化巴陵石化有限責(zé)任公司

中國石化巴陵石化有限責(zé)任公司己內(nèi)酰胺事業(yè)部第一循環(huán)冷卻水系統(tǒng)共有單級(jí)雙吸離心泵9臺(tái)，均存在著水泵運(yùn)行效率偏低和耗電量高等問題。采用節(jié)能技改方案通過優(yōu)化水泵水力設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及提高制造精度來提高泵效率，同時(shí)通過水泵、配套電機(jī)、傳動(dòng)裝置、管網(wǎng)和用水設(shè)備匹配來提高冷卻水系統(tǒng)效率，并準(zhǔn)確計(jì)算出用水設(shè)備和流體輸送相匹配的最佳工藝點(diǎn)。節(jié)能改造后，在維持原來的工況下，每小時(shí)節(jié)電614.1 kWh，每年節(jié)約電5.38 GWh，節(jié)約電費(fèi)約269萬元，節(jié)能降耗效果顯著[4]。

(3)其他企業(yè)

中國石化揚(yáng)子石油化工有限公司通過對(duì)催化裂化裝置冷卻循環(huán)水系統(tǒng)實(shí)施技改，每年可節(jié)省用電量3.95 GWh。杭州邦聯(lián)氨綸有限公司將原先氨綸生產(chǎn)裝置的聚酯工藝、動(dòng)力車間兩套獨(dú)立冷卻循環(huán)水系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，每年可節(jié)省用電量2.81 GWh。大化集團(tuán)有限責(zé)任公司的合成氨聯(lián)合生產(chǎn)裝置冷卻循環(huán)水系統(tǒng)，優(yōu)化后每年節(jié)電達(dá)到13.66 GWh。酒鋼集團(tuán)不銹鋼二期軟環(huán)泵循環(huán)水系統(tǒng)中成功應(yīng)用該技術(shù)后，節(jié)電率達(dá)62%以上，年節(jié)電達(dá)6.60 GWh[5]。四川美豐集團(tuán)美青氰胺有限責(zé)任公司主要生產(chǎn)經(jīng)營化肥原料，每年綜合能源消耗量達(dá)到760 kt標(biāo)準(zhǔn)煤，通過將水泵進(jìn)行了節(jié)能改造，改造后工藝?yán)鋮s水系統(tǒng)節(jié)電率近30%。

4 結(jié)語

采用工業(yè)循環(huán)水系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)，可以解決常規(guī)工業(yè)循環(huán)水系統(tǒng)普遍存在的能耗高和效率低的技術(shù)難題，且施工比較方便，節(jié)能效果顯著，系統(tǒng)運(yùn)行中無振動(dòng)、噪音低、維護(hù)檢修方便，可以不停產(chǎn)進(jìn)行維修。按照石化行業(yè)循環(huán)水系統(tǒng)的用電量占整個(gè)電耗的8%～10%，使用優(yōu)化技術(shù)后節(jié)能30%計(jì)算，通過循環(huán)水系統(tǒng)的節(jié)能優(yōu)化至少可以為整個(gè)石油化工行業(yè)增長2.4%～3.0%的直接經(jīng)濟(jì)效益。

[1] 馮瓊，張秋紅，馮平平.工業(yè)循環(huán)水運(yùn)行評(píng)價(jià)和處理方案[J].橡塑技術(shù)與裝備，2009，35(8)：46-50.

[2] 龍德曉，李志明.多冷卻塔循環(huán)水系統(tǒng)的能耗優(yōu)化[J].節(jié)能技術(shù)，2010，28(2)：3-6.

[3] 鄭璐.循環(huán)水優(yōu)化為行業(yè)降耗增效[N].中國化工報(bào)，2013-01-09.

[4] 吳波，趙從菊.冷卻循環(huán)水系統(tǒng)的節(jié)能改造[J].節(jié)能與環(huán)保，2009(11)：53-55.

[5] 唐長忠，湯中彩，沈新榮.工業(yè)循環(huán)水WECS改造技術(shù)的應(yīng)用探討[J].工業(yè)儀表與自動(dòng)化裝置，2013(2)：58-61.