循環(huán)水系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計

鄒德友

【摘要】關(guān)于循環(huán)水系統(tǒng)節(jié)能改造設(shè)計的文摘較多，但均未做到系統(tǒng)性研究分析。通過理論分析，結(jié)合設(shè)計和生產(chǎn)經(jīng)驗，從水柱高程、水頭損失、設(shè)備的效率、泵的配置及水質(zhì)等方面，全面分析設(shè)計的合理性與能源消耗的關(guān)系，從而做到設(shè)計優(yōu)化。

【關(guān)鍵詞】流量；設(shè)計；水壓；管損；水質(zhì)；功率

中圖分類號： S611文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A

1引言

在很多化工生產(chǎn)中，循環(huán)水系統(tǒng)的電耗占生產(chǎn)成本很大一部分，以20萬噸燃料酒精的生產(chǎn)線為例，其循環(huán)水系統(tǒng)的電耗約占總電耗的23.6%，因此循環(huán)水系統(tǒng)的設(shè)計優(yōu)劣在很大程度上決定燃料酒精產(chǎn)品的生產(chǎn)成本。由于項目建設(shè)的獨(dú)特性決定循環(huán)水系統(tǒng)應(yīng)用在生產(chǎn)中無法形成統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，循環(huán)水系統(tǒng)的設(shè)計技術(shù)指標(biāo)參差不齊，存在較大的節(jié)能空間。在耗能方面主要反應(yīng)在水力輸送的水頭損失、靜壓損失、機(jī)泵的運(yùn)行效率和循環(huán)冷卻水的冷卻效果等。

2循環(huán)水站位置和高程的確定意義

為盡可能的減少管道的沿程水頭損失、局部水頭損失和水柱高程，循環(huán)水站應(yīng)布置在便于進(jìn)出水管配置，靠近負(fù)荷中心或主要用水點(diǎn)附近，建筑物的頂部或廠區(qū)內(nèi)的最高點(diǎn)建設(shè)。

例如：某項目需建設(shè)一個循環(huán)水站（地面高程±0.00），分別向+6.00平面供水1000m3/h和+12.00平面供水1500m3/h。若將循環(huán)水站建在±0.00平面，供水壓力必須大于水柱壓力∑hf（0.12Mpa）和水頭損失∑hj1之和hw，若將循環(huán)水站建在+12.0平面，供水壓力只需滿足大于最遠(yuǎn)處的水頭損失∑hj2。假設(shè)管道的阻力特性及長度等同，則∑hj1=∑hj2。通過理論計算

Pe=ρg（qv1H1+ qv2H2）/3600s

=1000×9.8×（1000×6+1500×12）/3600s

=65.3kw

（ρ=1000kg/m3，qv1=1000m3/h，qv2=1500m3/h，H1=6m，H2=12m）

可見，在+12.0平面建設(shè)循環(huán)水站至少節(jié)約電耗65kw。

3汽蝕現(xiàn)象對泵性能的影響

由于管路設(shè)計的不合理，造成泵進(jìn)口管道壓力較低，當(dāng)葉輪入口處壓強(qiáng)降至輸送液體在工作溫度下的飽和蒸汽壓時，將產(chǎn)生汽化現(xiàn)象，產(chǎn)生的氣泡進(jìn)入高壓區(qū)后會急劇收縮凝結(jié)，產(chǎn)生高強(qiáng)度的沖擊波，簡稱“汽蝕”。汽蝕現(xiàn)象不僅直接造成設(shè)備的損害，同時造成設(shè)備性能的下降。

圖1 ns=70的單級離心泵發(fā)生汽蝕的性能曲線

由圖1可知，以ns=70離心式泵為例，當(dāng)泵距水面的幾何安裝高度為6m時，最大可調(diào)節(jié)流量約為95m3/h。若繼續(xù)開大閥門，揚(yáng)程曲線急劇下降，且流量增加不明顯，形成斷裂工況。在發(fā)生汽蝕后，大量氣泡很快布滿葉輪流道，形成斷流，造成壓力、效率急劇下降。因此，循環(huán)水系統(tǒng)的設(shè)計，要避免泵的進(jìn)口壓力過低，防止汽蝕產(chǎn)生。

4供水方式的確定

對于有多個用水點(diǎn)的循環(huán)水系統(tǒng)，根據(jù)各用水點(diǎn)對供水要求指標(biāo)的不同，統(tǒng)籌考慮供水方式，設(shè)計原則主要為“以流量大、壓力集中的工況點(diǎn)為設(shè)計技術(shù)主線，采用同質(zhì)同壓、集中供給與分散供給相結(jié)合的方式”。對于流量和壓力均偏低的用水點(diǎn)，可適當(dāng)采用高質(zhì)低用的方式供給；對于小流量高壓力的用水點(diǎn)，可就近采用增加管道加壓泵供給方式供給。

5泵的選擇

在我國水泵耗能總量約占全國總發(fā)電量的20～25%，而我國水泵的平均效率僅為75％，比國際先進(jìn)水平約低5%。因此，泵設(shè)備的合理選擇，同樣存在極大的節(jié)能潛力。在設(shè)備選型過程中，應(yīng)當(dāng)選擇水力模型設(shè)計先進(jìn)，高效節(jié)能的泵，另外，每種型號的泵都有自身最佳運(yùn)行工況點(diǎn)，應(yīng)盡可能選擇管道阻力特性和流量特性與設(shè)備額定工況相吻合的泵。

圖2泵的運(yùn)行曲線

以圖2為例，泵的最佳運(yùn)行工況點(diǎn)為Q=160L/S，H=13m，此時，泵的效率約為68%。若實際工況點(diǎn)為Q=60L/S，H=16m，此時效率為42%。

6管道的合理配置

在管道的配管過程中，利用經(jīng)濟(jì)流速來確定配管，同時減少配管過程中過的“瓶頸”現(xiàn)象，減少管道輸送距離，減少管道彎頭、變徑等管附件，做到低點(diǎn)排污，高低排空，減少“布袋”現(xiàn)象出現(xiàn)。

所謂經(jīng)濟(jì)流速是一次投資與運(yùn)行費(fèi)用之和最小時的流速為經(jīng)濟(jì)流速，而相應(yīng)的管徑即為經(jīng)濟(jì)管徑。在設(shè)計過程中，常采用經(jīng)驗參數(shù)作為經(jīng)濟(jì)流速。但是，在較大規(guī)模的循環(huán)水系統(tǒng)配管設(shè)計中，需反復(fù)比較管道的動力損耗費(fèi)用與投資，針對性確定管道的經(jīng)濟(jì)流速。經(jīng)濟(jì)流速確定需綜合考慮管道造價、折舊、動力費(fèi)用及用水變化規(guī)律等，選用適當(dāng)?shù)慕?jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)和管損計算公式進(jìn)行確定。

7泵設(shè)備的合理搭配

設(shè)計中選擇選流量大、電機(jī)電壓等級高的泵作為主泵，配合部分小泵作為負(fù)荷調(diào)節(jié)。減少設(shè)備并列運(yùn)行的臺數(shù)，提高設(shè)備出力。多臺泵并聯(lián)運(yùn)行后所能增加的流量越少，即每臺泵輸送

的流量減少，故并聯(lián)臺數(shù)過多并不經(jīng)濟(jì)。

圖3相同性能泵并聯(lián)工作運(yùn)行曲線

如圖3所示，2臺同樣性能曲線的泵（Ⅰ、Ⅱ），其單獨(dú)運(yùn)行時的標(biāo)定工況點(diǎn)為C點(diǎn)。當(dāng)并列運(yùn)行后，其工況點(diǎn)轉(zhuǎn)移為M點(diǎn)，此時qVB

8變速調(diào)節(jié)負(fù)荷的應(yīng)用

在用水負(fù)荷變化量較大、對壓力要求不高的循環(huán)水工藝中，可采用變頻器調(diào)速的方法來調(diào)節(jié)負(fù)荷，做到節(jié)約電能目的。由電機(jī)特性分析可知，均勻改變電機(jī)供電頻率F，就可以平滑地改變電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而改變泵機(jī)的轉(zhuǎn)速；結(jié)合泵機(jī)特性分析，降低電動機(jī)轉(zhuǎn)速，電動機(jī)輸入功率也隨之減少，泵機(jī)軸功率就相應(yīng)減少。

變速調(diào)節(jié)的曲線特性可根據(jù)泵的比例定律求得：

（Q:流量、H:揚(yáng)程、P：壓力）

9水處理

在生產(chǎn)中循環(huán)水的主要用途作為循環(huán)冷卻用水，當(dāng)水質(zhì)較差，導(dǎo)致?lián)Q熱設(shè)備的污垢系數(shù)較低，造成循環(huán)水浪費(fèi)嚴(yán)重，同時管道阻力也將增大。因此，做好水處理的設(shè)計工作，有種重要意義。在《工業(yè)循環(huán)冷卻水處理設(shè)計規(guī)范》B50050-951中，對于工業(yè)循環(huán)水的水質(zhì)有種詳細(xì)要求。水處理的設(shè)計控制措施主要有以下幾方面：

9.1做好循環(huán)水的補(bǔ)水水源選擇；

9.2 投加殺菌滅藻劑，控制藻類的滋生；

9.3投加阻蝕緩垢劑，防止管道和換熱設(shè)備結(jié)垢和腐蝕；

9.4 增加旁濾設(shè)備，降低濁度；

9.5保持合理的水質(zhì)濃縮倍數(shù)。10余壓利用

在向高層生產(chǎn)單元供水的系統(tǒng)中，其回水管線形成虹吸，換熱設(shè)備出口壓力（絕壓）等于回水工作溫度對應(yīng)的飽和蒸汽壓，則說明有部分流動能可能沒利用。利用余壓再用技術(shù)對能源進(jìn)行回收。目前市場上余壓利用技術(shù)比較多，比較典型的節(jié)能技術(shù)就是驅(qū)動水輪機(jī)發(fā)電。

例如：某項目循環(huán)水站在±0.00平面向+42.0面生產(chǎn)單元供水，回水溫度為50℃（對應(yīng)飽和蒸氣壓為12.4kpa），冷卻塔進(jìn)口管線標(biāo)高為+10.0米，冷卻塔的阻力損失為5kpa。

不計管道損失，回水勢能為H總，已回收回水勢能為H回，可回收回水勢能為H可：

H總=42m-10m-0.05m

=31.95

H回=10.336m-1.269m

=9.067m

H可= H總-H回

=31.95m-9.067m

=22.883m

11結(jié)論

通過上述對循環(huán)水系統(tǒng)設(shè)計的研究分析，充分挖潛優(yōu)化設(shè)計的思路，做到投資最省、運(yùn)行合理經(jīng)濟(jì)。在項目建設(shè)完畢后，總結(jié)設(shè)計經(jīng)驗，對于已安裝的循環(huán)水系統(tǒng)進(jìn)行實地技術(shù)測量，收集泵的出口壓力、流量和消耗功率等技術(shù)參數(shù)，對于仍有挖潛節(jié)能空間的設(shè)備，采用葉輪切割的方式，進(jìn)一步優(yōu)化改造。

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