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

汪家銘

根據(jù)國家有關(guān)規(guī)定，企業(yè)高溫產(chǎn)品、設(shè)備必須用工業(yè)循環(huán)水冷卻，循環(huán)水系統(tǒng)以水為介質(zhì)用于工藝過程的冷(熱)量交換和傳送，在這其中涉及循環(huán)水泵組、管網(wǎng)、換熱裝置、制冷設(shè)備、冷卻塔等全流程，其主要依靠水泵為動(dòng)力源來推動(dòng)循環(huán)水流動(dòng)［1］。據(jù)不同國家工業(yè)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)，其以水泵為動(dòng)力源，電能消耗較大，約占石化生產(chǎn)過程中總用電量的8%～10%。據(jù)國外統(tǒng)計(jì)，工業(yè)循環(huán)水泵系統(tǒng)運(yùn)行效率約70%，我國工業(yè)循環(huán)水泵系統(tǒng)運(yùn)行效率約為50%，有的不合理的系統(tǒng)運(yùn)行能量浪費(fèi)高達(dá)40%以上，最少的也有20%左右［2］。目前，我國石化行業(yè)循環(huán)水系統(tǒng)普遍存在能耗較高的現(xiàn)象，與先進(jìn)國家相比，水泵效率低5%以上，系統(tǒng)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。

1 基本原理

工業(yè)循環(huán)水節(jié)能優(yōu)化技術(shù)根據(jù)流體力學(xué)與熱交換原理，分析工業(yè)循環(huán)水系統(tǒng)能量輸配與交換效率，并采用先進(jìn)節(jié)能控制方法結(jié)合智慧閥門技術(shù)、工業(yè)變頻技術(shù)，對(duì)工業(yè)循環(huán)水系統(tǒng)中水泵、閥門與管網(wǎng)、終端熱交換器、冷卻塔等單元進(jìn)行優(yōu)化控制，將循環(huán)水冷卻終端的溫度、流量和工藝參數(shù)嚴(yán)格控制在設(shè)定的區(qū)間內(nèi)，進(jìn)行循環(huán)水系統(tǒng)流程各參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、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，以提高工業(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)［3］。

該技術(shù)由系統(tǒng)運(yùn)行能量利用效率分析技術(shù)、系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行優(yōu)化整改技術(shù)、系統(tǒng)能量監(jiān)測(cè)和控制技術(shù)及高效節(jié)能產(chǎn)品與制造技術(shù)組成。其主要技術(shù)內(nèi)容包括:a)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)精確采集技術(shù);b)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;c)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);d)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(cè)，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)行上述三項(xiàng)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。在總結(jié)節(jié)能優(yōu)化運(yùn)行基礎(chǔ)上，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)組的能效優(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(cè)、系統(tǒng)能效分析與運(yùn)行優(yōu)化，并可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行的遠(yuǎn)程智能診斷。

2 技術(shù)改造

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，目前已在全國成功應(yīng)用于近1 000個(gè)工業(yè)循環(huán)水系統(tǒng)的節(jié)能改造項(xiàng)目，其中有相當(dāng)一部分石化企業(yè)，如上海石化、南京化工、揚(yáng)子石化、大慶石化、鎮(zhèn)海煉化、巴陵石化、中化集團(tuán)、柳化股份、大化集團(tuán)、上海醫(yī)藥集團(tuán)、菱花味精、福建金綸石化、歐亞賜福集團(tuán)、LG甬興化學(xué)、遼寧化學(xué)工業(yè)公司等，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)電率一般在20% ～85%，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)改造規(guī)模情況見表1所示。

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

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)改委正式對(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)。

3.1 大慶石化公司

大慶石化公司水汽廠處理能力3 000m3/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有設(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18萬余元［4］。

3.2 巴陵石化公司

巴陵石化公司己內(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)，存在著水泵運(yùn)行效率偏低、千噸水耗電量高等問題。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)及提高制造精度來增加泵本身的效率，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)。經(jīng)過節(jié)能改造后，千噸水節(jié)電率為33%。在不考慮全年多送水量的情況下，每小時(shí)節(jié)電614.1 kW·h。按全年全天運(yùn)行，年總節(jié)電537.95萬kW·h，年節(jié)電額約269萬元，節(jié)能降耗效果顯著［5］。

3.3 其他企業(yè)

揚(yáng)子石油化工公司通過對(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395萬kW·h。

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)省用電量合計(jì)281萬kW·h。

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1 366萬kW·h。

浙江新和成有限責(zé)任公司投資3 000多萬元的循環(huán)水系統(tǒng)優(yōu)化改造項(xiàng)目，節(jié)能效果也非常顯著。

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，節(jié)電率達(dá)62%以上，年節(jié)電達(dá)660萬 kW·h［6］。

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(yíng)化肥原料，每年綜合能源消耗量達(dá)到76萬t標(biāo)準(zhǔn)煤。而合成氨的工藝?yán)鋮s水，其耗能在整個(gè)生產(chǎn)過程中是最大的，通過將水泵進(jìn)行節(jié)能改造，工藝?yán)鋮s水系統(tǒng)節(jié)電率近30%。

4 結(jié)語

常規(guī)工業(yè)循環(huán)水系統(tǒng)運(yùn)行模式主要為恒流量運(yùn)行，能耗大，普遍存在效率低、能耗高的技術(shù)難題。采用工業(yè)循環(huán)水系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)進(jìn)行改造，施工方便，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，維修工作量少，而且可以不停產(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)帶來增長(zhǎng)2.4% ～3%的直接經(jīng)濟(jì)效益。預(yù)計(jì)到2015年該技術(shù)若在相關(guān)領(lǐng)域推廣15%，可形成的年節(jié)能能力約155萬t標(biāo)準(zhǔn)煤。

［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］ 趙凱.工業(yè)循環(huán)水系統(tǒng)節(jié)能優(yōu)化運(yùn)行技術(shù)［EB/OL］.http://wenku.baidu.com/view/d20721553c1ec5da50e27015.html，2011.8.22.

［4］ 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.

［5］ 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.

［6］ 唐長(zhǎng)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.