閉式循環(huán)水系統(tǒng)壓力優(yōu)化方法應(yīng)用

張炳辰 ,單盼娣 ,張高博 ,樊栓獅

（1.上海慧得節(jié)能科技有限公司，上海 浦東 201206；2.華南理工大學(xué)，廣東 廣州 510640)

循環(huán)水系統(tǒng)是一項(xiàng)常見(jiàn)的公用工程系統(tǒng)，在化工、電力、煉油等行業(yè)中是不可或缺的。據(jù)統(tǒng)計(jì)，循環(huán)水系統(tǒng)的耗電量約占企業(yè)總耗電量的20%～30%[1,2]。因此，研究如何降低循環(huán)水系統(tǒng)的電耗對(duì)企業(yè)有著重要的意義。在循環(huán)水系統(tǒng)中兩個(gè)最大的耗電部分是循環(huán)水泵和冷卻塔風(fēng)機(jī)，兩者約占循環(huán)水系統(tǒng)能耗的70%和25%[3]。因此循環(huán)水系統(tǒng)節(jié)能重點(diǎn)是降低循環(huán)水泵和冷卻風(fēng)機(jī)用電，尤其降低循環(huán)水泵流量和揚(yáng)程，可大幅降低循環(huán)水系統(tǒng)的電耗，取得節(jié)電效果。

對(duì)循環(huán)水泵節(jié)能主要是提高水泵的運(yùn)行效率或降低循環(huán)水泵揚(yáng)程，而降低循環(huán)水泵揚(yáng)程是降低循環(huán)水系統(tǒng)電耗的有效方法。周文啟等[4]以江蘇禾友化工有限公司為例，通過(guò)對(duì)合成氨循環(huán)水系統(tǒng)更換成高效節(jié)能水泵，重新匹配變頻調(diào)速電機(jī)，節(jié)能效果顯著，年節(jié)約費(fèi)用達(dá)148 萬(wàn)元。吳啟明等[5]分析了某公司熔鑄廠循環(huán)水使用現(xiàn)狀，應(yīng)用變頻調(diào)速和PLC 集中控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了循環(huán)水系統(tǒng)用電單耗降幅達(dá)23%，每年節(jié)約電量5.0×105kWh 的節(jié)能效果。卞志強(qiáng)等[6]介紹了揚(yáng)子石油化工公司水廠工業(yè)水泵房采用電機(jī)變頻、增效涂層、葉輪切割等節(jié)能措施，節(jié)約了大量的電能，達(dá)到預(yù)期效果。

對(duì)循環(huán)水泵的節(jié)能改造，各有關(guān)方面的專業(yè)人員雖做了大量的研究并取得了一定的成效，但這些方法都是對(duì)循環(huán)水場(chǎng)進(jìn)行改造，只關(guān)注挖掘設(shè)計(jì)階段由于泵的揚(yáng)程選擇偏高造成的浪費(fèi)，而工藝裝置側(cè)和管網(wǎng)系統(tǒng)造成的壓力能浪費(fèi)沒(méi)有得到關(guān)注。劉海華[7]在晉煤中能化工公司的冷卻循環(huán)水系統(tǒng)中采用分壓式供水方法，在高位換熱裝置處增加一臺(tái)接力泵，更換原有高揚(yáng)程泵，使得系統(tǒng)供水壓力從0.5MPa 降到0.35MPa，節(jié)電率達(dá)到22%。張高博[8]提出循環(huán)水系統(tǒng)優(yōu)化方法應(yīng)從源頭入手對(duì)包括循環(huán)水用戶、管網(wǎng)和循環(huán)水場(chǎng)三個(gè)環(huán)節(jié)的整體優(yōu)化方法，包括流量?jī)?yōu)化、壓力優(yōu)化和機(jī)泵節(jié)電優(yōu)化三個(gè)部分。焦云強(qiáng)等[9]等采用系統(tǒng)優(yōu)化的方法在某石油化工企業(yè)得到應(yīng)用，對(duì)循環(huán)水系統(tǒng)進(jìn)行了全局壓力優(yōu)化，大幅度降低了循環(huán)水系統(tǒng)的供水壓力，每年節(jié)約電費(fèi)123.69 萬(wàn)元，為企業(yè)創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟(jì)效益和節(jié)能效果。

以往對(duì)于壓力優(yōu)化方面的研究只局限于降低泵出口側(cè)的壓力，例如增加管道泵或削減泵的富余揚(yáng)程等，沒(méi)有從提高循環(huán)水泵入口側(cè)壓力方面進(jìn)行優(yōu)化。從降低入口壓力將，優(yōu)化入口側(cè)管路系統(tǒng)入手，計(jì)算工作量不大，改造的工作量也較小，因此有必要展開(kāi)研究。本文以某采用高揚(yáng)程泵（80m）的多晶硅廠閉式循環(huán)水系統(tǒng)為改造對(duì)象，優(yōu)化其泵出入口壓力，降低泵電功耗。優(yōu)化結(jié)果對(duì)化工企業(yè)循環(huán)水系統(tǒng)壓力的改造有指導(dǎo)意義。

1 循環(huán)水泵揚(yáng)程優(yōu)化原理和方法

1.1 優(yōu)化原理

華賁等[10,11]以熱力學(xué)第二定律分析為基礎(chǔ)，從能量在過(guò)程系統(tǒng)中的作用和變化規(guī)律入手，提出了通用的反映能量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的“三環(huán)節(jié)”模型?！叭h(huán)節(jié)”方法以過(guò)程系統(tǒng)能量全局優(yōu)化為目標(biāo)，建立在對(duì)過(guò)程系統(tǒng)能量結(jié)構(gòu)的深入理解和描述的基礎(chǔ)上，并按該能量結(jié)構(gòu)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析?！叭h(huán)節(jié)”模型把整個(gè)工藝過(guò)程中的用能過(guò)程劃分為具有不同功能的三個(gè)環(huán)節(jié)，即能量的轉(zhuǎn)換和傳輸、能量的工藝?yán)煤湍芰康幕厥铡！叭h(huán)節(jié)”方法已經(jīng)成功地運(yùn)用于多家煉油、石化和化工企業(yè)的能量系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)和改造，達(dá)到了降低工藝裝置能耗的良好效果，提高了企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益[12]。

基于“三環(huán)節(jié)”理論為指導(dǎo)，上?；鄣霉?jié)能科技有限公司與華南理工大學(xué)傳熱強(qiáng)化與過(guò)程節(jié)能教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室合作，開(kāi)發(fā)出了一種基于裝置側(cè)的循環(huán)水系統(tǒng)優(yōu)化方法（CWO）[13]。該方法是一種系統(tǒng)化降低循環(huán)水系統(tǒng)能耗和水耗的方法，是針對(duì)循環(huán)水系統(tǒng)節(jié)能降耗的技術(shù)產(chǎn)品，可用于石油化工、煤化工、多晶硅和天然氣等行業(yè)。其特點(diǎn)是以能量利用“三環(huán)節(jié)”為指導(dǎo)，首先將系統(tǒng)劃分為三個(gè)環(huán)節(jié)，然后依次對(duì)利用環(huán)節(jié)、輸送環(huán)節(jié)和轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)進(jìn)行優(yōu)化。即首先對(duì)循環(huán)水利用環(huán)節(jié)（裝置區(qū)單臺(tái)冷卻器）進(jìn)行優(yōu)化，降低水量和壓力；然后對(duì)輸送環(huán)節(jié)（管網(wǎng)）進(jìn)行優(yōu)化，降低主管網(wǎng)的壓降；最后是對(duì)轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)（循環(huán)水場(chǎng)的涼水塔、風(fēng)機(jī)和泵）進(jìn)行優(yōu)化。系統(tǒng)優(yōu)化的最終效益主要表現(xiàn)在循環(huán)水泵和風(fēng)機(jī)電耗降低和補(bǔ)水量降低。以往的循環(huán)水優(yōu)化技術(shù)主要是從轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)（循環(huán)水場(chǎng)）入手，節(jié)能潛力有限，而本技術(shù)的特點(diǎn)是首先從利用環(huán)節(jié)（裝置換熱流程和設(shè)備）優(yōu)化入手，節(jié)電潛力最高可以達(dá)到30%～50%。

1.2 優(yōu)化方法

泵的揚(yáng)程是泵給予單位質(zhì)量液體的能量，通常用液柱高度H（m）表示[14]。揚(yáng)程是單位質(zhì)量液體經(jīng)過(guò)泵后獲得的有效能量，即能量的增加值。根據(jù)揚(yáng)程的定義，可以得出在循環(huán)水系統(tǒng)中泵揚(yáng)程的計(jì)算式如下：

式中：h1-泵排出側(cè)容器正常出現(xiàn)的最高壓力，mH2O；h2-循環(huán)水管路系統(tǒng)整個(gè)泵排出管路阻力降（包括管道、管件阻力降、設(shè)備壓力降），mH2O；h3-終點(diǎn)高度距泵排出口的垂直距離，mH2O；h4-泵的吸入壓頭，mH2O；h5-泵揚(yáng)程的富裕量，mH2O。

根據(jù)循環(huán)水系統(tǒng)泵揚(yáng)程的計(jì)算式，分析循環(huán)水系統(tǒng)泵揚(yáng)程偏高的主要原因如下：①循環(huán)水管路系統(tǒng)整個(gè)泵排出管路阻力降h2偏大和用水的終點(diǎn)高度距泵排出口的垂直距離h3偏高，②泵的吸入壓頭h4偏低，③泵揚(yáng)程的富余量h5偏大。

通過(guò)對(duì)循環(huán)水系統(tǒng)泵揚(yáng)程偏高的主要原因進(jìn)行分析，可以看出降低泵揚(yáng)程主要有三個(gè)措施：①降低出口壓力；②提高入口壓力；③降低泵的設(shè)計(jì)揚(yáng)程富余量。具體措施為：可通過(guò)降低最高位置的換熱設(shè)備的位高來(lái)降低出口壓力，或通過(guò)增加管道泵來(lái)降低最高位換熱設(shè)備所需的供水壓力；通過(guò)優(yōu)化管路設(shè)計(jì)來(lái)降低阻力，減少管道和管件的阻力降，對(duì)于設(shè)備壓力降本文不做討論。提高入口壓力的方法是回收浪費(fèi)的位差。降低泵的設(shè)計(jì)揚(yáng)程富余量的措施是合理選擇泵的設(shè)計(jì)揚(yáng)程富余量，選擇使用與揚(yáng)程匹配的高效節(jié)能泵。

本文以循環(huán)水系統(tǒng)優(yōu)化技術(shù)（CWO）為理論依據(jù)，從能量的輸送環(huán)節(jié)和轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)對(duì)循環(huán)水系統(tǒng)壓力進(jìn)行優(yōu)化，對(duì)輸送環(huán)節(jié)進(jìn)行優(yōu)化即對(duì)管網(wǎng)進(jìn)行壓力優(yōu)化，降低主管網(wǎng)的壓降；對(duì)轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)優(yōu)化即對(duì)循環(huán)水泵進(jìn)行優(yōu)化，更換高效泵，來(lái)實(shí)現(xiàn)降低循環(huán)水電耗的目的。下面采用能量系統(tǒng)優(yōu)化技術(shù)，通過(guò)實(shí)例改造，來(lái)驗(yàn)證循環(huán)水系統(tǒng)優(yōu)化方法。

2 循環(huán)水系統(tǒng)泵揚(yáng)程優(yōu)化過(guò)程

2.1 循環(huán)水系統(tǒng)流程

裝置現(xiàn)有兩套獨(dú)立的閉式循環(huán)水系統(tǒng)，分別為三期閉式循環(huán)水系統(tǒng)和四期閉式循環(huán)水系統(tǒng)，兩套循環(huán)水系統(tǒng)的流程基本相同，分為兩期進(jìn)行改造。

與普通的使用涼水塔的開(kāi)式循環(huán)水系統(tǒng)不同，閉式循環(huán)水系統(tǒng)采用空冷風(fēng)機(jī)進(jìn)行間接冷卻。圖1 為單套閉式循環(huán)水系統(tǒng)流程圖。每套系統(tǒng)的循環(huán)量為2000t/h，配置3 臺(tái)循環(huán)水泵，平時(shí)2 開(kāi)1 備，單臺(tái)泵功率400kW，額定流量1000m3/h，揚(yáng)程80m，泵出口壓力0.628MPa，經(jīng)空冷器冷卻的循環(huán)水壓力0.55MPa。

閉式循環(huán)水系統(tǒng)目前的運(yùn)行流程是循環(huán)熱水自流至低位水池，低位水池自流至泵，泵提壓，經(jīng)空冷器冷卻，再送至廠位于房頂?shù)陌脖Ｋ?，然后再由安保水箱的下水管引出，供各循環(huán)水用戶使用，從各循環(huán)水用戶端使用后的循環(huán)熱水返回低位水池。低位水池和安保水箱均為常壓罐。低位水池和循環(huán)水泵均低于地面，位高-5m，安保水箱位高50m，循環(huán)水用戶的位高13m。

圖1 改造前循環(huán)水系統(tǒng)流程圖

2.2 系統(tǒng)存在問(wèn)題

通過(guò)對(duì)循環(huán)水系統(tǒng)進(jìn)行分析，初步判斷造成系統(tǒng)電耗高的原因大致有以下幾個(gè)方面：

（1）循環(huán)水回水的壓力能沒(méi)有得到回收利用。

從圖1 的流程圖中發(fā)現(xiàn)，循環(huán)水系統(tǒng)的13m 高處用戶的回水首先自流進(jìn)入了一個(gè)低位水箱，低位水箱的正常液位標(biāo)高為-2m。循環(huán)水由高處用戶到低位水箱的15m 高度是可以利用的勢(shì)能，但由于進(jìn)入了低位水箱，勢(shì)能釋放，速度變?yōu)榱?。造成這15m 循環(huán)水回水余壓的浪費(fèi)。循環(huán)水泵入口壓力很低，需要加壓到系統(tǒng)所需要壓力，就需要很大揚(yáng)程，電耗較高。

（2）安保水箱的進(jìn)水管線設(shè)計(jì)不合理。

目前，安保水箱的進(jìn)水管線采用的是高位彎管進(jìn)水，即循環(huán)水管線敷設(shè)到罐頂部比罐頂高2m 的地方，然后流入水箱。這種布置方式導(dǎo)致泵需要較高的揚(yáng)程，因而造成了電能浪費(fèi)。

（3）機(jī)泵揚(yáng)程偏高。

該泵的額定揚(yáng)程為80m，安裝有變頻器，系統(tǒng)實(shí)際的泵出口壓力為0.64MPa，管網(wǎng)壓力為0.628MPa，說(shuō)明還具有17.2m 的富余量。變頻設(shè)計(jì)與直接關(guān)小出口閥的操作方式相比，可以減少壓力能的損失，但與直接選用一臺(tái)額定揚(yáng)程為所需揚(yáng)程62.8m 的泵相比，其效率仍然偏低。

2.3 系統(tǒng)優(yōu)化方案

采用基于裝置側(cè)的循環(huán)水系統(tǒng)優(yōu)化方法對(duì)該廠的兩套閉式循環(huán)水系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)化分析，然后從源頭入手解決目前存在的電耗高的問(wèn)題。首先進(jìn)行循環(huán)水系統(tǒng)壓力優(yōu)化，然后進(jìn)行機(jī)泵節(jié)電優(yōu)化。

（1）輸送環(huán)節(jié)-壓力優(yōu)化

1）地位水箱回水流程優(yōu)化

將低位水箱的循環(huán)水注入流程由開(kāi)放式改為密閉式運(yùn)行方式，可以充分回收回水管線的壓力能。改造思路是將現(xiàn)有的回水自流到低位水箱的開(kāi)放式流程改為甩開(kāi)水箱，直接進(jìn)入泵入口的密閉式流程。該流程的優(yōu)勢(shì)是可以使回水管處于滿管流動(dòng)的狀態(tài)，可以回收位于13m 高的裝置側(cè)循環(huán)水用戶回水管道中的位差產(chǎn)生的壓力能。改造后原有的安保水箱仍保持原有的狀態(tài)運(yùn)行。系統(tǒng)的補(bǔ)水線優(yōu)化前接在低位水箱，優(yōu)化后需要改接到回水總管上。改造的主要內(nèi)容：①新增回水總管至循環(huán)水泵入口總管的跨線；②在原有的回水至低位水箱的回水總管上增加控制閥，用于停電時(shí)自動(dòng)打開(kāi)以保證系統(tǒng)的安保運(yùn)行；③原有的為系統(tǒng)補(bǔ)水的控制方案需要調(diào)整，改接到回水總線上，同時(shí)需要增加一個(gè)調(diào)節(jié)閥，控制安保水箱的液位。

這部分壓頭占泵目前所提供揚(yáng)程的23.9%，如果回收了這部分壓力能，可以提高泵入口壓力0.15MPa，泵可以減少耗電23.9%。兩套密閉循環(huán)水系統(tǒng)共開(kāi)4 臺(tái)泵，每臺(tái)泵的額定功率400kW，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)電表發(fā)現(xiàn)4 臺(tái)泵的實(shí)際電耗量為913kW。按照降低電耗23.9%計(jì)算，可節(jié)約電能218kW。

2）安保水箱進(jìn)口管路優(yōu)化

降低安保水箱的進(jìn)水管線入口位置。優(yōu)化后泵的揚(yáng)程可以降低2m，兩套循環(huán)水系統(tǒng)降低泵的功率約27kW。

改造后三期和四期循環(huán)水系統(tǒng)流程圖見(jiàn)圖2。

圖2 優(yōu)化后循環(huán)水系統(tǒng)工藝流程圖

（2）轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)-更換高效節(jié)能泵

量身定做揚(yáng)程匹配的高效節(jié)能泵替換原有泵，改造后泵的運(yùn)行狀態(tài)在最高效率點(diǎn)，因此效率得以提高，節(jié)約3%的電量，即27kW。

（3）緊急泄放流程的改造

改造后增加了大泄放閥和小泄放閥兩個(gè)調(diào)節(jié)閥，這兩個(gè)調(diào)節(jié)閥由泵的出入口壓差來(lái)控制，目的是防止泵突然停電時(shí)安保水箱的水可以自動(dòng)流入低位水箱，保證循環(huán)水用戶的供水安全。

2.4 實(shí)施效果

此系統(tǒng)優(yōu)化方案已于2016 年開(kāi)始實(shí)施，通過(guò)以上三種改造措施，優(yōu)化前泵的用電量913kW，優(yōu)化后的用電量641kW，節(jié)約電量272kW，節(jié)電率30%，電價(jià)按0.5 元/kWh，每年可節(jié)電228 萬(wàn)kWh，年經(jīng)濟(jì)效益114 萬(wàn)元。整個(gè)改造投資包括：泵1 臺(tái)，管線60m，調(diào)節(jié)閥2 個(gè)，以及配套的閥門(mén)和管件等，總投資80 萬(wàn)元，投資回收期0.7 年。

3 結(jié)論

針對(duì)某化工企業(yè)的閉式循環(huán)水系統(tǒng)電耗高問(wèn)題進(jìn)行系統(tǒng)化分析，采用基于裝置側(cè)的循環(huán)水系統(tǒng)優(yōu)化專利技術(shù)，在三個(gè)方面進(jìn)行了改造：①甩開(kāi)水箱的閉路回水；②使用高效節(jié)能泵；③管路設(shè)計(jì)優(yōu)化。改造后，以上三個(gè)方面的節(jié)電潛力為272kW/h，節(jié)省電耗30%左右，為企業(yè)帶來(lái)了良好的經(jīng)濟(jì)效益，每年可產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益114 萬(wàn)元。目前系統(tǒng)運(yùn)行情況良好，系統(tǒng)運(yùn)行后方便工人操作。優(yōu)化方法與結(jié)果，為其他化工企業(yè)的循環(huán)水系統(tǒng)改造提供了參考。