工业循环水系统两种节能改造技术的关系

文／王日锋　工业用水主要包括冷却用水、热力和工艺用　水、洗涤用水。其中工业冷却水用量占工业用水总量　的８０％左右，取水量占工业取水总量的３０％～４０％。　阀门、换热器、冷却塔（含风机）几大部分组成，泵节　能针对的是水泵，水轮机针对的是冷却塔。　水轮机技术采用冷却塔专用超低比转速混流　工业循环冷却水系统是工业生产中的耗能大户，其　用量约占整个工业用水量的７０％　工业循环冷却水　式水轮机替代冷却塔的风机电机，实现风机的无电　驱动，从而实现节电。该技术利用的是循环水系统中　的富余能量，包括富余压头、阀门阻力、循环水流经　高处换热器的重力势能，在不增大循环水泵出力的　情况实现原有风机电机的替代，从而实现该电机的　１００％节能。　系统中的主要用能单位是风机和水泵。据统计全　国运转着的风机、水泵在１０００万台以上，它们的耗　电量约占全国发电量的３１％（风机占１０％，水泵占　２１％），约占全国工业用电量的５０％。　因其用电量巨大，其节能改造的效果对工业企　业影响就大，因此针对耗能大户工业循环冷却水系　统的节能技术不断出现，目前行业中较为常见的节　能技术有两种：针对风机的冷却塔风机采用冷却塔　专用超低比转速混流式水轮机进行驱动，和循环水　泵节能技术通过对现有水泵运行的工况分析，　计算真实所需要的泵出力，通过选择功率合适的水　泵、效率更高的水泵实现对原有水泵的更换，从而实　现节能。　泵的节能改造。　这两种技术表面上看是矛盾的，其支持者甚至　相互指责，支持水轮机技术的说泵节能是骗子，支持　泵节能技术的说水轮机技术是伪节能。那么这两者　究竞有何关系，能否并存，本文通过实际案例的分析　神宁煤化工聚甲醛厂循环冷却水系统　神华宁夏煤业集团煤炭化学工业分公司聚甲　醛厂循环水系统现有３５００ｍ　／ｈ冷却塔３台，系统设　计总处理水量１　０５００ｍ　／ｈ，风机总额定功率３３０ｋＷ，　循环水泵４台，运行３台，水泵总额定流量１０５００ｍ　／　ｈ，运行水泵电机总额定功率１８９０ｋＷ。　抛砖引玉，希望能够让业者客观的了解这两种技术，　并科学地选择适合自己的节能改造方案。　应用情况简介　工业循环冷却水系统由水泵（含电机）、管道、　系统运行形式　系统组成及整体运行数据（２０１３１　ｌ１　１）如图１：　２０１４￣１０Ｎ化工　群Ｊ　８３　理论・实践　图１系统组成及总体运行数据２０１　３１　１１　１　系统运行参数校正　因循环冷却水系统在整个化工流程中属于为主　工艺服务的公用工程，且由于客观条件所限，其流量　和压力计最不可能非常准确，因此不能完全相信监测　数据，需要在进行数据记录以后进行运行参数校正。　量是以回水流量为准较为合理。　（２）系统运行压力分析　①供水压力分析　泵出口阀门压损计算：　供水阀门开度平均３２。，管道通径ＤＮ８００，单　（１）系统运行流量分析　表１各点流量计流量数值　管流量ｌ　１２５８ｍ　／ｈ÷３＝３７５３ｍ　／ｈ，则：　管道流速　Ｖ＝Ｑ／Ｓ＝（３７５３／３６００）／（３．１４×０．４２）＝２ｍ／ｓ　。　。　流量ｍ３／ｈ　／１２９２５　１　１２５８　５０ｏ　根据阀门开度与阻力系数参数表查得在　供水流量比回水流量多１２９２５－１１２５８＝１６６７ｍ３／ｈ；　阀门开度３２。时，　６５．５２，依据公式　＝∥／２ｇ　得阀门压损为：ｈ＝（ｖ２／２ｇ＝（６５．５２×２２）／　（２×９．８１）＝１３．３ｍ。　回水流量比上塔和旁滤流量多１　１２５８－（９７６０＋５００）　＝９９８ｍ　／ｈ。从上比较说明三点流量数值不等，且相　差较大。三台冷却塔上塔阀门开度一致（２８。），２＃　供水压力验证：泵出口压力表表压为５０ｍ，　供水压力表表压为３８．４ｍ，则阀门闭压为５０－　塔上塔流量仅２６７０ｍ　／ｈ，说明上塔流量合计值不准　确，下面以水泵运行工况计算运行流量：　三台水泵实际运行电流为　３８．４＝１１．６ｍ，此压损与上述计算基本相符，故现场　系统供水压力表压应该是准确的。　②回水压力分析　上塔阀门压损计算：　３８．９Ａ＋３９．１Ａ＋３８．７Ａ＝１１６．７Ａ，电机　电　压　ｌＯｋＶ，功率因数为０．８９，三台水泵电机功耗为　１．７３２×１１６．７×１０×０．８９＝１７９９（ｋＷ）。贝０三三台水　泵流量为１７９９×０．９６Ｘ０．８５÷（９．８１×５０）＝３ｍ　／ｓ　＝供水阀门开度平均３０。，管道通径ＤＮ８００，单　塔流量（１ｌ２５８—５００）ｍ　／ｈ÷３＝３５８６ｍ　／ｈ，则：　１０８００ｍ　／ｈ，此流量与回水流量较靠近。　管道流速Ｖ＝Ｑ／Ｓ＝（３５８６／３６００）／（３．１４×０．４２）　＝通过以上几组数据比对分析，系统实际运行流　８４　Ｉ化，　珲２０１４年１Ｏ月　１．９８ｍ／ｓ　根据阀门开度与阻力系数参数表查得在阀　能技术进行改造，其前提条件就是不能够影响系统　门开度３０。时，　７９．２，依据公式矗＝　／２８得　的工艺运行情况，本系统中主要体现在不能影响工　回水压力和流量。　阀门压损为：　＝　／２ｇ＝（７９．２Ｘ　１．９８２）／　（２×９．８１）＝１５．８ｍ。　回水压力验证：　（１）采用水轮机技术进行冷却塔风机节能改造　①轴功率匹配校核　现风机轴功率计算　电＝１．７３２×Ｉｘ　ＵｘｃＯｓ妒×ｒ／　＝布水层至回水母管位差为６．８ｍ＋１．２ｍ＝８ｍ，　布水压力为ｌｍ，阀门压损为１５．８ｍ，经计算则回水　压力为８＋１＋１５．８＝２４．８ｍ。　现场回水压力表表压为１２ｍ，与计算的回水压力　相差２４．８－１２＝１２．８ｍ，因此现回水压力表可能有误，　１．７３２　Ｘ　ｌ４２×０．３８×０．８８×０．８５　＝６９．９（ｋＷ）　式中：　为电机运行电流（平均电流１４２Ａ）；Ｕ为　电机电压（０．３８ｋＶ）；ｃｏｓ＠为功率因数　是否压力变送器的量程值在ＤＣＳ上的输入有误有待　验证（后经验证，压力表实际量程为０～１ＭＰａ，ＤＣＳ　误设置为０～０．６ＭＰａ，因此实际回水压力为２０ｍ）。　（０．８８）；ｒ／为传动装置效率（叩电机Ｘ，７减速机　＝０．９５　Ｘ　０．９＝０．８５）　校正后的系统运行参数表　（１）冷却塔运行工况　设计单塔处理水量／ｍ　／ｈ　３５００　数量／台　３　水轮机做功压力计算　依据公式输出功率公式　水＝９．８１×Ｏ×Ｈｘ　＝　电　得：　Ｈ＝Ｗ／（ｇ×Ｏ　Ｘ　）　＝单塔实际处理水量／ｍ　／ｈ　３５８６　设计进塔水温／＇ｃ　设计出塔水温／＇ｃ　４３　３３　在用数景／台　３　＝６９．９÷（９．８１×１×０．９）　８ｍ　实测进塔水温／＇ｃ　３７　实测出塔水温／＇ｃ　１２６．７　目前上塔阀门开度／％　塔型　３０　方形逆流　回水压力／ＭＰａ　１０．２０　式中：ｇ为水容重（９．８１×ｌＯｋｇ／ｍ）；Ｏ为水轮机　进水流量（３５８６ｍ／ｈ＝ｌｍ／ｓ）；Ｈ为水轮机做　功压力；ｒ／为水轮机效率（０．９）。　（２）系统水泵运行工况　数量／台　额定流量／ｍ　／ｈ　实际运行流量／ｍ　／ｈ　４　在用数量／台　３　４７　依据以上计算，改造后水轮机达到原电机风　机的转速所需供水压力为８ｍ。　②改造后系统压力分析　３５００　额定杨程／ｍ　ｌｌ２５８　水泵出水口压力／ｍ　５０　水泵进口阀门开度／％　１Ｏ０　水泵电机额定功率／ｋＷ　６３０　泵出口阀门开度／％　３２　泵电机额定电流／Ａ　４３．２　改造后水轮机达到额定转速所需的回水压力　水轮机进水管道中心离塔顶高度Ｈｉ＝ｌｍ；　ｌ水泵电机额定电压／ｖ　１００００　实际运行电流／Ａ　３３８９．９１、　　ｌ　ｌ该系统塔顶至地面位差　＝ｌ１．５ｍ；　３８．７　ｌ水泵电机功率因数　０．８９　水泵电机转速／ｒｐｍ　９８７　地面至回水母管位差　＝１．２ｍ；　水轮机入水压力　＝４．５ｍ（水轮机做功　压力一水轮机出水口至布水器位差＋布水压力　（３）冷却塔风机工况　风机叶片直径／ｒａｍ　８０００　风机叶片材质　风机额定转速／ｒｐｍ　１５４　传动形式　玻璃钢　电机一减速箱　＝８－４．５＋１＝４．５ｍ）；　故改造后系统回水压力计算如下：　＋　＋　＋Ｈａ＝１＋１１．５＋１．２＋４．５＝１８．２（１ＴＩ）　电机额定电压／Ｖ　电机额定电流／Ａ　电机功率因数　３８０　电机额定功率／ｋＷ　１１Ｏ　２００　实际运行电流／Ａ　１４１、１４３　Ｏ．８８　电机效率／％　９５　③改造可行性分析　经计算该系统现运行回水压力为２０ｍ，如实施　冷却塔节能改造只需回水压力１８．２ｍ，现系统回水　压力２０ｍ远大于改造所需的１８．２ｍ回水压力，因此　循环水系统节能改造可行性分析　不管采用水轮机技术进行改造还是采用泵节　２０１４年１０月化工彳群Ｉ　８５　理论・实践　该系统可满足水轮机满负荷运行要求，改造时只需　开启上塔阀门部分开度，将上塔阀门部分压损转移　Ｑ　－３　５３　｜　ｈ　Ｈ　・５Ｉ　ｎｌ　・９８　７ｒｌ　ｍｉ　ｌ】　给水轮机做功即可达到风机的额定转速，该系统冷　／　、　＼　却塔节能改造是完全可行的。　（２）水泵节能改造　①泵口压力分析　系统水泵４台，运行３台，泵出口压力５０ｍ，供水　压力３８．４ｍ，Ｊ　差５０－３８．４＝ｌ】．６ｍ，现水泵运行压　，　、　、　力远人于供水压力，不在系统］　况点运行，存在运行　效率低和一定的能源浪费，因此该系统可利用高效　９２０　１　８４０　２７６０　３　３　４６００　（ｍ　／ｈ）　水泵替换原水泵，达到节能降耗的目的。　②泵运行　况分析　现场系统泵运行工况分析，见图３。　从水泵运行曲线来看，该泵运行流量　图３　Ｑ　３　５　３　／　ｈ　ｎ　＝４（　ｍ　ｎ＝　：９８　７ｉ－　ｍｉ　　｝¨　’　Ｌ、　为３７５３ｍ　／ｈ泵口压力５０ｍ时，运行效率为　８５％，所需轴功牢为５７０ｋＷ，电机消耗功率为　５７０ｋＷ÷０．９５＝６００ｋＷ。　改造用高效节能泵运行Ｔ况分析，见图４。　从水泵运行曲线来看，使用高效节能泵运　『　行流量为３７５３ｍ　／ｈ泵口压力４０ｍ时，运行效率　为８９％，所需轴功率为４６１ｋＷ，电机消耗功率为　９２０　１　８４０　２７６０　３　７‘　４６００（ｍ３／ｈ）　４６１ｋＷ÷０．９５＝４８５ｋＷ　图４　８６　ｌ化Ｊ　理２０１４年１０Ｎ　一誊　ｊ　—　蠢　一　董　＿　？　③改造可行性分析　从上二泵运行曲线来看，使用高效节能泵代替　原运行泵效率最少提高４％，改造后单泵运行轴功率　减少了５７０ｋＷ－４６１ｋＷ＝１０９ｋＷ，单台电机功耗减　论上也可以进行泵节能改造。但是从经济角度计算，　因泵出口阀门全开，仅泵效提高百分之三四，实现的　节能量较小，进行改造的回收期过长，因此不建议进　行泵节能改造。　少６００ｋｗ一４８５ｋＷ＝ｌ１５ｋＷ，说明目前系统水泵节　能改造是可行的。　更为简单的是烯烃公司第二循环水系统，该循　环水系统回水压力为０．３２ＭＰａ，而泵出口阀门全开，　且接近最佳效率点运行，此种系统很明显只能采用　水轮机技术进行风机节能改造，而不宜采用泵节能　聚甲醛循环冷却水系统节能改造小结　本系统中，因工艺需要，供水压力３８ｍ是必须　保证的，而在保证供水压力３８ｍ的情况下，冷却塔　可以采用水轮机进行改造，而不影响原有系统运行　的任何参数，包括供水和回水压力。　同样，在保证供水压力３８ｍ，供水流量３７５３ｍ。／　技术进行改造。　笔者尚未碰到的，但是很有可能的一种情况就　是回水压力不能增加，或者其增加会引起供水压力相　应增加的情况，此种情况就不宜采用水轮机技术进　行风机节能改造，因为水轮机靠回水富余能量做功，　ｈ的情况下，可以采用额定运行参数较低的高效水　而随着回水压力增大水泵供水压力也增大，显然如　果采用水轮机技术进行改造，推动其做功的就不是　泵代替原有水泵，从而通过提高水泵效率和实现泵　出口阀门全开节省压损的方式实现节能。且节能量　比较客观，高达ｌ　１５／６００＝１９％。　富余能量，而是水泵增加消耗的能量。当然，如果水泵　增加的能量远小于节省的能量，经过经济性评估，此　种系统也可以考虑采用水轮机技术进行节能改造。　通过真个分析计算的过程我们可以看到，在此　系统中，两种节能改造技术不仅不矛盾，而且共同配　合实施，实现了系统最大程度的节能。　还有一些老的系统，例如笔者曾经考察过的东　营某化工厂，其某循环水系统中设计水泵为一开一　备，额定功率为９００ｋＷ，但是实际运行出口阀门开　其他循环水系统　神华宁夏煤业集团煤炭化学工业分公司公司　甲醇厂一套装置循环水系统共有６台设计流量为　度仅为ｌ５％，后经计算，由ＥＭＣ公司为其更换为一　台３００ｋＷ的水泵，直接实现了很大比例的节能。　结论与讨论　通过以上案例的分析我们可以看出，工业循环　水系统并不像有些人说的只能实施这两种节能改造　中的一种。冷却塔进行水轮机节能改造也并不像有　些人说的那样是伪节能，其是在不敢对系统进行大　４５００ｍ　／ｈ的冷却塔，其风机采用的额定１８５ｋＷ的　驱动电机，经过国家权威部门检测其实际运行功　率为１３８．３ｋＷ。该系统经过提压试验，回水压力由　０．１２ＭＰａ提高至０．２５ＭＰａ，供水压力不变，水泵电　机电流未变化。在采用水轮机技术进行节能改造之　后，与提压试验结果一致。此种情况从纯理论上可能　不好理解——为什么回水压力提高了泵的出口压　力却没有提高？经分析，很可能的一个原因是该循　的变动的情况下最大程度利用富余能量的一种非常　好的方式。节能水泵改造在某些系统中不仅可以实　施，而且会有特别明显的节能效果，但也不是每个系　环冷却水系统中存在的高处换热器比例较高，而泵　出口压力的主要用途是将冷却水输送至最高处换热　器，而大量的冷却水从高处换热器流下的重力势能　成为了回水压力提高的主要原因，同样也是该部分　能量成了推动水轮机做功的主力军。　统都有余量的。　通过这两种节能方式的分析，我们希望能够为　类似系统的设计提供参考依据，以实现设计的最优　化、精细化，从源头上就通过精细的设计、先进技术　的应用消除掉这些富余能量的产生。当然这不是一　在该系统中，如同聚甲醛厂的案例，泵出口压　力未发生变化，因此如果能够提高泵的效率的话，理　蹴而就的事情，但也不是不可能的事情。陛翱　（作者单位：中国节能减排有限公司）　２Ｏ１４年１ｏ月　化工彳群Ｉ　８７