工業冷卻循環水系統節能優化技術及應用

汪家銘

/>(川化集團有限責任公司，成都 610301)

根據國家有關規定，企業高溫產品和設備必須用工業循環水冷卻，循環水系統用于工藝過程冷(熱)量交換和傳送的過程中，涉及循環水泵組、管網、換熱裝置、制冷設備和冷卻塔等，主要依靠水泵為動力源來推動循環水流動[1]。據相關統計，水泵的耗電量約占全國發電量的15%～21%，當前，我國循環水用量已經占到工業用水總量的70%，工業循環水系統用泵能耗占到70%以上，運行能耗巨大。

循環水系統在石油化工等領域是必不可少的基本環節，電能消耗較大，約占石化生產過程中總用電量的8%～10%，而我國工業循環水泵系統普遍存在能耗較高的現象，運行效率只有50%，與先進國家相比，系統運行效率低20%以上。因此，推廣工業冷卻循環水系統節能優化技術對行業節能意義重大[2]。

1 基本原理

工業循環水節能優化技術是按照工業循環水系統經濟運行原則，建立系統能量平衡現場測試與計算標準，從循環水泵組、管網、換熱裝置、制冷裝置、制冷設備、冷卻塔等方面入手，進行系統能量利用效率研究與分析，開發系統優化運行數學模型，通過模擬與計算，判別并評價系統當前能量利用效率指標，結合生產工藝要求，提出的一種循環水系統過程能量優化解決方案。該方案對循環水系統流程各參數進行實時監測、系統能效分析與運行優化，使復雜管網的動態水力和熱力平衡，確保系統流量與管網阻尼極小化，提高工業循環水系統整體能效，實現綜合節能的目標。

工業循環水節能優化技術由系統運行能量利用效率分析、系統經濟運行優化整改、系統能量監測和控制、高效節能產品與制造技術組成，主要內容包括：① 循環水系統各換熱設備、管網、泵站的壓力、流量、溫度等運行參數精確采集；② 換熱網絡優化和管網水力優化數學模型建立；③ 對流量、管網阻力、水泵運行效率等專家分析診斷及優化系統；④ 水力平衡調節裝置、高效節能泵等多種針對性強的系列高效節能產品。

在工業冷卻循環水系統運行過程中，通過水泵水量和智慧閥門的輸配協同節能優化控制，將冷卻終端的溫度嚴格控制在設定的區間內。智慧閥門始終處在大開度位置進行實時智能調節，實現了復雜管網的動態水力和熱力平衡，使系統流量與管網阻尼極小化。根據冷卻水溫度的在線檢測，對冷卻塔的智慧閥門和冷卻風機進行優化控制，在自適應滿足冷卻塔管網的動態水力平衡、熱力平衡及高效輸配條件下，使各個冷卻塔的冷卻效果最優化。在實行上述控制的同時，確定水泵組的開機臺數和變頻的優化控制，使水泵輸出功率極小化，機組效率極大化，從而最大程度節電，并可對水泵的規格特性進行調整和改造，以達到水泵機組能效優化配置。同時基于物聯網智慧閥門技術，實現了循環水系統流程各參數實時監測、系統能效分析與運行優化，實現系統運行的遠程智能診斷。

2 典型的技術改造情況

工業冷卻循環水系統節能優化技術因其實際應用節能效果顯著，目前已廣泛應用于工業循環水系統的節能改造項目，其中也有相當一部分石化企業正處于大范圍推廣應用階段。該技術在鋼鐵、石化、電力、化工、化纖、醫藥、冶金、樓宇中央空調、城鎮區域供熱、城市供熱等行業中應用，與原有循環水系統相比，節能改造后綜合節能率達到30%～60%，節能效果十分明顯。兩種典型工業循環水冷卻系統的技術改造情況見表1。

表1 兩種典型工業循環水冷卻系統的技術改造情況

3 應用現狀

工業冷卻循環水系統節能優化技術現已被列入國家發展改革委員會2012年12月26日正式對外公布的第五批國家重點節能技術推廣目錄中，適用于石油化工、機械電子、鋼鐵冶金、食品制藥、化纖、熱電等相關領域中用電力驅動的循環水系統。

(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的鋼結構大型冷卻塔，近年來冷卻效果逐年下降，收水器老化變形，使大量的循環水漂出塔外，造成水和藥劑大量損失。該廠實施了循環水系統優化技術改造，合理優化生產工藝，采用管式閉路配水取代原設計槽式配水，通過集中配水，減少水源擴散面積，降低循環水漂滴損失率。同時，還采用薄膜點滴混裝專利技術，安裝了新式多波雙功能收水器，可以進行二次收水，使冷卻效率、填料強度和抗老化性均得到了較大提高。該項循環水系統優化改造完成后每年可節約運行費用18萬元[3]。

(2)中國石化巴陵石化有限責任公司

中國石化巴陵石化有限責任公司己內酰胺事業部第一循環冷卻水系統共有單級雙吸離心泵9臺，均存在著水泵運行效率偏低和耗電量高等問題。采用節能技改方案通過優化水泵水力設計和結構設計及提高制造精度來提高泵效率，同時通過水泵、配套電機、傳動裝置、管網和用水設備匹配來提高冷卻水系統效率，并準確計算出用水設備和流體輸送相匹配的最佳工藝點。節能改造后，在維持原來的工況下，每小時節電614.1 kWh，每年節約電5.38 GWh，節約電費約269萬元，節能降耗效果顯著[4]。

(3)其他企業

中國石化揚子石油化工有限公司通過對催化裂化裝置冷卻循環水系統實施技改，每年可節省用電量3.95 GWh。杭州邦聯氨綸有限公司將原先氨綸生產裝置的聚酯工藝、動力車間兩套獨立冷卻循環水系統進行優化，每年可節省用電量2.81 GWh。大化集團有限責任公司的合成氨聯合生產裝置冷卻循環水系統，優化后每年節電達到13.66 GWh。酒鋼集團不銹鋼二期軟環泵循環水系統中成功應用該技術后，節電率達62%以上，年節電達6.60 GWh[5]。四川美豐集團美青氰胺有限責任公司主要生產經營化肥原料，每年綜合能源消耗量達到760 kt標準煤，通過將水泵進行了節能改造，改造后工藝冷卻水系統節電率近30%。

4 結語

采用工業循環水系統節能技術，可以解決常規工業循環水系統普遍存在的能耗高和效率低的技術難題，且施工比較方便，節能效果顯著，系統運行中無振動、噪音低、維護檢修方便，可以不停產進行維修。按照石化行業循環水系統的用電量占整個電耗的8%～10%，使用優化技術后節能30%計算，通過循環水系統的節能優化至少可以為整個石油化工行業增長2.4%～3.0%的直接經濟效益。

[1] 馮瓊，張秋紅，馮平平.工業循環水運行評價和處理方案[J].橡塑技術與裝備，2009，35(8)：46-50.

[2] 龍德曉，李志明.多冷卻塔循環水系統的能耗優化[J].節能技術，2010，28(2)：3-6.

[3] 鄭璐.循環水優化為行業降耗增效[N].中國化工報，2013-01-09.

[4] 吳波，趙從菊.冷卻循環水系統的節能改造[J].節能與環保，2009(11)：53-55.

[5] 唐長忠，湯中彩，沈新榮.工業循環水WECS改造技術的應用探討[J].工業儀表與自動化裝置，2013(2)：58-61.