工業循環水系統兩種節能改造技術的關系

文/王曰鋒

工業循環水系統兩種節能改造技術的關系

文/王曰鋒

工業用水主要包括冷卻用水、熱力和工藝用水、洗滌用水。其中工業冷卻水用量占工業用水總量的80％左右，取水量占工業取水總量的30％～40％。工業循環冷卻水系統是工業生產中的耗能大戶，其用量約占整個工業用水量的70％。工業循環冷卻水系統中的主要用能單位是風機和水泵。據統計全國運轉著的風機、水泵在1000萬臺以上，它們的耗電量約占全國發電量的31％（風機占10％，水泵占21％），約占全國工業用電量的50％。

因其用電量巨大，其節能改造的效果對工業企業影響就大，因此針對耗能大戶工業循環冷卻水系統的節能技術不斷出現，目前行業中較為常見的節能技術有兩種：針對風機的冷卻塔風機采用冷卻塔專用超低比轉速混流式水輪機進行驅動，和循環水泵的節能改造。

這兩種技術表面上看是矛盾的，其支持者甚至相互指責，支持水輪機技術的說泵節能是騙子，支持泵節能技術的說水輪機技術是偽節能。那么這兩者究竟有何關系，能否并存，本文通過實際案例的分析拋磚引玉，希望能夠讓業者客觀的了解這兩種技術，并科學地選擇適合自己的節能改造方案。

應用情況簡介

工業循環冷卻水系統由水泵（含電機）、管道、閥門、換熱器、冷卻塔（含風機）幾大部分組成，泵節能針對的是水泵，水輪機針對的是冷卻塔。

水輪機技術采用冷卻塔專用超低比轉速混流式水輪機替代冷卻塔的風機電機，實現風機的無電驅動，從而實現節電。該技術利用的是循環水系統中的富余能量，包括富余壓頭、閥門阻力、循環水流經高處換熱器的重力勢能，在不增大循環水泵出力的情況實現原有風機電機的替代，從而實現該電機的100％節能。

泵節能技術通過對現有水泵運行的工況分析，計算真實所需要的泵出力，通過選擇功率合適的水泵、效率更高的水泵實現對原有水泵的更換，從而實現節能。

神寧煤化工聚甲醛廠循環冷卻水系統

神華寧夏煤業集團煤炭化學工業分公司聚甲醛廠循環水系統現有3500m3/h冷卻塔3臺，系統設計總處理水量10500m3/h，風機總額定功率330kW，循環水泵4臺，運行3臺，水泵總額定流量10500m3/h，運行水泵電機總額定功率1890kW。

系統運行形式

系統組成及整體運行數據（20131111）如圖1：

圖1 系統組成及總體運行數據20131111

系統運行參數校正

因循環冷卻水系統在整個化工流程中屬于為主工藝服務的公用工程，且由于客觀條件所限，其流量和壓力計量不可能非常準確，因此不能完全相信監測數據，需要在進行數據記錄以后進行運行參數校正。

（1）系統運行流量分析

表1 各點流量計流量數值

供水流量比回水流量多12925-11258=1667m3/h；回水流量比上塔和旁濾流量多11258-（9760+500）=998m3/h。從上比較說明三點流量數值不等，且相差較大。三臺冷卻塔上塔閥門開度一致（28°），2#塔上塔流量僅2670m3/h，說明上塔流量合計值不準確，下面以水泵運行工況計算運行流量：

三臺水泵實際運行電流為38.9A+39.1A+38.7A=116.7A，電機電壓10kV，功率因數為0.89，三臺水泵電機功耗為1.732×116.7×10×0.89=1799（kW）。則三臺水泵流量為1799×0.96×0.85÷（9.81×50）=3m3/s =10800m3/h，此流量與回水流量較靠近。

通過以上幾組數據比對分析，系統實際運行流量是以回水流量為準較為合理。

（2）系統運行壓力分析

①供水壓力分析

泵出口閥門壓損計算：

供水閥門開度平均32°，管道通徑DN800，單管流量11258m3/h÷3=3753m3/h，則：

管道流速

V=Q/S=（3753/3600）/（3.14×0.42）=2m/s

根據閥門開度與阻力系數參數表查得在閥門開度32°時，ζ=65.52，依據公式h=ζv2/2g得閥門壓損為：h=ζv2/2g=（65.52×22）/（2×9.81）=13.3m。

供水壓力驗證：泵出口壓力表表壓為50m，供水壓力表表壓為38.4m，則閥門閉壓為50-38.4=11.6m，此壓損與上述計算基本相符，故現場系統供水壓力表壓應該是準確的。

②回水壓力分析

上塔閥門壓損計算：

供水閥門開度平均30°，管道通徑DN800，單塔流量（11258-500）m3/h÷3=3586m3/h，則：管道流速V=Q/S=（3586/3600）/（3.14×0.42）=1.98m/s

根據閥門開度與阻力系數參數表查得在閥門開度30°時，ζ=79.2，依據公式h=ζv2/2g 得閥門壓損為：h=ζv2/2g=（79.2×1.982）/（2×9.81）=15.8m。

回水壓力驗證：

布水層至回水母管位差為6.8m+1.2m=8m，布水壓力為1m，閥門壓損為15.8m，經計算則回水壓力為8+1+15.8=24.8m。

現場回水壓力表表壓為12m，與計算的回水壓力相差24.8-12=12.8m，因此現回水壓力表可能有誤，是否壓力變送器的量程值在DCS上的輸入有誤有待驗證（后經驗證，壓力表實際量程為0～1MPa，DCS誤設置為0～0.6MPa，因此實際回水壓力為20m）。

校正后的系統運行參數表

（1）冷卻塔運行工況

設計單塔處理水量/m3/h 3500數量/臺3單塔實際處理水量/m3/h 3586 在用數量/臺3設計進塔水溫/℃43實測進塔水溫/℃37設計出塔水溫/℃33實測出塔水溫/℃26.7目前上塔閥門開度/％ 30回水壓力/MPa 0.20塔型方形逆流

（2）系統水泵運行工況

數量/臺4在用數量/臺3額定流量/m3/h 3500額定楊程/m 47實際運行流量/m3/h 11258水泵出水口壓力/m 50水泵進口閥門開度/％ 100泵出口閥門開度/％ 32水泵電機額定功率/kW 630泵電機額定電流/A 43.2水泵電機額定電壓/V 10000實際運行電流/A 38.9、39.1、38.7水泵電機功率因數0.89水泵電機轉速/rpm 987

（3）冷卻塔風機工況

風機葉片直徑/mm 8000風機葉片材質玻璃鋼風機額定轉速/rpm 154傳動形式電機-減速箱電機額定電壓/V 380 電機額定功率/kW 110電機額定電流/A 200實際運行電流/A 141、143電機功率因數0.88電機效率/％ 95

循環水系統節能改造可行性分析

不管采用水輪機技術進行改造還是采用泵節能技術進行改造，其前提條件就是不能夠影響系統的工藝運行情況，本系統中主要體現在不能影響工回水壓力和流量。

（1）采用水輪機技術進行冷卻塔風機節能改造

①軸功率匹配校核

現風機軸功率計算

W電=1.732×I×U×cosφ×η

=1.732×142×0.38×0.88×0.85

=69.9（kW）

式中：I為電機運行電流（平均電流142A）；U為

電機電壓（0.38kV）；cosφ為功率因數

（0.88）；η為傳動裝置效率（η電機×η減速機

=0.95×0.9=0.85）

水輪機做功壓力計算

依據公式輸出功率公式

W水=9.81×Q×H×η=W電得：

H=W/（g×Q×η）

=69.9÷（9.81×1×0.9）

=8m

式中：g為水容重（9.81×10kg/m）；Q為水輪機

進水流量（3586m/h=1m/s）；H為水輪機做

功壓力；η為水輪機效率（0.9）。

依據以上計算，改造后水輪機達到原電機風

機的轉速所需供水壓力為8m。

②改造后系統壓力分析

改造后水輪機達到額定轉速所需的回水壓力

水輪機進水管道中心離塔頂高度H1=1m；

該系統塔頂至地面位差H2=11.5m；

地面至回水母管位差H3=1.2m；

水輪機入水壓力H4=4.5m（水輪機做功壓力-水輪機出水口至布水器位差+布水壓力=8-4.5+1=4.5m）；

故改造后系統回水壓力計算如下：

H1+ H2+ H3+H4=1+11.5+1.2+4.5=18.2（m）

③改造可行性分析

經計算該系統現運行回水壓力為20m，如實施冷卻塔節能改造只需回水壓力18.2m，現系統回水壓力20m遠大于改造所需的18.2m回水壓力，因此該系統可滿足水輪機滿負荷運行要求，改造時只需開啟上塔閥門部分開度，將上塔閥門部分壓損轉移給水輪機做功即可達到風機的額定轉速，該系統冷卻塔節能改造是完全可行的。

圖2 壓力點分布

（2）水泵節能改造

①泵口壓力分析

系統水泵4臺，運行3臺，泵出口壓力50m，供水壓力38.4m，壓差50-38.4=11.6m，現水泵運行壓力遠大于供水壓力，不在系統工況點運行，存在運行效率低和一定的能源浪費，因此該系統可利用高效水泵替換原水泵，達到節能降耗的目的。

②泵運行工況分析

現場系統泵運行工況分析，見圖3。

從水泵運行曲線來看，該泵運行流量為3753m3/h泵口壓力50m時，運行效率為85％，所需軸功率為570kW，電機消耗功率為570kW÷0.95=600kW。

改造用高效節能泵運行工況分析，見圖4。

從水泵運行曲線來看，使用高效節能泵運行流量為3753m3/h泵口壓力40m時，運行效率為89％，所需軸功率為461kW，電機消耗功率為461kW÷0.95=485kW。

圖3

圖4

③改造可行性分析

從上二泵運行曲線來看，使用高效節能泵代替原運行泵效率最少提高4％，改造后單泵運行軸功率減少了570kW-461kW=109kW，單臺電機功耗減少600kW-485kW =115kW，說明目前系統水泵節能改造是可行的。

聚甲醛循環冷卻水系統節能改造小結

本系統中，因工藝需要，供水壓力38m是必須保證的，而在保證供水壓力38m的情況下，冷卻塔可以采用水輪機進行改造，而不影響原有系統運行的任何參數，包括供水和回水壓力。

同樣，在保證供水壓力38m，供水流量3753m3/h的情況下，可以采用額定運行參數較低的高效水泵代替原有水泵，從而通過提高水泵效率和實現泵出口閥門全開節省壓損的方式實現節能。且節能量比較客觀，高達115/600=19％。

通過真個分析計算的過程我們可以看到，在此系統中，兩種節能改造技術不僅不矛盾，而且共同配合實施，實現了系統最大程度的節能。

其他循環水系統

神華寧夏煤業集團煤炭化學工業分公司公司甲醇廠一套裝置循環水系統共有6臺設計流量為4500m3/h的冷卻塔，其風機采用的額定185kW的驅動電機，經過國家權威部門檢測其實際運行功率為138.3kW。該系統經過提壓試驗，回水壓力由0.12MPa提高至0.25MPa，供水壓力不變，水泵電機電流未變化。在采用水輪機技術進行節能改造之后，與提壓試驗結果一致。此種情況從純理論上可能不好理解——為什么回水壓力提高了泵的出口壓力卻沒有提高？經分析，很可能的一個原因是該循環冷卻水系統中存在的高處換熱器比例較高，而泵出口壓力的主要用途是將冷卻水輸送至最高處換熱器，而大量的冷卻水從高處換熱器流下的重力勢能成為了回水壓力提高的主要原因，同樣也是該部分能量成了推動水輪機做功的主力軍。

在該系統中，如同聚甲醛廠的案例，泵出口壓力未發生變化，因此如果能夠提高泵的效率的話，理論上也可以進行泵節能改造。但是從經濟角度計算，因泵出口閥門全開，僅泵效提高百分之三四，實現的節能量較小，進行改造的回收期過長，因此不建議進行泵節能改造。

更為簡單的是烯烴公司第二循環水系統，該循環水系統回水壓力為0.32MPa，而泵出口閥門全開，且接近最佳效率點運行，此種系統很明顯只能采用水輪機技術進行風機節能改造，而不宜采用泵節能技術進行改造。

筆者尚未碰到的，但是很有可能的一種情況就是回水壓力不能增加，或者其增加會引起供水壓力相應增加的情況，此種情況就不宜采用水輪機技術進行風機節能改造，因為水輪機靠回水富余能量做功，而隨著回水壓力增大水泵供水壓力也增大，顯然如果采用水輪機技術進行改造，推動其做功的就不是富余能量，而是水泵增加消耗的能量。當然，如果水泵增加的能量遠小于節省的能量，經過經濟性評估，此種系統也可以考慮采用水輪機技術進行節能改造。

還有一些老的系統，例如筆者曾經考察過的東營某化工廠，其某循環水系統中設計水泵為一開一備，額定功率為900kW，但是實際運行出口閥門開度僅為15％，后經計算，由EMC公司為其更換為一臺300kW的水泵，直接實現了很大比例的節能。

結論與討論

通過以上案例的分析我們可以看出，工業循環水系統并不像有些人說的只能實施這兩種節能改造中的一種。冷卻塔進行水輪機節能改造也并不像有些人說的那樣是偽節能，其是在不敢對系統進行大的變動的情況下最大程度利用富余能量的一種非常好的方式。節能水泵改造在某些系統中不僅可以實施，而且會有特別明顯的節能效果，但也不是每個系統都有余量的。

通過這兩種節能方式的分析，我們希望能夠為類似系統的設計提供參考依據，以實現設計的最優化、精細化，從源頭上就通過精細的設計、先進技術的應用消除掉這些富余能量的產生。當然這不是一蹴而就的事情，但也不是不可能的事情。

作者單位：（中國節能減排有限公司）