優化循環水系統操作節約電能

陳瑞利

（西薩化工上海有限公司，上海 201507）

優化循環水系統操作節約電能

陳瑞利

（西薩化工上海有限公司，上海 201507）

分析了某廠的循環水系統運狀態，分析了運行中發現的問題，提出解決方案；更進一步通過熱平衡及水力學分析，優化操作，取得了647萬元/a的經濟效益。

循環水；優化；節能

循環水系統是化工廠最常見的冷卻系統，其特點是流量高，一般在數千至上萬立方每小時，循環水供水泵及冷卻水塔風扇的功率在兆瓦級。合理的根據裝置負荷、氣候情況、冷卻器的效率調整循環水系統的運行可以取得顯著的節電效果。

本文以某工廠的循環水系統優化實例說明了如何通過合理調節達到節電效果。

1 循環水系統介紹

本工廠循環水系統的主流程框圖參考下圖，系統包括了如下主要設備。

1）正常循環水供水泵P02A～D，每臺泵的額定流量為4700 m3/h，功率950kW，按設計3開1備。

2）緊急循環水供水泵P03A～C，每臺泵的設計流量為1400 m3/h，功率325kW。按設計2開1備。此泵與柴油發電機連接，在外界供電停供狀態下仍可供水。

3）6臺冷卻水塔A～F及循環水池，其中C～F為變頻風機；A、B塔為緊急冷卻塔，風機固定轉速，并與柴油發電機連接，在停電時風扇仍可運行。

4）若干冷卻水用戶級相關閥門、管道、儀表等。

冷卻塔的設計條件如下：

正常循環水量11 200m3/h，供水壓力＞530kPa，當壓力低于此值時，備用泵自啟；緊急循環水流量為2 400m3/h，供水壓力＞450kPa，當壓力低于此值時，備用泵自啟。供水溫度32℃，總回水溫度38℃。用戶負荷94Mkcal/h。

2 運行工況

此工廠為2015年初投產的新工廠。在初始運行的第一年，工程師主要精力放在了主工藝裝置，循環水系統的運行主要依靠操作工的個人經驗。操作工為了維持壓力在5.3kPa以上，通常運行3臺P02泵，供水量在9 500～10 500m3/h；緊急冷卻水運行2臺P03泵，流量2 000～2 400m3/h，循環水塔風機運行3～4臺。總電耗在3.3MW左右。供水溫度滿足冷卻器要求。

3 運行中的問題

盡管供水溫度及流量滿足了冷卻用戶的要求，但實際上系統并未恰當控制在最佳點，主要存在的問題如下：

1）三臺P02泵的出口手閥開度大小不一，導致3臺泵的負荷分布不均，根據泵出口壓力及功率判斷，有的泵在接近甚至可能低于最小流量狀態下運行。長期運行可能會損壞泵體。

2）泵出口手閥開度過小。由于此閥門為30”蝶閥，開關比較困難，操作工一般將出口閥開的很小，導致此手閥的壓降損失很大，對比泵出口壓力和總管壓力，此閥門的壓降為150kPa。由于總管上有一個530kPa的低壓聯鎖，為了保持壓力，3臺泵必須要開啟，否則壓力就不夠。三臺泵總共供水量只有9 500～10 500m3/h，平均每臺泵供水只有3 200～3 500m3/h。

3）由于設計余量，加之開車初期，裝置負荷不高，即便在3天的100%負荷測試的時間里，循環水塔的負荷也只有最高73Mkcal/h，供水溫度在27～32℃，回水溫度在32～37℃之間，溫差在5～6.5℃之間。

4）緊急冷卻水的正常用戶只有3臺，其中2臺不大，總設計流量只有200m3/h，而另有一臺冷卻器，C08，其設計負荷為17.8Mkcal/h，冷卻水設計流量為2 200m3/h。但根據實際運行數據來看，此換熱器的設計面積遠大于實際需求，導致循環水平均流量在400m3/h即可滿足換熱要求，這意味著緊急冷卻水量只要600m3/h就可滿足需求。

順便提一下，此處有低循環水量引起管道閥門震動問題。C08是通過控制循環水流量來控制換熱量，而控制閥是按照正常流量2 200m3/h而設計的，由于現在平均流量只有400m3/h，并且流量實在200～600m3/h間波動，閥門也相應在10%～20%間波動。當閥門開度在10%左右時，由于閥門節流，導致此閥門及相關管線劇烈振動，噪音巨大。長期如此運行，必然引起管道及閥門的損壞。

5）每個冷卻水用戶單元末端，都有一個從供水至回水的旁路閥，每一臺換熱器進出口都有蝶閥，但出口未安裝任何溫度變送器或就地表。在開車投產階段，有些旁路閥完全處于開的狀態，有些換熱器入口閥沒有全開，有些換熱器出口閥全開。這些問題都導致了不必要的循環量，浪費供水泵的能耗。

6）循環水回塔的分布不均，有的多有的少，而風機轉速的控制并沒有根據水量分布來控制，導致冷卻效果不高。

7）設計冷卻水供水溫度控制風扇轉速，以達到節能效果，但實際上，由于風扇本身機械及操作習慣問題，自開車來，風機轉速由操作工手動設置，一般也不會去調此轉速，因此供水溫度總低于實際需求。

4 優化思路

解決以上問題并找到最優點主要通過兩條路徑：

1）糾正不正確的操作，包括通過調整泵出口手閥，平均分配泵運行負荷，保證其運行在最小流量之上；維修風機，保證其正查運行；根據回水量分布，調整風機轉速，回水量多的風機可轉速高些，回水量少的風機轉速低些甚至停止風機；投用溫度控制風扇轉速的回路。

2）研究系統熱負荷，決定供水流量，找到滿足如下條件的操作點：

供水溫度不高于32℃，回水溫差不超過38℃，溫差在6℃內。

滿足壓力要求。

通過降低供水量，盡可能運行少的機泵，風扇轉速盡可能低。

5 優化分析過程

對于上述兩條思路，第一條主要是糾正錯誤的操作和維修相關的設備，使系統運行在設計工況下。

第二條是優化的重點，需要更多的可行性分析：

在操作中的問題（2）中提到過，實際正常供水量平均值為10 000m3/h，考慮到泵的額定流量為4 700m3/h，2臺泵可供9 400m3/h流量，與10 000m3/h相差不多，對用戶影響應該不大。而如果能停一臺泵，預計可節約800kW的電量。

對于循環水系統的用戶側，有如下熱平衡公式：

Qr=FCp∩Tcwr|Tcws

上式中：

Qr為各個用戶的總負荷需求，由主工藝裝置決定，對于循環水系統屬目標變量，不可調節。

F為供水流量，可調。

Cp為水的比熱，1kcal/kg.℃

Tcws為供水溫度，受冷卻塔的運行效率影響，如風扇轉速，水量分布等因素影響。

Tcwr為回水溫度，當Qr和Tcws固定后，由流量F決定。

通過上面對公式的分析，可以看出，F最終影響的是供-回水溫差，流量假設減少20%，則溫差增大20%。如果Tcws不變的話，則影響的就是Tcwr。而對于用戶而言，只要入口溫度Tcws不變，Tcwr并不是很重要的參數，因為一般換熱器都有一定的設計余量，只要入口溫度不超過設計值，一般都可以滿足冷卻要求。

因此，循環水流量是可降低的，其后果是循環水回水溫度升高，只要此時注意每個用戶的冷卻效果，做相應的單獨調整，應該可以找到一個合適的操作點。

由于循環水量降低，回水溫度升高，如果要保證供水溫度，則需要再調整循環水塔的操作，必要時可以加大風扇轉速來確保供水溫度。

三個重要推論：

1）循環水量決定回水溫度，實際就是供-回水溫差，只要溫差由余地，就有可能降低流量；水量減少的比例與溫差成的變化成反比。

2）供水溫度由循環水塔運行決定，回水溫度的升高，可以通過調節循環水塔的操作而達到供水溫度的要求。

3）循環水量的減少，只要比例不是太大，比如20%以內，換熱器用戶的效率是不會受到太大的影響。

根據以上推論，停一臺P02泵，循環水量由10 000m3/ h降低至9 400m3/h，滿負荷操作時溫差預計由5～6.5℃上升至5.3～6.9℃，供水溫度在27～32℃之間，回水溫度最高溫度38.9℃。考慮到這是夏天滿負荷負荷操作的溫度，處于其他季節非滿負荷時，通過控制供水溫度，回水溫度控制在38℃內應該問題不大。

對于緊急冷卻水系統，前文已經分析過，由于C08的設計余量很大，完全沒有必要再提供2 200m3/h的流量，可以停一臺P03泵，預計可節約電能250kW。

另外，在停P02和P03泵時，供水壓力必然會下降，而且還有可能低于聯鎖值。這是一個水力學問題。這個問題可以通過調整泵出口閥和循環水回水閥而滿足壓力要求。

因此，提出的最終解決方案如下：

（1）各停一臺P02和P03泵。

（2）調整冷卻塔水量分布及風扇轉速，控制供水溫度不高于32℃。

（3）調整泵出口閥門，滿足壓力要求。

6 實際調整過程及問題的解決

6.1調整管網水力學分布

之前在問題5中提到過一些錯誤操作，因此第一步先糾正這些錯誤，主要包括：

（1）全開每一個換熱器的入口手閥，出口閥門一般控制在50%。

（2）全關每個單元的旁路閥門。

（3）檢查每個單元的進出口界區閥，一般在50%左右的就不再調整。

（4）監控一些重要的，大的冷卻器的冷卻效果，通過便攜式溫度計測量回水溫度。有些換熱器出口溫度過高的，開大其出口手閥，甚至某些冷卻器出口歐閥門全開。

通過以上調整，保證了在低流量下，絕大部分換熱器仍可得到足夠的冷卻水。

6.2調整泵出口閥門及管網閥門

停泵最關鍵的問題在于供水壓力是否能維持住。考慮P02運行3臺泵時，壓力已經比較接近低壓聯鎖值，因此在停泵之前，都先預開了三臺泵的出口閥門，并且調整每臺泵的出口壓力及電流相同。通過此調整，供水壓力提高了60kPa，流量大約提高1 000m3/h。之后停其中一臺泵。

停泵后，流量掉至9 400m3/h，壓力掉到525kPag，低于聯鎖壓力。之前已經將此聯鎖旁路，因此第三臺泵沒有自啟。電機電流已經略高于額定電流。

為了減小電機電流，必須降低供水流量；為了升高供水壓力，需要開大泵出口閥門；但開大出口閥門就會流量升高，電機電流升高。因此此時不能再通過開大泵出口閥門的方法來提高管網壓力，而應當通過關小回循環水塔的回水閥門來減小流量及提高壓力。

實際調整時，先估計3～4個塔的運行即可滿足冷卻要求，然后觀察每個循環水塔的回水分布，選定了3個回水塔為主要冷卻塔（D，E，F），盡量關小了其余的3塔的回水量（A，B，C），均勻分布了D、E、F三塔的回水量。并且控制總供水量在8 500m3/h，供水壓力提高至570kPag，回水壓力由之前的100kPag升高至320kPag。

運行D、E、F風扇，停其余風扇，供水溫度在28-30℃之間，監測主要冷卻器的運行狀況，僅發現有一個精餾塔的冷凝器（C404A/B/C）效果有較明顯降低。

該塔有三臺冷凝器，總設計負荷為11Mkcal/h，循環水總流量1 800m3/h，循環水入口設計溫度32℃，出口37.8℃。工藝側設計入口溫度43℃。

現場測量出口管道溫度約為41℃，分析換熱能力下降的可能原因是循環水流量不夠。但經現場檢查冷卻器進出口閥門都已全開。隨后懷疑可能是精餾單元界區24”閥門開度不夠，經檢查閥門入口閥門開度只有25%左右，出口50%。開大入口閥門至50%后，冷卻能力恢復。

在調整正常循環水達到要求后，采用類似的步驟停一臺緊急冷卻水泵。發現的問題是泵出口壓力在附近460kPag波動，接近聯鎖值，流量約900m3/h，電機電流低于額定電流。為了提高壓力，開大了泵出口閥門，流量略有提高。

至此，調整工作告一個段落。

7 調整后結果

（1）P02和P03泵各停一臺。節約電能約1 000kW。

（2）優化了循環水分布，將溫度控制轉速回路投用，運行三臺風扇在低轉速即可滿足生產需求，節約電能約100kW。

（3）解決了問題4中的管線及閥門振動問題。其機理是回水壓力升高了220kPa，而緊急冷卻水供水壓力基本維持不變，因此控制閥的壓差減小，開度增大，正常開度在20%以上，節流問題消失。

通過此調整，實際供節約電能1 100kW，相當于節省電費647萬元/年（電費按0.7元/度稅前計，一年按8 400生產小時計），經濟效果十分顯著。

同時還糾正了一系列不正確或不好的操作模式，消除了管線振動，降低了設備出問題的風險。

8 下一步計劃

目前回水壓力在320kPa，實際上80kPa即可滿足回塔需求。并且回水閥的壓降過高，還導致低流量的閥門開度很小，管線有噪音。

這說明循環水供水泵的壓頭設計偏高，最大有240kPa的余量，因此下一步計劃研究通過更換小葉輪的方式，降低泵壓頭。

根據泵特性曲線，如果更換最小葉輪，壓頭可降低10m。理論計算單臺泵可節能175kW，經濟效益也很明顯。

9 總結

循環水系統只要能滿足供水溫度和壓力，常常不為生產所注意，而實際上其為耗電大戶，就本廠而言，其用電在調整前占了總廠耗電的30%。仔細分析后加以合理的調整，直接帶來了647萬元/年的經濟效益，因此應當對循環水系統予以足夠的重視。

Saving the Electrical Power by Optimizing the Cooling Water System

Chen Rui-li

Studied the performance of cooling water system of a plant，pointed out the control problem and proposed the improvement plans；furthermore，by analyzing the heat balance and hydraulic performance of the system，optimized the operation，6.47MRMB/year electrical power cost was saved after the optimization.

cooling water system；optimization；energy saving

TQ085.4

A

1003-6490（2016）01-0145-03

2016-01-20

陳瑞利（1977—），男，陜西旬陽人，工程師，主要從事化工生產及技術工作。