工業(yè)循環(huán)水系統(tǒng)節(jié)能改造技術(shù)方案比較

文/李文龍

工業(yè)循環(huán)水系統(tǒng)節(jié)能改造技術(shù)方案比較

文/李文龍

研究循環(huán)水泵和冷卻塔風(fēng)機(jī)的節(jié)能是循環(huán)水系統(tǒng)節(jié)能改造的關(guān)鍵——工業(yè)循環(huán)水系統(tǒng)是工業(yè)生產(chǎn)企業(yè)中不可缺少的組成部分，各行各業(yè)應(yīng)用廣泛，主要由冷卻塔、水泵和換熱系統(tǒng)組成，冷水流過需要降溫的生產(chǎn)設(shè)備（換熱設(shè)備，如換熱器、冷凝器、反應(yīng)器）換熱后，返回冷卻塔，在冷卻塔內(nèi)將溫度上升的循環(huán)水降溫，然后通過循環(huán)水泵加壓再次循環(huán)使用。

工業(yè)循環(huán)水系統(tǒng)中循環(huán)水泵、冷卻塔風(fēng)機(jī)是用電大戶，占工業(yè)循環(huán)水系統(tǒng)能耗的95%以上，因此，重點(diǎn)研究循環(huán)水泵和冷卻塔風(fēng)機(jī)的節(jié)能是循環(huán)水系統(tǒng)節(jié)能改造的關(guān)鍵。

設(shè)備概況

以某在運(yùn)循環(huán)水系統(tǒng)為例，設(shè)計(jì)采用的工藝設(shè)計(jì)參數(shù)如下：

最大水量： Q=27 000 m3/h

供水壓力： P1=0.42 MPa

回水壓力： P2=0.25 MPa

該工業(yè)循環(huán)水系統(tǒng)由冷卻塔、循環(huán)水泵、旁濾設(shè)施、加氯裝置、加藥裝置和循環(huán)冷卻水給水、回水管網(wǎng)組成。配備5臺(tái)水泵，選用某水泵廠生產(chǎn)的單級(jí)雙吸離心泵，運(yùn)行方式為3開2備。

節(jié)能改造方案及比較

方案一：冷卻塔風(fēng)機(jī)無電化改造

1. 循環(huán)水回水余壓分析

設(shè)計(jì)及實(shí)際運(yùn)行時(shí)，循環(huán)水系統(tǒng)回水管網(wǎng)壓力在0.25 MPa，而循環(huán)水回水進(jìn)入涼水塔頂噴頭冷卻的壓力僅需要0.11～0.13 Mpa，因此回水進(jìn)入冷卻塔冷卻管網(wǎng)還存在結(jié)余壓力，計(jì)算分析循環(huán)水回水余壓的能量，研究此部分結(jié)余能量帶動(dòng)水輪機(jī)做功的可行性，實(shí)現(xiàn)水輪機(jī)替代電機(jī)驅(qū)動(dòng)冷卻塔風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，最終達(dá)到節(jié)約電力消耗，提高循環(huán)水系統(tǒng)的能量利用率。

2. 循環(huán)水系統(tǒng)回水壓頭計(jì)算

循環(huán)水系統(tǒng)回水壓力為0.25 MPa（26 m），壓力表安裝高度-4.2 m，冷卻塔高度為16.3 m，布水管距冷卻塔塔頂平面高度為3 m，因此回水可利用壓頭為：

表1：循環(huán)水耗能設(shè)備情況

H富余壓頭=26 m-4.2 m-16.3 m+3 m=8.5 m

其中：26 m為壓力表讀數(shù)；-4.2 m為壓力表安裝高度；16.3 m為冷卻塔塔平面高度；3 m為尾水負(fù)壓（虹吸現(xiàn)象）。通過上述計(jì)算可知循環(huán)水回水管網(wǎng)存在8.5 m富裕壓頭，再計(jì)算分析利用循環(huán)水回水余壓帶動(dòng)水輪機(jī)做功的流量。即水輪機(jī)可利用水頭按H = 8.5 m計(jì)算，可以反算出滿足單臺(tái)水輪機(jī)功率工作需要的水量， P軸=ρ×g×Q×H÷3600×η可知單臺(tái)水輪機(jī)需要水量Q≈7 610 m3/h，由于循環(huán)水系統(tǒng)循環(huán)量為27 000 m3/h，最多可以滿足3臺(tái)水輪機(jī)滿負(fù)荷運(yùn)行（7 610 m3/ h×3 = 22 830 m3/h），保證改造前后冷卻塔風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速基本不變。

所以，循環(huán)水系統(tǒng)計(jì)算回水余壓分析可以進(jìn)行3臺(tái)4 500 M3冷卻塔風(fēng)機(jī)改造，實(shí)現(xiàn)3臺(tái)水輪機(jī)替代電機(jī)驅(qū)動(dòng)冷卻塔風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)；原3臺(tái)電機(jī)的總耗電功率實(shí)際消耗大約為442 kW/h，按照每年工作8 000 h，估計(jì)年可節(jié)電：442 kW×8 000 h=3536 000 kWh。

3. 循環(huán)水風(fēng)機(jī)無電化改造結(jié)論

通過以上計(jì)算，可對(duì)其中3臺(tái)冷卻塔風(fēng)機(jī)進(jìn)行水輪機(jī)代替電機(jī)的無電化改造，降低了涼水塔風(fēng)機(jī)電耗的50%。同時(shí)免除了對(duì)減速機(jī)、傳動(dòng)軸、電機(jī)、電纜、橋架和配電系統(tǒng)的日常維護(hù)和保養(yǎng)工作。

方案二：循環(huán)水泵電機(jī)改造

1.循環(huán)水泵富裕流量的分析循環(huán)水系統(tǒng)以運(yùn)行3臺(tái)循環(huán)水泵的方式為水循環(huán)提供動(dòng)力，通過控制循環(huán)水回水閥門開度來保證循環(huán)水的供應(yīng)壓力不低于0.49 MPa，回水壓力控制在0.25 MPa左右，滿足系統(tǒng)運(yùn)行的實(shí)際揚(yáng)程，但低于設(shè)計(jì)揚(yáng)程。根據(jù)水泵的性能曲線圖（H-Q壓力與流量的關(guān)系），揚(yáng)程降低流量增大至30 000 m3/h左右的循環(huán)水量（遠(yuǎn)高于設(shè)計(jì)的27 000 m3/h），即存在有3 000 m3/h需求外循環(huán)量。因此，在保證系統(tǒng)需求實(shí)際揚(yáng)程的情況下，嘗試循環(huán)水量以靠近設(shè)計(jì)參數(shù)值，研究盡量避免額外循環(huán)量來降低電耗。由循環(huán)水耗能設(shè)備情況一覽表可知，循環(huán)水泵的系統(tǒng)最大耗能設(shè)備，同時(shí)隨著高壓大功率電機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)的成熟，因此對(duì)循環(huán)水泵電機(jī)調(diào)節(jié)方式進(jìn)行變頻改造優(yōu)化是可行的。

2. 變速變流量的節(jié)能原理

根據(jù)水泵的壓力-流量特性曲線，按照保證循環(huán)水系統(tǒng)壓力的要求，對(duì)水泵變速變流量控制是可行的有效方法。水泵的變速變流量控制主要通過電機(jī)的變頻調(diào)速實(shí)現(xiàn)，同時(shí)是當(dāng)代最先進(jìn)、最可靠也是最高效的調(diào)速技術(shù)。

理論上泵類具有以下特點(diǎn)：

Q2/Q1=N2/N1

H2/H1=(N2/N1)2

P2/P2=(N2/N1)3

其中：Q為流量，H為揚(yáng)程，P為功率，N為轉(zhuǎn)速。

Q1、H1、P1—水泵在N1轉(zhuǎn)速時(shí)的流量、揚(yáng)程、功率。

Q2、H2、P2—水泵在N2轉(zhuǎn)速時(shí)相似工況下的流量、揚(yáng)程、功率。

可以得出轉(zhuǎn)速、揚(yáng)程、功率與節(jié)電率的變化表，如表2。

表2 轉(zhuǎn)速、揚(yáng)程、功率與節(jié)電率的變化關(guān)系

依據(jù)以上計(jì)算公式與關(guān)系變化表，轉(zhuǎn)速降低、流量減小時(shí)，所需功率近似按流量的3次方大幅度下降。假如轉(zhuǎn)速降低一半，即：N2/N1=1/2，則 P2/P1=1/8，可見降低轉(zhuǎn)速能大大降低軸功率達(dá)到節(jié)能的目的。當(dāng)轉(zhuǎn)速由N1降為N2時(shí)，水泵的額定工作參數(shù)Q、H、P都降低。但從效率曲線看，Q2與Q1點(diǎn)的效率值基本是一樣的。即當(dāng)轉(zhuǎn)速降低時(shí)，額定工作參數(shù)相應(yīng)降低，但效率不會(huì)降低，有時(shí)甚至?xí)岣摺Ｒ虼嗽跐M足操作要求的前提下，水泵仍能在同樣的效率下工作。

3. 節(jié)能實(shí)施途徑

在滿足實(shí)際生產(chǎn)的系統(tǒng)揚(yáng)程和循環(huán)水量的情況下，將運(yùn)行的3臺(tái)循環(huán)水泵其中一臺(tái)水泵改為變頻控制，出口流量由10 000 m3/h降至7 000 m3/h，滿足生產(chǎn)設(shè)計(jì)水量，對(duì)比如表3（每小時(shí)的節(jié)電功率以及水泵年運(yùn)行節(jié)電量）。

表3 改造前后節(jié)能效率對(duì)比

表4：水泵葉輪直徑變化前后數(shù)據(jù)分析對(duì)比及經(jīng)濟(jì)性分析

表5：循環(huán)水系統(tǒng)3種節(jié)能解決方案對(duì)比表

由以上統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的計(jì)算分析可以看出，采用一臺(tái)水泵變頻調(diào)速運(yùn)行后，每年節(jié)電帶來的經(jīng)濟(jì)效益明顯。

4.循環(huán)水泵增加變頻器結(jié)論

循環(huán)水泵變頻節(jié)電改造后，這個(gè)改造的這個(gè)變頻系統(tǒng)就相當(dāng)于一個(gè)自動(dòng)調(diào)節(jié)閥，用多少，供多少，實(shí)現(xiàn)供需平衡，節(jié)約能源。

降低了轉(zhuǎn)速，流量就不再用關(guān)小閥門來控制，閥門始終處于全開狀態(tài)，避免了由于關(guān)小閥門引起的損耗，也就避免了總效率的下降，確保了能源的充分利用。

當(dāng)采用變頻調(diào)速時(shí)，50Hz滿載時(shí)功率因數(shù)為接近1，工作電流比電機(jī)額定電流值要低許多，這是由于變頻裝置的內(nèi)濾波電容產(chǎn)生的改善功率因數(shù)的作用，可以為電網(wǎng)節(jié)約容量20%左右。

方案三：循環(huán)水泵改造

1. 現(xiàn)場(chǎng)循環(huán)水運(yùn)行點(diǎn)數(shù)據(jù)分析

供水壓力：0.49 MPa

回水壓力：0.25 MPa

實(shí)際流量：30 000 m3/h

運(yùn)行電流：112 A

水泵電機(jī)輸出功率：1 585 kW

現(xiàn)場(chǎng)泵安裝高度：倒灌2～3 m

泵出口壓力：0.56 MPa（G）

根據(jù)上述實(shí)際運(yùn)行參數(shù)，循環(huán)水泵設(shè)計(jì)壓力高于實(shí)際運(yùn)行壓力，實(shí)際循環(huán)水量也高于實(shí)際水量，從水泵性能參數(shù)可知循環(huán)水泵已偏離最高設(shè)計(jì)效率工況點(diǎn)；水泵工況點(diǎn)的改變除了改變系統(tǒng)管道特性外就是改變水泵本身的特性曲線（比如變頻變速、切割葉輪）。若將水泵設(shè)計(jì)壓力改造至接近略高于實(shí)際運(yùn)行壓力，在滿足運(yùn)行需求的前提下，將大大降低循環(huán)水泵功率。因此，有必要對(duì)其進(jìn)行設(shè)備改造，以實(shí)現(xiàn)循環(huán)水泵的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

2. 降低水泵出口壓力

通過對(duì)運(yùn)行參數(shù)和水泵設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行充分的分析比較，可對(duì)運(yùn)行水泵進(jìn)行削切葉輪、降低揚(yáng)程改造。改造方案是通過切割循環(huán)水水泵葉輪，減小葉輪直徑，從而降低水泵出口壓力，保證循環(huán)水量不變，降低水泵電耗。

擬將循環(huán)水泵的揚(yáng)程由52 m降至49 m，根據(jù)水泵葉輪的削切定律：

H1/H2=(D1/D2)2

Q1/Q2=D1/D2

P1/P2=(D1/D2)3

計(jì)算削切后的葉輪的相關(guān)數(shù)據(jù)如表4。

3. 循環(huán)水泵出口壓力改造結(jié)論

通過切削水泵葉輪直徑降低水泵出口壓力，保證系統(tǒng)流量需求且系統(tǒng)改動(dòng)較小，改造成本低，且不增加運(yùn)行維護(hù)量。但葉輪進(jìn)行切割須經(jīng)反復(fù)多次修正試驗(yàn)后，改造工藝復(fù)雜還要重新做動(dòng)平衡。

以上是對(duì)循環(huán)水系統(tǒng)改造節(jié)能3種方案的理論研究，挖掘循環(huán)水系統(tǒng)存在的富裕壓頭、富裕循環(huán)量，根據(jù)富裕能量的不同形式而通過3種不同的技術(shù)改造達(dá)到節(jié)能的目的。另外，將循環(huán)水系統(tǒng)的3種節(jié)能解決方案從改造投資，改造運(yùn)行參數(shù)以及年節(jié)能量進(jìn)行綜合比較見表5。

結(jié)語

在滿足核心設(shè)備的換熱需求下，通過技術(shù)改造方案實(shí)現(xiàn)循環(huán)水流量、壓力的調(diào)整，使企業(yè)在不改變?cè)猩a(chǎn)規(guī)模的情況下，降低了企業(yè)的成本費(fèi)用，直接經(jīng)濟(jì)效益顯著。企業(yè)根據(jù)自身設(shè)計(jì)、運(yùn)行特點(diǎn)出發(fā)，進(jìn)行方案比較，選擇適合工廠的技術(shù)方案和實(shí)施路徑，實(shí)現(xiàn)循環(huán)水系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行和節(jié)能增效。

本文作者系渭南陜鼓氣體有限公司總經(jīng)理。