閉式循環水系統壓力優化方法應用

張炳辰 ,單盼娣 ,張高博 ,樊栓獅

（1.上海慧得節能科技有限公司，上海 浦東 201206；2.華南理工大學，廣東 廣州 510640)

循環水系統是一項常見的公用工程系統，在化工、電力、煉油等行業中是不可或缺的。據統計，循環水系統的耗電量約占企業總耗電量的20%～30%[1,2]。因此，研究如何降低循環水系統的電耗對企業有著重要的意義。在循環水系統中兩個最大的耗電部分是循環水泵和冷卻塔風機，兩者約占循環水系統能耗的70%和25%[3]。因此循環水系統節能重點是降低循環水泵和冷卻風機用電，尤其降低循環水泵流量和揚程，可大幅降低循環水系統的電耗，取得節電效果。

對循環水泵節能主要是提高水泵的運行效率或降低循環水泵揚程，而降低循環水泵揚程是降低循環水系統電耗的有效方法。周文啟等[4]以江蘇禾友化工有限公司為例，通過對合成氨循環水系統更換成高效節能水泵，重新匹配變頻調速電機，節能效果顯著，年節約費用達148 萬元。吳啟明等[5]分析了某公司熔鑄廠循環水使用現狀，應用變頻調速和PLC 集中控制技術，實現了循環水系統用電單耗降幅達23%，每年節約電量5.0×105kWh 的節能效果。卞志強等[6]介紹了揚子石油化工公司水廠工業水泵房采用電機變頻、增效涂層、葉輪切割等節能措施，節約了大量的電能，達到預期效果。

對循環水泵的節能改造，各有關方面的專業人員雖做了大量的研究并取得了一定的成效，但這些方法都是對循環水場進行改造，只關注挖掘設計階段由于泵的揚程選擇偏高造成的浪費，而工藝裝置側和管網系統造成的壓力能浪費沒有得到關注。劉海華[7]在晉煤中能化工公司的冷卻循環水系統中采用分壓式供水方法，在高位換熱裝置處增加一臺接力泵，更換原有高揚程泵，使得系統供水壓力從0.5MPa 降到0.35MPa，節電率達到22%。張高博[8]提出循環水系統優化方法應從源頭入手對包括循環水用戶、管網和循環水場三個環節的整體優化方法，包括流量優化、壓力優化和機泵節電優化三個部分。焦云強等[9]等采用系統優化的方法在某石油化工企業得到應用，對循環水系統進行了全局壓力優化，大幅度降低了循環水系統的供水壓力，每年節約電費123.69 萬元，為企業創造了良好的經濟效益和節能效果。

以往對于壓力優化方面的研究只局限于降低泵出口側的壓力，例如增加管道泵或削減泵的富余揚程等，沒有從提高循環水泵入口側壓力方面進行優化。從降低入口壓力將，優化入口側管路系統入手，計算工作量不大，改造的工作量也較小，因此有必要展開研究。本文以某采用高揚程泵（80m）的多晶硅廠閉式循環水系統為改造對象，優化其泵出入口壓力，降低泵電功耗。優化結果對化工企業循環水系統壓力的改造有指導意義。

1 循環水泵揚程優化原理和方法

1.1 優化原理

華賁等[10,11]以熱力學第二定律分析為基礎，從能量在過程系統中的作用和變化規律入手，提出了通用的反映能量系統結構的“三環節”模型。“三環節”方法以過程系統能量全局優化為目標，建立在對過程系統能量結構的深入理解和描述的基礎上，并按該能量結構進行經濟性分析。“三環節”模型把整個工藝過程中的用能過程劃分為具有不同功能的三個環節，即能量的轉換和傳輸、能量的工藝利用和能量的回收。“三環節”方法已經成功地運用于多家煉油、石化和化工企業的能量系統的優化設計和改造，達到了降低工藝裝置能耗的良好效果，提高了企業的經濟效益[12]。

基于“三環節”理論為指導，上海慧得節能科技有限公司與華南理工大學傳熱強化與過程節能教育部重點實驗室合作，開發出了一種基于裝置側的循環水系統優化方法（CWO）[13]。該方法是一種系統化降低循環水系統能耗和水耗的方法，是針對循環水系統節能降耗的技術產品，可用于石油化工、煤化工、多晶硅和天然氣等行業。其特點是以能量利用“三環節”為指導，首先將系統劃分為三個環節，然后依次對利用環節、輸送環節和轉換環節進行優化。即首先對循環水利用環節（裝置區單臺冷卻器）進行優化，降低水量和壓力；然后對輸送環節（管網）進行優化，降低主管網的壓降；最后是對轉換環節（循環水場的涼水塔、風機和泵）進行優化。系統優化的最終效益主要表現在循環水泵和風機電耗降低和補水量降低。以往的循環水優化技術主要是從轉換環節（循環水場）入手，節能潛力有限，而本技術的特點是首先從利用環節（裝置換熱流程和設備）優化入手，節電潛力最高可以達到30%～50%。

1.2 優化方法

泵的揚程是泵給予單位質量液體的能量，通常用液柱高度H（m）表示[14]。揚程是單位質量液體經過泵后獲得的有效能量，即能量的增加值。根據揚程的定義，可以得出在循環水系統中泵揚程的計算式如下：

式中：h1-泵排出側容器正常出現的最高壓力，mH2O；h2-循環水管路系統整個泵排出管路阻力降（包括管道、管件阻力降、設備壓力降），mH2O；h3-終點高度距泵排出口的垂直距離，mH2O；h4-泵的吸入壓頭，mH2O；h5-泵揚程的富裕量，mH2O。

根據循環水系統泵揚程的計算式，分析循環水系統泵揚程偏高的主要原因如下：①循環水管路系統整個泵排出管路阻力降h2偏大和用水的終點高度距泵排出口的垂直距離h3偏高，②泵的吸入壓頭h4偏低，③泵揚程的富余量h5偏大。

通過對循環水系統泵揚程偏高的主要原因進行分析，可以看出降低泵揚程主要有三個措施：①降低出口壓力；②提高入口壓力；③降低泵的設計揚程富余量。具體措施為：可通過降低最高位置的換熱設備的位高來降低出口壓力，或通過增加管道泵來降低最高位換熱設備所需的供水壓力；通過優化管路設計來降低阻力，減少管道和管件的阻力降，對于設備壓力降本文不做討論。提高入口壓力的方法是回收浪費的位差。降低泵的設計揚程富余量的措施是合理選擇泵的設計揚程富余量，選擇使用與揚程匹配的高效節能泵。

本文以循環水系統優化技術（CWO）為理論依據，從能量的輸送環節和轉換環節對循環水系統壓力進行優化，對輸送環節進行優化即對管網進行壓力優化，降低主管網的壓降；對轉換環節優化即對循環水泵進行優化，更換高效泵，來實現降低循環水電耗的目的。下面采用能量系統優化技術，通過實例改造，來驗證循環水系統優化方法。

2 循環水系統泵揚程優化過程

2.1 循環水系統流程

裝置現有兩套獨立的閉式循環水系統，分別為三期閉式循環水系統和四期閉式循環水系統，兩套循環水系統的流程基本相同，分為兩期進行改造。

與普通的使用涼水塔的開式循環水系統不同，閉式循環水系統采用空冷風機進行間接冷卻。圖1 為單套閉式循環水系統流程圖。每套系統的循環量為2000t/h，配置3 臺循環水泵，平時2 開1 備，單臺泵功率400kW，額定流量1000m3/h，揚程80m，泵出口壓力0.628MPa，經空冷器冷卻的循環水壓力0.55MPa。

閉式循環水系統目前的運行流程是循環熱水自流至低位水池，低位水池自流至泵，泵提壓，經空冷器冷卻，再送至廠位于房頂的安保水箱，然后再由安保水箱的下水管引出，供各循環水用戶使用，從各循環水用戶端使用后的循環熱水返回低位水池。低位水池和安保水箱均為常壓罐。低位水池和循環水泵均低于地面，位高-5m，安保水箱位高50m，循環水用戶的位高13m。

圖1 改造前循環水系統流程圖

2.2 系統存在問題

通過對循環水系統進行分析，初步判斷造成系統電耗高的原因大致有以下幾個方面：

（1）循環水回水的壓力能沒有得到回收利用。

從圖1 的流程圖中發現，循環水系統的13m 高處用戶的回水首先自流進入了一個低位水箱，低位水箱的正常液位標高為-2m。循環水由高處用戶到低位水箱的15m 高度是可以利用的勢能，但由于進入了低位水箱，勢能釋放，速度變為了0。造成這15m 循環水回水余壓的浪費。循環水泵入口壓力很低，需要加壓到系統所需要壓力，就需要很大揚程，電耗較高。

（2）安保水箱的進水管線設計不合理。

目前，安保水箱的進水管線采用的是高位彎管進水，即循環水管線敷設到罐頂部比罐頂高2m 的地方，然后流入水箱。這種布置方式導致泵需要較高的揚程，因而造成了電能浪費。

（3）機泵揚程偏高。

該泵的額定揚程為80m，安裝有變頻器，系統實際的泵出口壓力為0.64MPa，管網壓力為0.628MPa，說明還具有17.2m 的富余量。變頻設計與直接關小出口閥的操作方式相比，可以減少壓力能的損失，但與直接選用一臺額定揚程為所需揚程62.8m 的泵相比，其效率仍然偏低。

2.3 系統優化方案

采用基于裝置側的循環水系統優化方法對該廠的兩套閉式循環水系統進行系統化分析，然后從源頭入手解決目前存在的電耗高的問題。首先進行循環水系統壓力優化，然后進行機泵節電優化。

（1）輸送環節-壓力優化

1）地位水箱回水流程優化

將低位水箱的循環水注入流程由開放式改為密閉式運行方式，可以充分回收回水管線的壓力能。改造思路是將現有的回水自流到低位水箱的開放式流程改為甩開水箱，直接進入泵入口的密閉式流程。該流程的優勢是可以使回水管處于滿管流動的狀態，可以回收位于13m 高的裝置側循環水用戶回水管道中的位差產生的壓力能。改造后原有的安保水箱仍保持原有的狀態運行。系統的補水線優化前接在低位水箱，優化后需要改接到回水總管上。改造的主要內容：①新增回水總管至循環水泵入口總管的跨線；②在原有的回水至低位水箱的回水總管上增加控制閥，用于停電時自動打開以保證系統的安保運行；③原有的為系統補水的控制方案需要調整，改接到回水總線上，同時需要增加一個調節閥，控制安保水箱的液位。

這部分壓頭占泵目前所提供揚程的23.9%，如果回收了這部分壓力能，可以提高泵入口壓力0.15MPa，泵可以減少耗電23.9%。兩套密閉循環水系統共開4 臺泵，每臺泵的額定功率400kW，根據現場測電表發現4 臺泵的實際電耗量為913kW。按照降低電耗23.9%計算，可節約電能218kW。

2）安保水箱進口管路優化

降低安保水箱的進水管線入口位置。優化后泵的揚程可以降低2m，兩套循環水系統降低泵的功率約27kW。

改造后三期和四期循環水系統流程圖見圖2。

圖2 優化后循環水系統工藝流程圖

（2）轉換環節-更換高效節能泵

量身定做揚程匹配的高效節能泵替換原有泵，改造后泵的運行狀態在最高效率點，因此效率得以提高，節約3%的電量，即27kW。

（3）緊急泄放流程的改造

改造后增加了大泄放閥和小泄放閥兩個調節閥，這兩個調節閥由泵的出入口壓差來控制，目的是防止泵突然停電時安保水箱的水可以自動流入低位水箱，保證循環水用戶的供水安全。

2.4 實施效果

此系統優化方案已于2016 年開始實施，通過以上三種改造措施，優化前泵的用電量913kW，優化后的用電量641kW，節約電量272kW，節電率30%，電價按0.5 元/kWh，每年可節電228 萬kWh，年經濟效益114 萬元。整個改造投資包括：泵1 臺，管線60m，調節閥2 個，以及配套的閥門和管件等，總投資80 萬元，投資回收期0.7 年。

3 結論

針對某化工企業的閉式循環水系統電耗高問題進行系統化分析，采用基于裝置側的循環水系統優化專利技術，在三個方面進行了改造：①甩開水箱的閉路回水；②使用高效節能泵；③管路設計優化。改造后，以上三個方面的節電潛力為272kW/h，節省電耗30%左右，為企業帶來了良好的經濟效益，每年可產生經濟效益114 萬元。目前系統運行情況良好，系統運行后方便工人操作。優化方法與結果，為其他化工企業的循環水系統改造提供了參考。