循環(huán)水整體優(yōu)化技術(shù)在系統(tǒng)節(jié)能優(yōu)化中的應(yīng)用

王衛(wèi)兵 徐宗利 顏紅軍 張杰 黃洪俠

貴州黔希化工有限責(zé)任公司 貴州 畢節(jié) 551500

循環(huán)水系統(tǒng)是服務(wù)于主體生產(chǎn)裝置的冷卻系統(tǒng)，其安全高效運行是保障主體裝置生產(chǎn)長期穩(wěn)定運行的基礎(chǔ)，在對循環(huán)水系統(tǒng)進行改造時，應(yīng)以確保主體裝置不受影響為前提，充分考量不同改造思路，選取最優(yōu)方案。

1 系統(tǒng)基本配置及運行現(xiàn)狀

1.1 水場運行情況

B站綜合循環(huán)水水場運行主要數(shù)據(jù)，如表1所示：

表1 循環(huán)水系統(tǒng)運行參數(shù)（DCS數(shù)據(jù)）

1.2 裝置換熱器運行狀況

經(jīng)測量場內(nèi)換熱器，高位換熱器E1802A/B/C，標(biāo)高為31m，換熱器循環(huán)水管經(jīng)均為DN300，換熱器出口壓力為0.078MPa/25.5m，配備增壓泵（揚程：10m額定流量：3000m3/h）增壓，此換熱器用水量約占系統(tǒng)總水量1/3，經(jīng)對裝置其余換熱器檢查，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)壓力偏高造成能量損失。

2 節(jié)能潛力分析與改造建議

2.1 節(jié)能原理

循環(huán)水系統(tǒng)一般包含機泵單元、管網(wǎng)單元、冷卻塔單元、換熱器單元和控制單元，采用循環(huán)冷卻水系統(tǒng)整體優(yōu)化技術(shù)對上述5大單元分別進行優(yōu)化和改造。因該項目為我司供排水車間首次實施，我司選擇以水場能耗大戶循環(huán)水泵為主要節(jié)能點進行改造。

水泵能耗計算方法：

其中，P為電機功率，η1、η2分別為電機和水泵效率，H為水泵運行揚程，Q為水泵實際運行流量。若想實現(xiàn)水泵功耗降低，從能耗基本原理分析，途徑為優(yōu)化水泵運行揚程、流量和提高泵效[1]。

2.2 水泵效率分析與改造建議

目前B站綜合水泵平均運行揚程為46.1m，查詢性能曲線可知，4臺泵運行流量為7918t/h。實際運行效率＝（流量×揚程×9.8×密度）/循泵運行功率/η1＝76.5%。而一般定制化設(shè)計中開式雙吸離心水泵效率可達90%，存在優(yōu)化空間。建議采取整泵更換來進行改造，經(jīng)研究后供排水廠予以采納。

2.3 用戶流量分析與改造建議

由于熱量守恒原理可知，工藝物料放出的熱量與循環(huán)水帶走的熱量相等，換熱量與質(zhì)量流量、溫差、比熱容均有關(guān)。公式如下：

改造前B站綜合循環(huán)水系統(tǒng)流量經(jīng)核算為8500t/h。冷卻塔實際降溫溫差僅為6℃，小于其設(shè)計溫差10℃。經(jīng)核算，可以通過適當(dāng)減少用戶總水量，在冷卻塔氣水比增大后可以降低循環(huán)水供水溫度，從而在工藝溫度不變的情況下拉大換熱溫差，即Q循環(huán)水減小、但Δt增大，以保證循環(huán)水側(cè)帶走的熱量不降低。考慮上述僅為推論，為優(yōu)先確保主體裝置生產(chǎn)，供排水車廠未采納該思路。

2.4 系統(tǒng)阻力分析與改造建議

系統(tǒng)壓頭靠水泵提供，由于水泵出口閥、管力閥、上塔閥開度過小，局部流速過大或閥門本身阻力過大而造成水頭迅速下降的稱為局部壓頭損失，該損失導(dǎo)致系統(tǒng)能耗升高。系統(tǒng)阻力分布如圖1所示：

圖1 系統(tǒng)流阻分布圖

系統(tǒng)供水母管和回水母管壓力分別為0.379Mpa/1.3m和0.215Mpa/1.3m，系統(tǒng)壓差為16.1m。

計算依據(jù)：

該部分壓差為克服供水母管至回水母管間沿程阻力，確保循環(huán)水通過母管供給裝置換熱器并返回回水母管，該部分阻力為有效阻力，取值16.7m。同樣，冷卻塔上塔高度H塔為13m，循環(huán)水必須上塔冷卻完成整個熱力傳輸過程，該高度同樣視為有效阻力，取值13m。

冷卻塔上塔高度為13m，冷卻塔回水壓力為0.215MPa/1.3m，考慮上塔噴頭高度需要1.0m壓損（有效阻力），上塔管道及100%開度的上塔閥門均存在阻力（取值1.0m，有效阻力），冷卻塔各塔平衡調(diào)整需要1.0m阻力（有效阻力），則上塔阻力為7.2m，該部分阻力為上塔閥門開度小導(dǎo)致，稱為無效阻力。計算依據(jù)：

目前水泵出口阻力為7.8m，考慮即使水泵出口閥全開水泵出口流阻仍存在約1.5m有效阻力損失，則水泵出口至母管有效阻力為6.8m，由于水泵汽蝕及機械原因，可認為該阻力為無效阻力。

改造前B 站綜合循環(huán)水系統(tǒng)有效阻力為35.2m，無效阻力達到13.5m，無效阻力約占總流阻的27.7%，系統(tǒng)無效阻力存在優(yōu)化空間，故建議對水泵揚程進行優(yōu)化。

3 改造方案

3.1 定點設(shè)計定制高效葉輪

葉輪是離心泵的核心部件，其流動性能的好壞很大程度上決定了整個離心泵的性能，因此，葉輪的設(shè)計極為關(guān)鍵。在目前工業(yè)泵的設(shè)計過程中，葉輪的設(shè)計較多的是借助于經(jīng)驗，或者采用二元流動理論進行分析，再根據(jù)三維黏性流動分析的 結(jié)果進行修正。 這些設(shè)計方法均與葉輪內(nèi)的真實 三維黏性流動存在較大的差別，造成葉輪的效率 較低。另外，葉輪和蝸殼的匹配問題也至關(guān)重要，對于一個性能良好的葉輪，如果它和蝸殼的匹配 程度不好，就會導(dǎo)致泵內(nèi)各種流動損失，特別是沖擊損失的增加，進而導(dǎo)致整臺泵的實際運行效率的大幅度降低。 根據(jù)系統(tǒng)運行的壓力與整個循環(huán)水系統(tǒng)實際 所需流量的統(tǒng)計，對系統(tǒng)中所有的水泵進行量身定做，以滿足系統(tǒng)實際運行的需要。然后，利用相應(yīng)的“基于三維 CAD-CFD聯(lián)合的葉片泵整體優(yōu)化 技術(shù) ”，設(shè)計并加工制造3 臺高性能循環(huán)水泵，大幅度提高水泵效率，效率均高于 88%，材質(zhì)均為 304 不銹鋼。

3.2 優(yōu)化水泵揚程消除系統(tǒng)無效阻力

優(yōu)化改造前B站綜合配置水泵揚程47m，水泵出口閥門處于35%的開度值。B站綜合母管供水壓力0.33Mpa即可滿足裝置生產(chǎn)組需要。水泵實際運行揚程嚴重偏離額定工況點，導(dǎo)致水泵效率下降，水泵電耗增加，通過對水泵揚程優(yōu)化消除系統(tǒng)阻力，改造完成后泵出口閥門處于100%全開狀態(tài)[2]。

3.3 定點局部增壓

優(yōu)化前氣化廠E1802A/B/C換熱器處于高位，原增壓泵揚程：10m額定流量：3000m3/h，系統(tǒng)經(jīng)同步降壓后不滿足換熱器運行要求，更換增壓泵揚程：16m額定流量：3000m3/h，淘汰老舊設(shè)備，新泵投用后效率大大增加，對比舊泵運行電流下降40A

4 改造效果

黔希化工B站綜合改造于2022年6月20日完成了所有高效水泵的更換工作并對改造后的后的系統(tǒng)壓差、溫差、耗電量和水泵等實際運行情況進行統(tǒng) 計，主要運行指標(biāo)如表2、表3所示。

表2 改造前后循環(huán)水系統(tǒng)壓差對比及功耗統(tǒng)計

表3 系統(tǒng)溫差流量對比

注：因21年6月份裝置大修，因此選取21年8月份數(shù)據(jù)進行對比

說明：從改造前后參數(shù)對比可知，B站綜合三套循環(huán)水優(yōu)化改造后：①系統(tǒng)供回水壓差未降低；②系統(tǒng)供水量基本保持不變；③系統(tǒng)供回水溫差不低于改造前；④系統(tǒng)水泵耗電量有所下降。

數(shù)據(jù)測算和運行效果證明：本次改造后循環(huán)水系統(tǒng)在不降低主體裝置換熱的情況下取得了節(jié)電效果。

5 節(jié)能效益分析

B站綜合循環(huán)水系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)整后小時節(jié)約功率為563.03kW，節(jié)電率為41.07%，按年運行7600h計算，年節(jié)電量為427.9萬度。按電價為0.45元/度計算，每年節(jié)約電費 192.56 萬元，按照設(shè)備費用200萬元、每年操作維護費用20萬元、每年折舊費用20萬元計算，本次對供排水車間B站綜合循環(huán)水系統(tǒng)的改造在10年折舊期內(nèi)累計可產(chǎn)生2325.6萬元，經(jīng)濟效益十分顯著[3]。

6 結(jié)束語

1）本次對供排水廠B站綜合循環(huán)水系統(tǒng)從水泵源頭改造，在改造方案確定過程中理論支持充分、實踐操作得當(dāng)，所選擇的改造路線優(yōu)先保證了主體裝置。

2）B站綜合循環(huán)水采用優(yōu)化水泵揚程、提升水泵效率技術(shù)路線改造后，設(shè)備一次投運成功，長期穩(wěn)定運行，降低了供排水廠的電耗，經(jīng)濟效益顯著，此次改造取得成功。