CN110298470A - 按需给能的一体化循环水节能技术 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种按需给能的一体化循环水节能技术，该技术步骤如下：S1.对循环水系统实际运行工况进行测量和分析；S2.对循环水系统现有负载端和需求侧的实际需求给出系统最优运行设计参数；S3.对循环水系统各个工位装置进行优化调整，确保各装置在最佳工艺点高效运行；S4.对循环水系统进行系统性调整，使设备运行效率最高，系统运行效率最佳，系统阻力损失最小，各换热器运行效率最佳。本发明解决现有的循环水系统能耗高、效率低、设备和系统不匹配的问题。

Description

按需给能的一体化循环水节能技术

技术领域

本发明涉及工业循环水领域，特别涉及一种按需给能的一体化循环水节能 技术。

背景技术

着国家低碳、节能、绿色、环保等政策的逐步推进，生产工艺改进、工业 节能减排、循环利用等措施将成为企业节能增效、可持续发展的重要途径。循 环水系统是化工、石油、钢铁等企业生产装置的重要组成部分，通常循环水系 统主要由冷却塔、风机、循环水泵、换热装置、管道阀门等组成。

一般循环水系统，如图1所示，主要由冷却塔、风机(含电机、减速机、 传动轴)、循环水泵、换热装置、管道阀门等组成。集水池1中的循环水经循 环水泵9升压后送至各用水装置(换热器12)，使用后的循环水经回水管返回 至冷却塔3，通过布水层2均匀的分洒在冷却塔的填料上，与冷却塔3塔顶风机 5抽入的空气呈逆向流动进行热交换，热水被冷却后流入塔下水池，再循环使用。 其中循环水泵用电机8驱动，风机的动力源一般为电机6驱动。

现有的循环水系统耗能较大，一般约占到企业总能耗的40％上下。由于技 术能力不足、系统设计余量关系、设备效率低下、企业节能意识差、管理水平 低等诸多原因导致循环水系统效率低下、能耗利用率偏低、能源浪费严重。

目前，循环水系统无论从设计、运行均有优化空间，但多数节能公司的节 能改造方案是针对单体设备(如循环水泵节能改造、电机变频改造、冷却塔节 能改造、高效风机、余热利用等)进行的局部改造优化，而循环水系统各设备 之间相互关联、相互影响，单一的设备局部调节或改造不可避免的会引起整个 系统的不匹配、不平衡，而这种影响如不进行系统优化消除，可能会影响系统 的节能效果，还经常会出现进行了节能改造部分的能耗降低，未进行改造的部 分能耗升高的情况，极端情况还会影响企业的生产运行，得不偿失。因此，针 对循环水系统的一体化优化节能技术对于降低企业系统能耗，增加企业效益， 提升企业竞争力,促进企业的可持续发展具有重要意义和深远影响。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本 发明的主要目的在于提供一种按需给能的一体化循环水节能技术，以从根本上 解决现有的循环水系统能耗高、效率低、设备和系统不匹配的问题。

为实现上述目的，本发明提供一种按需给能的一体化循环水节能技术，该 技术步骤如下：

S1.对循环水系统实际运行工况进行测量和分析；

S2.对循环水系统现有负载端和需求侧的实际需求给出系统最优运行设计参 数；

S3.对循环水系统各个工位装置进行优化调整，确保各装置在最佳工艺点高 效运行；

S4.对循环水系统进行系统性调整，使设备运行效率最高，系统运行效率最 佳，系统阻力损失最小，各换热器运行效率最佳。

进一步地，S1中对循环水系统实际运行工况进行测量和分析包括：泵组分 析、管路和阀门阻力分析、换热器分析、冷却塔分析、水轮机分析、风机分析。

进一步地，所述泵组分析包括：通过流量、进出口压力、阀门开度、电机 电压、电流、功率因数进行水泵及系统效率计算；

其中，水泵轴功率：

(I—水泵电机运行电流，U—水泵电机运行电压，—功率因数，η—电 机效率)

水泵实际效率：η_泵＝γ×H×Q/W_轴

系统效率：η_系统＝(γ×(H_总管-H_泵入口)×Q_总)/W_总

(γ—水容重，η_泵—水泵效率，η_系统—系统效率，Q—水泵流量，Q_总—系 统总流量，H—泵扬程，H_入口—泵入口压力，H_总管—给水总管压力，W_总—电 机总功率)。

进一步地，所述管路和阀门阻力分析包括：系统阻力损失包括管道沿程损 失、阀门局部阻力损失和系统局部阻力损失；

其中，沿程阻力是比由管道的管径、沿程阻力系数、管道长度和流体流速 确定。(其中，λ—沿程阻力系数；L—管线长度；d—母管内径； ρ—循环水密度；υ—流度；g—重力加速度)；

而沿程阻力系数λ：

(其中K—粗糙度，Re—雷诺数，μ—运动粘度)

局部阻力是由管道附件(弯头、三通、阀等)形成的，它由局部阻力系数、 流速确定；

局部阻力系数可以根据附件种类、开度大小查手册得出，阻力计算公式：

系统总阻力损失：

依据计算的系统阻力损失对系统实际阻力对比，分析阻力损失点，采用有 效的优化方法(如调节阀门开度、管路改造、设备改造等)降低系统阻力。

进一步地，换热器分析包括进出水温差、进出水压差及流量；

换热器的换热效率用传热系数的大小来表征：

其中，δ—换热管壁厚；λ—换热管的导热系数；dm—换热管的平均直径， 取di和do的对数平均；Ri—管程污垢热阻；Ro—壳程污垢热阻；Q—热量； m—质量流量；

依据换热器热平衡计算公式：Q＝KA△Tm＝C_Pm△t，换热器温升：

其中：Q—工艺热负荷，K—总传热系数A—换热面积，△tm—平均温差， C_P—定压比热容，△t—水侧温差

依据循环水温升情况，通过调整换热器进、出口阀门开度，测试换热器最 佳需求水量，合理避开换热器结垢和泥沙沉积流速对应的临界流量区间，找出 换热器的最佳实际需求流量；

所有换热器需求流量之和即为系统最佳需求流量，在留有合理安全余量的 基础上，确定泵组的最佳流量。

进一步地，所述冷却塔分析包括：测试冷却塔实际进水温度、出水温度、 冷却塔风机转速，结合冷却塔设计参数，分析冷却塔实际运行工况。

进一步地，所述水轮机分析需要先判断循环水系统现有富余能量是否足够， 保证系统与设备参数的相互匹配；

其中，依据冷却塔风机电机运行参数，

其中，I—风机电机运行电流，U—风机电机运行电压，—电机实际功 率因数，η1—电机效率，η2—传动装置效率；

水轮机做功压力：H＝W轴/(γ×Q×η)；

其中γ—水容重，Q—水轮机额定流量，H—水轮机做功压力，η—水轮机效 率；

其中，水轮机出口至布水层位差所产生的重力压为Hs，水轮机做功压力H， 布水压力为1m，则水轮机入水压力为H4＝H-Hs+1，系统所需回水压力H_需回 ＝H1+H2+H3+H4；

依据计算的所需回水压力与系统实际运行回水压力对比，判断富余能量是 否满足水轮机运行要求；

如果水轮机所需的回水压力小于系统实际运行的回水压力，则现有回水压 力可完全满足水轮机做功要求，在达到同样的降温效果时水轮机不耗电，冷却 塔节电率可达100％；

如果水轮机所需回水压力大于系统实际运行的回水压力，则需要分析水泵 扬程、系统管路损失、阀门开度等问题，通过系统调节，使系统阻力损失减至 最小，使回水压力提高，达到水轮机做功要求。

更进一步地，所述风机为碳纤维材料制成。

更进一步地，循环水系统改造顺序从先到后为：风机、水轮机、泵组、换 热器、水泵、冷却塔。

更进一步地，循环水系统还设有监控系统，用于对各设备运行参数进行实 时监控。

本发明有益效果如下：

1)本发明是把循环水的整体能耗作为节能考核的基数，有别于原有的局部 设备节能改造，从根本上避免了改造部分局部节能，其他部分能耗可能增加的 情况，是一种真正意义上的系统节能。

2)本发明是根据循环水系统需要换热的工质或设备工艺等的实际需求，进 行水量配置，以达到“按需给能”的目的。而依据实际工艺需求水量、工艺管路特 点、已有装置的布局，结合最先进的制造工艺，量身定制的供能设备是实现“按 需给能”的手段。

3)本发明满足各类循环水系统改造项目及新建项目，不仅适用“大马拉小 车”工况，还适用“小马拉大车”的工况；

4)本发明可长期保持系统和设备高效、稳定运行，适用于石油、化工、 钢铁、市政、建筑等各类企业的循环水系统；

5)本发明是一种针对循化水系统最大化的能效利用方案，不仅可以减少设 备数量、功耗，甚至还可以减少冷却塔数量。

6)本发明可以根据系统实际运行工况进行多种节能方式的组合，在监控系 统的指导下，结合工艺需求调整，改造包括1)泵或泵组；2)泵+水轮机；3) 水轮机+风机；4)泵+水轮机+风机。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施 例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述 中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付 出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为本发明系统连接示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清 楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不 是全部的实施例。

基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提 下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、 后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置 关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随 之改变。

在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另 有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义 理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是 机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连， 可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。 对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中 的具体含义。

另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本 领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实 现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

一种按需给能的一体化循环水节能技术，该技术步骤如下：

S1.对循环水系统实际运行工况进行测量和分析；

S2.对循环水系统现有负载端和需求侧的实际需求给出系统最优运行设计参 数；

S3.对循环水系统各个工位装置进行优化调整，确保各装置在最佳工艺点高 效运行；

S4.对循环水系统进行系统性调整，使设备运行效率最高，系统运行效率最 佳，系统阻力损失最小，各换热器运行效率最佳。

本发明目的在于提供一种“按需给能”的一体化循环水节能技术，充分考 虑到全系统各设备环节的相互影响，从根本上解决循环水系统能耗高、效率低、 设备和系统不匹配的问题。

其具体步骤如下：

步骤1，现场调研：

现场调研，采集循环水系统各设计、运行参数，对循环水系统进行整体运 行性能测试。采集的数据包括供回水压力、温度、流量、换热器流量、高度、 温差、水泵、冷却塔、风机等各设备设计及运行工况、阀门开度、能耗等。

步骤2，泵组分析：

根据精确采集或测量的循环水泵及泵组设计、运行参数，对水泵效率进行 能耗分析，判断水泵及泵组运行效率及阻力损失。

其中，针对循环水泵及泵组的运行参数，如泵的流量、进出口压力、阀门 开度、电机电压、电流、功率因数等，采用如下数学公式进行水泵及系统效率 计算。

水泵轴功率：W_轴＝1.732×U×I×cosφ×η

(I—水泵电机运行电流，U—水泵电机运行电压，cosφ—功率因数，η—电 机效率)

水泵实际效率：η_泵＝γ×H×Q/W_轴；

系统效率：η_系统＝(γ×(H_总管-H_泵入口)×Q_总)/W_总；

(γ—水容重，η_泵—水泵效率，η_系统—系统效率，Q—水泵流量，Q_总—系 统总流量，H—泵扬程，H_入口—泵入口压力，H_总管—给水总管压力，W_总—电 机总功率)

目前按三元流流场设计的循环水泵效率一般在85-92％之间，若水泵核算的 实际运行效率低于80％，则通过匹配高效泵，可大幅提升效率，降低能耗。

循环水泵的作用是克服管路的阻力损失，为系统提供所需的水量。若经核 算循环水泵效率较高，可针对原系统的冷却塔、换热器、系统管路、阀门阻力 等环节综合考虑，重新计算系统总阻力损失。

其中，系统管路阻力可通过管路优化减小，换热器、阀门的阻力损失可通 过开度调节减小或消除，此时系统阻力损失最小，可在满足系统需求情况下， 提出更优化的设计参数，重新设计水泵参数(流量、扬程、效率)，实现节能 最大化。具体计算见步骤7。

步骤3，管路和阀门阻力分析：

系统阻力损失包括管道沿程损失、阀门局部阻力损失和系统局部阻力损失，

阻力损失可采用以下数学模型进行计算：

沿程阻力是比由管道的管径、沿程阻力系数、管道长度和流体流速确定。(其中，λ—沿程阻力系数；L—管线长度；d—母管内径；ρ—循 环水密度；υ—流度；g—重力加速度)。而沿程阻力系数λ：

(其中K—粗糙度，Re—雷诺数，μ—运动粘度)

局部阻力是由管道附件(弯头、三通、阀等)形成的，它由局部阻力系数、 流速确定。局部阻力系数可以根据附件种类、开度大小查手册得出，阻力计算 公式：

系统总阻力损失：

依据计算的系统阻力损失对系统实际阻力对比，分析阻力损失点，采用有 效的优化方法(如调节阀门开度、管路改造、设备改造等)降低系统阻力。同 时，要充分考虑到系统流量变化对系统阻力的影响，流量越大阻力越大，水泵 扬程就需要的越高。

步骤4，换热器分析：

依据换热器进出水温差、压差及流量等参数，分析各用水换热器运行工况 及换热效率，与设计参数进行对比，提出换热器优化调节方案。

换热器的换热效率用传热系数的大小来表征：

其中，δ—换热管壁厚；λ—换热管的导热系数；dm—换热管的平均直径， 取di和do的对数平均；Ri—管程污垢热阻；Ro—壳程污垢热阻；Q—热量；m —质量流量。

依据换热器热平衡计算公式：Q＝KA△Tm＝C_Pm△t，换热器温升：

其中：Q—工艺热负荷，K—总传热系数A—换热面积，△tm—平均温差， C_P—定压比热容，△t—水侧温差

依据循环水温升情况，通过调整换热器进、出口阀门开度，测试换热器最 佳需求水量，合理避开换热器结垢和泥沙沉积流速对应的临界流量区间，找出 换热器的最佳实际需求流量。所有换热器需求流量之和即为系统最佳需求流量， 在留有合理安全余量的基础上，确定泵组的最佳流量。

步骤5，冷却塔分析：

依据系统运行数据，测试冷却塔实际进、出水温度、冷却塔风机转速，结 合冷却塔设计参数，分析冷却塔实际运行工况；

冷却塔能耗主要由两方面组成，一是风机能耗，二是配水能耗。冷却塔风 机的节能主要将玻璃钢风机替换为碳纤维风机，同时考虑到碳纤维风机叶片数 量、叶片直径、叶片角度与冷却塔风量、风筒型线、淋水密度、填料型式、收 水器的型式，合理设计碳纤维风机的参数。由于碳纤维风机重量轻、强度高， 能实现节能降耗的目的。

针对循环水系统普遍采用的机械通风逆流冷却塔，其主要耗能部分有：进 风口、塔收缩段、风筒、淋水填料、收水器等，通过对各部分尺寸、线性优化， 获得均匀流畅的气流通道，减小空气阻力，增大进风量，从而提高冷却塔效率。

为了减少冷却塔配水能耗，可通过采用动能回收型风筒、填料优化布置、 合理布置冷却塔的配水管道、采用高效喷头，收水器的型式位置优化来实现， 综合提高冷却塔效率，减少能量损失。

此外通过换热器监控系统，可实时监测换热器进出水温的变化，通过调整 冷却塔水量来满足换热器系统对于循环水水温的要求。对于冷却塔水量调整一 般通过调整运行方式、数量等手段实现。

步骤6，水轮机分析：

利用循环水系统富裕能量，在不增加水泵功耗、保证与原冷却塔降温效果 前提下，用水轮机取代传统的电机作为风机动力，使风机由原来的电力驱动改 为水力驱动，实现冷却塔100％节能。但并不是每个系统都能进行水轮机改造的， 许多失败案例就说明了这一点。

其中，采用水轮机替代原有的风机电机，就必须要判断系统现有富余能量 是否足够，保证系统与设备参数的相互匹配。

依据冷却塔风机电机运行参数，核算风机轴功率W轴＝1.732×U×I×cosφ ×η1×η2

其中，I—风机电机运行电流，U—风机电机运行电压，cosφ—电机实际功 率因数，η1—电机效率，η2—传动装置效率；

水轮机做功压力：H＝W轴/(γ×Q×η)

其中γ—水容重，Q—水轮机额定流量，H—水轮机做功压力，η—水轮机 效率；

如图1所示，水轮机出口至布水层位差所产生的重力压为Hs，水轮机做功 压力H，布水压力为1m，则水轮机入水压力为H4＝H-Hs+1，系统所需回水压力 H_需回＝H1+H2+H3+H4。

此时，依据计算的所需回水压力与系统实际运行回水压力对比，判断富余 能量是否满足水轮机运行要求。

如果水轮机所需的回水压力小于系统实际运行的回水压力，则现有回水压 力可完全满足水轮机做功要求，在达到同样的降温效果时水轮机不耗电，冷却 塔节电率可达100％。

如果水轮机所需回水压力大于系统实际运行的回水压力，则需要分析水泵 扬程、系统管路损失、阀门开度等问题，通过系统调节，如步骤3，使系统阻力 损失减至最小，使回水压力提高，达到水轮机做功要求。

水轮机设计参数的选择要依据循环水系统改造后设计的实际运行参数而不 是之前的参数来配置水轮机，这是水轮机改造的关键！

步骤7，碳纤维风机分析：

碳纤维风机具有强度高、重量轻、使用寿命长、效率高的优点，1)当系统 富裕能量不足以驱动传统的玻璃钢风机但差值不大时，可将玻璃钢风机改造为 高效碳纤维风机，风机轴功率减少，满足水轮机的运行要求。2)当系统能量富 余时，改造高效碳纤维风机可使风机风量增加，提高冷却塔降温效果。

步骤8，水泵参数的选定

由于水泵及水轮机的运行参数直接关系到系统的运行工况，包括流量、压 力、温度等，但各设备之间运行时又相互影响，系统处于一个动态变化的过程。

依据步骤3对系统进行优化调整，采用有效的调节方法(如调节阀门开度、 管路改造、设备改造等)降低系统阻力，从而选定最佳设计参数，最优化方式 匹配系统工况，保障系统高效运行。

流量：依据步骤3的分析，结合不同季节系统水量需求量及装置工况的变 化，根据现场水泵实际运行方式和运行安全，合理配置水泵数量及流量，可以 采用大泵+小泵组合的方式进行配置。

压力：依据步骤4的分析，可依据优化后的系统管路、阀门阻力损失，结 合换热器的高度并考虑一定的安全余量，综合选定水泵扬程。

1)若系统富余能量满足水轮机做功需求，则

hf_换热器+hf_管路阀门+h_{换热器高度}+h_安全余量＝H_{泵所需扬程}；

2)若系统富余能量不满足水轮机做功需求，则

hf_换热器+hf_管路阀门+h_{换热器高度}+H_所需回压-H_系统回压+h_安全余量＝H_{泵所需扬程}；

换热器管程压降：hf_换热器＝ΔP_l+ΔP_r+ΔP_N，即流体流过直管部分、管程回 弯和管箱进出口的压力降之和，

其中，N—管程数；μ_w—壁温下的粘度,Pa.s；f_i—管内摩擦系数；N_u—管箱 进出口流速,m/s。

循环水泵参数的选取要综合考虑电机功率、系统所需流量、系统阻力、冷 却塔降温效果、以及水泵结构、叶轮尺寸、自身效率、泵体材料等因素，确保 水泵能够长期稳定运行在高效区，同时满足系统工艺需求。

步骤9，监控系统：

循环水系统的流量、温度、压力等参数是动态变化的，各设备的正常运行 对装置运行至关重要，通过监控系统对各设备运行参数进行实时监控，可以方 便设计、运行、操作人员对循环水系统进行运维管理。

针对系统换热器及管路阀门进出水温差、压差及流量等参数，采用监控系 统实时采集相关数据，通过后台专家诊断系统计算换热器换热量及换热效率， 分析和预判换热器可能出现的堵塞、结垢、水量不足等问题，为换热器及设备 的安全运行提供保障。

步骤10，一体化节能：

通过以上8个步骤，体现了“按需给能”的一体化节能技术。通过对循环 水系统各个环节的详细分析、设备节能改造、全系统调整、节能优化，使设备 运行在最佳工况点，系统阻力损失最小，系统运行效率最高。

后期运行，要关注循环水系统季节变化及用水需求的变化，始终坚持“按 需给能”的原则，既保证工艺系统正常的用水需求，又确保所有设备高效稳定 运行，通过“按需给能”的系统节能优化改造真正实现循环水系统的节能目标 最大化。

本发明除节能外，还提供了一种新型循环水系统改造顺序，以消除用户关 于水轮机的能耗是由水泵额外提供的误区，即循环水一体化改造先从水轮机驱 动风机改造开始，水轮机改造投运后看水泵功耗是否增加，不增加的基础上再 进行其它部分改造。

将循环水回水在进入布水喷头前还未释放的富余能量回收利用，驱动水轮 机带动风机旋转。

水轮机改造成功后，再进行泵组的整体改造，使改造后的水泵运行在高效 区，泵组运行在最佳工况点，同时提供满足水轮机运行的需要能量，换热器需 求的水量(满足换热量需求)。接着再通过换热器的运行参数进行系统调整， 消除不必要的系统阻力，对系统前端(水泵侧)末端(冷却塔测)进行水量匹 配，冷却塔数量匹配。一般按照这样的方式进行多次调整匹配后，循环水系统 将会达到“按需给能”的最佳状态。从2012年开始至今进行的多个工程实践， 均验证了上述发明的可行性及有效性。

实施例1

本实施例为某化工厂，该厂循环水系统供2套生产装置(合成、尿素)换热 器用水，主要设备包括7台循环水泵、23台换热器、9台冷却塔、9台玻璃钢风 机等。我们对该循环水系统进行整体优化节能技术改造后，吨水能耗从 0.32kW.h/t下降到了0.15kW.h/t，节能率达53％，节能效益非常显著。

我们采用本“按需给能”的循环水系统一体化节能技术对该循环水系统进行 分析：

步骤1，现场调研：

现场调研，采集循环水系统各设计、运行参数，发现系统水量不足、阻力 损失大、冷却塔降温不佳、能耗高。

冷却塔上塔阀门开度约30％，系统上塔憋压严重，单塔实际流量1960m³/h， 远低于设计流量3200m³/h，导致冷却塔运行效率较低。同时系统最高换热器高 点33m，冷却塔布水层高度11.5m，最高点到布水层有21.5m落差，回水势能白 白浪费；

对循环水系统各用水换热器进行调研，发现部分换热器水量不足导致出口 水温过高，工艺参数偏离，在满足装置工艺需求的前提下，我们适当调整了换 热器水量，使换热器水量分配最佳，减小系统阻力损失。

步骤2，泵组分析：

依据调研数据对循环水泵进行计算，核算水泵效率、功耗如下：

该系统有7台水泵，正常运行5用2备，水泵设计额定扬程53-54m，额定 流量5400m3/h，由于电机超流，实际运行压力在0.6MPa，单泵流量仅3500m3/h 左右,现水泵效率在55％-71％，水泵偏离工况点运行，水泵出口阀门开度在 25-40％，出口压力在0.6MPa左右，水泵憋压严重，阀门阻力损失过大，，能耗 较高。

针对上述实际，采用定制高效泵的方式进行改造，大幅提升效率，降低能 耗，水泵参数定制依据换热器需求参数。

步骤3，管路和阀门阻力分析：

现系统水泵出口压力55-64m，供水总管压力43m，从水泵出口至供水总管 阻力损失在12m以上，同时系统回水总管压力0.26MPa，系统供回水阻力损失 0.17MPa，系统阻力损失过大。对循环水系统管路进行分析，发现系统主要限流 点为：循环水泵出口阀门(开度25-40％)、冷却塔上塔阀门(开度30％)。

依据计算，若泵出口阀门阻力损失为9m，冷却塔上塔阀门阻力损失为8m。 改造后，通过系统优化调整，水泵出口阀门可全部打开，阀门阻力可大幅减小 至1.5-2m。

步骤4，换热器分析：

依据换热器温度、压差、流量等数据，计算各换热器传热系数为580-720W/(m².K),所有换热器均运行良好，但有个别换热器水侧压差过大。

依据循环水温升情况，在保证装置工艺正常生产工艺指示的前提下，通过 调整换热器进、出口阀门开度，平衡系统流量及各换热器流量分配，分析得出 现有循环水系统流量(17700m³/h)不满足夏季最大用水需求，重新设计循环水 投运总流量为23000m³/h。

步骤5，冷却塔分析：

原冷却塔为横流塔改造成逆流塔，原横流塔设计流量3200m³/h，实际运行 9开0备。冷却塔内部填料、收水系统、喷头等均运行良好。但现单塔实际运行 流量不足2000m³/h，淋水密度远低于设计值，风机风量仅1.42×10⁶m³/h，冷却 塔未在最佳效率区运行，导致冷却塔能耗高、效率低。

通过现场开阀试验验证，单塔实际过流量可达3500m³/h以上。如果将冷却 塔流量调整至3000-3200m³/h，可优化冷却塔运行方式为7用2备或8用1备， 使冷却塔运行在最佳效率区，保证冷却塔降温效果，同时满足水轮机驱动风机 需求，大幅降低能耗。

步骤6，水轮机分析：

依据现场采集的系统运行数据，计算水轮机运行所需回水压力(以9台冷 却塔中风机电机功率的最大值为准)见下表。

依据数据分析可知，系统中水轮机运行所需回水压力为22.5m，而系统回水 总管压力为27m，可完全满足水轮机运行需要。

该系统总水量21600m³/h，考虑到流量叠加损失，设计水轮机的流量为3200 m³/h，共7台(3200×7＝22400m³/h)完全满足系统水量要求。

改造水轮机后，上塔阀门可以全开，消除的阀门阻力转换成驱动水轮机的 动力，阀门阻力损失减小，现有回水压力不仅能够使水轮机正常运行，而且还 有部分的富余量，可通过调整风机角度或转速的方式提升系统降温效果。

步骤7，碳纤维风机的使用：

现系统运行回水压力为26m，水轮机需求回水压力25.5m，改造水轮机后， 上塔阀门全开，还具有一定的富裕能量。但现有玻璃钢风机由于刚度强度限制 无法进一步提高转速；而碳纤维风机的刚度、强度优于玻璃钢风机，重量大大 减轻，其输出轴功率会比玻璃钢风机大，通过增加风叶角度或提升风机转速的 方式提高风机的风量和风压，使冷却塔的降温效果得以提升。因此，将冷却塔 原玻璃钢风机全部改造为碳纤维风机(包含轮毂)，风机叶片直径、数量不变。

本项目中所改造的水轮机全部匹配碳纤维风机，以传统电机驱动玻璃钢风 机的转速136r/min为标准，分别测量原玻璃钢风机冷却塔和水动风机冷却塔的 风量、转速、振动见下表。

类别	转速(r/min)	风量(m<sup>3</sup>/h)	振动(mm/s)
				玻璃钢风机	136	1.42*10<sup>6</sup>	4.0
碳纤维风机	136	1.55*10<sup>6</sup>	0.8

通过对比发现，在该项目上使用碳纤维风机，在相同转速下，风量大于原 玻璃钢风机冷却塔，同时振动大幅下降。由于碳纤维风机强度、刚度优于玻璃 钢风机，通过增大水量可提高转速，增大角度可提高风量，对降温效果有更大 的提升空间。同时避免了风机因超转带来风叶折断的安全隐患。

步骤8，水泵参数的选定：

因原循环水系统流量不足，水量需增加至23000m³/h，改造后水泵运行方式 依然采用5用2备。水泵出口管路是设计院按5400m³/h标准设计的，若单泵额 定流量增大可能会引起泵出口阻力增加，水量无法提升，造成风险。

因此设计改造后单泵流量与原水泵保持一致。但如果都选用5400m³/h。考 虑到泵组运行的叠加损失风险、新泵与原系统管路的匹配性，同时考虑到系统 的安全余量，方案选定水泵形式为：大泵额定流量为5400m³/h，小泵额定流量 3400m³/h，运行方式4大1小(理论总流量25000m³/h)，这样既可保证系统 总流量，又可保证水泵运行安全(大小泵均有备泵)，实现系统的最佳匹配。

改造后，通过系统优化调整，水泵出口阀门可全部打开，阀门阻力可大幅 减小至不足1m。依据换热器监控系统，换热器部分阻力损失均在8m左右，最 高换热器高度33m。因此，由公式hf_换热器+hf_管路阀门+h_{换热器高度}+h_安全余量＝H_{泵所需扬程}计算 得出水泵所需的扬程为45m。

因此水泵扬程设计为45m即可满足工艺需求，系统投运后验证了设计的正 确性。

步骤9，监控系统：

该项目所采用的的监控系统包括两方面：

1)针对水泵及电机轴承温度、振动采用温度传感器、振动传感器，将测量 信号用电缆引出，接入DCS系统，能在DCS界面显示水泵、电机的温度、振动 参数，指导现场运行维护。针对水轮机采用振动温度一体化探头、转速探头， 将测量信号用电缆接入甲方DCS系统，实现水轮机运行关键数据的监控，提高 系统运行的安全性。

2)对系统主要换热器的进出口安装温度传感器、压力传感器，将测量信号 采用无线传输仪表远传至DCS系统，能够实时监控换热器进出口温度、压力参 数，对水温变化异常、压力变化异常及时作出分析和处理。

步骤8，一体化节能：

通过以上8个步骤，体现了“按需给能”的一体化节能技术。通过对循环水系 统各个环节的详细分析、设备节能改造、全系统调整、节能优化，使设备运行 效率最高，系统阻力损失最小，系统运行效率最高。

最终对整体优化节能改造，改造内容包括：

1.对7台水泵及电机进行整体改造，重新匹配水泵参数，同时对循环水管 路、阀门等进行改造或调整，使水泵运行在高效区。

2.系统回水富余能量大，可通过水轮机回收利用，实现整个系统的“按需给 能”，将电机冷却塔改造为水轮机驱动。

3.针对循环水系统换热器新增无线监控系统，对各用水换热器的进出口温 度及压差进行监控，依据监控数据合理分配调整循环水用量。

4.将冷却塔原玻璃钢风机更换为高效碳纤维风机，提高冷却塔运行效率， 提高降温效果。

5.冷却塔运行方式由9用0备调整为7用1备，增加四期空分后，未增加 冷却塔，改为8用1备的运行方式，不仅提升了冷却塔的运行效率，还对工艺 生产安全提供了有力保证。

6.对系统进行优化调整，合理分配换热器用水量，对系统管路阀门进行调 整，确保水泵、换热器、水轮机、风机、冷却塔等设备均高效运行，实现系统 能耗大幅降低，系统效率最佳。

我们确定的设备参数如下：

按此方案对循环水系统进行整体优化节能技术改造后，系统运行数据如下：

计算效益，该循环水系统吨水能耗下降了53％，年节电量可达3200万kW.h。

以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在 本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或 直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种按需给能的一体化循环水节能技术，其特征在于，该技术步骤如下：

S1.对循环水系统实际运行工况进行测量和分析；

S2.对循环水系统现有负载端和需求侧的实际需求给出系统最优运行设计参数；

S3.对循环水系统各个工位装置进行优化调整，确保各装置在最佳工艺点高效运行；

S4.对循环水系统进行系统性调整，使设备运行效率最高，系统运行效率最佳，系统阻力损失最小，各换热器运行效率最佳。

2.根据权利要求1所述的一种按需给能的一体化循环水节能技术，其特征在于，S1中对循环水系统实际运行工况进行测量和分析包括：泵组分析、管路和阀门阻力分析、换热器分析、冷却塔分析、水轮机分析、风机分析。

3.根据权利要求2所述的一种按需给能的一体化循环水节能技术，其特征在于，所述泵组分析包括：通过流量、进出口压力、阀门开度、电机电压、电流、功率因数进行水泵及系统效率计算；

其中，水泵轴功率：

(I—水泵电机运行电流，U—水泵电机运行电压，—功率因数，η—电机效率)

水泵实际效率：η_泵＝γ×H×Q/W_轴

系统效率：η_系统＝(γ×(H_总管-H_泵入口)×Q_总)/W_总

(γ—水容重，η_泵—水泵效率，η_系统—系统效率，Q—水泵流量，Q_总—系统总流量，H—泵扬程，H_入口—泵入口压力，H_总管—给水总管压力，W_总—电机总功率)。

4.根据权利要求2所述的一种按需给能的一体化循环水节能技术，其特征在于，所述管路和阀门阻力分析包括：系统阻力损失包括管道沿程损失、阀门局部阻力损失和系统局部阻力损失；

其中，沿程阻力是比由管道的管径、沿程阻力系数、管道长度和流体流速确定。(其中，λ—沿程阻力系数；L—管线长度；d—母管内径；ρ—循环水密度；υ—流度；g—重力加速度)；

而沿程阻力系数λ：

(其中K—粗糙度，Re—雷诺数，μ—运动粘度)

局部阻力是由管道附件(弯头、三通、阀等)形成的，它由局部阻力系数、流速确定；

局部阻力系数可以根据附件种类、开度大小查手册得出，阻力计算公式：

系统总阻力损失：

依据计算的系统阻力损失对系统实际阻力对比，分析阻力损失点，采用有效的优化方法(如调节阀门开度、管路改造、设备改造等)降低系统阻力。

5.根据权利要求2所述的一种按需给能的一体化循环水节能技术，其特征在于，所述换热器分析包括进出水温差、进出水压差及流量；

换热器的换热效率用传热系数的大小来表征：

其中，δ—换热管壁厚；λ—换热管的导热系数；dm—换热管的平均直径，取di和do的对数平均；Ri—管程污垢热阻；Ro—壳程污垢热阻；Q—热量；m—质量流量；

依据换热器热平衡计算公式：Q＝KA△Tm＝C_Pm△t，换热器温升：

其中：Q—工艺热负荷，K—总传热系数A—换热面积，△tm—平均温差，C_P—定压比热容，△t—水侧温差

依据循环水温升情况，通过调整换热器进、出口阀门开度，测试换热器最佳需求水量，合理避开换热器结垢和泥沙沉积流速对应的临界流量区间，找出换热器的最佳实际需求流量；

所有换热器需求流量之和即为系统最佳需求流量，在留有合理安全余量的基础上，确定泵组的最佳流量。

6.根据权利要求2所述的一种按需给能的一体化循环水节能技术，其特征在于，所述冷却塔分析包括：测试冷却塔实际进水温度、出水温度、冷却塔风机转速，结合冷却塔设计参数，分析冷却塔实际运行工况。

7.根据权利要求2所述的一种按需给能的一体化循环水节能技术，其特征在于，所述水轮机分析需要先判断循环水系统现有富余能量是否足够，保证系统与设备参数的相互匹配；

其中，依据冷却塔风机电机运行参数，

其中，I—风机电机运行电流，U—风机电机运行电压，—电机实际功率因数，η1—电机效率，η2—传动装置效率；

水轮机做功压力：H＝W轴/(γ×Q×η)；

其中γ—水容重，Q—水轮机额定流量，H—水轮机做功压力，η—水轮机效率；

其中，水轮机出口至布水层位差所产生的重力压为Hs，水轮机做功压力H，布水压力为1m，则水轮机入水压力为H4＝H-Hs+1，系统所需回水压力H_需回＝H1+H2+H3+H4；

依据计算的所需回水压力与系统实际运行回水压力对比，判断富余能量是否满足水轮机运行要求；

如果水轮机所需的回水压力小于系统实际运行的回水压力，则现有回水压力可完全满足水轮机做功要求，在达到同样的降温效果时水轮机不耗电，冷却塔节电率可达100％；

如果水轮机所需回水压力大于系统实际运行的回水压力，则需要分析水泵扬程、系统管路损失、阀门开度等问题，通过系统调节，使系统阻力损失减至最小，使回水压力提高，达到水轮机做功要求。

8.根据权利要求2所述的一种按需给能的一体化循环水节能技术，其特征在于，所述风机为碳纤维材料制成。

9.根据权利要求1～8所述的一种按需给能的一体化循环水节能技术，其特征在于，所述循环水系统改造顺序从先到后为：风机、水轮机、泵组、换热器、水泵、冷却塔。

10.根据权利要求1～8所述的一种按需给能的一体化循环水节能技术，其特征在于，循环水系统还设有监控系统，用于对各设备运行参数进行实时监控。