CN113465276A - 一种工业循环冷却水系统及其节能操作方法 - Google Patents

一种工业循环冷却水系统及其节能操作方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种工业循环冷却水系统及其节能操作方法，系统包括通过管道闭环依次串联的冷却塔、第一水泵、第一阀门、末端工艺设备、低位水池、第二水泵及第二阀门，所述冷却塔内的顶部设有一端与冷却塔进水管道连通的布水器，布水器下方设有填料；所述冷却塔正上方设有风机，所述风机的转轴两端分别与伺服电机和水轮机连接，冷却塔的上方设有高位水池，冷却塔的底部通过管道依次和第三水泵、第三阀门以及高位水池顶部连通，高位水池的底部通过管道与水轮机的进水管道连通，高位水池和水轮机之间的连通管道上设有第四阀门，水轮机的出口通过管道与冷却塔的底部连通。本发明稳定可靠、操作简便、节能效果好，且能充分考虑当地气象和地理条件。

Description

一种工业循环冷却水系统及其节能操作方法
技术领域
本发明属于工业循环冷却技术领域，具体涉及一种工业循环冷却水系统及其节能操作方法。
背景技术
工业循环冷却水系统广泛存在冶金、化工等流程工业的各个领域，用于冷却工艺设备和物料。当前工业循环冷却水系统主要面临两个方面的技术问题：一方面是系统中的风机水泵等动设备运行能耗较高，需要尽量节约能耗；另一方面是高温湿润天气情况下，循环冷却水系统中的冷却塔制冷能力不足，有可能无法满足水温的控制需要。目前公知技术中关于工业循环冷却水系统的节能改造等报道较多，但是对其当地的具体气候特点和天气变化因素考虑较少。
因此，有必要突破现有公知技术的局限，尽量考虑当地气候和地理条件，因地制宜地发展新型工业循环冷却水系统及其节能操作方法。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供一种结构简单、操作简便、稳定可靠、节能效果好，且能充分考虑当地气象和地理条件的工业循环冷却水系统及其节能操作方法。
本发明解决上述问题的技术方案是：一种工业循环冷却水系统，包括通过管道闭环依次串联的冷却塔、第一水泵、第一阀门、末端工艺设备、低位水池、第二水泵及第二阀门，所述冷却塔内的顶部设有一端与冷却塔进水管道连通的布水器，布水器下方设有填料；所述冷却塔正上方设有风机，所述风机的转轴为竖直设置，所述风机的转轴与伺服电机连接，所述风机的转轴通过齿轮箱(10)与水轮机的转轴连接，所述冷却塔的上方设有高位水池，所述冷却塔的底部通过管道依次和第三水泵、第三阀门以及高位水池顶部连通，所述高位水池的底部通过管道与水轮机的进水管道连通，高位水池和水轮机之间的连通管道上设有第四阀门，所述水轮机的出口通过管道与冷却塔的底部连通。
上述的工业循环冷却水系统中，所述高位水池的底部与冷却塔的顶部之间的垂直距离大于10米。
上述的工业循环冷却水系统中，所述第一水泵、第二水泵和第三水泵的入口连接的管道上分别设有第一流量计、第二流量计、第三流量计，所述高位水池和水轮机之间连通的管道上设有第四流量计。
上述的工业循环冷却水系统中，所述高位水池的外壁包覆有保温材料。
一种上述的工业循环冷却水系统的节能操作方法，分为常规模式、凌晨模式和正午模式这三种操作模式：
常规模式：关闭第三阀门和第四阀门，关闭第三水泵，断开风机与水轮机的传动连接，使伺服电机按风机的额定转速运行，开启第一水泵和第二水泵，调节第一阀门和第二阀门的开度使第一水泵和第二水泵均以循环冷却水系统设计流量值Qr运行；
凌晨模式：开启第三阀门，关闭第四阀门，开启第三水泵，断开风机与水轮机的传动连接，使伺服电机按风机的额定转速运行，开启第一水泵和第二水泵，调节第一阀门的开度使第一水泵以循环冷却水系统设计流量值Qr运行，调节第二阀门的开度使第二水泵以循环冷却水系统最大许可流量值Qm运行，调节第三阀门的开度使第三水泵的运行流量值为循环冷却水系统最大许可流量值Qm和设计流量值Qr之差；
正午模式：关闭第三阀门，开启第四阀门，关闭第三水泵，开启风机与水轮机的传动连接，使伺服电机以功率补偿方式带动风机以额定转速运行，开启第一水泵和第二水泵，调节第一阀门的开度使第一水泵以循环冷却水系统最大许可流量值Qm运行，调节第二阀门的开度使第二水泵以循环冷却水系统设计流量值Qr运行，调节第四阀门的开度使通过水轮机的流量值为循环冷却水系统最大许可流量值Qm和设计流量值Qr之差。
上述工业循环冷却水系统的节能操作方法中，所述工业循环冷却水系统全天候运行，其中凌晨模式的运行时间段为零时时刻之前的a小时至零时时刻之后的b小时，正午模式的运行时间段为十二时时刻之前的a小时至十二时时刻之后的b小时，全天中除去凌晨模式和正午模式的其他时间段则为常规模式的运行时间段， a为1至2之间，b为2至4之间。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明结构简单，其在凌晨前后的时间段，大气温度低且电价较低、电力资源宽裕，冷却塔内温度较低的空气和温度较高的循环水之间温差较大，冷却塔制冷能力较强，充分利用这一特点，使第二水泵以循环冷却水系统最大许可流量值Qm运行，通过冷却塔的循环水流量较大，制冷量较大，而多余的循环冷却水则通过第三水泵输送至高位水池存储，高位水池中存储循环冷却水具有较低的温度和较大的重力势能。而在正午前后的时间段，大气温度高且昼间电价较高电力资源相对紧张，冷却塔内温度较高的空气和循环水之间温差较小，冷却塔制冷能力较弱，故将此前晚间存储在高位水池中温度较低的循环冷却水补充供给至末端工艺设备以满足工艺生产过程冷却的需要，而通过冷却塔的流量（第二水泵的运行流量）仍然为流量循环冷却水系统设计流量值Qr；同时，存储在高位水池中的循环冷却水重力势能较高，让其经水轮机对外输出机械功带动风机旋转，并同时使伺服电机以功率补偿方式带动风机以保证其按额定转速运行，确保冷却塔具有一定的制冷能力；存储在高位水池中的循环冷却水经经水轮机对外输出机械功后，并未流经冷却塔内的布水器和填料，而是直接流入冷却塔底部，这避免了存储在高位水池中的较低温度的循环冷却水和末端工艺设备回流至冷却塔的较高温度的循环冷却水混合，从而充分保证了冷却塔内空气和冷却水之间具有尽可能大的温差以尽量利用冷却塔的制冷能力。
除去凌晨时段和正午时段之外的其他时段，循环冷却水系统按照常规的方式运行，此时通过调整齿轮箱来断开风机与水轮机的传动连接，避免水轮机空转带来的机械能损耗。凌晨时段高位水池获得补水，低位水池内水位逐渐下降，而正午时段高位水池获得排水，低位水池内水位逐渐上升，由于高位水池的补水和排水流量及时间均相等，故全天来看低位水池的水位基本不变，整个系统保持稳定运行。
此外，若当地存在较大的地势高差，则高位水池可建造在地势较高的地点以节约其土建成本。因此，本发明能充分利用了某些区域昼夜温差显著、多山地且晚间峰谷电价较低的特点，在气温低、电价便宜的凌晨时段适当加大通过冷却塔的循环水流量，并将多余的循环水存储至高位水池；而气温高、电价贵的正午时段则将高位水池存储的水温低、重力势能大的循环水通过水轮机排出，同时利用了其低温“冷能”和重力势能，克服了正午时段冷却塔制冷能力不足的缺点，并适当加大了流经末端工艺设备的流量，保障其对用水温度和换热的要求。操作方便，可靠性高。
附图说明
图1为本发明的工业循环冷却水系统的结构示意图。
其中：1为冷却塔、2为第一水泵、3为第一阀门、为末端工艺设备、5为低位水池、6为第二水泵、7为第二阀门、8为伺服电机、9为风机、10为齿轮箱、11为水轮机、12为高位水池、13为第三水泵、14为第三阀门、15为第四阀门，16第一流量计，17、第二流量计，18、第三流量计，19、第四流量计；箭头的指向为该管道内循环水的流动方向。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
如图1所示，本发明的工业循环冷却水系统，包括通过管道依次闭环串联的冷却塔1、第一水泵2、第一阀门3、末端工艺设备4、低位水池5、第二水泵6、第二阀门7，所述冷却塔1内的顶部设有布水器101，布水器101一端连接在第二阀门7出口与冷却塔1连通的管道上；布水器101下方设有填料102。
所述冷却塔的正上方设有风机9，所述风机9的转轴为竖直设置，所述风机9的转轴下端与伺服电机8连接，所述风机9转轴上端通过齿轮箱10与水轮机11的转轴连接。所述冷却塔1的上方还设有高位水池12，所述高位水池12的底部与冷却塔1的顶部之间的垂直距离大于10米。高位水池12的外壁包覆有保温材料，以使其外壁具有较好的隔热效果。所述冷却塔1的底部通过管道依次和第三水泵13、第三阀门14及高位水池12顶部连通，所述高位水池12的底部通过管道与水轮机11的进水管道连通，高位水池12和水轮机11之间的连通管道上设有第四阀门15，所述水轮机11的出口通过管道与冷却塔1的底部连通。所述第一水泵2、第二水泵6和第三水泵13的入口连接的管道上分别设有第一流量计16、第二流量计17、第三流量计18，所述高位水池12和水轮机11之间连通的管路上设有第四流量计19。
本发明的工业循环冷却水系统的节能操作方法，分为常规模式、凌晨模式和正午模式：
(a)常规模式：关闭第三阀门14和第四阀门15，关闭第三水泵13，调整齿轮箱10断开风机9与水轮机11的传动连接，使伺服电机8按风机9的额定转速运行，开启第一水泵2和第二水泵6，调节第一阀门3和第二阀门7的开度使第一水泵2和第二水泵6均以循环冷却水系统设计流量值Qr运行。
(b)凌晨模式：开启第三阀门14，关闭第四阀门15，开启第三水泵13，调整齿轮箱10断开风机9与水轮机11的传动连接，使伺服电机8按风机9的额定转速运行，开启第一水泵2和第二水泵6，调节第一阀门3的开度使第一水泵2以循环冷却水系统设计流量值Qr运行，调节第二阀门7的开度使第二水泵6以循环冷却水系统最大许可流量值Qm运行，调节第三阀门14的开度使第三水泵13的运行流量值为循环冷却水系统最大许可流量值Qm和设计流量值Qr之差。
(c)正午模式：关闭第三阀门14，开启第四阀门15，关闭第三水泵13，调整齿轮箱10开启风机9与水轮机11的传动连接，使伺服电机8以功率补偿方式带动风机9以额定转速运行，开启第一水泵2和第二水泵6，调节第一阀门3的开度使第一水泵2以循环冷却水系统最大许可流量值Qm运行，调节第二阀门7的开度使第二水泵6以循环冷却水系统设计流量值Qr运行，调节第四阀门15的开度使通过水轮机11的流量值为循环冷却水系统最大许可流量值Qm和设计流量值Qr之差。
其中凌晨模式的运行时间段为零时时刻之前的a小时至零时时刻之后的b小时，正午模式的运行时间段为十二时时刻之前的a小时至十二时时刻之后的b小时，全天中除去凌晨模式和正午模式的其他时间段则为常规模式的运行时间段，以上a为1至2之间，b为2至4之间。
实施例
某炼铁厂位于中国西北某地，该地区多山地，常年昼夜温差大，且夜间凌晨前后该地区执行较为便宜的峰谷电价。该炼铁厂使用循环冷却水系统对某工艺设备进行冷却，其组成请参照附图1。该循环冷却水系统最大许可流量值Qm和设计流量值Qr分别为600m3/h和500m3/h，风机9的额定转速和额定功率分别为750r/min和10kW，末端工艺设备4运行过程中流入其的循环冷却水的适宜水温范围为18℃至26℃。本实施例中，设定凌晨模式的运行时间段为零时时刻之前的1小时至零时时刻之后的2小时（即23时至次日2时），正午模式的运行时间段为十二时时刻之前的1小时至十二时时刻之后的2小时（即11时至14时），全天中除去凌晨模式和正午模式的其他时间段则为常规模式的运行时间段（即3时至11时以及即14时至23时）。本实施例中高位水池12位于山坡上，高位水池12位于冷却塔1的上部且高位水池12的底部与冷却塔1的顶部之间的垂直距离为15米。
以夏季某日为例，常规模式下，关闭第三阀门14和第四阀门15，关闭第三水泵13，调整齿轮箱10断开风机9与水轮机11的传动连接，使伺服电机8按风机9的额定转速750r/min运行，伺服电机8的耗电功率约11kW；开启第一水泵2和第二水泵6，调节第一阀门3和第二阀门7的开度使第一水泵2和第二水泵6均以循环冷却水系统设计流量值Qr=500m3/h运行。常规模式下，环境气温多在24℃至29℃的范围内，流入工末端工艺设备4循环冷却水的水温为在23℃至27℃的范围内，能够满足其冷却需求。
凌晨模式下，开启第三阀门14，关闭第四阀门15，开启第三水泵13，调整齿轮箱10断开风机9与水轮机11的传动连接，使伺服电机8按风机9的额定转速750r/min运行，伺服电机8的耗电功率约11kW。开启第一水泵2和第二水泵6，调节第一阀门3的开度使第一水泵2以循环冷却水系统设计流量值Qr=500m3/h运行，调节第二阀门7的开度使第二水泵6以循环冷却水系统最大许可流量值Qm=600m3/h运行，调节第三阀门14的开度使第三水泵13的运行流量值为循环冷却水系统最大许可流量值Qm和设计流量值Qr之差即100m3/h。凌晨模式下，环境气温多在18℃至22℃的范围内，流入工末端工艺设备4循环冷却水的水温为在17℃至20℃的范围内，能够很好地满足其冷却需求。
正午模式，关闭第三阀门14，开启第四阀门15，关闭第三水泵13，调整齿轮箱10开启风机9与水轮机11的传动连接，使伺服电机8按风机9的额定转速750r/min运行，由于水轮机11向风机9输出一定量的机械功，伺服电机8的耗电功率约7kW，比常规模式和凌晨模式降低了4kW左右，具有较为显著的节能效果；开启第一水泵2和第二水泵6，调节第一阀门3的开度使第一水泵2以循环冷却水系统最大许可流量值Qm=600m3/h运行，调节第二阀门7的开度使第二水泵(6)以循环冷却水系统设计流量值Qr=500m3/h运行，调节第四阀门15的开度使通过水轮机11的流量值为循环冷却水系统最大许可流量值Qm和设计流量值Qr之差即100m3/h。正午模式下，环境气温多在30℃至35℃的范围内，自冷却塔1内填料102区域热交换并流下的循环冷却水的水温在27℃至29℃之间，高于末端工艺设备4运行过程中所需适宜水温。由于高位水池12外壁包覆有保温材料，此前夜间存储在高位水池12中的循环冷却水的水温尚能保持在19℃至23℃的范围内，这部分较低温度的循环冷却水依靠其重力势能通过水轮机11对风机9做功后，流入冷却塔1底部并与自冷却塔1内填料102区域热交换并流下的循环冷却水混合，使得最终流入工末端工艺设备4循环冷却水的水温能够控制在25℃至27℃的范围内，能够基本满足其冷却需求。
反之，假设使用当前公知的常规方案，循环冷却水系统全天(尤其是正午)均在常规模式下运行，则正午时分自冷却塔1内填料102区域热交换并流下的循环冷却水的水温在27℃至29℃之间，高于末端工艺设备4运行过程中所需适宜水温，不能够满足其冷却需求。
本实施例提供的工业循环冷却水系统及其节能操作方法稳定可靠、操作简便、节能效果好且充分考虑当地气象和地理条件。本实施例中，在凌晨前后的时间段，大气温度低且电价较低、电力资源宽裕，冷却塔1内温度较低的空气和温度较高的循环水之间温差较大，冷却塔1制冷能力较强，则充分利用这一特点，使第二水泵6以循环冷却水系统最大许可流量值Qm运行，通过冷却塔1的循环水流量较大，制冷量较大，而多余的循环冷却水（其流量循环冷却水系统最大许可流量值Qm和设计流量值Qr之差）则通过第三水泵13输送至高位水池12存储，高位水池12中存储循环冷却水具有较低的温度和较大的重力势能。而在正午前后的时间段，大气温度高且昼间电价较高电力资源相对紧张，冷却塔1内温度较高的空气和循环水之间温差较小，冷却塔1制冷能力较弱，故将此前晚间存储在高位水池12中温度较低的循环冷却水补充供给至末端工艺设备4)以满足工艺生产过程冷却的需要，而通过冷却塔1的流量（第二水泵6的运行流量）仍然为流量循环冷却水系统设计流量值Qr；同时，存储在高位水池12中的循环冷却水重力势能较高，让其经水轮机11对外输出机械功带动风机9旋转，并同时使伺服电机8以功率补偿方式带动风机9以保证其按额定转速运行，确保冷却塔1具有一定的制冷能力；存储在高位水池12中的循环冷却水经经水轮机11对外输出机械功后，并未流经冷却塔1内的布水器101和填料102，而是直接流入冷却塔1底部，这避免了存储在高位水池12中的较低温度的循环冷却水和末端工艺设备4回流至冷却塔1的较高温度的循环冷却水混合，从而充分保证了冷却塔1内空气和冷却水之间具有尽可能大的温差以尽量利用冷却塔1的制冷能力。在除去凌晨时段和正午时段之外的其他时段，循环冷却水系统按照常规的方式运行，此时通过调整齿轮箱10来断开风机9与水轮机11的传动连接，避免水轮机11空转带来的机械能损耗。凌晨时段高位水池12获得补水，低位水池5内水位逐渐下降，而正午时段高位水池12获得排水，低位水池5内水位逐渐上升，由于高位水池12的补水和排水流量及时间均相等，故全天来看低位水池5的水位基本不变，整个系统保持稳定运行。此外，若当地存在较大的地势高差，则高位水池12可建造在地势较高的地点以节约其土建成本。因此，本发明充分利用了某些区域昼夜温差显著、多山地且晚间峰谷电价较低的特点，在气温低、电价便宜的凌晨时段适当加大通过冷却塔1的循环水流量，并将多余的循环水存储至高位水池12；而气温高、电价贵的正午时段则将高位水池12存储的水温低、重力势能大的循环水通过水轮机11排出，同时利用了其低温“冷能”和重力势能，克服了正午时段冷却塔1制冷能力不足的缺点，并适当加大了流经末端工艺设备4的流量，保障其对用水温度和换热的要求。本发明提供的工业循环冷却水系统及其节能操作方法，也可在现有的工业循环冷却水系统进改造而实施。
蒸发式空冷器组的动态节能评估方法及评估系统，选取某一台具有代表性的空冷器单机进行动态调节，这对蒸发式空冷器组整体的影响很小，不干扰整体正常工作；调节试验分步进行，每步风机运行频率和喷淋水流量的调节量均为定值，且单步调节过程优先按照总能耗下降最快的方式调节，而一旦某一步调节导致流出空冷器时循环冷却水温度超出许可值，则立即按其反方向予以回调，这能够以尽可能少的调节步骤安全快速地找到能耗最优时的风机运行频率和喷淋水流量参数组合配置；在调节计算过程，拟合获得变频风机功率和风机运行频率之间的函数关系式以及喷淋泵功率和喷淋水流量之间的函数关系式，并对这两个函数关系式求导，进而十分方便迅速地基于导函数来准确获得各单步调节方式对应的变频风机功率和喷淋泵功率的下降值。因此，本实施例提供的蒸发式空冷器组的动态节能评估方法科学合理、安全稳定、简单快速且准确度高，对应的评估系统普适性广、成本低廉。

Claims (6)

1.一种工业循环冷却水系统，其特征在于：包括通过管道闭环依次串联的冷却塔(1)、第一水泵(2)、第一阀门(3)、末端工艺设备(4)、低位水池(5)、第二水泵(6)及第二阀门(7)，所述冷却塔(1)内的顶部设有一端与冷却塔(1)进水管道连通的布水器(101)，布水器(101)下方设有填料(102)；所述冷却塔正上方设有风机(9)，所述风机(9)的转轴为竖直设置，所述风机(9)的转轴与伺服电机(8)连接，所述风机(9)的转轴通过齿轮箱(10)与水轮机(11)的转轴连接，所述冷却塔(1)的上方设有高位水池(12)，所述冷却塔(1)的底部通过管道依次和第三水泵(13)、第三阀门(14)以及高位水池(12)顶部连通，所述高位水池(12)的底部通过管道与水轮机(11)的进水管道连通，高位水池(12)和水轮机(11)之间的连通管道上设有第四阀门(15)，所述水轮机(11)的出口通过管道与冷却塔(1)的底部连通。
2.根据权利要求1所述的工业循环冷却水系统，其特征在于：所述高位水池(12)的底部与冷却塔(1)的顶部之间的垂直距离大于10米。
3.根据权利要求1所述的工业循环冷却水系统，其特征在于：所述第一水泵(2)、第二水泵(6)和第三水泵(13)的入口连接的管道上分别设有第一流量计(16)、第二流量计(17)、第三流量计(18)，所述高位水池(12)和水轮机(11)之间连通的管道上设有第四流量计(19)。
4.根据权利要求1所述的工业循环冷却水系统，其特征在于，所述高位水池(12)的外壁包覆有保温材料。
5.一种权利要求1-4中任一权利要求所述的工业循环冷却水系统的节能操作方法，分为常规模式、凌晨模式和正午模式这三种操作模式：
常规模式：关闭第三阀门(14)和第四阀门(15)，关闭第三水泵(13)，断开风机(9)与水轮机(11)的传动连接，使伺服电机(8)按风机(9)的额定转速运行，开启第一水泵(2)和第二水泵(6)，调节第一阀门(3)和第二阀门(7)的开度使第一水泵(2)和第二水泵(6)均以循环冷却水系统设计流量值Qr运行；
凌晨模式：开启第三阀门(14)，关闭第四阀门(15)，开启第三水泵(13)，断开风机(9)与水轮机(11)的传动连接，使伺服电机(8)按风机(9)的额定转速运行，开启第一水泵(2)和第二水泵(6)，调节第一阀门(3)的开度使第一水泵(2)以循环冷却水系统设计流量值Qr运行，调节第二阀门(7)的开度使第二水泵(6)以循环冷却水系统最大许可流量值Qm运行，调节第三阀门(14)的开度使第三水泵(13)的运行流量值为循环冷却水系统最大许可流量值Qm和设计流量值Qr之差；
正午模式：关闭第三阀门(14)，开启第四阀门(15)，关闭第三水泵(13)，开启风机(9)与水轮机(11)的传动连接，使伺服电机(8)以功率补偿方式带动风机(9)以额定转速运行，开启第一水泵(2)和第二水泵(6)，调节第一阀门(3)的开度使第一水泵(2)以循环冷却水系统最大许可流量值Qm运行，调节第二阀门(7)的开度使第二水泵(6)以循环冷却水系统设计流量值Qr运行，调节第四阀门(15)的开度使通过水轮机(11)的流量值为循环冷却水系统最大许可流量值Qm和设计流量值Qr之差。
6.根据权利要求5所述工业循环冷却水系统的节能操作方法，所述工业循环冷却水系统全天候运行，其中凌晨模式的运行时间段为零时时刻之前的a小时至零时时刻之后的b小时，正午模式的运行时间段为十二时时刻之前的a小时至十二时时刻之后的b小时，全天中除去凌晨模式和正午模式的其他时间段则为常规模式的运行时间段， a为1至2之间，b为2至4之间。
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