工業循環水系統節能改造技術方案比較

文/李文龍

工業循環水系統節能改造技術方案比較

文/李文龍

研究循環水泵和冷卻塔風機的節能是循環水系統節能改造的關鍵——工業循環水系統是工業生產企業中不可缺少的組成部分，各行各業應用廣泛，主要由冷卻塔、水泵和換熱系統組成，冷水流過需要降溫的生產設備（換熱設備，如換熱器、冷凝器、反應器）換熱后，返回冷卻塔，在冷卻塔內將溫度上升的循環水降溫，然后通過循環水泵加壓再次循環使用。

工業循環水系統中循環水泵、冷卻塔風機是用電大戶，占工業循環水系統能耗的95%以上，因此，重點研究循環水泵和冷卻塔風機的節能是循環水系統節能改造的關鍵。

設備概況

以某在運循環水系統為例，設計采用的工藝設計參數如下：

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

該工業循環水系統由冷卻塔、循環水泵、旁濾設施、加氯裝置、加藥裝置和循環冷卻水給水、回水管網組成。配備5臺水泵，選用某水泵廠生產的單級雙吸離心泵，運行方式為3開2備。

節能改造方案及比較

方案一：冷卻塔風機無電化改造

1. 循環水回水余壓分析

設計及實際運行時，循環水系統回水管網壓力在0.25 MPa，而循環水回水進入涼水塔頂噴頭冷卻的壓力僅需要0.11～0.13 Mpa，因此回水進入冷卻塔冷卻管網還存在結余壓力，計算分析循環水回水余壓的能量，研究此部分結余能量帶動水輪機做功的可行性，實現水輪機替代電機驅動冷卻塔風機轉動，最終達到節約電力消耗，提高循環水系統的能量利用率。

2. 循環水系統回水壓頭計算

循環水系統回水壓力為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：循環水耗能設備情況

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；-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為尾水負壓（虹吸現象）。通過上述計算可知循環水回水管網存在8.5 m富裕壓頭，再計算分析利用循環水回水余壓帶動水輪機做功的流量。即水輪機可利用水頭按H = 8.5 m計算，可以反算出滿足單臺水輪機功率工作需要的水量， P軸=ρ×g×Q×H÷3600×η可知單臺水輪機需要水量Q≈7 610 m3/h，由于循環水系統循環量為27 000 m3/h，最多可以滿足3臺水輪機滿負荷運行（7 610 m3/ h×3 = 22 830 m3/h），保證改造前后冷卻塔風機轉速基本不變。

所以，循環水系統計算回水余壓分析可以進行3臺4 500 M3冷卻塔風機改造，實現3臺水輪機替代電機驅動冷卻塔風機轉動；原3臺電機的總耗電功率實際消耗大約為442 kW/h，按照每年工作8 000 h，估計年可節電：442 kW×8 000 h=3536 000 kWh。

3. 循環水風機無電化改造結論

通過以上計算，可對其中3臺冷卻塔風機進行水輪機代替電機的無電化改造，降低了涼水塔風機電耗的50%。同時免除了對減速機、傳動軸、電機、電纜、橋架和配電系統的日常維護和保養工作。

方案二：循環水泵電機改造

1.循環水泵富裕流量的分析循環水系統以運行3臺循環水泵的方式為水循環提供動力，通過控制循環水回水閥門開度來保證循環水的供應壓力不低于0.49 MPa，回水壓力控制在0.25 MPa左右，滿足系統運行的實際揚程，但低于設計揚程。根據水泵的性能曲線圖（H-Q壓力與流量的關系），揚程降低流量增大至30 000 m3/h左右的循環水量（遠高于設計的27 000 m3/h），即存在有3 000 m3/h需求外循環量。因此，在保證系統需求實際揚程的情況下，嘗試循環水量以靠近設計參數值，研究盡量避免額外循環量來降低電耗。由循環水耗能設備情況一覽表可知，循環水泵的系統最大耗能設備，同時隨著高壓大功率電機變頻調速技術的成熟，因此對循環水泵電機調節方式進行變頻改造優化是可行的。

2. 變速變流量的節能原理

根據水泵的壓力-流量特性曲線，按照保證循環水系統壓力的要求，對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的變頻調速實現，同時是當代最先進、最可靠也是最高效的調速技術。

理論上泵類具有以下特點：

Q2/Q1=N2/N1

H2/H1=(N2/N1)2

P2/P2=(N2/N1)3

其中：Q為流量，H為揚程，P為功率，N為轉速。

Q1、H1、P1—水泵在N1轉速時的流量、揚程、功率。

Q2、H2、P2—水泵在N2轉速時相似工況下的流量、揚程、功率。

可以得出轉速、揚程、功率與節電率的變化表，如表2。

表2 轉速、揚程、功率與節電率的變化關系

依據以上計算公式與關系變化表，轉速降低、流量減小時，所需功率近似按流量的3次方大幅度下降。假如轉速降低一半，即：N2/N1=1/2，則 P2/P1=1/8，可見降低轉速能大大降低軸功率達到節能的目的。當轉速由N1降為N2時，水泵的額定工作參數Q、H、P都降低。但從效率曲線看，Q2與Q1點的效率值基本是一樣的。即當轉速降低時，額定工作參數相應降低，但效率不會降低，有時甚至會提高。因此在滿足操作要求的前提下，水泵仍能在同樣的效率下工作。

3. 節能實施途徑

在滿足實際生產的系統揚程和循環水量的情況下，將運行的3臺循環水泵其中一臺水泵改為變頻控制，出口流量由10 000 m3/h降至7 000 m3/h，滿足生產設計水量，對比如表3（每小時的節電功率以及水泵年運行節電量）。

表3 改造前后節能效率對比

表4：水泵葉輪直徑變化前后數據分析對比及經濟性分析

表5：循環水系統3種節能解決方案對比表

由以上統計數據的計算分析可以看出，采用一臺水泵變頻調速運行后，每年節電帶來的經濟效益明顯。

4.循環水泵增加變頻器結論

循環水泵變頻節電改造后，這個改造的這個變頻系統就相當于一個自動調節閥，用多少，供多少，實現供需平衡，節約能源。

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

當采用變頻調速時，50Hz滿載時功率因數為接近1，工作電流比電機額定電流值要低許多，這是由于變頻裝置的內濾波電容產生的改善功率因數的作用，可以為電網節約容量20%左右。

方案三：循環水泵改造

1. 現場循環水運行點數據分析

供水壓力：0.49 MPa

回水壓力：0.25 MPa

實際流量：30 000 m3/h

運行電流：112 A

水泵電機輸出功率：1 585 kW

現場泵安裝高度：倒灌2～3 m

泵出口壓力：0.56 MPa（G）

根據上述實際運行參數，循環水泵設計壓力高于實際運行壓力，實際循環水量也高于實際水量，從水泵性能參數可知循環水泵已偏離最高設計效率工況點；水泵工況點的改變除了改變系統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）。若將水泵設計壓力改造至接近略高于實際運行壓力，在滿足運行需求的前提下，將大大降低循環水泵功率。因此，有必要對其進行設備改造，以實現循環水泵的經濟運行。

2. 降低水泵出口壓力

通過對運行參數和水泵設計參數進行充分的分析比較，可對運行水泵進行削切葉輪、降低揚程改造。改造方案是通過切割循環水水泵葉輪，減小葉輪直徑，從而降低水泵出口壓力，保證循環水量不變，降低水泵電耗。

擬將循環水泵的揚程由52 m降至49 m，根據水泵葉輪的削切定律：

H1/H2=(D1/D2)2

Q1/Q2=D1/D2

P1/P2=(D1/D2)3

計算削切后的葉輪的相關數據如表4。

3. 循環水泵出口壓力改造結論

通過切削水泵葉輪直徑降低水泵出口壓力，保證系統流量需求且系統改動較小，改造成本低，且不增加運行維護量。但葉輪進行切割須經反復多次修正試驗后，改造工藝復雜還要重新做動平衡。

以上是對循環水系統改造節能3種方案的理論研究，挖掘循環水系統存在的富裕壓頭、富裕循環量，根據富裕能量的不同形式而通過3種不同的技術改造達到節能的目的。另外，將循環水系統的3種節能解決方案從改造投資，改造運行參數以及年節能量進行綜合比較見表5。

結語

在滿足核心設備的換熱需求下，通過技術改造方案實現循環水流量、壓力的調整，使企業在不改變原有生產規模的情況下，降低了企業的成本費用，直接經濟效益顯著。企業根據自身設計、運行特點出發，進行方案比較，選擇適合工廠的技術方案和實施路徑，實現循環水系統的經濟運行和節能增效。

本文作者系渭南陜鼓氣體有限公司總經理。