節能在循環水系統設計與改造優化分析

陸序

摘 ?要：循環冷卻水系統是一種常見的工業輔助冷卻系統，對維持主生產過程的安全以及延長生產設備的使用壽命起著極其重要的作用。目前，初始設計的循環冷卻水系統能夠滿足主生產過程的冷卻水需求，但存在較大的節能優化空間。因此，本文依托某鋼廠單位循環水系統進行優化設計和節能分析。首先利用水力學仿真軟件對循環水系統管路及核心設備進行建模，基于設計需水量分析了該鋼廠循環水系統的概況；其次，通過泵變頻、停泵、調閥和變管徑等措施分析并確定該循環水系統運行的最優方案；最后，采用最優方案后，泵的總功率降低了48.06%，冷卻水量減少了32.64%。改造后每年可節約電量1704.24兆瓦時，節水約39萬立方米，減少煤耗682噸，減少碳排放1775噸。

關鍵詞：循環水泵；工業水泵；循環水系統；優化設計

引言

隨著能源短缺和環境污染等問題的日益突出和節能減排工作的大力推進，節能降耗已經成為實現可持續發展的必然選擇。鋼鐵工業是中國國民經濟重要支撐，也是典型的資源、能源密集型行業。2020年中國粗鋼產量占全球粗鋼產量的56.7%，能源消耗占全國能源消耗總量的13%，碳排放占全國碳排放總量的15%[1， 2]。因此，在能耗“雙控”和“雙碳”的目標下，鋼鐵工業綠色低碳轉型發展是中國實現碳達峰、碳中和目標的重要支撐[3]。

循環水系統用于工藝過程冷（熱）量交換和傳送，是鋼鐵、電力、化工等流程必需的系統，具有極大的節能潛力。循環水系統主要由水泵、冷卻塔、凝汽器、管路等用水設備組成，其管網系統復雜、設備類型多。循環水系統主要依靠水泵為動力源來推動循環水的流動[4]。據統計，全國水泵的耗電量約2×1012 kW·h，占全國發電量的15%～21%。當前，工業循環水系統泵能耗占70％以上，運行能耗巨大[5， 6]。循環水系統的運行水平直接關系到系統能耗，影響整個生產系統的成本和績效[7]。目前，循環水系統運行管理過程主要取決于操作人員的經驗與水平，局限性較大，能耗水平較高，難以最大程度地發揮出循環水系統的經濟性[8]。因此，本文依據“經濟、合理、安全、可靠”的原則，對某鋼廠循環水系統進行優化設計與節能改造分析，在滿足系統安全穩定運行的同時，降低系統能耗，提高經濟效益[9]。

1.原始工況計算分析

1.1 循環水冷卻水系統建模

利用水力學仿真軟件建立某鋼廠循環冷卻水系統模型，該鋼廠循環水系統流程圖見圖1。

三臺循環水泵兩用一備，循環水通過一個支路流經兩臺凝汽器后，最終流向冷卻塔。三臺工業水泵兩用一備，循環水分兩個支路，一個支路為四臺水環真空泵、兩臺空冷器、四臺冷油器，另一支路流經取樣冷卻器、兩臺鍋爐給水泵、一臺循環風機和兩臺循環風機軸承。最終所有支路的循環水均流向冷卻塔，冷卻塔的工作原理是將冷水引入并不斷循環對設備進行冷卻，冷卻塔內的水被加熱產生水蒸氣通過塔頂排出[8]。

1.2循環水泵和工業水泵運行信息

正常工況下，水力學仿真軟件計算輸出的循環水泵和工業水泵的運行數據見表1。

分析正常工況下循環水水泵和工業水泵運行數據可知，循環水泵在大流量運行，已偏離最佳效率點約22%，如冷卻水池水位過低則易產生空化、過載運行，同時會造成耗能增大，浪費水資源。而工業水泵小流量偏工況運行，運行效率低。循環水泵和工業水泵的特性曲線如圖2、3。

因此，擬通過對機組循環水水泵低速功能，根據實際需求水量調節循環水泵運行方式，通過調速減少循環水泵電耗，降低廠用電負荷，提高電廠經濟性[10]。

1.3 凝汽器及用水設備運行信息

根據正常工況用水設備運行數據，實際運行的水量基本都遠大于需求水量，造成大量水資源的浪費。取樣冷卻器和鍋爐給水泵實際運行冷卻水量達不到要求，對工藝管道流程圖進行對比分析發現取樣冷卻器和鍋爐給水泵兩個設備支路的管徑均偏小，且取樣冷卻器和鍋爐給水泵下游循環風機的水量偏大。

2.循環水優化方案對比分析

由上可知，初始設計的循環水系統存在水泵運行狀態不佳、整體水量偏大、局部水量偏小、管徑選用不合理的問題。因此在保證滿足水量要求和設備安全穩定運行的前提下，對兩泵進行流量控制并且通過增大管徑和調閥的方式來平衡管網水量，節約能源。以原始方案為方案一，在對原始方案進行分析的基礎上進行三次改造優化。

2.1 方案二

在方案一中，取樣冷卻器和鍋爐給水泵實際運行冷卻水量達不到要求，原因是取樣冷卻器和鍋爐給水泵兩個設備支路的管徑同其他支路管徑相比均偏小，且取樣冷卻器和鍋爐給水泵下游循環風機的水量偏大。

嘗試在正常運行的基礎上將取樣冷卻器支路的管徑從D38×3.5增大至D45×3.5，將鍋爐給水泵支路的管徑從D32×3.5增大至D38×3.5，運行后發現取樣冷卻器實際運行冷卻水量可以達到要求，但鍋爐給水泵的冷卻水量仍達不到要求。因此，在增大兩個支路管徑的基礎上將鍋爐給水泵下游循環風機的閥門關度調至40%，使鍋爐給水泵的冷卻水量達到要求。

通過對用水設備運行數據進行分析和對比，取樣冷卻器和鍋爐給水泵的流量剛好達到要求，而且循環風機下游的循環風機軸承的冷卻水量也在要求的范圍之內。取樣冷卻器實際運行水量為18.178m3/h，需求水量為18m3/h，鍋爐給水泵實際運行水量為10.258m3/h，需求水量為7m3/h。取樣冷卻器和鍋爐給水泵雖然滿足了需求水量，但其他支路的水量依然偏大較多，對應泵的流量也大，運行工況依然不經濟。

2.2 方案三

為降低能耗和資源浪費，可以采用泵變頻技術，同時調節泵的揚程和流量，以和循環水系統相匹配，節約資源，降低費用[11]。因此，為了達到節水節能的目的，在方案二的基礎上通過泵變頻將兩臺循環水泵的總流量降至3400m3/h，并停用一臺工業水泵。循環水泵、工業水泵和各個用水設備的運行數據見表3。

循環水泵在進行調速運行后，流量降低，泵的功率降低，運動工況點更接近最佳效率點。工業水泵停用一臺后，泵的流量增大，單臺耗功升高，易發生過載。

通過對方案三進行分析，發現有工業水泵控制用水的取樣冷卻器水量不能滿足要求、循環風機電機和兩臺循環風機軸承的水量剛達到要求，而且停用工業水泵B后，工業水泵C超負荷運行導致其效率降低。循環水泵和工業水泵的特性曲線如圖4、5。

綜上，為了減少耗能在方案二的基礎上將兩臺循環水泵的總流量控制在3400m3/h，將工業水泵停用一臺后：

（1）循環水泵A和B的效率均提高了3.9%，因此泵運行的最佳效率點更接近最佳效率點。

（2）循環水泵的總功率降低了170.12kW。

（3）鍋爐給水泵的水量能達到要求，循環風機電機和兩臺循環風機軸承的水量剛達到要求，但取樣冷卻器的冷卻水量不能滿足要求。

（4）工業水泵的效率有所降低，原因是停用工業水泵B后工業水泵C超負荷運行所致。

2.3 方案四

通過對方案三的數據進行分析，發現工業水泵的一個支路中，水環真空泵、空氣冷卻器和冷油器的冷卻水量都偏大。在此，通過降低支路調節閥閥門開度，使管網的壓降平衡達到最優，水量的分配最為合理[12]。

因此，在方案三的基礎上調節控制水環真空泵、空氣冷卻器和冷油器水量閥門開度來降低水環真空泵、空氣冷卻器和冷油器水量，增大工業水泵另一支路中取樣冷卻器的水量。使工業水泵C流量降低的同時，取樣冷卻器的水量達到設計要求。方案四中工業水泵特性曲線如圖6。

綜上，將控制水環真空泵、空氣冷卻器和冷油器水量閥門開度調至30%，降低了水環真空泵、空氣冷卻器和冷油器水量，增大了取樣冷卻器和鍋爐給水泵水量，工業水泵C的效率提升了10.94%。

3.優化改造后經濟性分析

四種不同方案循環水泵和工業水泵的運行數據見表4。

通過分析對比，方案二和方案四的用水設備均可達到要求。

方案四和方案二相比：變頻后循環水泵的總功率降低了49.9%，冷卻水量減少了32.1%，運行效率點達104.2%，總效率提升了3.895%；禁用一臺工業水泵后，工業水泵的總功率降低42%，冷卻水量減少37.2%，運行效率點達106.1%，總效率提升1.5%。因此，推薦方案四的運行工況。

四種方案凝汽器冷卻水管冷卻水最小流速為1.0422m/s＞0.9m/s，最大流速為1.7169m/s＜2.5m/s，滿足相關規范要求[10]。

3.1 改造后用水量分析

目前，所設計的循環冷卻水系統都能夠滿足生產過程的冷卻需求，但也造成了不必要的資源浪費，因此存在較大優化空間。

方案四和方案一相比節約了大量水資源，方案一中總水量為5541m3/h，方案四中總水量為3732.6m3/h，冷卻水量減少了32.6%。每年除安排檢修外，循環水系統幾乎一直連續運轉，蒸發量按循環水量的1.8%計算，補充水量按蒸發量的1.5倍計算[13]。每年的運行小時數取8000h，則每年可節水約39萬m3。按工業用水水價4元/立方計算，每年可節省約156萬元。

3.2 改造后用電節省量分析

方案四和方案一相比節約了大量電能，方案一中循環水泵和工業水泵的總功率為443.27kW，方案四中循環水泵和工業水泵的總功率為230.24kW，總功率減少48.06%。以每年運行8000小時計算，則每年可節約電量1704.24MW·h，按電價0.7元/kW·h計算，每年節省約119萬元。

3.3 改造后碳排放分析

依據碳排放計算方法[14]，節約1m3水相當于減排0.194kg的二氧化碳，每年可減少二氧化碳排放約76t；節約1度電相當于減排0.997kg的二氧化碳，相當于節約0.4kg標準煤，則每年可減少碳排放約1699t，減少煤耗682t。方案一和方案四的碳排放計算如表6。

4.結論

為解決循環水系統能耗較高、效率低的現象[15]。采用水力學仿真軟件對某鋼廠循環水冷卻水系統進行建模，在滿足設備用水要求的條件下，對整個系統進行優化設計和分析計算。將管路中的兩臺循環水泵速率調至79.33%、工業水泵停用一臺、調節支路閥門開度及增大個別支路管徑來使整個系統處于較佳的狀態運行。與原始工程相比，泵的總功率降低48.06%，冷卻水量減少32.64%。改造后每年可節約電量1704.24兆瓦時，節省電費119萬元；每年可節水約39萬立方米，節省水費156萬元；每年減少煤耗682噸；減少碳排放1775噸。

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（作者單位：貴州能源集團 ?）