一種循環水系統的節能技術應用

于偉然, 趙永彬, 王 建

(聯泓(山東)化學有限公司, 山東滕州 277527)

根據國家有關規定,企業高溫產品和設備必須采用工業循環水冷卻。循環水系統在用于工藝過程冷(熱)量交換和傳送的過程中,涉及循環水泵組、管網、換熱裝置、制冷設備和冷卻塔等,主要依靠水泵作為動力源來推動循環水流動[1]。傳統循環水系統一般采用人工操作調節,控制循環水系統的溫度、流量、壓力等參數。循環水系統基本定流量運行,冷卻塔風機季節性調整運行臺數,存在較大的節能潛力。若仍以傳統方式運行,循環水系統不能根據氣候和生產負荷的變化,實時調整優化整個循環水流量和設備效率,設備運行能耗和管理成本較高,造成能源浪費。

通過技改搭建1套完整的人工智能、系統優化、自動控制管理平臺,可以徹底改變傳統循環水系統依靠人工操作、調節的運行管理模式,全面提升循環水系統的智能化、自動化水平。

1 傳統循環水系統主要流程

經換熱升溫后的循環回水靠余壓送至冷卻塔,經冷卻塔風機冷卻后的水落入循環水池并進入吸水池,由加藥系統不斷向循環水池投加緩蝕阻垢劑和殺菌滅藻劑,以穩定水質和殺菌滅藻,在提高濃縮倍數的同時,為穩定酸堿度,向系統投加一定量的硫酸。處理合格的水經循環水泵加壓送入循環水系統管網,供各循環水用戶。其中,循環水運行過程中因風吹、蒸發、排污等原因造成水量損失,需要不斷補充新鮮水至吸水池[2]。傳統循環水系統主要通過氣溫變化、用戶反饋進行循環水調整,不能實時根據系統需求進行優化。

2 改造原因

目前,循環水系統基本定流量運行,某系統下半年月平均溫度、壓力見表1。

表1 循環水供水溫度和壓力

由表1可知： 循環水系統1和循環水系統2基本上均屬于定壓運行,在相同管路且管路閥門開度調整不大的情況下,循環水量不會發生大的變化。

循環水系統1和循環水系統2的循環水站均位于廠區北側,用水裝置則依次分布在廠區南側,因用水裝置到循環水站的距離相差較大,造成位置較遠的裝置水量較少,不能很好地滿足裝置用水需求,循環水各支路存在水力不平衡的狀況。通過水力平衡調節調整不同裝置用水量,可以較好地滿足不同裝置的用水需求,提高生產效率。

目前,冷卻塔風機隨著天氣變化,基本呈季節性調整運行臺數的規律,未在冬季和過渡季節充分利用冷卻塔進行強制換熱,存在較大的節能潛力。

3 改造方案

在節能降耗的大背景下,循環水系統作為耗電主要用戶之一,優化其運行模式,達到節能的目的勢在必行。通過對該循環水系統進行優化節能分析,對循環水泵、冷卻塔風機增加變頻器,冷卻塔上水管增加電動調節閥,最高及最遠換熱器增加壓力傳感器,搭建了1套完整的人工智能、系統優化、自動控制管理平臺。該管理平臺通過循環水泵和冷卻塔風機增加變頻器實現循環水量和冷卻塔風量按需供給,動態調節。該項目實施后實現平均年節電率20%～30%,效益巨大。

3.1 循環水泵、冷卻塔風機增加高壓變頻器

3.1.1 循環水系統1改造內容

循環水系統1的循環水泵和冷卻塔風機運行模式為：(1) 除極端天氣對循環水泵臺數進行調整外,全年基本運行2臺1 400 kW循環水泵與1臺1 800 kW循環水泵。循環水泵配置備用泵,基本上每 2 個月倒1次泵。(2) 冬季只使用 3 臺冷卻塔風機,夏季開啟 6 臺冷卻塔風機,過渡季節根據天氣情況調整風機運行臺數。

基于以上運行模式和水泵倒泵需求,循環水泵共增加 3 臺變頻器,其中 2 臺 1 400 kW(一拖二)和 1 臺 1 800 kW(一拖二)高壓變頻器;冷卻塔風機增加 1 臺 800 kW 變頻器(一拖三)。

3.1.2 循環水系統2改造內容

循環水系統2的冷卻塔風機運行模式為：冬季只使用 2 臺風機,夏季開啟 4 臺風機,過渡季節根據天氣情況進行臺數調整。

基于以上運行模式,冷卻塔風機增加 1 臺 500 kW 變頻器(一拖二)。

3.2 冷卻塔上水管增加電動調節閥

循環水系統是開式系統,在完成水循環時既要克服管路壓降,又要克服靜水壓頭。采用變頻方式調節流量時,需要配合回水閥門調節,保證最高點及最遠點有足夠壓力完成循環。

3.3 增加壓力傳感器

在較遠或較高的裝置或換熱器上安裝壓力傳感器,監測循環水系統末端供水壓力,保證循環水可完成正常循環。壓力傳感器安裝可帶壓開孔,無需停車,不影響生產。

4 項目實施條件

4.1 新建高壓變頻器配電室

循環水系統節能項目需要新增 4 臺高壓變頻器,現有高壓配電室已滿,無現成安裝位置,因此現場需要新建高壓變頻器配電室。

4.2 冷卻塔上水管安裝電動調節閥

采用變頻方式調節流量時,需要配合回水閥門調節,保證末端有足夠壓力,因此需要在冷卻塔上水管上改造電動調節閥。改造原有蝶閥,增加電動執行器,在循環水系統正常運行的情況下,依次對原有的手動蝶閥增設電動執行器,將原有蝶閥改造為電動蝶閥。

4.3 帶壓開孔安裝傳感器

為明確末端換熱實際需求,需要在部分管道新增溫度和壓力傳感器,監測末端工藝換熱參數及水側參數;為保證用戶連續運行,采取帶壓開孔技術來安裝傳感器。

4.4 循環水系統搭建人工智能控制平臺

在完成變頻器、閥門和傳感器等設備安裝改造后,通過搭建1套完整的人工智能、系統優化、自動控制管理平臺,徹底改變傳統循環水系統依靠人工操作、調節的運行管理模式,并將水冷器工藝側參數納入智能優化控制平臺,在保證工藝產品質量的前提下,達到循環水系統優化運行和節能控制的目標。智能優化控制平臺的主要功能為：

(1) 保證循環水系統安全高效運行,實時監測循環水系統溫度和壓力、設備運行電流和電壓等參數。循環水管路增加溫度、壓力傳感器,循環水耗電設備增加電流、電壓監測設備,實時監測循環水系統、設備運行狀態,通過設置安全范圍值,做到循環水系統、設備故障問題早預防、早發現、早解決,保證系統安全穩定運行。

(2) 實時監測循環水系統效率。通過安裝自主開發的具備水泵流量、揚程、效率等監測功能的 DTL 流量計,實時監測循環水泵效率。通過監測室外天氣情況和冷卻塔進出水溫度,結合獨創算法實時計算冷卻塔冷卻效果。

(3) 循環水系統全自動運行,控制工藝側參數納入循環水系統節能控制。通過 RS-485通信手段將工藝集散分布系統(DCS)中換熱器工藝側參數納入循環水監控平臺,直接將生產裝置末端的水冷器工藝側參數參與循環水系統的優化運行中,控制目標更直接,控制效果更精確[3-4]。

(4) 循環水泵、冷卻塔風機變頻調速運行。通過循環水泵、冷卻塔風機增加變頻調試裝置,結合室外天氣情況和末端工藝實際需求,利用智能算法實現循環水流量和冷卻塔風量自動動態調節;另依據自主開發的 DTL 流量計實測水泵效率,通過動態調節水泵開機臺數和流量,保證水泵運行工況點在高效區,提高水泵運行效率。

(5) 循環水系統數字化管理,循環水系統設備能耗監控。讀取循環水系統中循環水泵、冷卻塔風機及相關設備電量數據記錄,建設循環水系統能耗監控平臺,通過大數據統計分析,提高循環水系統能耗管理水平,為循環水系統提供后續優化方向。

(6) 循環水系統遠程監控、維護。智能控制平臺軟件支持 Internet 網絡遠程監控,在用戶需要的情況下,整個遠程接入通過專用網絡(VPN)加密傳輸,形成獨立的通信系統,只允許授權用戶連接。由遠程專家協助完善循環水系統優化運行控制策略。

(7) 管理效能提升。智能綜合管理平臺設置歷史數據曲線和報表記錄功能,無需繁瑣的人工手動記錄,降低勞動強度,提高管理水平。智能綜合管理平臺設置系統故障實時報警和記錄功能,通過聲光報警裝置及時提醒相關值班人員,及時處理問題;同時,設置不同操作權限管理功能,結合不同崗位、不同職務設置不同的操作權限,保證系統安全性。

5 改造效果

系統考核期間,節能模式運行時間約 484 h,實測平均節電率 26%,達到節能改造目標：節電率20%～30%。節電量 37萬 kW·h,平均每小時節電 765 kW·h。考核期間循環水供應滿足生產需求,未對末端換熱、蒸汽消耗等產生不良影響。通過對整個系統的運行結果分析,在氣候條件適宜的情況下,通過精確控制供水溫度,同時結合供、回水溫差進行適當的流量調整,在保證生產需求的前提下,可以達到預期的節能效果,效益巨大。

6 結語

依靠科技進步來提高資源的利用率,建設節約型社會是我國的基本國策,隨著優化理論、計算科學及計算機技術的發展,產生了一種新的節能方法——優化運行,這種方法在保證安全和運行的前提下,以最小的代價獲得收益。與以往的節能措施不同,優化運行方法是一種比較新的節能理念,其優點是可為運行人員提供調度依據,不僅可以幫助運行人員摒棄經驗性的習慣調度方法,加強運行人員的節能意識,還有利于提高科學運行管理水平。