小議循環冷卻水體系的節能設計

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水泵配用的電機、風機配用電機、以及系統中自動化控制設備均需輸入電能來保證設備運行與運轉。能量轉化。由電機驅動循環水水泵，電機將電能轉化為水泵的動能，進而通過水泵轉換為循環水的動能;電機將電能轉化為冷卻塔上風機的動能，進而通過風機轉換為冷卻風的動能;控制閥通過電、氣驅動，實現自動化系統對水壓、流量及冷卻溫度的自動調節。依據能量守恒，循環冷卻水系統中能量消耗是在能量的轉移與轉化過程中的損耗。如循環水系統中的電機、水泵和風機等實現了電能、機械能及動能的能量轉化;連接器(機械接手及變速齒輪)、換熱器等完成了能量的傳遞與轉移。能量在轉移與轉化的過程中不可避免發生能量的損耗，因此，要提高循環冷卻水系統的運行效率，就要從系統對能量使用的各設備的運行效率進行優化提升。

循環冷卻水系統節能技術

構成冷卻水系統的各裝置上的能量損失因各自的工作原理、系統控制方法、設備制造工藝及安裝方式等的不同，其對能量的轉移與轉換效率不同，從而產生了不同節能技術。除對電源裝置本身的優化外，廣泛采用的節能技術主要有三種:變頻調速、高效水泵及水動能。其中變頻調速控制是從系統控制優化角度進行節能優化;水泵節能是通過設備設計與制造的改善來實現節能;水動能冷卻塔則是充分利用管網中水動能余量進行能量二次利用。

1變頻調速控制技術

變頻調速在冷卻水系統中的應用主要針對驅動水泵的電機進行變頻調速控制，可以有效實現:①流量調節。通常，由于循環水系統額定流量基于生產工況最大流量來選用相應的循環水泵，通過調整水泵電機的運轉速度，進行循環水量的調節，以保證生產工況變化時的需要。②替代控制閥。利用控制閥的開度進行循環水系統運行狀態，如壓力和流量等參數的調整來滿足現場工況，是非常普遍的方案。由于變頻器技術的快速發展，其運用也越來越廣泛。用變頻控制實現控制閥的控制功能已有了成熟的解決方案。采用變頻調速控制節能技術主要優點有:通過調整轉速，滿足生產需求，無附加損耗，高效節能;電機完全在空載下啟動，大幅降低啟動電流，減少對電機、電纜、開關及電網等的沖擊，同時具備軟啟動功能;變頻調速避免對設備不利沖擊，延長電機等設備使用壽命，減輕軸承磨損，降低設備維護成本，有利于設備靠運行;提高自動化水平，減輕操作人員勞動強度。其局限性是因為變頻器本身要消耗能量，也存在自身效率的差異，在進行技術改造時對現場有一定的技術要求，且改造后需進行專業維護。

2高效節能水泵技術

水泵的節能原理是通過提高水泵的運行效率實現完成同等送水量時能量消耗降低。自七十年代電子計算機得到廣泛應用后，以被世界公認為葉輪機械三元流動理論［2］的奠基人吳仲華教授的“葉輪機械三元流動理論”得以運用于葉輪機械產品的設計與制造上來。1976年美國數十位泵專家合著的權威工具書《泵手冊》，把葉輪機械三元流動理論列為泵設計的最先進方法。這種泵內含射流－尾跡模型的三元流動計算方法，把葉輪內部的三元立體空間無限地分割，通過對葉輪流道內的各工作點的分析，建立起完整、真實的葉輪內流動的數學模型。通過這一方法，我們對葉輪流道分析可以做得最準確，反映流體的流場、壓力分布也最接近實際。由于葉輪出口為射流和尾跡(漩渦)的流動特征，在設計計算中得以體現。因此，在此基礎上設計制造的葉輪也就能更好地滿足工況要求，效率顯著提高。基于同樣的理論，從局部管網優化的角度出發，在水泵的進水通道上，增加一組(多片)三元流體曲面引流葉片，以優化泵體內流場力學模型，減少流體在泵體內部的運動阻力，從而達到降低水泵的氣蝕現象對水泵效能的影響，提升水泵內的流體效率，在流量、揚程不變的情況下，降低損耗，提升系統的節能空間。

3水動能冷卻塔技術

傳統冷卻塔一般由電動機通過聯軸器、傳動軸和減速機構來驅動冷卻塔的風機。風機抽風使進塔水流快速散熱冷卻，并經水泵加壓將冷卻后的水重新輸送到需要用水冷卻的設備。通過不斷循環，達到冷卻水反復使用。新型水動能冷卻塔是是以水輪機取代電機作為風機動力源。水輪機的工作動力來自系統的富余流量和富余揚程。主要有:(1)設計余量。設計人員選水泵型號時，由于水量及系統各環節阻力很難被精確的計算出來，為了安全生產及各方面的因素考慮，依據核定冷卻水量及阻力數值的基礎上至少加10%～20%的余量。(2)勢能。水輪機將布水器釋放掉的冷卻塔與換熱設備的絕對高度之差勢能充分地利用起來，轉化為水輪機做功的能量。(3)水泵的自身調節能力。水泵的流量和揚程是互為關聯的。在不增大水泵功率的前提下，流量和揚程可以相互轉化以滿足水輪機所需的實際壓頭。(4)動能。一般水輪機的入口流速為10～20m/s，能夠產生很可觀的動能和推動水輪機葉輪做功的揚程。在最初沖擊水輪機葉輪時，風葉的轉速和電機啟動時基本一樣，轉速越來越快，當達到設定轉速時，風葉和葉輪本身也產生巨大的轉動慣量，此時所需要的驅動水頭大大降低。(5)閥門開啟度的余量。在整個循環管道系統中，由于沿途設計余量的存在，系統中調節控制閥門在大絕大部份運行時間內處在非全開的狀態，導致整個循環水閉路系統并不是暢通，致使流量和揚程損失巨大。水動能冷卻塔節能技術主要優勢在于:能實現100%節電;大大降低冷卻塔的震動和噪聲，減少對環境的污染;水動風機冷卻塔省去了電機、連軸節、減速箱、電控、電纜等，減少日常的維修保養費用;隨著季節的變化，水動風機的轉速隨著水的壓力的增減而增減，風量也隨之增減，使冷卻塔的氣水比穩定在最佳的狀態，以達到冷卻的最佳效果。其局限性在于“富余能量”不一定永遠存在，如勢能和閥門開啟度這兩種能量根據現場實際情況可能不存在。

循環冷卻水系統節能實踐

湖北新冶鋼有限公司由動力事業部對各循環水系統實施集中管控。威仕爐公司作為首批央企節能服務公司，組織專業人員對其2#連鑄水處理系統、3#連鑄水處理系統、7#電爐水處理系統、8#電爐水處理系統、一軋廠水處理系統、制氧廠水處理系統、凈水處理系統及水源站八個水系統進行現場測試與運行數據采集。調查測試了共80臺水泵，分析了34臺開機運行的現場水泵數據。根據最保守的計算模型，平均節電率在20%以上，每年節約電費約400萬元。以下針對制氧廠循環冷卻水系統實施高效節能水泵技術進行節能技改重點分析。

1現場運行狀況

鋼鐵生產工藝中制氧是以空氣為原料，通過空氣過濾、壓縮、冷卻、精餾等工序，分離空氣中的氧氣與氮氣來作為重要的冶金原料。冶鋼20000m3/h制氧冷卻機組是以循環冷卻水實現制氧過程中的冷卻功能?，F場共配置3臺循環冷卻水水泵，兩用一備。制氧循環冷卻水系統水泵現場運行數據如表1所示。

2技術方案要點

調查結果表明，制氧循環冷卻水系統能耗較高，在“高效流體輸送技術”進行技改方案中，以水泵節能技術為首選。主要包括高效節能水泵及管網優化設備，調整更換原輸送設備;通過安裝預旋流整流控制裝置，優化輸送管網效率;解決原系統運行流量偏差所導致的無效功耗;優化糾正原系統不合理的運行模式，降低系統運行能耗，達到節能降耗的目的。(1)對現場運行數據科學計算。利用工程流體力學相關理論，依據現場實測數據進行流動阻力及能量損失推導計算。應用計算機模擬仿真、實驗研究，較準確推導出管阻特性，計算出能量損失最小值。(2)節能水泵設計與制造。采用國外最先進的“CFD”整體數據模擬技術及三元流理論進行最優水泵設計，通過“CFD”泵與管路系統裝置整體數值模擬技術，計算不同工況下泵裝置內部流場，提高泵裝置設計與運行效率，如圖2所示。

3節能方案分析

節能量測算。實施技改的制氧冷卻水系統水泵組，泵開機時間為24h/d、365d/a，電費按0.65元/kW•h。技改后流量及揚程數據為現場用戶確認生產要求數據。年節約用電145.5萬kW•h，(見表2)年直接節約約100萬元。方案實施模式。合同能源管理模式(EPC)是節能服務公司實施節能服務項目的重要模式。即節能服務公司與用能單位以契約形式約定節能項目的節能目標，節能服務公司為實現節能目標向用能單位提供技術服務，用能單位以節能效益支付節能服務，公司的投入及其合理利潤的節能服務機制。綜合考慮節能改造現場施工、節能效益等因素，對制氧廠循環冷卻水系統水泵裝置以EPC模式實施技術改造。合同能源管理模式實施要點有:(1)某公司負責從節能方案到方案實施的全流程的技術、資金及項目管理內容，冶鋼方面負責項目實施時的工程協作;(2)某公司保證節能技改實施后噸水節電率不低于20%;(3)冶鋼在某公司節能技術達到節電目標前提下，以節電收益按期支付項目費用。

結論

循環水系統節能是對終端用能設備(或機組)進行一種有效的節能改造手段，也是當前節能的主要手段之一，總結有以下特點:(1)與工序節能不同，循環水系統節能是對諸如冷卻塔水輪機、水泵或變頻控制器等終端用能設備的局部性改造，因此，節能改造的工期短，施工靈活，基本不影響正常生產。(2)通過縝密的現場調查，依據對現場運行數據的科學計算與評估，設計合理的節能技術改造方案。針對系統組成的不同單元的數據分析，采用的節能技術會有所不同。因此，對同一現場，可以設計不同的節能方案，并從中選擇投入與產出最優的方案作為執行方案。(3)節能水泵的技術方案，是對實際流量及系統阻力精確計算后進行精確設計的結果，節能量的測算值有確定的范圍。（本文作者：張琳 單位：中冶南方( 武漢) 威仕工業爐有限公司）