工业循环水系统节能改造技术方案比较

2017-10-20李文龙

流程工业 2017年18期

文/李文龙

工业循环水系统节能改造技术方案比较

文/李文龙

研究循环水泵和冷却塔风机的节能是循环水系统节能改造的关键——工业循环水系统是工业生产企业中不可缺少的组成部分，各行各业应用广泛，主要由冷却塔、水泵和换热系统组成，冷水流过需要降温的生产设备（换热设备，如换热器、冷凝器、反应器）换热后，返回冷却塔，在冷却塔内将温度上升的循环水降温，然后通过循环水泵加压再次循环使用。

工业循环水系统中循环水泵、冷却塔风机是用电大户，占工业循环水系统能耗的95%以上，因此，重点研究循环水泵和冷却塔风机的节能是循环水系统节能改造的关键。

设备概况

以某在运循环水系统为例，设计采用的工艺设计参数如下：

最大水量： Q=27 000 m3/h

供水压力： P1=0.42 MPa

回水压力： P2=0.25 MPa

该工业循环水系统由冷却塔、循环水泵、旁滤设施、加氯装置、加药装置和循环冷却水给水、回水管网组成。配备5台水泵，选用某水泵厂生产的单级双吸离心泵，运行方式为3开2备。

节能改造方案及比较

方案一：冷却塔风机无电化改造

1. 循环水回水余压分析

设计及实际运行时，循环水系统回水管网压力在0.25 MPa，而循环水回水进入凉水塔顶喷头冷却的压力仅需要0.11～0.13 Mpa，因此回水进入冷却塔冷却管网还存在结余压力，计算分析循环水回水余压的能量，研究此部分结余能量带动水轮机做功的可行性，实现水轮机替代电机驱动冷却塔风机转动，最终达到节约电力消耗，提高循环水系统的能量利用率。

2. 循环水系统回水压头计算

循环水系统回水压力为0.25 MPa（26 m），压力表安装高度-4.2 m，冷却塔高度为16.3 m，布水管距冷却塔塔顶平面高度为3 m，因此回水可利用压头为：

表1：循环水耗能设备情况

H富余压头=26 m-4.2 m-16.3 m+3 m=8.5 m

其中：26 m为压力表读数；-4.2 m为压力表安装高度；16.3 m为冷却塔塔平面高度；3 m为尾水负压（虹吸现象）。通过上述计算可知循环水回水管网存在8.5 m富裕压头，再计算分析利用循环水回水余压带动水轮机做功的流量。即水轮机可利用水头按H = 8.5 m计算，可以反算出满足单台水轮机功率工作需要的水量， P轴=ρ×g×Q×H÷3600×η可知单台水轮机需要水量Q≈7 610 m3/h，由于循环水系统循环量为27 000 m3/h，最多可以满足3台水轮机满负荷运行（7 610 m3/ h×3 = 22 830 m3/h），保证改造前后冷却塔风机转速基本不变。

所以，循环水系统计算回水余压分析可以进行3台4 500 M3冷却塔风机改造，实现3台水轮机替代电机驱动冷却塔风机转动；原3台电机的总耗电功率实际消耗大约为442 kW/h，按照每年工作8 000 h，估计年可节电：442 kW×8 000 h=3536 000 kWh。

3. 循环水风机无电化改造结论

通过以上计算，可对其中3台冷却塔风机进行水轮机代替电机的无电化改造，降低了凉水塔风机电耗的50%。同时免除了对减速机、传动轴、电机、电缆、桥架和配电系统的日常维护和保养工作。

方案二：循环水泵电机改造

1.循环水泵富裕流量的分析循环水系统以运行3台循环水泵的方式为水循环提供动力，通过控制循环水回水阀门开度来保证循环水的供应压力不低于0.49 MPa，回水压力控制在0.25 MPa左右，满足系统运行的实际扬程，但低于设计扬程。根据水泵的性能曲线图（H-Q压力与流量的关系），扬程降低流量增大至30 000 m3/h左右的循环水量（远高于设计的27 000 m3/h），即存在有3 000 m3/h需求外循环量。因此，在保证系统需求实际扬程的情况下，尝试循环水量以靠近设计参数值，研究尽量避免额外循环量来降低电耗。由循环水耗能设备情况一览表可知，循环水泵的系统最大耗能设备，同时随着高压大功率电机变频调速技术的成熟，因此对循环水泵电机调节方式进行变频改造优化是可行的。

2. 变速变流量的节能原理

根据水泵的压力-流量特性曲线，按照保证循环水系统压力的要求，对水泵变速变流量控制是可行的有效方法。水泵的变速变流量控制主要通过电机的变频调速实现，同时是当代最先进、最可靠也是最高效的调速技术。

理论上泵类具有以下特点：

Q2/Q1=N2/N1

H2/H1=(N2/N1)2

P2/P2=(N2/N1)3

其中：Q为流量，H为扬程，P为功率，N为转速。

Q1、H1、P1—水泵在N1转速时的流量、扬程、功率。

Q2、H2、P2—水泵在N2转速时相似工况下的流量、扬程、功率。

可以得出转速、扬程、功率与节电率的变化表，如表2。

表2 转速、扬程、功率与节电率的变化关系

依据以上计算公式与关系变化表，转速降低、流量减小时，所需功率近似按流量的3次方大幅度下降。假如转速降低一半，即：N2/N1=1/2，则 P2/P1=1/8，可见降低转速能大大降低轴功率达到节能的目的。当转速由N1降为N2时，水泵的额定工作参数Q、H、P都降低。但从效率曲线看，Q2与Q1点的效率值基本是一样的。即当转速降低时，额定工作参数相应降低，但效率不会降低，有时甚至会提高。因此在满足操作要求的前提下，水泵仍能在同样的效率下工作。

3. 节能实施途径

在满足实际生产的系统扬程和循环水量的情况下，将运行的3台循环水泵其中一台水泵改为变频控制，出口流量由10 000 m3/h降至7 000 m3/h，满足生产设计水量，对比如表3（每小时的节电功率以及水泵年运行节电量）。

表3 改造前后节能效率对比

表4：水泵叶轮直径变化前后数据分析对比及经济性分析

表5：循环水系统3种节能解决方案对比表

由以上统计数据的计算分析可以看出，采用一台水泵变频调速运行后，每年节电带来的经济效益明显。

4.循环水泵增加变频器结论

循环水泵变频节电改造后，这个改造的这个变频系统就相当于一个自动调节阀，用多少，供多少，实现供需平衡，节约能源。

降低了转速，流量就不再用关小阀门来控制，阀门始终处于全开状态，避免了由于关小阀门引起的损耗，也就避免了总效率的下降，确保了能源的充分利用。

当采用变频调速时，50Hz满载时功率因数为接近1，工作电流比电机额定电流值要低许多，这是由于变频装置的内滤波电容产生的改善功率因数的作用，可以为电网节约容量20%左右。

方案三：循环水泵改造

1. 现场循环水运行点数据分析

供水压力：0.49 MPa

回水压力：0.25 MPa

实际流量：30 000 m3/h

运行电流：112 A

水泵电机输出功率：1 585 kW

现场泵安装高度：倒灌2～3 m

泵出口压力：0.56 MPa（G）

根据上述实际运行参数，循环水泵设计压力高于实际运行压力，实际循环水量也高于实际水量，从水泵性能参数可知循环水泵已偏离最高设计效率工况点；水泵工况点的改变除了改变系统管道特性外就是改变水泵本身的特性曲线（比如变频变速、切割叶轮）。若将水泵设计压力改造至接近略高于实际运行压力，在满足运行需求的前提下，将大大降低循环水泵功率。因此，有必要对其进行设备改造，以实现循环水泵的经济运行。

2. 降低水泵出口压力

通过对运行参数和水泵设计参数进行充分的分析比较，可对运行水泵进行削切叶轮、降低扬程改造。改造方案是通过切割循环水水泵叶轮，减小叶轮直径，从而降低水泵出口压力，保证循环水量不变，降低水泵电耗。

拟将循环水泵的扬程由52 m降至49 m，根据水泵叶轮的削切定律：

H1/H2=(D1/D2)2

Q1/Q2=D1/D2

P1/P2=(D1/D2)3

计算削切后的叶轮的相关数据如表4。

3. 循环水泵出口压力改造结论

通过切削水泵叶轮直径降低水泵出口压力，保证系统流量需求且系统改动较小，改造成本低，且不增加运行维护量。但叶轮进行切割须经反复多次修正试验后，改造工艺复杂还要重新做动平衡。

以上是对循环水系统改造节能3种方案的理论研究，挖掘循环水系统存在的富裕压头、富裕循环量，根据富裕能量的不同形式而通过3种不同的技术改造达到节能的目的。另外，将循环水系统的3种节能解决方案从改造投资，改造运行参数以及年节能量进行综合比较见表5。