节能在循环水系统设计与改造优化分析

陆序

摘  要：循环冷却水系统是一种常见的工业辅助冷却系统，对维持主生产过程的安全以及延长生产设备的使用寿命起着极其重要的作用。目前，初始设计的循环冷却水系统能够满足主生产过程的冷却水需求，但存在较大的节能优化空间。因此，本文依托某钢厂单位循环水系统进行优化设计和节能分析。首先利用水力学仿真软件对循环水系统管路及核心设备进行建模，基于设计需水量分析了该钢厂循环水系统的概况；其次，通过泵变频、停泵、调阀和变管径等措施分析并确定该循环水系统运行的最优方案；最后，采用最优方案后，泵的总功率降低了48.06%，冷却水量减少了32.64%。改造后每年可节约电量1704.24兆瓦时，节水约39万立方米，减少煤耗682吨，减少碳排放1775吨。

关键词：循环水泵；工业水泵；循环水系统；优化设计

引言

随着能源短缺和环境污染等问题的日益突出和节能减排工作的大力推进，节能降耗已经成为实现可持续发展的必然选择。钢铁工业是中国国民经济重要支撑，也是典型的资源、能源密集型行业。2020年中国粗钢产量占全球粗钢产量的56.7%，能源消耗占全国能源消耗总量的13%，碳排放占全国碳排放总量的15%[1， 2]。因此，在能耗“双控”和“双碳”的目标下，钢铁工业绿色低碳转型发展是中国实现碳达峰、碳中和目标的重要支撑[3]。

循环水系统用于工艺过程冷（热）量交换和传送，是钢铁、电力、化工等流程必需的系统，具有极大的节能潜力。循环水系统主要由水泵、冷却塔、凝汽器、管路等用水设备组成，其管网系统复杂、设备类型多。循环水系统主要依靠水泵为动力源来推动循环水的流动[4]。据统计，全国水泵的耗电量约2×1012 kW·h，占全国发电量的15%～21%。当前，工业循环水系统泵能耗占70％以上，运行能耗巨大[5， 6]。循环水系统的运行水平直接关系到系统能耗，影响整个生产系统的成本和绩效[7]。目前，循环水系统运行管理过程主要取决于操作人员的经验与水平，局限性较大，能耗水平较高，难以最大程度地发挥出循环水系统的经济性[8]。因此，本文依据“经济、合理、安全、可靠”的原则，对某钢厂循环水系统进行优化设计与节能改造分析，在满足系统安全稳定运行的同时，降低系统能耗，提高经济效益[9]。

1.原始工况计算分析

1.1 循环水冷却水系统建模

利用水力學仿真软件建立某钢厂循环冷却水系统模型，该钢厂循环水系统流程图见图1。

三台循环水泵两用一备，循环水通过一个支路流经两台凝汽器后，最终流向冷却塔。三台工业水泵两用一备，循环水分两个支路，一个支路为四台水环真空泵、两台空冷器、四台冷油器，另一支路流经取样冷却器、两台锅炉给水泵、一台循环风机和两台循环风机轴承。最终所有支路的循环水均流向冷却塔，冷却塔的工作原理是将冷水引入并不断循环对设备进行冷却，冷却塔内的水被加热产生水蒸气通过塔顶排出[8]。

1.2循环水泵和工业水泵运行信息

正常工况下，水力学仿真软件计算输出的循环水泵和工业水泵的运行数据见表1。

分析正常工况下循环水水泵和工业水泵运行数据可知，循环水泵在大流量运行，已偏离最佳效率点约22%，如冷却水池水位过低则易产生空化、过载运行，同时会造成耗能增大，浪费水资源。而工业水泵小流量偏工况运行，运行效率低。循环水泵和工业水泵的特性曲线如图2、3。

因此，拟通过对机组循环水水泵低速功能，根据实际需求水量调节循环水泵运行方式，通过调速减少循环水泵电耗，降低厂用电负荷，提高电厂经济性[10]。

1.3 凝汽器及用水设备运行信息

根据正常工况用水设备运行数据，实际运行的水量基本都远大于需求水量，造成大量水资源的浪费。取样冷却器和锅炉给水泵实际运行冷却水量达不到要求，对工艺管道流程图进行对比分析发现取样冷却器和锅炉给水泵两个设备支路的管径均偏小，且取样冷却器和锅炉给水泵下游循环风机的水量偏大。

2.循环水优化方案对比分析

由上可知，初始设计的循环水系统存在水泵运行状态不佳、整体水量偏大、局部水量偏小、管径选用不合理的问题。因此在保证满足水量要求和设备安全稳定运行的前提下，对两泵进行流量控制并且通过增大管径和调阀的方式来平衡管网水量，节约能源。以原始方案为方案一，在对原始方案进行分析的基础上进行三次改造优化。

2.1 方案二

在方案一中，取样冷却器和锅炉给水泵实际运行冷却水量达不到要求，原因是取样冷却器和锅炉给水泵两个设备支路的管径同其他支路管径相比均偏小，且取样冷却器和锅炉给水泵下游循环风机的水量偏大。

尝试在正常运行的基础上将取样冷却器支路的管径从D38×3.5增大至D45×3.5，将锅炉给水泵支路的管径从D32×3.5增大至D38×3.5，运行后发现取样冷却器实际运行冷却水量可以达到要求，但锅炉给水泵的冷却水量仍达不到要求。因此，在增大两个支路管径的基础上将锅炉给水泵下游循环风机的阀门关度调至40%，使锅炉给水泵的冷却水量达到要求。

通过对用水设备运行数据进行分析和对比，取样冷却器和锅炉给水泵的流量刚好达到要求，而且循环风机下游的循环风机轴承的冷却水量也在要求的范围之内。取样冷却器实际运行水量为18.178m3/h，需求水量为18m3/h，锅炉给水泵实际运行水量为10.258m3/h，需求水量为7m3/h。取样冷却器和锅炉给水泵虽然满足了需求水量，但其他支路的水量依然偏大较多，对应泵的流量也大，运行工况依然不经济。

2.2 方案三

为降低能耗和资源浪费，可以采用泵变频技术，同时调节泵的扬程和流量，以和循环水系统相匹配，节约资源，降低费用[11]。因此，为了达到节水节能的目的，在方案二的基础上通过泵变频将两台循环水泵的总流量降至3400m3/h，并停用一台工业水泵。循环水泵、工业水泵和各个用水设备的运行数据见表3。

循环水泵在进行调速运行后，流量降低，泵的功率降低，运动工况点更接近最佳效率点。工业水泵停用一台后，泵的流量增大，单台耗功升高，易发生过载。

通过对方案三进行分析，发现有工业水泵控制用水的取样冷却器水量不能满足要求、循环风机电机和两台循环风机轴承的水量刚达到要求，而且停用工业水泵B后，工业水泵C超负荷运行导致其效率降低。循环水泵和工业水泵的特性曲线如图4、5。

综上，为了减少耗能在方案二的基础上将两台循环水泵的总流量控制在3400m3/h，将工业水泵停用一台后：

（1）循环水泵A和B的效率均提高了3.9%，因此泵运行的最佳效率点更接近最佳效率点。

（2）循环水泵的总功率降低了170.12kW。

（3）锅炉给水泵的水量能达到要求，循环风机电机和两台循环风机轴承的水量刚达到要求，但取样冷却器的冷却水量不能满足要求。

（4）工业水泵的效率有所降低，原因是停用工业水泵B后工业水泵C超负荷运行所致。

2.3 方案四

通过对方案三的数据进行分析，发现工业水泵的一个支路中，水环真空泵、空气冷却器和冷油器的冷却水量都偏大。在此，通过降低支路调节阀阀门开度，使管网的压降平衡达到最优，水量的分配最为合理[12]。

因此，在方案三的基础上调节控制水环真空泵、空气冷却器和冷油器水量阀门开度来降低水环真空泵、空气冷却器和冷油器水量，增大工业水泵另一支路中取样冷却器的水量。使工业水泵C流量降低的同时，取样冷却器的水量达到设计要求。方案四中工业水泵特性曲线如图6。

综上，将控制水环真空泵、空气冷却器和冷油器水量阀门开度调至30%，降低了水环真空泵、空氣冷却器和冷油器水量，增大了取样冷却器和锅炉给水泵水量，工业水泵C的效率提升了10.94%。

3.优化改造后经济性分析

四种不同方案循环水泵和工业水泵的运行数据见表4。

通过分析对比，方案二和方案四的用水设备均可达到要求。

方案四和方案二相比：变频后循环水泵的总功率降低了49.9%，冷却水量减少了32.1%，运行效率点达104.2%，总效率提升了3.895%；禁用一台工业水泵后，工业水泵的总功率降低42%，冷却水量减少37.2%，运行效率点达106.1%，总效率提升1.5%。因此，推荐方案四的运行工况。

四种方案凝汽器冷却水管冷却水最小流速为1.0422m/s＞0.9m/s，最大流速为1.7169m/s＜2.5m/s，满足相关规范要求[10]。

3.1 改造后用水量分析

目前，所设计的循环冷却水系统都能够满足生产过程的冷却需求，但也造成了不必要的资源浪费，因此存在较大优化空间。

方案四和方案一相比节约了大量水资源，方案一中总水量为5541m3/h，方案四中总水量为3732.6m3/h，冷却水量减少了32.6%。每年除安排检修外，循环水系统几乎一直连续运转，蒸发量按循环水量的1.8%计算，补充水量按蒸发量的1.5倍计算[13]。每年的运行小时数取8000h，则每年可节水约39万m3。按工业用水水价4元/立方计算，每年可节省约156万元。

3.2 改造后用电节省量分析

方案四和方案一相比节约了大量电能，方案一中循环水泵和工业水泵的总功率为443.27kW，方案四中循环水泵和工业水泵的总功率为230.24kW，总功率减少48.06%。以每年运行8000小时计算，则每年可节约电量1704.24MW·h，按电价0.7元/kW·h计算，每年节省约119万元。

3.3 改造后碳排放分析

依据碳排放计算方法[14]，节约1m3水相当于减排0.194kg的二氧化碳，每年可减少二氧化碳排放约76t；节约1度电相当于减排0.997kg的二氧化碳，相当于节约0.4kg标准煤，则每年可减少碳排放约1699t，减少煤耗682t。方案一和方案四的碳排放计算如表6。

4.结论

为解决循环水系统能耗较高、效率低的现象[15]。采用水力学仿真软件对某钢厂循环水冷却水系统进行建模，在满足设备用水要求的条件下，对整个系统进行优化设计和分析计算。将管路中的两台循环水泵速率调至79.33%、工业水泵停用一台、调节支路阀门开度及增大个别支路管径来使整个系统处于较佳的状态运行。与原始工程相比，泵的总功率降低48.06%，冷却水量减少32.64%。改造后每年可节约电量1704.24兆瓦时，节省电费119万元；每年可节水约39万立方米，节省水费156万元；每年减少煤耗682吨；减少碳排放1775吨。

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（作者单位：贵州能源集团  ）