小議循環(huán)冷卻水體系的節(jié)能設(shè)計(jì)

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水泵配用的電機(jī)、風(fēng)機(jī)配用電機(jī)、以及系統(tǒng)中自動化控制設(shè)備均需輸入電能來保證設(shè)備運(yùn)行與運(yùn)轉(zhuǎn)。能量轉(zhuǎn)化。由電機(jī)驅(qū)動循環(huán)水水泵，電機(jī)將電能轉(zhuǎn)化為水泵的動能，進(jìn)而通過水泵轉(zhuǎn)換為循環(huán)水的動能;電機(jī)將電能轉(zhuǎn)化為冷卻塔上風(fēng)機(jī)的動能，進(jìn)而通過風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)換為冷卻風(fēng)的動能;控制閥通過電、氣驅(qū)動，實(shí)現(xiàn)自動化系統(tǒng)對水壓、流量及冷卻溫度的自動調(diào)節(jié)。依據(jù)能量守恒，循環(huán)冷卻水系統(tǒng)中能量消耗是在能量的轉(zhuǎn)移與轉(zhuǎn)化過程中的損耗。如循環(huán)水系統(tǒng)中的電機(jī)、水泵和風(fēng)機(jī)等實(shí)現(xiàn)了電能、機(jī)械能及動能的能量轉(zhuǎn)化;連接器(機(jī)械接手及變速齒輪)、換熱器等完成了能量的傳遞與轉(zhuǎn)移。能量在轉(zhuǎn)移與轉(zhuǎn)化的過程中不可避免發(fā)生能量的損耗，因此，要提高循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的運(yùn)行效率，就要從系統(tǒng)對能量使用的各設(shè)備的運(yùn)行效率進(jìn)行優(yōu)化提升。

循環(huán)冷卻水系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)

構(gòu)成冷卻水系統(tǒng)的各裝置上的能量損失因各自的工作原理、系統(tǒng)控制方法、設(shè)備制造工藝及安裝方式等的不同，其對能量的轉(zhuǎn)移與轉(zhuǎn)換效率不同，從而產(chǎn)生了不同節(jié)能技術(shù)。除對電源裝置本身的優(yōu)化外，廣泛采用的節(jié)能技術(shù)主要有三種:變頻調(diào)速、高效水泵及水動能。其中變頻調(diào)速控制是從系統(tǒng)控制優(yōu)化角度進(jìn)行節(jié)能優(yōu)化;水泵節(jié)能是通過設(shè)備設(shè)計(jì)與制造的改善來實(shí)現(xiàn)節(jié)能;水動能冷卻塔則是充分利用管網(wǎng)中水動能余量進(jìn)行能量二次利用。

1變頻調(diào)速控制技術(shù)

變頻調(diào)速在冷卻水系統(tǒng)中的應(yīng)用主要針對驅(qū)動水泵的電機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)速控制，可以有效實(shí)現(xiàn):①流量調(diào)節(jié)。通常，由于循環(huán)水系統(tǒng)額定流量基于生產(chǎn)工況最大流量來選用相應(yīng)的循環(huán)水泵，通過調(diào)整水泵電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度，進(jìn)行循環(huán)水量的調(diào)節(jié)，以保證生產(chǎn)工況變化時的需要。②替代控制閥。利用控制閥的開度進(jìn)行循環(huán)水系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，如壓力和流量等參數(shù)的調(diào)整來滿足現(xiàn)場工況，是非常普遍的方案。由于變頻器技術(shù)的快速發(fā)展，其運(yùn)用也越來越廣泛。用變頻控制實(shí)現(xiàn)控制閥的控制功能已有了成熟的解決方案。采用變頻調(diào)速控制節(jié)能技術(shù)主要優(yōu)點(diǎn)有:通過調(diào)整轉(zhuǎn)速，滿足生產(chǎn)需求，無附加損耗，高效節(jié)能;電機(jī)完全在空載下啟動，大幅降低啟動電流，減少對電機(jī)、電纜、開關(guān)及電網(wǎng)等的沖擊，同時具備軟啟動功能;變頻調(diào)速避免對設(shè)備不利沖擊，延長電機(jī)等設(shè)備使用壽命，減輕軸承磨損，降低設(shè)備維護(hù)成本，有利于設(shè)備靠運(yùn)行;提高自動化水平，減輕操作人員勞動強(qiáng)度。其局限性是因?yàn)樽冾l器本身要消耗能量，也存在自身效率的差異，在進(jìn)行技術(shù)改造時對現(xiàn)場有一定的技術(shù)要求，且改造后需進(jìn)行專業(yè)維護(hù)。

2高效節(jié)能水泵技術(shù)

水泵的節(jié)能原理是通過提高水泵的運(yùn)行效率實(shí)現(xiàn)完成同等送水量時能量消耗降低。自七十年代電子計(jì)算機(jī)得到廣泛應(yīng)用后，以被世界公認(rèn)為葉輪機(jī)械三元流動理論［2］的奠基人吳仲華教授的“葉輪機(jī)械三元流動理論”得以運(yùn)用于葉輪機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與制造上來。1976年美國數(shù)十位泵專家合著的權(quán)威工具書《泵手冊》，把葉輪機(jī)械三元流動理論列為泵設(shè)計(jì)的最先進(jìn)方法。這種泵內(nèi)含射流－尾跡模型的三元流動計(jì)算方法，把葉輪內(nèi)部的三元立體空間無限地分割，通過對葉輪流道內(nèi)的各工作點(diǎn)的分析，建立起完整、真實(shí)的葉輪內(nèi)流動的數(shù)學(xué)模型。通過這一方法，我們對葉輪流道分析可以做得最準(zhǔn)確，反映流體的流場、壓力分布也最接近實(shí)際。由于葉輪出口為射流和尾跡(漩渦)的流動特征，在設(shè)計(jì)計(jì)算中得以體現(xiàn)。因此，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)制造的葉輪也就能更好地滿足工況要求，效率顯著提高?；谕瑯拥睦碚摚瑥木植抗芫W(wǎng)優(yōu)化的角度出發(fā)，在水泵的進(jìn)水通道上，增加一組(多片)三元流體曲面引流葉片，以優(yōu)化泵體內(nèi)流場力學(xué)模型，減少流體在泵體內(nèi)部的運(yùn)動阻力，從而達(dá)到降低水泵的氣蝕現(xiàn)象對水泵效能的影響，提升水泵內(nèi)的流體效率，在流量、揚(yáng)程不變的情況下，降低損耗，提升系統(tǒng)的節(jié)能空間。

3水動能冷卻塔技術(shù)

傳統(tǒng)冷卻塔一般由電動機(jī)通過聯(lián)軸器、傳動軸和減速機(jī)構(gòu)來驅(qū)動冷卻塔的風(fēng)機(jī)。風(fēng)機(jī)抽風(fēng)使進(jìn)塔水流快速散熱冷卻，并經(jīng)水泵加壓將冷卻后的水重新輸送到需要用水冷卻的設(shè)備。通過不斷循環(huán)，達(dá)到冷卻水反復(fù)使用。新型水動能冷卻塔是是以水輪機(jī)取代電機(jī)作為風(fēng)機(jī)動力源。水輪機(jī)的工作動力來自系統(tǒng)的富余流量和富余揚(yáng)程。主要有:(1)設(shè)計(jì)余量。設(shè)計(jì)人員選水泵型號時，由于水量及系統(tǒng)各環(huán)節(jié)阻力很難被精確的計(jì)算出來，為了安全生產(chǎn)及各方面的因素考慮，依據(jù)核定冷卻水量及阻力數(shù)值的基礎(chǔ)上至少加10%～20%的余量。(2)勢能。水輪機(jī)將布水器釋放掉的冷卻塔與換熱設(shè)備的絕對高度之差勢能充分地利用起來，轉(zhuǎn)化為水輪機(jī)做功的能量。(3)水泵的自身調(diào)節(jié)能力。水泵的流量和揚(yáng)程是互為關(guān)聯(lián)的。在不增大水泵功率的前提下，流量和揚(yáng)程可以相互轉(zhuǎn)化以滿足水輪機(jī)所需的實(shí)際壓頭。(4)動能。一般水輪機(jī)的入口流速為10～20m/s，能夠產(chǎn)生很可觀的動能和推動水輪機(jī)葉輪做功的揚(yáng)程。在最初沖擊水輪機(jī)葉輪時，風(fēng)葉的轉(zhuǎn)速和電機(jī)啟動時基本一樣，轉(zhuǎn)速越來越快，當(dāng)達(dá)到設(shè)定轉(zhuǎn)速時，風(fēng)葉和葉輪本身也產(chǎn)生巨大的轉(zhuǎn)動慣量，此時所需要的驅(qū)動水頭大大降低。(5)閥門開啟度的余量。在整個循環(huán)管道系統(tǒng)中，由于沿途設(shè)計(jì)余量的存在，系統(tǒng)中調(diào)節(jié)控制閥門在大絕大部份運(yùn)行時間內(nèi)處在非全開的狀態(tài)，導(dǎo)致整個循環(huán)水閉路系統(tǒng)并不是暢通，致使流量和揚(yáng)程損失巨大。水動能冷卻塔節(jié)能技術(shù)主要優(yōu)勢在于:能實(shí)現(xiàn)100%節(jié)電;大大降低冷卻塔的震動和噪聲，減少對環(huán)境的污染;水動風(fēng)機(jī)冷卻塔省去了電機(jī)、連軸節(jié)、減速箱、電控、電纜等，減少日常的維修保養(yǎng)費(fèi)用;隨著季節(jié)的變化，水動風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速隨著水的壓力的增減而增減，風(fēng)量也隨之增減，使冷卻塔的氣水比穩(wěn)定在最佳的狀態(tài)，以達(dá)到冷卻的最佳效果。其局限性在于“富余能量”不一定永遠(yuǎn)存在，如勢能和閥門開啟度這兩種能量根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況可能不存在。

循環(huán)冷卻水系統(tǒng)節(jié)能實(shí)踐

湖北新冶鋼有限公司由動力事業(yè)部對各循環(huán)水系統(tǒng)實(shí)施集中管控。威仕爐公司作為首批央企節(jié)能服務(wù)公司，組織專業(yè)人員對其2#連鑄水處理系統(tǒng)、3#連鑄水處理系統(tǒng)、7#電爐水處理系統(tǒng)、8#電爐水處理系統(tǒng)、一軋廠水處理系統(tǒng)、制氧廠水處理系統(tǒng)、凈水處理系統(tǒng)及水源站八個水系統(tǒng)進(jìn)行現(xiàn)場測試與運(yùn)行數(shù)據(jù)采集。調(diào)查測試了共80臺水泵，分析了34臺開機(jī)運(yùn)行的現(xiàn)場水泵數(shù)據(jù)。根據(jù)最保守的計(jì)算模型，平均節(jié)電率在20%以上，每年節(jié)約電費(fèi)約400萬元。以下針對制氧廠循環(huán)冷卻水系統(tǒng)實(shí)施高效節(jié)能水泵技術(shù)進(jìn)行節(jié)能技改重點(diǎn)分析。

1現(xiàn)場運(yùn)行狀況

鋼鐵生產(chǎn)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?dú)鈦碜鳛橹匾囊苯鹪?。冶?0000m3/h制氧冷卻機(jī)組是以循環(huán)冷卻水實(shí)現(xiàn)制氧過程中的冷卻功能。現(xiàn)場共配置3臺循環(huán)冷卻水水泵，兩用一備。制氧循環(huán)冷卻水系統(tǒng)水泵現(xiàn)場運(yùn)行數(shù)據(jù)如表1所示。

2技術(shù)方案要點(diǎn)

調(diào)查結(jié)果表明，制氧循環(huán)冷卻水系統(tǒng)能耗較高，在“高效流體輸送技術(shù)”進(jìn)行技改方案中，以水泵節(jié)能技術(shù)為首選。主要包括高效節(jié)能水泵及管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)備，調(diào)整更換原輸送設(shè)備;通過安裝預(yù)旋流整流控制裝置，優(yōu)化輸送管網(wǎng)效率;解決原系統(tǒng)運(yùn)行流量偏差所導(dǎo)致的無效功耗;優(yōu)化糾正原系統(tǒng)不合理的運(yùn)行模式，降低系統(tǒng)運(yùn)行能耗，達(dá)到節(jié)能降耗的目的。(1)對現(xiàn)場運(yùn)行數(shù)據(jù)科學(xué)計(jì)算。利用工程流體力學(xué)相關(guān)理論，依據(jù)現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行流動阻力及能量損失推導(dǎo)計(jì)算。應(yīng)用計(jì)算機(jī)模擬仿真、實(shí)驗(yàn)研究，較準(zhǔn)確推導(dǎo)出管阻特性，計(jì)算出能量損失最小值。(2)節(jié)能水泵設(shè)計(jì)與制造。采用國外最先進(jìn)的“CFD”整體數(shù)據(jù)模擬技術(shù)及三元流理論進(jìn)行最優(yōu)水泵設(shè)計(jì)，通過“CFD”泵與管路系統(tǒng)裝置整體數(shù)值模擬技術(shù)，計(jì)算不同工況下泵裝置內(nèi)部流場，提高泵裝置設(shè)計(jì)與運(yùn)行效率，如圖2所示。

3節(jié)能方案分析

節(jié)能量測算。實(shí)施技改的制氧冷卻水系統(tǒng)水泵組，泵開機(jī)時間為24h/d、365d/a，電費(fèi)按0.65元/kW•h。技改后流量及揚(yáng)程數(shù)據(jù)為現(xiàn)場用戶確認(rèn)生產(chǎn)要求數(shù)據(jù)。年節(jié)約用電145.5萬kW•h，(見表2)年直接節(jié)約約100萬元。方案實(shí)施模式。合同能源管理模式(EPC)是節(jié)能服務(wù)公司實(shí)施節(jié)能服務(wù)項(xiàng)目的重要模式。即節(jié)能服務(wù)公司與用能單位以契約形式約定節(jié)能項(xiàng)目的節(jié)能目標(biāo)，節(jié)能服務(wù)公司為實(shí)現(xiàn)節(jié)能目標(biāo)向用能單位提供技術(shù)服務(wù)，用能單位以節(jié)能效益支付節(jié)能服務(wù)，公司的投入及其合理利潤的節(jié)能服務(wù)機(jī)制。綜合考慮節(jié)能改造現(xiàn)場施工、節(jié)能效益等因素，對制氧廠循環(huán)冷卻水系統(tǒng)水泵裝置以EPC模式實(shí)施技術(shù)改造。合同能源管理模式實(shí)施要點(diǎn)有:(1)某公司負(fù)責(zé)從節(jié)能方案到方案實(shí)施的全流程的技術(shù)、資金及項(xiàng)目管理內(nèi)容，冶鋼方面負(fù)責(zé)項(xiàng)目實(shí)施時的工程協(xié)作;(2)某公司保證節(jié)能技改實(shí)施后噸水節(jié)電率不低于20%;(3)冶鋼在某公司節(jié)能技術(shù)達(dá)到節(jié)電目標(biāo)前提下，以節(jié)電收益按期支付項(xiàng)目費(fèi)用。

結(jié)論

循環(huán)水系統(tǒng)節(jié)能是對終端用能設(shè)備(或機(jī)組)進(jìn)行一種有效的節(jié)能改造手段，也是當(dāng)前節(jié)能的主要手段之一，總結(jié)有以下特點(diǎn):(1)與工序節(jié)能不同，循環(huán)水系統(tǒng)節(jié)能是對諸如冷卻塔水輪機(jī)、水泵或變頻控制器等終端用能設(shè)備的局部性改造，因此，節(jié)能改造的工期短，施工靈活，基本不影響正常生產(chǎn)。(2)通過縝密的現(xiàn)場調(diào)查，依據(jù)對現(xiàn)場運(yùn)行數(shù)據(jù)的科學(xué)計(jì)算與評估，設(shè)計(jì)合理的節(jié)能技術(shù)改造方案。針對系統(tǒng)組成的不同單元的數(shù)據(jù)分析，采用的節(jié)能技術(shù)會有所不同。因此，對同一現(xiàn)場，可以設(shè)計(jì)不同的節(jié)能方案，并從中選擇投入與產(chǎn)出最優(yōu)的方案作為執(zhí)行方案。(3)節(jié)能水泵的技術(shù)方案，是對實(shí)際流量及系統(tǒng)阻力精確計(jì)算后進(jìn)行精確設(shè)計(jì)的結(jié)果，節(jié)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(yè)爐有限公司）