MOAR 理論在工業(yè)循環(huán)水系統(tǒng)節(jié)能中的應(yīng)用

張翮輝 鄧勝祥 瞿英杰

（1中南大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院 湖南長沙 410083 2湖南山水節(jié)能科技股份有限公司 湖南長沙 410208）

工業(yè)循環(huán)冷卻水系統(tǒng)是以水泵作為動(dòng)力源，推動(dòng)冷卻水經(jīng)輸送管網(wǎng)和冷卻換熱設(shè)備用于冷卻工藝物料、生產(chǎn)設(shè)備和高溫廢料的公用工程，廣泛用于石化、化工、鋼鐵、冶金和電力等工業(yè)部門，被喻為維持工業(yè)生產(chǎn)的生命線。循環(huán)冷卻水系統(tǒng)在保證工藝裝置安全穩(wěn)定運(yùn)行的同時(shí)，也耗費(fèi)了大量的能源，以石化行業(yè)為例，光是水泵電耗就占據(jù)了石化生產(chǎn)過程用電總量的10%以上[1]。由于各類流程工業(yè)的循環(huán)冷卻水系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)和功能上的共性，其節(jié)能技術(shù)自然也就具有推廣應(yīng)用上的普適性，從而也成為了各類工業(yè)節(jié)能服務(wù)機(jī)構(gòu)的技術(shù)研發(fā)熱點(diǎn)。唐長忠等人[2]介紹了酒鋼集團(tuán)循環(huán)水節(jié)能改造的應(yīng)用實(shí)踐，其思路主要是通過自動(dòng)控制閥門對(duì)水泵運(yùn)行工況和閥門開度等工藝參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)循環(huán)水系統(tǒng)的精細(xì)化管理；湯躍[3]以某化工過程的循環(huán)水系統(tǒng)為研究對(duì)象，通過流體仿真技術(shù)實(shí)現(xiàn)了水泵效率的提升，并保證調(diào)節(jié)過程中管網(wǎng)的安全性；周洪煜等[4]則針對(duì)循環(huán)水的余熱利用問題，使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等工具提出了多邊界條件下的熱泵預(yù)測控制模型。盡管工業(yè)循環(huán)水系統(tǒng)節(jié)能領(lǐng)域的技術(shù)研究與應(yīng)用很多，但多專注于單一的動(dòng)力裝置或換熱環(huán)節(jié)本身，故需要從全系統(tǒng)出發(fā)提出綜合整體的節(jié)能理論并加以應(yīng)用。

1 MOAR 系統(tǒng)節(jié)能理論

MOAR系統(tǒng)節(jié)能理論是湖南山水節(jié)能科技股份有限公司以瞿英杰為首的專家團(tuán)隊(duì)聯(lián)合中南大學(xué)歷盡二十余年開發(fā)完善的流程工業(yè)系統(tǒng)節(jié)能思想體系和應(yīng)用方法，該理論的主要內(nèi)容是將系統(tǒng)節(jié)能歸納為管理系統(tǒng)運(yùn)行（Management of System Working）、優(yōu)化工藝需求(Optimization of Process Demand)、調(diào)整能量供給(Adjustment of Energy Feed)和提升元件能效(Rise of Component Efficiency)這四條基本途徑，由于上述四條途徑的英文翻譯分別以英文字母M、O、A和R打頭，故將其命名為“MOAR”理論。

管理系統(tǒng)運(yùn)行是MOAR理論的運(yùn)用基礎(chǔ)。現(xiàn)代流程工業(yè)廣泛使用DCS(Distributed Control System，分散控制系統(tǒng))系統(tǒng)進(jìn)行生產(chǎn)過程的監(jiān)測和控制，其基本思想是分散控制、集中操作和分級(jí)管理；MOAR系統(tǒng)節(jié)能理論指導(dǎo)下的節(jié)能改造也需要依托DCS系統(tǒng)來展開，即需要集機(jī)械、電子、自動(dòng)控制、水力設(shè)計(jì)、給排水設(shè)計(jì)和優(yōu)化設(shè)計(jì)方法等途徑來實(shí)現(xiàn)全方位全過程的流體輸送系統(tǒng)綜合優(yōu)化。所以管理系統(tǒng)運(yùn)行是方法，而DCS則是實(shí)現(xiàn)這個(gè)方法的手段。DCS更多地是站在自動(dòng)化的角度上描述如何實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場自動(dòng)化管理的最優(yōu)方式，而MOAR理論則立足于流體輸送的角度提出了優(yōu)化的思路和方法，甚至還需要細(xì)化至系統(tǒng)的元件與底層應(yīng)用的數(shù)學(xué)方法和系統(tǒng)能源評(píng)估的具體算法層面。此外，引入目前最新的物聯(lián)網(wǎng)和云計(jì)算技術(shù)成果，也可以更好地實(shí)現(xiàn)工業(yè)循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的運(yùn)行優(yōu)化和調(diào)度決策。

優(yōu)化工藝需求是MOAR理論的首要前提。MOAR理論借鑒電力行業(yè)的“需求側(cè)管理”(Demand Side Management，縮寫為DSM)思想[6]，基于傳熱原理和熱平衡方程，通過工業(yè)現(xiàn)場全面而細(xì)致的工藝參數(shù)檢測，并與工藝指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比來確定用水裝置的循環(huán)冷卻水流量、壓力和溫度的需求。以有機(jī)化工行業(yè)為例，換熱器用水量往往占據(jù)循環(huán)冷卻水總消耗的90%以上。根據(jù)換熱器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工藝特性，在確定工藝文件要求的換熱器出口工藝介質(zhì)的最高溫度的基礎(chǔ)上進(jìn)行工業(yè)現(xiàn)場的溫度實(shí)測。若測得換熱器出口工藝介質(zhì)的實(shí)際溫度明顯低于工藝設(shè)計(jì)溫度，則可以適當(dāng)降低通過該換熱器的循環(huán)冷卻水流量直至二者溫度相當(dāng)，從而達(dá)到節(jié)水節(jié)電的目的。

調(diào)整能量供給是MOAR理論的實(shí)現(xiàn)手段。隨著工藝需求的優(yōu)化，也要相應(yīng)地調(diào)整系統(tǒng)中能量的供給以達(dá)到需求側(cè)和供給側(cè)的精確匹配。根據(jù)“三環(huán)節(jié)”能量觀點(diǎn)，能量分為利用、回收和轉(zhuǎn)換這三個(gè)環(huán)節(jié)。對(duì)于工業(yè)循環(huán)冷卻水系統(tǒng)，則需要針對(duì)上述三個(gè)能量環(huán)節(jié)的具體情況而精確地計(jì)算系統(tǒng)的能量供給量及其隨著工藝波動(dòng)、物料變化、生產(chǎn)負(fù)荷和氣候環(huán)節(jié)等因素的變化情況，從而進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。

提升元件能效是MOAR理論最為直接有效的技術(shù)途徑。工業(yè)循環(huán)冷卻水系統(tǒng)是由許多元件所組成的，元件的高能效是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)高能效的有力基礎(chǔ)。具體的元件能效提升方法包括更換高效水泵、管道減阻除垢、冷卻塔更換高效填料、采用低阻力流量計(jì)和提高末端換熱效率(如換熱器強(qiáng)化)等。

2 工業(yè)循環(huán)水系統(tǒng)節(jié)能

實(shí)踐中對(duì)工業(yè)循環(huán)冷卻水系統(tǒng)可以分為冷卻子系統(tǒng)、供水子系統(tǒng)、配水子系統(tǒng)和用水子系統(tǒng)四大部分，以下按照這四個(gè)子系統(tǒng)分別闡述MOAR理論對(duì)工業(yè)循環(huán)水系統(tǒng)的實(shí)際指導(dǎo)意義。

2.1 冷卻子系統(tǒng)

冷卻子系統(tǒng)接納末端溫度較高的回水并將其溫度降至工藝規(guī)定范圍以內(nèi)，通常為機(jī)械通風(fēng)式冷卻塔。根據(jù)調(diào)整能量供給的MOAR理論法則，可以根據(jù)冷卻負(fù)荷和外界環(huán)境溫濕度的變化來調(diào)整塔頂風(fēng)機(jī)的功率，具體的做法是對(duì)塔頂風(fēng)機(jī)加裝變頻器或齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行調(diào)速，或者充分利用水流余壓將電動(dòng)風(fēng)機(jī)改為水動(dòng)風(fēng)機(jī)，從而減少風(fēng)機(jī)的電耗。

2.2 供水子系統(tǒng)

供水子系統(tǒng)接受冷卻塔冷卻后的循環(huán)水并進(jìn)行加壓，提供輸送動(dòng)力，通常為水泵房。供水子系統(tǒng)是工業(yè)循環(huán)冷卻水系統(tǒng)最主要的耗能部分，也是系統(tǒng)節(jié)能改造的關(guān)注重點(diǎn)。根據(jù)提升元件能效的MOAR理論法則，當(dāng)檢測到現(xiàn)場工作的水泵效率較低或存在偏工況的情況，則應(yīng)當(dāng)根據(jù)實(shí)際所需要的工況更換為高效率的水泵。

2.3 配水子系統(tǒng)

配水子系統(tǒng)連接供水子系統(tǒng)和用水末端，負(fù)責(zé)根據(jù)各個(gè)用水末端的工藝需要輸送和分配用水流量，通常由管網(wǎng)及閥門組成。根據(jù)管理系統(tǒng)運(yùn)行的MOAR理論法則，對(duì)配水子系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)控制是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)節(jié)能的重要途徑。配水子系統(tǒng)的管理運(yùn)行離不開工業(yè)DCS系統(tǒng)以及各種調(diào)節(jié)閥門，同時(shí)也可以依托新興的物聯(lián)網(wǎng)和云計(jì)算技術(shù)，對(duì)循環(huán)冷卻水輸配管網(wǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控分析，并遠(yuǎn)傳至云計(jì)算平臺(tái)，結(jié)合專家知識(shí)庫和遺傳算法[7,8]等先進(jìn)工具進(jìn)行系統(tǒng)管理調(diào)度的最優(yōu)決策。

2.4 用水子系統(tǒng)

用水子系統(tǒng)由工藝末端的各種用水設(shè)備組成，是整個(gè)工業(yè)循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的最終服務(wù)對(duì)象。根據(jù)優(yōu)化工藝需求的MOAR理論法則，主要是根據(jù)末端工藝包的參數(shù)，將設(shè)計(jì)值和實(shí)際值進(jìn)行對(duì)比，分析二者之間的差值，然后利用熱平衡方程和換熱公式確定用水需求的優(yōu)化空間。

3 結(jié)語

MOAR理論作為一種創(chuàng)新的系統(tǒng)節(jié)能方法和思想體系，對(duì)工業(yè)循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的節(jié)能具體一定的指導(dǎo)意義，對(duì)各個(gè)子系統(tǒng)應(yīng)用MOAR理論的各大法則進(jìn)行系統(tǒng)節(jié)能分析并加以針對(duì)性的節(jié)能改造，是實(shí)現(xiàn)工業(yè)循環(huán)冷卻水系統(tǒng)節(jié)能的有效途徑。盡管工業(yè)循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)具有普適性特點(diǎn)，但不同流程工業(yè)的用水末端有所差別，故實(shí)踐中還應(yīng)該加強(qiáng)對(duì)用水末端換熱和水力特征的檢測分析與研究。

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