節(jié)能在循環(huán)水系統(tǒng)設(shè)計與改造優(yōu)化分析

陸序

摘 ?要：循環(huán)冷卻水系統(tǒng)是一種常見的工業(yè)輔助冷卻系統(tǒng)，對維持主生產(chǎn)過程的安全以及延長生產(chǎn)設(shè)備的使用壽命起著極其重要的作用。目前，初始設(shè)計的循環(huán)冷卻水系統(tǒng)能夠滿足主生產(chǎn)過程的冷卻水需求，但存在較大的節(jié)能優(yōu)化空間。因此，本文依托某鋼廠單位循環(huán)水系統(tǒng)進行優(yōu)化設(shè)計和節(jié)能分析。首先利用水力學仿真軟件對循環(huán)水系統(tǒng)管路及核心設(shè)備進行建模，基于設(shè)計需水量分析了該鋼廠循環(huán)水系統(tǒng)的概況；其次，通過泵變頻、停泵、調(diào)閥和變管徑等措施分析并確定該循環(huán)水系統(tǒng)運行的最優(yōu)方案；最后，采用最優(yōu)方案后，泵的總功率降低了48.06%，冷卻水量減少了32.64%。改造后每年可節(jié)約電量1704.24兆瓦時，節(jié)水約39萬立方米，減少煤耗682噸，減少碳排放1775噸。

關(guān)鍵詞：循環(huán)水泵；工業(yè)水泵；循環(huán)水系統(tǒng)；優(yōu)化設(shè)計

引言

隨著能源短缺和環(huán)境污染等問題的日益突出和節(jié)能減排工作的大力推進，節(jié)能降耗已經(jīng)成為實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的必然選擇。鋼鐵工業(yè)是中國國民經(jīng)濟重要支撐，也是典型的資源、能源密集型行業(yè)。2020年中國粗鋼產(chǎn)量占全球粗鋼產(chǎn)量的56.7%，能源消耗占全國能源消耗總量的13%，碳排放占全國碳排放總量的15%[1， 2]。因此，在能耗“雙控”和“雙碳”的目標下，鋼鐵工業(yè)綠色低碳轉(zhuǎn)型發(fā)展是中國實現(xiàn)碳達峰、碳中和目標的重要支撐[3]。

循環(huán)水系統(tǒng)用于工藝過程冷（熱）量交換和傳送，是鋼鐵、電力、化工等流程必需的系統(tǒng)，具有極大的節(jié)能潛力。循環(huán)水系統(tǒng)主要由水泵、冷卻塔、凝汽器、管路等用水設(shè)備組成，其管網(wǎng)系統(tǒng)復雜、設(shè)備類型多。循環(huán)水系統(tǒng)主要依靠水泵為動力源來推動循環(huán)水的流動[4]。據(jù)統(tǒng)計，全國水泵的耗電量約2×1012 kW·h，占全國發(fā)電量的15%～21%。當前，工業(yè)循環(huán)水系統(tǒng)泵能耗占70％以上，運行能耗巨大[5， 6]。循環(huán)水系統(tǒng)的運行水平直接關(guān)系到系統(tǒng)能耗，影響整個生產(chǎn)系統(tǒng)的成本和績效[7]。目前，循環(huán)水系統(tǒng)運行管理過程主要取決于操作人員的經(jīng)驗與水平，局限性較大，能耗水平較高，難以最大程度地發(fā)揮出循環(huán)水系統(tǒng)的經(jīng)濟性[8]。因此，本文依據(jù)“經(jīng)濟、合理、安全、可靠”的原則，對某鋼廠循環(huán)水系統(tǒng)進行優(yōu)化設(shè)計與節(jié)能改造分析，在滿足系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行的同時，降低系統(tǒng)能耗，提高經(jīng)濟效益[9]。

1.原始工況計算分析

1.1 循環(huán)水冷卻水系統(tǒng)建模

利用水力學仿真軟件建立某鋼廠循環(huán)冷卻水系統(tǒng)模型，該鋼廠循環(huán)水系統(tǒng)流程圖見圖1。

三臺循環(huán)水泵兩用一備，循環(huán)水通過一個支路流經(jīng)兩臺凝汽器后，最終流向冷卻塔。三臺工業(yè)水泵兩用一備，循環(huán)水分兩個支路，一個支路為四臺水環(huán)真空泵、兩臺空冷器、四臺冷油器，另一支路流經(jīng)取樣冷卻器、兩臺鍋爐給水泵、一臺循環(huán)風機和兩臺循環(huán)風機軸承。最終所有支路的循環(huán)水均流向冷卻塔，冷卻塔的工作原理是將冷水引入并不斷循環(huán)對設(shè)備進行冷卻，冷卻塔內(nèi)的水被加熱產(chǎn)生水蒸氣通過塔頂排出[8]。

1.2循環(huán)水泵和工業(yè)水泵運行信息

正常工況下，水力學仿真軟件計算輸出的循環(huán)水泵和工業(yè)水泵的運行數(shù)據(jù)見表1。

分析正常工況下循環(huán)水水泵和工業(yè)水泵運行數(shù)據(jù)可知，循環(huán)水泵在大流量運行，已偏離最佳效率點約22%，如冷卻水池水位過低則易產(chǎn)生空化、過載運行，同時會造成耗能增大，浪費水資源。而工業(yè)水泵小流量偏工況運行，運行效率低。循環(huán)水泵和工業(yè)水泵的特性曲線如圖2、3。

因此，擬通過對機組循環(huán)水水泵低速功能，根據(jù)實際需求水量調(diào)節(jié)循環(huán)水泵運行方式，通過調(diào)速減少循環(huán)水泵電耗，降低廠用電負荷，提高電廠經(jīng)濟性[10]。

1.3 凝汽器及用水設(shè)備運行信息

根據(jù)正常工況用水設(shè)備運行數(shù)據(jù)，實際運行的水量基本都遠大于需求水量，造成大量水資源的浪費。取樣冷卻器和鍋爐給水泵實際運行冷卻水量達不到要求，對工藝管道流程圖進行對比分析發(fā)現(xiàn)取樣冷卻器和鍋爐給水泵兩個設(shè)備支路的管徑均偏小，且取樣冷卻器和鍋爐給水泵下游循環(huán)風機的水量偏大。

2.循環(huán)水優(yōu)化方案對比分析

由上可知，初始設(shè)計的循環(huán)水系統(tǒng)存在水泵運行狀態(tài)不佳、整體水量偏大、局部水量偏小、管徑選用不合理的問題。因此在保證滿足水量要求和設(shè)備安全穩(wěn)定運行的前提下，對兩泵進行流量控制并且通過增大管徑和調(diào)閥的方式來平衡管網(wǎng)水量，節(jié)約能源。以原始方案為方案一，在對原始方案進行分析的基礎(chǔ)上進行三次改造優(yōu)化。

2.1 方案二

在方案一中，取樣冷卻器和鍋爐給水泵實際運行冷卻水量達不到要求，原因是取樣冷卻器和鍋爐給水泵兩個設(shè)備支路的管徑同其他支路管徑相比均偏小，且取樣冷卻器和鍋爐給水泵下游循環(huán)風機的水量偏大。

嘗試在正常運行的基礎(chǔ)上將取樣冷卻器支路的管徑從D38×3.5增大至D45×3.5，將鍋爐給水泵支路的管徑從D32×3.5增大至D38×3.5，運行后發(fā)現(xiàn)取樣冷卻器實際運行冷卻水量可以達到要求，但鍋爐給水泵的冷卻水量仍達不到要求。因此，在增大兩個支路管徑的基礎(chǔ)上將鍋爐給水泵下游循環(huán)風機的閥門關(guān)度調(diào)至40%，使鍋爐給水泵的冷卻水量達到要求。

通過對用水設(shè)備運行數(shù)據(jù)進行分析和對比，取樣冷卻器和鍋爐給水泵的流量剛好達到要求，而且循環(huán)風機下游的循環(huán)風機軸承的冷卻水量也在要求的范圍之內(nèi)。取樣冷卻器實際運行水量為18.178m3/h，需求水量為18m3/h，鍋爐給水泵實際運行水量為10.258m3/h，需求水量為7m3/h。取樣冷卻器和鍋爐給水泵雖然滿足了需求水量，但其他支路的水量依然偏大較多，對應(yīng)泵的流量也大，運行工況依然不經(jīng)濟。

2.2 方案三

為降低能耗和資源浪費，可以采用泵變頻技術(shù)，同時調(diào)節(jié)泵的揚程和流量，以和循環(huán)水系統(tǒng)相匹配，節(jié)約資源，降低費用[11]。因此，為了達到節(jié)水節(jié)能的目的，在方案二的基礎(chǔ)上通過泵變頻將兩臺循環(huán)水泵的總流量降至3400m3/h，并停用一臺工業(yè)水泵。循環(huán)水泵、工業(yè)水泵和各個用水設(shè)備的運行數(shù)據(jù)見表3。

循環(huán)水泵在進行調(diào)速運行后，流量降低，泵的功率降低，運動工況點更接近最佳效率點。工業(yè)水泵停用一臺后，泵的流量增大，單臺耗功升高，易發(fā)生過載。

通過對方案三進行分析，發(fā)現(xiàn)有工業(yè)水泵控制用水的取樣冷卻器水量不能滿足要求、循環(huán)風機電機和兩臺循環(huán)風機軸承的水量剛達到要求，而且停用工業(yè)水泵B后，工業(yè)水泵C超負荷運行導致其效率降低。循環(huán)水泵和工業(yè)水泵的特性曲線如圖4、5。

綜上，為了減少耗能在方案二的基礎(chǔ)上將兩臺循環(huán)水泵的總流量控制在3400m3/h，將工業(yè)水泵停用一臺后：

（1）循環(huán)水泵A和B的效率均提高了3.9%，因此泵運行的最佳效率點更接近最佳效率點。

（2）循環(huán)水泵的總功率降低了170.12kW。

（3）鍋爐給水泵的水量能達到要求，循環(huán)風機電機和兩臺循環(huán)風機軸承的水量剛達到要求，但取樣冷卻器的冷卻水量不能滿足要求。

（4）工業(yè)水泵的效率有所降低，原因是停用工業(yè)水泵B后工業(yè)水泵C超負荷運行所致。

2.3 方案四

通過對方案三的數(shù)據(jù)進行分析，發(fā)現(xiàn)工業(yè)水泵的一個支路中，水環(huán)真空泵、空氣冷卻器和冷油器的冷卻水量都偏大。在此，通過降低支路調(diào)節(jié)閥閥門開度，使管網(wǎng)的壓降平衡達到最優(yōu)，水量的分配最為合理[12]。

因此，在方案三的基礎(chǔ)上調(diào)節(jié)控制水環(huán)真空泵、空氣冷卻器和冷油器水量閥門開度來降低水環(huán)真空泵、空氣冷卻器和冷油器水量，增大工業(yè)水泵另一支路中取樣冷卻器的水量。使工業(yè)水泵C流量降低的同時，取樣冷卻器的水量達到設(shè)計要求。方案四中工業(yè)水泵特性曲線如圖6。

綜上，將控制水環(huán)真空泵、空氣冷卻器和冷油器水量閥門開度調(diào)至30%，降低了水環(huán)真空泵、空氣冷卻器和冷油器水量，增大了取樣冷卻器和鍋爐給水泵水量，工業(yè)水泵C的效率提升了10.94%。

3.優(yōu)化改造后經(jīng)濟性分析

四種不同方案循環(huán)水泵和工業(yè)水泵的運行數(shù)據(jù)見表4。

通過分析對比，方案二和方案四的用水設(shè)備均可達到要求。

方案四和方案二相比：變頻后循環(huán)水泵的總功率降低了49.9%，冷卻水量減少了32.1%，運行效率點達104.2%，總效率提升了3.895%；禁用一臺工業(yè)水泵后，工業(yè)水泵的總功率降低42%，冷卻水量減少37.2%，運行效率點達106.1%，總效率提升1.5%。因此，推薦方案四的運行工況。

四種方案凝汽器冷卻水管冷卻水最小流速為1.0422m/s＞0.9m/s，最大流速為1.7169m/s＜2.5m/s，滿足相關(guān)規(guī)范要求[10]。

3.1 改造后用水量分析

目前，所設(shè)計的循環(huán)冷卻水系統(tǒng)都能夠滿足生產(chǎn)過程的冷卻需求，但也造成了不必要的資源浪費，因此存在較大優(yōu)化空間。

方案四和方案一相比節(jié)約了大量水資源，方案一中總水量為5541m3/h，方案四中總水量為3732.6m3/h，冷卻水量減少了32.6%。每年除安排檢修外，循環(huán)水系統(tǒng)幾乎一直連續(xù)運轉(zhuǎn)，蒸發(fā)量按循環(huán)水量的1.8%計算，補充水量按蒸發(fā)量的1.5倍計算[13]。每年的運行小時數(shù)取8000h，則每年可節(jié)水約39萬m3。按工業(yè)用水水價4元/立方計算，每年可節(jié)省約156萬元。

3.2 改造后用電節(jié)省量分析

方案四和方案一相比節(jié)約了大量電能，方案一中循環(huán)水泵和工業(yè)水泵的總功率為443.27kW，方案四中循環(huán)水泵和工業(yè)水泵的總功率為230.24kW，總功率減少48.06%。以每年運行8000小時計算，則每年可節(jié)約電量1704.24MW·h，按電價0.7元/kW·h計算，每年節(jié)省約119萬元。

3.3 改造后碳排放分析

依據(jù)碳排放計算方法[14]，節(jié)約1m3水相當于減排0.194kg的二氧化碳，每年可減少二氧化碳排放約76t；節(jié)約1度電相當于減排0.997kg的二氧化碳，相當于節(jié)約0.4kg標準煤，則每年可減少碳排放約1699t，減少煤耗682t。方案一和方案四的碳排放計算如表6。

4.結(jié)論

為解決循環(huán)水系統(tǒng)能耗較高、效率低的現(xiàn)象[15]。采用水力學仿真軟件對某鋼廠循環(huán)水冷卻水系統(tǒng)進行建模，在滿足設(shè)備用水要求的條件下，對整個系統(tǒng)進行優(yōu)化設(shè)計和分析計算。將管路中的兩臺循環(huán)水泵速率調(diào)至79.33%、工業(yè)水泵停用一臺、調(diào)節(jié)支路閥門開度及增大個別支路管徑來使整個系統(tǒng)處于較佳的狀態(tài)運行。與原始工程相比，泵的總功率降低48.06%，冷卻水量減少32.64%。改造后每年可節(jié)約電量1704.24兆瓦時，節(jié)省電費119萬元；每年可節(jié)水約39萬立方米，節(jié)省水費156萬元；每年減少煤耗682噸；減少碳排放1775噸。

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（作者單位：貴州能源集團 ?）