優(yōu)化循環(huán)水系統(tǒng)操作節(jié)約電能

陳瑞利

（西薩化工上海有限公司，上海 201507）

優(yōu)化循環(huán)水系統(tǒng)操作節(jié)約電能

陳瑞利

（西薩化工上海有限公司，上海 201507）

分析了某廠的循環(huán)水系統(tǒng)運(yùn)狀態(tài)，分析了運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題，提出解決方案；更進(jìn)一步通過(guò)熱平衡及水力學(xué)分析，優(yōu)化操作，取得了647萬(wàn)元/a的經(jīng)濟(jì)效益。

循環(huán)水；優(yōu)化；節(jié)能

循環(huán)水系統(tǒng)是化工廠最常見(jiàn)的冷卻系統(tǒng)，其特點(diǎn)是流量高，一般在數(shù)千至上萬(wàn)立方每小時(shí)，循環(huán)水供水泵及冷卻水塔風(fēng)扇的功率在兆瓦級(jí)。合理的根據(jù)裝置負(fù)荷、氣候情況、冷卻器的效率調(diào)整循環(huán)水系統(tǒng)的運(yùn)行可以取得顯著的節(jié)電效果。

本文以某工廠的循環(huán)水系統(tǒng)優(yōu)化實(shí)例說(shuō)明了如何通過(guò)合理調(diào)節(jié)達(dá)到節(jié)電效果。

1 循環(huán)水系統(tǒng)介紹

本工廠循環(huán)水系統(tǒng)的主流程框圖參考下圖，系統(tǒng)包括了如下主要設(shè)備。

1）正常循環(huán)水供水泵P02A～D，每臺(tái)泵的額定流量為4700 m3/h，功率950kW，按設(shè)計(jì)3開(kāi)1備。

2）緊急循環(huán)水供水泵P03A～C，每臺(tái)泵的設(shè)計(jì)流量為1400 m3/h，功率325kW。按設(shè)計(jì)2開(kāi)1備。此泵與柴油發(fā)電機(jī)連接，在外界供電停供狀態(tài)下仍可供水。

3）6臺(tái)冷卻水塔A～F及循環(huán)水池，其中C～F為變頻風(fēng)機(jī)；A、B塔為緊急冷卻塔，風(fēng)機(jī)固定轉(zhuǎn)速，并與柴油發(fā)電機(jī)連接，在停電時(shí)風(fēng)扇仍可運(yùn)行。

4）若干冷卻水用戶級(jí)相關(guān)閥門、管道、儀表等。

冷卻塔的設(shè)計(jì)條件如下：

正常循環(huán)水量11 200m3/h，供水壓力＞530kPa，當(dāng)壓力低于此值時(shí)，備用泵自啟；緊急循環(huán)水流量為2 400m3/h，供水壓力＞450kPa，當(dāng)壓力低于此值時(shí)，備用泵自啟。供水溫度32℃，總回水溫度38℃。用戶負(fù)荷94Mkcal/h。

2 運(yùn)行工況

此工廠為2015年初投產(chǎn)的新工廠。在初始運(yùn)行的第一年，工程師主要精力放在了主工藝裝置，循環(huán)水系統(tǒng)的運(yùn)行主要依靠操作工的個(gè)人經(jīng)驗(yàn)。操作工為了維持壓力在5.3kPa以上，通常運(yùn)行3臺(tái)P02泵，供水量在9 500～10 500m3/h；緊急冷卻水運(yùn)行2臺(tái)P03泵，流量2 000～2 400m3/h，循環(huán)水塔風(fēng)機(jī)運(yùn)行3～4臺(tái)?？傠姾脑?.3MW左右。供水溫度滿足冷卻器要求。

3 運(yùn)行中的問(wèn)題

盡管供水溫度及流量滿足了冷卻用戶的要求，但實(shí)際上系統(tǒng)并未恰當(dāng)控制在最佳點(diǎn)，主要存在的問(wèn)題如下：

1）三臺(tái)P02泵的出口手閥開(kāi)度大小不一，導(dǎo)致3臺(tái)泵的負(fù)荷分布不均，根據(jù)泵出口壓力及功率判斷，有的泵在接近甚至可能低于最小流量狀態(tài)下運(yùn)行。長(zhǎng)期運(yùn)行可能會(huì)損壞泵體。

2）泵出口手閥開(kāi)度過(guò)小。由于此閥門為30”蝶閥，開(kāi)關(guān)比較困難，操作工一般將出口閥開(kāi)的很小，導(dǎo)致此手閥的壓降損失很大，對(duì)比泵出口壓力和總管壓力，此閥門的壓降為150kPa。由于總管上有一個(gè)530kPa的低壓聯(lián)鎖，為了保持壓力，3臺(tái)泵必須要開(kāi)啟，否則壓力就不夠。三臺(tái)泵總共供水量只有9 500～10 500m3/h，平均每臺(tái)泵供水只有3 200～3 500m3/h。

3）由于設(shè)計(jì)余量，加之開(kāi)車初期，裝置負(fù)荷不高，即便在3天的100%負(fù)荷測(cè)試的時(shí)間里，循環(huán)水塔的負(fù)荷也只有最高73Mkcal/h，供水溫度在27～32℃，回水溫度在32～37℃之間，溫差在5～6.5℃之間。

4）緊急冷卻水的正常用戶只有3臺(tái)，其中2臺(tái)不大，總設(shè)計(jì)流量只有200m3/h，而另有一臺(tái)冷卻器，C08，其設(shè)計(jì)負(fù)荷為17.8Mkcal/h，冷卻水設(shè)計(jì)流量為2 200m3/h。但根據(jù)實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)來(lái)看，此換熱器的設(shè)計(jì)面積遠(yuǎn)大于實(shí)際需求，導(dǎo)致循環(huán)水平均流量在400m3/h即可滿足換熱要求，這意味著緊急冷卻水量只要600m3/h就可滿足需求。

順便提一下，此處有低循環(huán)水量引起管道閥門震動(dòng)問(wèn)題。C08是通過(guò)控制循環(huán)水流量來(lái)控制換熱量，而控制閥是按照正常流量2 200m3/h而設(shè)計(jì)的，由于現(xiàn)在平均流量只有400m3/h，并且流量實(shí)在200～600m3/h間波動(dòng)，閥門也相應(yīng)在10%～20%間波動(dòng)。當(dāng)閥門開(kāi)度在10%左右時(shí)，由于閥門節(jié)流，導(dǎo)致此閥門及相關(guān)管線劇烈振動(dòng)，噪音巨大。長(zhǎng)期如此運(yùn)行，必然引起管道及閥門的損壞。

5）每個(gè)冷卻水用戶單元末端，都有一個(gè)從供水至回水的旁路閥，每一臺(tái)換熱器進(jìn)出口都有蝶閥，但出口未安裝任何溫度變送器或就地表。在開(kāi)車投產(chǎn)階段，有些旁路閥完全處于開(kāi)的狀態(tài)，有些換熱器入口閥沒(méi)有全開(kāi)，有些換熱器出口閥全開(kāi)。這些問(wèn)題都導(dǎo)致了不必要的循環(huán)量，浪費(fèi)供水泵的能耗。

6）循環(huán)水回塔的分布不均，有的多有的少，而風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的控制并沒(méi)有根據(jù)水量分布來(lái)控制，導(dǎo)致冷卻效果不高。

7）設(shè)計(jì)冷卻水供水溫度控制風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，以達(dá)到節(jié)能效果，但實(shí)際上，由于風(fēng)扇本身機(jī)械及操作習(xí)慣問(wèn)題，自開(kāi)車來(lái)，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速由操作工手動(dòng)設(shè)置，一般也不會(huì)去調(diào)此轉(zhuǎn)速，因此供水溫度總低于實(shí)際需求。

4 優(yōu)化思路

解決以上問(wèn)題并找到最優(yōu)點(diǎn)主要通過(guò)兩條路徑：

1）糾正不正確的操作，包括通過(guò)調(diào)整泵出口手閥，平均分配泵運(yùn)行負(fù)荷，保證其運(yùn)行在最小流量之上；維修風(fēng)機(jī)，保證其正查運(yùn)行；根據(jù)回水量分布，調(diào)整風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，回水量多的風(fēng)機(jī)可轉(zhuǎn)速高些，回水量少的風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速低些甚至停止風(fēng)機(jī)；投用溫度控制風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的回路。

2）研究系統(tǒng)熱負(fù)荷，決定供水流量，找到滿足如下條件的操作點(diǎn)：

供水溫度不高于32℃，回水溫差不超過(guò)38℃，溫差在6℃內(nèi)。

滿足壓力要求。

通過(guò)降低供水量，盡可能運(yùn)行少的機(jī)泵，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速盡可能低。

5 優(yōu)化分析過(guò)程

對(duì)于上述兩條思路，第一條主要是糾正錯(cuò)誤的操作和維修相關(guān)的設(shè)備，使系統(tǒng)運(yùn)行在設(shè)計(jì)工況下。

第二條是優(yōu)化的重點(diǎn)，需要更多的可行性分析：

在操作中的問(wèn)題（2）中提到過(guò)，實(shí)際正常供水量平均值為10 000m3/h，考慮到泵的額定流量為4 700m3/h，2臺(tái)泵可供9 400m3/h流量，與10 000m3/h相差不多，對(duì)用戶影響應(yīng)該不大。而如果能停一臺(tái)泵，預(yù)計(jì)可節(jié)約800kW的電量。

對(duì)于循環(huán)水系統(tǒng)的用戶側(cè)，有如下熱平衡公式：

Qr=FCp∩Tcwr|Tcws

上式中：

Qr為各個(gè)用戶的總負(fù)荷需求，由主工藝裝置決定，對(duì)于循環(huán)水系統(tǒng)屬目標(biāo)變量，不可調(diào)節(jié)。

F為供水流量，可調(diào)。

Cp為水的比熱，1kcal/kg.℃

Tcws為供水溫度，受冷卻塔的運(yùn)行效率影響，如風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，水量分布等因素影響。

Tcwr為回水溫度，當(dāng)Qr和Tcws固定后，由流量F決定。

通過(guò)上面對(duì)公式的分析，可以看出，F(xiàn)最終影響的是供-回水溫差，流量假設(shè)減少20%，則溫差增大20%。如果Tcws不變的話，則影響的就是Tcwr。而對(duì)于用戶而言，只要入口溫度Tcws不變，Tcwr并不是很重要的參數(shù)，因?yàn)橐话銚Q熱器都有一定的設(shè)計(jì)余量，只要入口溫度不超過(guò)設(shè)計(jì)值，一般都可以滿足冷卻要求。

因此，循環(huán)水流量是可降低的，其后果是循環(huán)水回水溫度升高，只要此時(shí)注意每個(gè)用戶的冷卻效果，做相應(yīng)的單獨(dú)調(diào)整，應(yīng)該可以找到一個(gè)合適的操作點(diǎn)。

由于循環(huán)水量降低，回水溫度升高，如果要保證供水溫度，則需要再調(diào)整循環(huán)水塔的操作，必要時(shí)可以加大風(fēng)扇轉(zhuǎn)速來(lái)確保供水溫度。

三個(gè)重要推論：

1）循環(huán)水量決定回水溫度，實(shí)際就是供-回水溫差，只要溫差由余地，就有可能降低流量；水量減少的比例與溫差成的變化成反比。

2）供水溫度由循環(huán)水塔運(yùn)行決定，回水溫度的升高，可以通過(guò)調(diào)節(jié)循環(huán)水塔的操作而達(dá)到供水溫度的要求。

3）循環(huán)水量的減少，只要比例不是太大，比如20%以內(nèi)，換熱器用戶的效率是不會(huì)受到太大的影響。

根據(jù)以上推論，停一臺(tái)P02泵，循環(huán)水量由10 000m3/ h降低至9 400m3/h，滿負(fù)荷操作時(shí)溫差預(yù)計(jì)由5～6.5℃上升至5.3～6.9℃，供水溫度在27～32℃之間，回水溫度最高溫度38.9℃?？紤]到這是夏天滿負(fù)荷負(fù)荷操作的溫度，處于其他季節(jié)非滿負(fù)荷時(shí)，通過(guò)控制供水溫度，回水溫度控制在38℃內(nèi)應(yīng)該問(wèn)題不大。

對(duì)于緊急冷卻水系統(tǒng)，前文已經(jīng)分析過(guò)，由于C08的設(shè)計(jì)余量很大，完全沒(méi)有必要再提供2 200m3/h的流量，可以停一臺(tái)P03泵，預(yù)計(jì)可節(jié)約電能250kW。

另外，在停P02和P03泵時(shí)，供水壓力必然會(huì)下降，而且還有可能低于聯(lián)鎖值。這是一個(gè)水力學(xué)問(wèn)題。這個(gè)問(wèn)題可以通過(guò)調(diào)整泵出口閥和循環(huán)水回水閥而滿足壓力要求。

因此，提出的最終解決方案如下：

（1）各停一臺(tái)P02和P03泵。

（2）調(diào)整冷卻塔水量分布及風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，控制供水溫度不高于32℃。

（3）調(diào)整泵出口閥門，滿足壓力要求。

6 實(shí)際調(diào)整過(guò)程及問(wèn)題的解決

6.1調(diào)整管網(wǎng)水力學(xué)分布

之前在問(wèn)題5中提到過(guò)一些錯(cuò)誤操作，因此第一步先糾正這些錯(cuò)誤，主要包括：

（1）全開(kāi)每一個(gè)換熱器的入口手閥，出口閥門一般控制在50%。

（2）全關(guān)每個(gè)單元的旁路閥門。

（3）檢查每個(gè)單元的進(jìn)出口界區(qū)閥，一般在50%左右的就不再調(diào)整。

（4）監(jiān)控一些重要的，大的冷卻器的冷卻效果，通過(guò)便攜式溫度計(jì)測(cè)量回水溫度。有些換熱器出口溫度過(guò)高的，開(kāi)大其出口手閥，甚至某些冷卻器出口歐閥門全開(kāi)。

通過(guò)以上調(diào)整，保證了在低流量下，絕大部分換熱器仍可得到足夠的冷卻水。

6.2調(diào)整泵出口閥門及管網(wǎng)閥門

停泵最關(guān)鍵的問(wèn)題在于供水壓力是否能維持住?？紤]P02運(yùn)行3臺(tái)泵時(shí)，壓力已經(jīng)比較接近低壓聯(lián)鎖值，因此在停泵之前，都先預(yù)開(kāi)了三臺(tái)泵的出口閥門，并且調(diào)整每臺(tái)泵的出口壓力及電流相同。通過(guò)此調(diào)整，供水壓力提高了60kPa，流量大約提高1 000m3/h。之后停其中一臺(tái)泵。

停泵后，流量掉至9 400m3/h，壓力掉到525kPag，低于聯(lián)鎖壓力。之前已經(jīng)將此聯(lián)鎖旁路，因此第三臺(tái)泵沒(méi)有自啟。電機(jī)電流已經(jīng)略高于額定電流。

為了減小電機(jī)電流，必須降低供水流量；為了升高供水壓力，需要開(kāi)大泵出口閥門；但開(kāi)大出口閥門就會(huì)流量升高，電機(jī)電流升高。因此此時(shí)不能再通過(guò)開(kāi)大泵出口閥門的方法來(lái)提高管網(wǎng)壓力，而應(yīng)當(dāng)通過(guò)關(guān)小回循環(huán)水塔的回水閥門來(lái)減小流量及提高壓力。

實(shí)際調(diào)整時(shí)，先估計(jì)3～4個(gè)塔的運(yùn)行即可滿足冷卻要求，然后觀察每個(gè)循環(huán)水塔的回水分布，選定了3個(gè)回水塔為主要冷卻塔（D，E，F(xiàn)），盡量關(guān)小了其余的3塔的回水量（A，B，C），均勻分布了D、E、F三塔的回水量。并且控制總供水量在8 500m3/h，供水壓力提高至570kPag，回水壓力由之前的100kPag升高至320kPag。

運(yùn)行D、E、F風(fēng)扇，停其余風(fēng)扇，供水溫度在28-30℃之間，監(jiān)測(cè)主要冷卻器的運(yùn)行狀況，僅發(fā)現(xiàn)有一個(gè)精餾塔的冷凝器（C404A/B/C）效果有較明顯降低。

該塔有三臺(tái)冷凝器，總設(shè)計(jì)負(fù)荷為11Mkcal/h，循環(huán)水總流量1 800m3/h，循環(huán)水入口設(shè)計(jì)溫度32℃，出口37.8℃。工藝側(cè)設(shè)計(jì)入口溫度43℃。

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量出口管道溫度約為41℃，分析換熱能力下降的可能原因是循環(huán)水流量不夠。但經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)檢查冷卻器進(jìn)出口閥門都已全開(kāi)。隨后懷疑可能是精餾單元界區(qū)24”閥門開(kāi)度不夠，經(jīng)檢查閥門入口閥門開(kāi)度只有25%左右，出口50%。開(kāi)大入口閥門至50%后，冷卻能力恢復(fù)。

在調(diào)整正常循環(huán)水達(dá)到要求后，采用類似的步驟停一臺(tái)緊急冷卻水泵。發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題是泵出口壓力在附近460kPag波動(dòng)，接近聯(lián)鎖值，流量約900m3/h，電機(jī)電流低于額定電流。為了提高壓力，開(kāi)大了泵出口閥門，流量略有提高。

至此，調(diào)整工作告一個(gè)段落。

7 調(diào)整后結(jié)果

（1）P02和P03泵各停一臺(tái)。節(jié)約電能約1 000kW。

（2）優(yōu)化了循環(huán)水分布，將溫度控制轉(zhuǎn)速回路投用，運(yùn)行三臺(tái)風(fēng)扇在低轉(zhuǎn)速即可滿足生產(chǎn)需求，節(jié)約電能約100kW。

（3）解決了問(wèn)題4中的管線及閥門振動(dòng)問(wèn)題。其機(jī)理是回水壓力升高了220kPa，而緊急冷卻水供水壓力基本維持不變，因此控制閥的壓差減小，開(kāi)度增大，正常開(kāi)度在20%以上，節(jié)流問(wèn)題消失。

通過(guò)此調(diào)整，實(shí)際供節(jié)約電能1 100kW，相當(dāng)于節(jié)省電費(fèi)647萬(wàn)元/年（電費(fèi)按0.7元/度稅前計(jì)，一年按8 400生產(chǎn)小時(shí)計(jì)），經(jīng)濟(jì)效果十分顯著。

同時(shí)還糾正了一系列不正確或不好的操作模式，消除了管線振動(dòng)，降低了設(shè)備出問(wèn)題的風(fēng)險(xiǎn)。

8 下一步計(jì)劃

目前回水壓力在320kPa，實(shí)際上80kPa即可滿足回塔需求。并且回水閥的壓降過(guò)高，還導(dǎo)致低流量的閥門開(kāi)度很小，管線有噪音。

這說(shuō)明循環(huán)水供水泵的壓頭設(shè)計(jì)偏高，最大有240kPa的余量，因此下一步計(jì)劃研究通過(guò)更換小葉輪的方式，降低泵壓頭。

根據(jù)泵特性曲線，如果更換最小葉輪，壓頭可降低10m。理論計(jì)算單臺(tái)泵可節(jié)能175kW，經(jīng)濟(jì)效益也很明顯。

9 總結(jié)

循環(huán)水系統(tǒng)只要能滿足供水溫度和壓力，常常不為生產(chǎn)所注意，而實(shí)際上其為耗電大戶，就本廠而言，其用電在調(diào)整前占了總廠耗電的30%。仔細(xì)分析后加以合理的調(diào)整，直接帶來(lái)了647萬(wàn)元/年的經(jīng)濟(jì)效益，因此應(yīng)當(dāng)對(duì)循環(huán)水系統(tǒng)予以足夠的重視。

Saving the Electrical Power by Optimizing the Cooling Water System

Chen Rui-li

Studied the performance of cooling water system of a plant，pointed out the control problem and proposed the improvement plans；furthermore，by analyzing the heat balance and hydraulic performance of the system，optimized the operation，6.47MRMB/year electrical power cost was saved after the optimization.

cooling water system；optimization；energy saving

TQ085.4

A

1003-6490（2016）01-0145-03

2016-01-20

陳瑞利（1977—），男，陜西旬陽(yáng)人，工程師，主要從事化工生產(chǎn)及技術(shù)工作。