文/王曰鋒

工業(yè)循環(huán)水系統(tǒng)兩種節(jié)能改造技術的關系

文/王曰鋒

工業(yè)用水主要包括冷卻用水、熱力和工藝用水、洗滌用水。其中工業(yè)冷卻水用量占工業(yè)用水總量的80％左右，取水量占工業(yè)取水總量的30％～40％。工業(yè)循環(huán)冷卻水系統(tǒng)是工業(yè)生產(chǎn)中的耗能大戶，其用量約占整個工業(yè)用水量的70％。工業(yè)循環(huán)冷卻水系統(tǒng)中的主要用能單位是風機和水泵。據(jù)統(tǒng)計全國運轉(zhuǎn)著的風機、水泵在1000萬臺以上，它們的耗電量約占全國發(fā)電量的31％（風機占10％，水泵占21％），約占全國工業(yè)用電量的50％。

因其用電量巨大，其節(jié)能改造的效果對工業(yè)企業(yè)影響就大，因此針對耗能大戶工業(yè)循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的節(jié)能技術不斷出現(xiàn)，目前行業(yè)中較為常見的節(jié)能技術有兩種：針對風機的冷卻塔風機采用冷卻塔專用超低比轉(zhuǎn)速混流式水輪機進行驅(qū)動，和循環(huán)水泵的節(jié)能改造。

這兩種技術表面上看是矛盾的，其支持者甚至相互指責，支持水輪機技術的說泵節(jié)能是騙子，支持泵節(jié)能技術的說水輪機技術是偽節(jié)能。那么這兩者究竟有何關系，能否并存，本文通過實際案例的分析拋磚引玉，希望能夠讓業(yè)者客觀的了解這兩種技術，并科學地選擇適合自己的節(jié)能改造方案。

應用情況簡介

工業(yè)循環(huán)冷卻水系統(tǒng)由水泵（含電機）、管道、閥門、換熱器、冷卻塔（含風機）幾大部分組成，泵節(jié)能針對的是水泵，水輪機針對的是冷卻塔。

水輪機技術采用冷卻塔專用超低比轉(zhuǎn)速混流式水輪機替代冷卻塔的風機電機，實現(xiàn)風機的無電驅(qū)動，從而實現(xiàn)節(jié)電。該技術利用的是循環(huán)水系統(tǒng)中的富余能量，包括富余壓頭、閥門阻力、循環(huán)水流經(jīng)高處換熱器的重力勢能，在不增大循環(huán)水泵出力的情況實現(xiàn)原有風機電機的替代，從而實現(xiàn)該電機的100％節(jié)能。

泵節(jié)能技術通過對現(xiàn)有水泵運行的工況分析，計算真實所需要的泵出力，通過選擇功率合適的水泵、效率更高的水泵實現(xiàn)對原有水泵的更換，從而實現(xiàn)節(jié)能。

神寧煤化工聚甲醛廠循環(huán)冷卻水系統(tǒng)

神華寧夏煤業(yè)集團煤炭化學工業(yè)分公司聚甲醛廠循環(huán)水系統(tǒng)現(xiàn)有3500m3/h冷卻塔3臺，系統(tǒng)設計總處理水量10500m3/h，風機總額定功率330kW，循環(huán)水泵4臺，運行3臺，水泵總額定流量10500m3/h，運行水泵電機總額定功率1890kW。

系統(tǒng)運行形式

系統(tǒng)組成及整體運行數(shù)據(jù)（20131111）如圖1：

圖1 系統(tǒng)組成及總體運行數(shù)據(jù)20131111

系統(tǒng)運行參數(shù)校正

因循環(huán)冷卻水系統(tǒng)在整個化工流程中屬于為主工藝服務的公用工程，且由于客觀條件所限，其流量和壓力計量不可能非常準確，因此不能完全相信監(jiān)測數(shù)據(jù)，需要在進行數(shù)據(jù)記錄以后進行運行參數(shù)校正。

（1）系統(tǒng)運行流量分析

表1 各點流量計流量數(shù)值

供水流量比回水流量多12925-11258=1667m3/h；回水流量比上塔和旁濾流量多11258-（9760+500）=998m3/h。從上比較說明三點流量數(shù)值不等，且相差較大。三臺冷卻塔上塔閥門開度一致（28°），2#塔上塔流量僅2670m3/h，說明上塔流量合計值不準確，下面以水泵運行工況計算運行流量：

三臺水泵實際運行電流為38.9A+39.1A+38.7A=116.7A，電機電壓10kV，功率因數(shù)為0.89，三臺水泵電機功耗為1.732×116.7×10×0.89=1799（kW）。則三臺水泵流量為1799×0.96×0.85÷（9.81×50）=3m3/s =10800m3/h，此流量與回水流量較靠近。

通過以上幾組數(shù)據(jù)比對分析，系統(tǒng)實際運行流量是以回水流量為準較為合理。

（2）系統(tǒng)運行壓力分析

①供水壓力分析

泵出口閥門壓損計算：

供水閥門開度平均32°，管道通徑DN800，單管流量11258m3/h÷3=3753m3/h，則：

管道流速

V=Q/S=（3753/3600）/（3.14×0.42）=2m/s

根據(jù)閥門開度與阻力系數(shù)參數(shù)表查得在閥門開度32°時，ζ=65.52，依據(jù)公式h=ζv2/2g得閥門壓損為：h=ζv2/2g=（65.52×22）/（2×9.81）=13.3m。

供水壓力驗證：泵出口壓力表表壓為50m，供水壓力表表壓為38.4m，則閥門閉壓為50-38.4=11.6m，此壓損與上述計算基本相符，故現(xiàn)場系統(tǒng)供水壓力表壓應該是準確的。

②回水壓力分析

上塔閥門壓損計算：

供水閥門開度平均30°，管道通徑DN800，單塔流量（11258-500）m3/h÷3=3586m3/h，則：管道流速V=Q/S=（3586/3600）/（3.14×0.42）=1.98m/s

根據(jù)閥門開度與阻力系數(shù)參數(shù)表查得在閥門開度30°時，ζ=79.2，依據(jù)公式h=ζv2/2g 得閥門壓損為：h=ζv2/2g=（79.2×1.982）/（2×9.81）=15.8m。

回水壓力驗證：

布水層至回水母管位差為6.8m+1.2m=8m，布水壓力為1m，閥門壓損為15.8m，經(jīng)計算則回水壓力為8+1+15.8=24.8m。

現(xiàn)場回水壓力表表壓為12m，與計算的回水壓力相差24.8-12=12.8m，因此現(xiàn)回水壓力表可能有誤，是否壓力變送器的量程值在DCS上的輸入有誤有待驗證（后經(jīng)驗證，壓力表實際量程為0～1MPa，DCS誤設置為0～0.6MPa，因此實際回水壓力為20m）。

校正后的系統(tǒng)運行參數(shù)表

（1）冷卻塔運行工況

設計單塔處理水量/m3/h 3500數(shù)量/臺3單塔實際處理水量/m3/h 3586 在用數(shù)量/臺3設計進塔水溫/℃43實測進塔水溫/℃37設計出塔水溫/℃33實測出塔水溫/℃26.7目前上塔閥門開度/％ 30回水壓力/MPa 0.20塔型方形逆流

（2）系統(tǒng)水泵運行工況

數(shù)量/臺4在用數(shù)量/臺3額定流量/m3/h 3500額定楊程/m 47實際運行流量/m3/h 11258水泵出水口壓力/m 50水泵進口閥門開度/％ 100泵出口閥門開度/％ 32水泵電機額定功率/kW 630泵電機額定電流/A 43.2水泵電機額定電壓/V 10000實際運行電流/A 38.9、39.1、38.7水泵電機功率因數(shù)0.89水泵電機轉(zhuǎn)速/rpm 987

（3）冷卻塔風機工況

風機葉片直徑/mm 8000風機葉片材質(zhì)玻璃鋼風機額定轉(zhuǎn)速/rpm 154傳動形式電機-減速箱電機額定電壓/V 380 電機額定功率/kW 110電機額定電流/A 200實際運行電流/A 141、143電機功率因數(shù)0.88電機效率/％ 95

循環(huán)水系統(tǒng)節(jié)能改造可行性分析

不管采用水輪機技術進行改造還是采用泵節(jié)能技術進行改造，其前提條件就是不能夠影響系統(tǒng)的工藝運行情況，本系統(tǒng)中主要體現(xiàn)在不能影響工回水壓力和流量。

（1）采用水輪機技術進行冷卻塔風機節(jié)能改造

①軸功率匹配校核

現(xiàn)風機軸功率計算

W電=1.732×I×U×cosφ×η

=1.732×142×0.38×0.88×0.85

=69.9（kW）

式中：I為電機運行電流（平均電流142A）；U為

電機電壓（0.38kV）；cosφ為功率因數(shù)

（0.88）；η為傳動裝置效率（η電機×η減速機

=0.95×0.9=0.85）

水輪機做功壓力計算

依據(jù)公式輸出功率公式

W水=9.81×Q×H×η=W電得：

H=W/（g×Q×η）

=69.9÷（9.81×1×0.9）

=8m

式中：g為水容重（9.81×10kg/m）；Q為水輪機

進水流量（3586m/h=1m/s）；H為水輪機做

功壓力；η為水輪機效率（0.9）。

依據(jù)以上計算，改造后水輪機達到原電機風

機的轉(zhuǎn)速所需供水壓力為8m。

②改造后系統(tǒng)壓力分析

改造后水輪機達到額定轉(zhuǎn)速所需的回水壓力

水輪機進水管道中心離塔頂高度H1=1m；

該系統(tǒng)塔頂至地面位差H2=11.5m；

地面至回水母管位差H3=1.2m；

水輪機入水壓力H4=4.5m（水輪機做功壓力-水輪機出水口至布水器位差+布水壓力=8-4.5+1=4.5m）；

故改造后系統(tǒng)回水壓力計算如下：

H1+ H2+ H3+H4=1+11.5+1.2+4.5=18.2（m）

③改造可行性分析

經(jīng)計算該系統(tǒng)現(xiàn)運行回水壓力為20m，如實施冷卻塔節(jié)能改造只需回水壓力18.2m，現(xiàn)系統(tǒng)回水壓力20m遠大于改造所需的18.2m回水壓力，因此該系統(tǒng)可滿足水輪機滿負荷運行要求，改造時只需開啟上塔閥門部分開度，將上塔閥門部分壓損轉(zhuǎn)移給水輪機做功即可達到風機的額定轉(zhuǎn)速，該系統(tǒng)冷卻塔節(jié)能改造是完全可行的。

圖2 壓力點分布

（2）水泵節(jié)能改造

①泵口壓力分析

系統(tǒng)水泵4臺，運行3臺，泵出口壓力50m，供水壓力38.4m，壓差50-38.4=11.6m，現(xiàn)水泵運行壓力遠大于供水壓力，不在系統(tǒng)工況點運行，存在運行效率低和一定的能源浪費，因此該系統(tǒng)可利用高效水泵替換原水泵，達到節(jié)能降耗的目的。

②泵運行工況分析

現(xiàn)場系統(tǒng)泵運行工況分析，見圖3。

從水泵運行曲線來看，該泵運行流量為3753m3/h泵口壓力50m時，運行效率為85％，所需軸功率為570kW，電機消耗功率為570kW÷0.95=600kW。

改造用高效節(jié)能泵運行工況分析，見圖4。

從水泵運行曲線來看，使用高效節(jié)能泵運行流量為3753m3/h泵口壓力40m時，運行效率為89％，所需軸功率為461kW，電機消耗功率為461kW÷0.95=485kW。

圖3

圖4

③改造可行性分析

從上二泵運行曲線來看，使用高效節(jié)能泵代替原運行泵效率最少提高4％，改造后單泵運行軸功率減少了570kW-461kW=109kW，單臺電機功耗減少600kW-485kW =115kW，說明目前系統(tǒng)水泵節(jié)能改造是可行的。

聚甲醛循環(huán)冷卻水系統(tǒng)節(jié)能改造小結(jié)

本系統(tǒng)中，因工藝需要，供水壓力38m是必須保證的，而在保證供水壓力38m的情況下，冷卻塔可以采用水輪機進行改造，而不影響原有系統(tǒng)運行的任何參數(shù)，包括供水和回水壓力。

同樣，在保證供水壓力38m，供水流量3753m3/h的情況下，可以采用額定運行參數(shù)較低的高效水泵代替原有水泵，從而通過提高水泵效率和實現(xiàn)泵出口閥門全開節(jié)省壓損的方式實現(xiàn)節(jié)能。且節(jié)能量比較客觀，高達115/600=19％。

通過真?zhèn)€分析計算的過程我們可以看到，在此系統(tǒng)中，兩種節(jié)能改造技術不僅不矛盾，而且共同配合實施，實現(xiàn)了系統(tǒng)最大程度的節(jié)能。

其他循環(huán)水系統(tǒng)

神華寧夏煤業(yè)集團煤炭化學工業(yè)分公司公司甲醇廠一套裝置循環(huán)水系統(tǒng)共有6臺設計流量為4500m3/h的冷卻塔，其風機采用的額定185kW的驅(qū)動電機，經(jīng)過國家權(quán)威部門檢測其實際運行功率為138.3kW。該系統(tǒng)經(jīng)過提壓試驗，回水壓力由0.12MPa提高至0.25MPa，供水壓力不變，水泵電機電流未變化。在采用水輪機技術進行節(jié)能改造之后，與提壓試驗結(jié)果一致。此種情況從純理論上可能不好理解——為什么回水壓力提高了泵的出口壓力卻沒有提高？經(jīng)分析，很可能的一個原因是該循環(huán)冷卻水系統(tǒng)中存在的高處換熱器比例較高，而泵出口壓力的主要用途是將冷卻水輸送至最高處換熱器，而大量的冷卻水從高處換熱器流下的重力勢能成為了回水壓力提高的主要原因，同樣也是該部分能量成了推動水輪機做功的主力軍。

在該系統(tǒng)中，如同聚甲醛廠的案例，泵出口壓力未發(fā)生變化，因此如果能夠提高泵的效率的話，理論上也可以進行泵節(jié)能改造。但是從經(jīng)濟角度計算，因泵出口閥門全開，僅泵效提高百分之三四，實現(xiàn)的節(jié)能量較小，進行改造的回收期過長，因此不建議進行泵節(jié)能改造。

更為簡單的是烯烴公司第二循環(huán)水系統(tǒng)，該循環(huán)水系統(tǒng)回水壓力為0.32MPa，而泵出口閥門全開，且接近最佳效率點運行，此種系統(tǒng)很明顯只能采用水輪機技術進行風機節(jié)能改造，而不宜采用泵節(jié)能技術進行改造。

筆者尚未碰到的，但是很有可能的一種情況就是回水壓力不能增加，或者其增加會引起供水壓力相應增加的情況，此種情況就不宜采用水輪機技術進行風機節(jié)能改造，因為水輪機靠回水富余能量做功，而隨著回水壓力增大水泵供水壓力也增大，顯然如果采用水輪機技術進行改造，推動其做功的就不是富余能量，而是水泵增加消耗的能量。當然，如果水泵增加的能量遠小于節(jié)省的能量，經(jīng)過經(jīng)濟性評估，此種系統(tǒng)也可以考慮采用水輪機技術進行節(jié)能改造。

還有一些老的系統(tǒng)，例如筆者曾經(jīng)考察過的東營某化工廠，其某循環(huán)水系統(tǒng)中設計水泵為一開一備，額定功率為900kW，但是實際運行出口閥門開度僅為15％，后經(jīng)計算，由EMC公司為其更換為一臺300kW的水泵，直接實現(xiàn)了很大比例的節(jié)能。

結(jié)論與討論

通過以上案例的分析我們可以看出，工業(yè)循環(huán)水系統(tǒng)并不像有些人說的只能實施這兩種節(jié)能改造中的一種。冷卻塔進行水輪機節(jié)能改造也并不像有些人說的那樣是偽節(jié)能，其是在不敢對系統(tǒng)進行大的變動的情況下最大程度利用富余能量的一種非常好的方式。節(jié)能水泵改造在某些系統(tǒng)中不僅可以實施，而且會有特別明顯的節(jié)能效果，但也不是每個系統(tǒng)都有余量的。

通過這兩種節(jié)能方式的分析，我們希望能夠為類似系統(tǒng)的設計提供參考依據(jù)，以實現(xiàn)設計的最優(yōu)化、精細化，從源頭上就通過精細的設計、先進技術的應用消除掉這些富余能量的產(chǎn)生。當然這不是一蹴而就的事情，但也不是不可能的事情。

作者單位：（中國節(jié)能減排有限公司）