一种节能式循环冷却水系统的设计方法

摘要

本发明属于循环冷却水节能技术领域，涉及一种节能式循环冷却水系统的设计方法，绘制循环冷却水系统及换热网络流程图，采集各换热设备技术参数及热负荷值，确定采集点的运行工况及环境参数并采集；再判断换热设备或换热网络布局的合理性，计算取得最小换热量；同时分析判断并确定高能耗原因；通过优化、高能耗原因的诊断与分析，判断配水管网布局的合理性，获得各分支回路的管路特性及局部阻力异常节点；采用三元流技术方法计算设计出水泵叶轮；其设计路线合理，设计参数计算科学性好，数据准确，运行热效率高，节省费用和能量成本，经济价值高，社会效益好。

说明书

技术领域：

本发明属于循环冷却水节能技术领域，涉及一种通过优化设计实 现循环冷却水系统节能的技术方案，特别是一种节能式循环冷却水系 统的设计方法。

背景技术：

目前，循环冷却水系统在工业和日常生活中普遍使用，这些系统 的耗能，特别是耗电能比较大，现有的循环冷却水系统以水为介质主 要用于工艺过程的冷或热量的交换和传送，在钢铁冶金、石油石化、 化工、生化制药、热电、机械、建材、集中供暖、中央空调等领域， 是必不可少的基本环节。循环冷却水系统一般以水泵为动力源，其电 能消耗较大，通常占社会总用电量的16％左右。目前在该技术领域， 我国比先进国家和技术的水泵单机效率低5％以上，系统运行效率低 20％以上。通过对已检测的1000余套空调采暖系统，950余套工业冷 却循环水系统的节电潜力分析、及已成功实施的700余套系统的节电 效果统计来看，节电率都非常高，从20％到85％不等。同时也有大量 的文献资料对循环水高能耗现象进行论述，以上这些数据表明，循环 冷却水系统普遍存在高能耗现象，节能潜力很大。引起循环冷却水系 统高能耗的原因有很多方面，诸如设计规范的引用、设计参数的选取、 管网及换热装置的布置、产品质量、工程安装质量、运行管理与负荷 变化调节等等。从系统层面上进行节能，将工艺过程、冷热公用工程 看成一个系统进行设计和优化，而不是将生产过程中的各个单元分别 独立地看待。以合理利用能量为目标，把工艺过程、换热网络和公用 工程一同考虑，从全局过程系统的能量供应关系进行分析，综合利用 能源。由于蒸汽和冷却水的需求量减少，也减少了废水排放。因此， 循环冷却水系统节能对减少投资费用和提高效益的作用越来越明显。 归结起来，现有的循环冷却水系统从节能角度来分析，普遍存在着结 构设计复杂，运行原理简单，控制性能差，工程造价高，运行成本高， 耗电量大，循环效率低。

发明内容：

本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点，寻求设计和提供一 种能从冷却水系统的全过程角度合理解决循环水系统高能耗问题，减 少循环水用量的循环水系统节能优化技术方法，通过优化设计和科学 计算确定一种节能式循环冷却水系统的设计方法。

为了实现上述目的，本发明的主体设计步骤包括：

(1)绘制循环冷却水系统及换热网络流程图，采集各换热设备 技术参数及热负荷值，确定采集点的运行工况及环境参数并采集，分 别对循环冷却水系统的换热设备或含冷却塔、分支回路和单元区域的 各环节的供回水运行的压力、流量、温度工况参数及泵站各号位水泵 的运行参数进行标定；

(2)选用过程系统工程的夹点方法，借助计算机软件的数值分 析，判断换热设备或换热网络布局的合理性，计算取得最小换热量， 以降低循环水量的需求；

根据最小传热推动力或最小温差值▲T_min、冷却塔对水温的要求、 腐蚀和结垢因素确定每个冷却器冷却水的极限进出水温度，再根据极 限进出口温度和传热量，在温焓图上作出各冷却水的极限温焓曲线； 然后根据各冷却器冷却水的极限进出口温度划分各温区，在各温区中 的总传热量为：

${\mathrm{\Delta H}}_i=\underset{j}{\Sigma }{\mathrm{CP}}_j(T_i-T_{i+1})---\left(1.1\right)$

式中：ΔH为焓差；CP为热容流率；T为温度；j为第i温区的 物流数；

最后确定系统的极限复合温焓曲线并计算出最小循环水供水曲 线；

(3)在第(2)步的基础上，确定换热网络压降目标值，改变目 标值与现有的泵压降限制相适应，同时考察换热设备的温度、热负荷 和压降，通过权衡压降费用或泵操作费用即电费、公用工程费用和换 热器费用，计算确定优化的换热网络压降分配值；

其中，物料在管程时的压降计算方法为：

${\mathrm{\Delta P}}_i=K_{\mathrm{pt}1,i}{A}_i{h}_i^{3.5}+K_{\mathrm{pt}2,i}{h}_i^{2.5}{N}_i---\left(1.2\right)$

物料在壳程时的压降计算方法为：

${\mathrm{\Delta P}}_i=K_{\mathrm{pe},i}{h}_i^{3.52}{N}_i+K_{\mathrm{pc},i}{A}_i{h}_i^{5.44}+K_{\mathrm{pw},i}{A}_i{h}_i^{5.77}---\left(1.3\right)$

或：

式中：K为常数；V为体积流率(m³/s)；t为年操作时间；ce 为电费单价(元/kWh)；α，β，γ为泵成本系数；h为传热系数； N为壳程数，COST1为整个系统的泵电费；COST2为整个系统的 泵投资成本；

(4)通过对换热设备性能标定，分析判断并确定高能耗原因； 其高能耗原因包括：1)热回收不充分，或换热网络的冷却器、加热器 布置不合理，增加冷却水量；2)局部冷却器老化或结垢严重致使换热 效能低下，形成瓶颈，增加泵送流量；3)设计、改造或扩建不合理， 致使管网各支回路的管路特性差异较大，管网水力失衡严重，增加泵 送流量及抬升整体压头；4)管网存在局部堵塞或内漏现象，增加能耗； 5)管网严重依赖闭伐调节，管网运行效率低下；6)回水势能未能充分 利用，增加能耗；7)回水总管高位点真空度控制不合理，形成严重扰 流或非满管流，增加能耗；8)处于大流量、低温差运行，增加能耗； 9)冷却塔换热效能低下，增加泵送流量；10)未能根据负荷及环境温 度变化有效调节风机的风量；11)水泵本身效率性能缺陷(或长期使 用老化原因)，水泵效率不高，泵组运行效率偏低；12)水泵存在较严 重汽蚀现象，降低运行效率；13)泵站优化设计及运行管理均缺少必 要的节能技术手段，导致运行模式不合理或未能按负荷变化(或气候 变化)有效调节流量，增加能耗；

(5)通过上述的换热网络优化、高能耗原因的诊断与分析，判 断配水管网布局的合理性，获得各分支回路的管路特性及局部阻力异 常节点，同时通过优化分析，如通过局部不利因素整改、增加水力平 衡提升调节装置和阀门开度重新调节的手段，设计改造出低阻力且流 量平衡调节优良的配水管网，进而确定水泵的工作点的流量和扬程参 数；

(6)根据优化后的流量、扬程、效率和装置汽蚀余量工作点参 数，采用三元流技术方法计算设计出水泵叶轮，从而个性化设计定制 高效节能泵，替换原有不匹配、低效率的水泵，确保每套循环水系统 的水泵均处于高效运行。

本发明与现有技术相比，其设计路线合理，设计参数计算科学性 好，数据准确，运行热效率高，节省运行费用和能量成本，经济价值 高，社会效益好，可广泛用于对现有循环冷却水系统的改进与设计。

附图说明：

图1为本发明涉及的运行费用与最小温差▲T_min的对应关系曲线 示意图；不同的最小温差▲T_min，可导致不同的极限复合温焓曲线， 进而得到不同最小换热量和循环水量；从费用角度看，会产生不同的 公用工程能量费用、泵费用、换热器费用以及总费用，在循环水系统 及换热网络总费用与最小温差▲T_min的关系曲线存在一个最低点，此 处为系统改造的最佳操作点，经过调优得到最优的温差，即为换热网 络的最优夹点温差，即最优的压降限制点；其中，换热器成本费用曲 线a根据不同的▲T_min，计算得到不同的换热网络面积目标和换热器 单元数，从而求取不同的换热器成本，依此绘制曲线；泵成本费用曲 线b根据不同▲T_min确定的换热网络以及管线阻力，计算得到不同的 泵电费和泵费用，依此绘制曲线；公用工程费用曲线c根据不同的 ▲T_min计算不同的换热网络的冷热公用工程能量费用，依此绘制曲线； 总成本曲线d在不同的▲T_min处为合并a、b、c三条曲线而成；从图1 中可找出，总成本曲线的拐点，在改造循环冷却水系统时，拐点即为 满足系统最小传热温差条件的系统最优夹点温差，此时使得换热器投 资、公用工程能量费用以及泵系统的费用达到最优匹配，整个系统的 总费用最小。

具体实施方式：

下面通过具体实施例并结合附图进一步说明本发明的技术方案。

实施例1：选取一个30万吨合成氨装置循环冷却水系统进行优 化设计。

本实施例的工艺循环冷却水系统工程概况为：配7台冷却水泵， 其中2台配功率为2240kW，1台配功率为900kW，4台配功率为1000kW， 相应配7台冷却塔。运行模式分为两种运行模式：一般运行模式：1 台大(2240kW)冷却泵+3台小(1000kW)冷却泵+7台冷却塔+ 需冷却设备(合成氨厂+电厂+纯碱厂)；9个月(270天*24小时)运 行；夏季运行模式：1台大(2240kW)冷却泵+4台小(1000kW) 冷却泵+7台冷却塔+需冷却设备(合成氨厂+电厂+纯碱厂)；每年7、 8、9三个月(90天*24小时)运行；先对生产工艺流程与循环水系 统工艺流程、各换热设备额定技术参数及热负荷值进行勘探；根据生 产工艺流程，分别对各生产单元物流的实际热值参数进行检测；分别 对循环水系统换热设备(含冷却塔)、分支回路、单元区等各个环节 的供回水运行工况参数(包括压力、流量、温度、阀门开度、几何高 度)进行采集；再利用过程系统工程的夹点技术，确定生产装置换热 网络的最小换热量及最小循环水需要量，并确定合理的换热网络压降 目标；然后通过权衡压降费用(泵操作费用即电费)、公用工程费用 和换热器费用，确定优化的换热网络压降分配，确定总管网最优阻力； 然后通过对换热器性能标定，诊断出该系统高能耗原因，如循环水系 统的管网特性与泵本身的性能不相区配、现水泵偏离工况运行等；再 对泵站的水泵布置形式、运行模式、水泵的型号及水力性能、配套电 机的型号参数、水泵静扬程、水泵吸水高度，运行水泵的进出口压力、 扬送流量、运行功率、母管供回水压力等常规参数进行测绘或采集， 并对泵进出口及上塔各类功能性阀门的型号、开度进行记录；最后对 原泵站性能评价，泵站优化设计，确定高效节能泵最优工作参数及叶 轮的水力模型设计；通过系统改造更换7台高效节能泵。

本实施例的循环冷却水系统共涉及7台水泵，装有独立的计量系 统，独立累计运行时间和用电量。运行模式分为两种：一般运行模式： 1台大(2240kW)冷却泵+3台小(1000kW)冷却泵，运行时间： 270天*24小时/天；夏季运行模式2：1台大(2240kW)冷却泵+4 台小(1000kW)冷却泵，运行时间：每年7、8、9三个月计90天*24 小时/天；系统技改前，循环水系统年电耗达到4272.4万kWh/年； 通过技改后，每年节电量达到1365万kWh/年，折合标煤4709tce， 平均节电率31.2％。

实施例2：选取某钢铁厂1780高炉鼓风机透平拖动装置循环冷 却水系统。

本实施例的循环冷却水系统工程概况为：该冷却水系统主要供 1780高炉3台鼓风机透平拖动装置的冷凝器及辅机冷却，每台鼓风 机透平拖动装置所配的冷凝器换热面积为1900m²，双道冷凝；泵站设 置6台900kW冷却泵(2用4备)；技改前运行模式：2台(900kw) 冷却泵+2组鼓风机透平拖动装置；本实施例共涉及6台水泵，装有 独立的计量系统，独立累计运行时间和用电量。运行模式如下：

技改前运行模式：2台(900kw)冷却泵+2组鼓风机透平拖动装 置，运行时间：8400小时/年；实测电耗：980kw+970kw＝1950kw

技改后采用大小泵搭配，分冬春夏三种模式运行：

冬季运行模式：2台(450kW)冷却泵，运行时间：4个月；实 测电耗：430kw+425kw＝855kw；

春秋季运行模式：1台(450kW)冷却泵+1台(550kW)冷却泵， 运行时间：4个月；实测电耗：430kw+520kw＝950kw；

夏季运行模式：2台(550kW)冷却泵，运行时间：4个月；实 测电耗：520kw+520kw＝1040kw；通过准确计量计算，每年节电量为 883.5万kWh/年，折合标煤3048tce，平均节电率52％。