一种循环水系统整体优化节能方法

摘要

本发明公开了一种循环水系统整体优化节能方法，其包括循环水系统实地数据采集；循环水系统数据分析；水质优化；循环水泵组优化；管网优化；冷却塔优化；本发明建立系统能量平衡现场测试与计算标准，进行水质分析及系统能量利用效率分析、研究，通过模拟计算，诊断当前水质指标、能量利用效率指标，结合生产工艺要求，对循环水系统各单元进行优化控制，将循环水系统水质、冷却终端的温度、流量和工艺参数严格控制在设定区间内，进行循环水系统流程各参数实时监测、系统能效分析与运行优化，使复杂管网的动态水力和热力平衡，确保系统流量与管网阻尼最小化，换热效果最大化，提高循环水系统整体能效，达到全面、系统彻底的节能效果。

说明书

技术领域

本发明涉及节能技术领域，尤其是涉及一种循环水系统整体优化节能方法。

背景技术

循环冷却水系统广泛应用于钢铁、石油、化工、化肥、建材、发电等国民经济生产各个领域，系统以水为介质用于工艺过程的冷(热)量交换和传送，主要依靠水泵为动力源来推动循环水流动，系统涉及循环水泵组、管网、换热装置、冷却塔等全流程。据国家工业统计，循环水系统中水泵的耗电量约占全国发电量的10％，循环水用量已经占到工业用水总量的70％，能耗水耗巨大，目前循环水系统基本上处于粗放式管理，仅仅注重了安全和可靠性，忽视了科学和节能，能源浪费现象非常严重。

目前，现有的节能技术，只是从系统局部出发，技术手段单一，缺乏从系统整体过程优化的角度来降低能耗，节能效果不理想，如果系统存在严重水力失衡现象，存在多个换热瓶颈，水质差、系统管路阀门压力降异常，无效阻力过大，系统水力分布不平衡，换热设备布局不合理，各终端换热设备换热效果不好，造成系统无效能耗较高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种循环水系统整体优化节能方法，来解决循环水系统中存在诸多高能耗方面的问题，其主要根据流体力学与热交换原理，按照循环水系统经济运行原则，建立系统能量平衡现场测试与计算标准，从循环水水质、泵组、管网、换热装置、冷却塔等方面入手，进行水质分析及系统能量利用效率分析、研究，通过模拟计算，诊断当前水质指标、能量利用效率指标，结合生产工艺要求，对循环水系统中水质、电机、水泵、阀门、管网、终端换热设备、冷却塔等单元进行优化控制，将循环水系统水质、冷却终端的温度、流量和工艺参数严格控制在设定区间内，进行循环水系统流程各参数实时监测、系统能效分析与运行优化，使复杂管网的动态水力和热力平衡，确保系统流量与管网阻尼最小化，换热效果最大化，提高循环水系统整体能效，达到全面、系统彻底的节能效果。

为解决上述技术问题，本发明的实施方式提供了一种循环水系统整体优化节能方法，其包括：

S1、循环水系统实地数据采集：通过检测工具对流体输送系统中各环节的技术参数进行数据采集；

S2、循环水系统数据分析：根据实地采集数据，通过计算机仿真模拟技术手段建立换热管网优化和管网水力优化数学模型，对水质、流量、管网阻力、水泵运行效率分析诊断；

其特征在于，还包括水质优化的步骤、循环水泵组优化的步骤、管网优化的步骤、冷却塔优化的步骤；

所述水质优化的步骤中，通过检测循环水及补水的各种离子浓度以及管控指标要求，利用在冷却水池加装电化学除垢节水设备进行阻垢除垢；

所述循环水泵组优化的步骤中，通过检测当前运行的循环水系统使用情况，分析判断出循环水系统各部分的能耗情况，在确保系统使用效果的前提下，降低循环水系统的管路阻力及阀门阻力，将高能耗电机更换为高效低能耗电机，在循环水泵组增加智能调节装置；

所述管网优化的步骤中，将水泵出口阀后的止回阀更换全通径无阻耗止回阀；换热设备进回水温差控制在8℃左右；

所述冷却塔优化的步骤中，至少包括利用智能化辅助动力水轮机装置替代传统电机驱动冷却塔风机。

本发明提供的一种循环水系统整体优化节能方法，所述管网优化的步骤中还包括如下方法：及时关闭循环水的进回水旁通。

本发明提供的一种循环水系统整体优化节能方法，所述管网优化的步骤中还包括如下方法：对于循环水厂换热设备3个以上，高差在25米或25米以上，分装置总管有条件增加水泵的增加局部增压水泵，将原有高扬程水泵更换为低扬程水泵。

一种用于循环水系统整体优化节能方法的系统，其包括：

冷水池(1)；

接于冷水池的循环水泵组，其每条循环水泵输送线路依次设置有阀门一、循环水泵、止回阀、阀门二；

接于循环水泵组的换热组，其每条换热线路中包括依次设置的阀门三、换热设备、阀门四；

接于换热组的冷却塔，所述冷却塔接于冷水池；

其特征在于，所述冷水池(1)安装有电化学除垢设备；

所述止回阀为全通径止回阀；

所述循环水泵组的循环水泵为高效节能水泵，所述循环水泵组中与循环水泵相连的电机为高效节能电机。

一种用于循环水系统整体优化节能方法的系统中，所述冷却塔设置有智能化辅助动力水轮机装置。

一种用于循环水系统整体优化节能方法的系统还包括智能调节装置，所述智能调节装置包括：

安装于高效节能水泵的变频器；

安装于循环水泵组合换热组的压力传感器、流量传感器；

与压力传感器和流量传感器连接的可编程控制器，其连接于变频器；

连接于可编程控制器的触摸显示屏。

进一步，所述电化学除垢设备(10)的进出水端的连接方案包括：第一方案：所述电化学除垢设备(10)的进水端通过取水泵而连接于冷水池，所述电化学除垢设备(10)的进水端的出水端通过溢流管连接于冷水池；第二方案：所述电化学除垢设备(10)的进水端连接于冷却循环水系统回水上塔(冷却塔)主管，电化学除垢设备(10)的出水端通过出水管连接至冷水池。

本发明提供一种针对循环水系统全面、彻底的整体优化节能方法，通过对循环水系统中的循环水水质、泵组、管路、阀门、换热设备、冷却塔等进行实地采集参数，分析当前循环水系统水质情况、泵组实际运行效率、管路及其阀门阻力情况、换热设备布局及其换热效果，系统水力平衡、冷却塔换热效果等，对系统进行水质分析、能量利用效率分析，找出系统高能耗存在的原因，根据系统整体能耗情况及生产工艺要求，对循环水系统中的水质、泵组、管路、阀门、换热设备、冷却塔进行全面优化。(附循环水系统整体优化节能方法示意图)

本方法由系统经济运行优化整改技术、系统运行能量利用效率、系统能量检测和控制技术及高效节能产品组成，其主要包括：

1、循环水系统水质、换热设备、管网、压力、流量、温度等运行参数精确采集技术；

2、换热管网优化和管网水力优化数学模型建立；

3、对流量、管网阻力、水泵运行效率、水质等分析诊断及优化；

4、高效节能水泵、新型电化学除垢装置、智能化动力辅助水轮机装置等多种针对性强的系列高效节能产品。

在循环水系统运行过程中，通过水泵水量和智能阀门的输配协同优化控制，将冷却终端的温度严格控制在设定的区间内。阀门始终处于大开度位置进行实时智能调节，实现了复杂管网的动态水力和热力平衡，使系统流量与管网阻尼最小化。根据冷却水温度的在线检测，对冷却塔的智能阀门和冷却塔风机进行优化控制，在自适应满足冷却塔管网的动态水力平衡、热力平衡及高效输配条件下，使各个冷却塔的冷却效果最优化。在实现上述控制的同时，确定水泵机组的开机台数和优化控制，使水泵输出功率最小化，机组效率最大化，可对水泵规格特性进行调整和改造，以达到水泵机组的能效优化配置，从而最大程度实现节能。同时基于物联网智慧阀门技术，实现循环水系统流程各参数实时检测、系统能效分析与运行优化，并可实现系统运行的远程判断。

附图说明

图1为循环水系统示意图。

图2为水泵性能曲线示意图。

图3为水泵特性与效率曲线关系示意图。

图4为循环水系统智能调控优化示意图。

图5为循环水系统整体优化节能方法所使用的系统示意图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。

本发明的实施方式提供了一种循环水系统整体优化节能方法，其包括循环水系统实地数据采集的步骤；循环水系统数据分析的步骤以及作为本发明重点的水质优化的步骤、循环水泵组优化的步骤、管网优化的步骤、冷却塔优化的步骤。

下面结合附图对本发明进行详细说明：

一种循环水系统整体优化节能方法中，首先需要进行循环水系统实地数据采集，通过检测工具对流体输送系统中各环节的技术参数进行数据采集，利用超声波流量计、带压打孔设备、红外线测温器、多功能电度测量仪、电动机经济运行分析仪、便携式多参数水质测定仪、在线电导仪、在线PH计、便携式转速测量仪、压力表等相关设备，实地采集循环水系统相关的设备配置参数和实际运行参数。如图1所示，用于循环水系统整体优化节能方法的系统包括冷水池1、接于冷水池的阀门一2、接于阀门一的循环水泵3、安装于循环水泵出水端的压力表4以及止回阀和阀门二，循环水泵组有多条由阀门二、止回阀、循环水泵、阀门一组成的线路并联而成，而循环水泵组输出端连接有温度计5、流量计6，在循环水泵组输出端连接有换热器组，该换热器组包括阀门三、接于阀门三的换热设备7，而换热器组则连接冷却塔8，冷却塔则连接于冷水池1，实地采集系统设备的实际运行数据，如压力、温度、运行功率、流量、转速、碱度、水硬度、电导、PH值等。

然后，一种循环水系统整体优化节能方法中还包括循环水系统数据分析的步骤，循环水系统数据分析时根据实地采集数据，通过计算机仿真等模拟技术手段建立换热管网优化和管网水力优化数学模型，对水质、流量、管网阻力、水泵运行效率等分析诊断，分析当前循环水系统实际运行情况，进行水质分析、系统能量效率分析，分析当前系统循环水量是否合理，水质管控是否合理、循环水泵匹配是否合理、管路阻力是否正常、阀门压力降有无异常、换热设备布局是否合理，换热效率如何、冷却塔冷却效果如何等，找出系统存在高能耗的原因。

值得一提的是，一种循环水系统整体优化节能方法的关键是对导致循环水装置普遍高能耗的主要问题，从系统整体优化着手，对水质、泵组、管网、换热设备和冷却塔等部位，采取下列用能优化措施：

1、水质优化

循环水系统的主要作用就是热交换，在受热面上形成的结垢，即使不太厚，也会严重降低热交换效率，造成热损失，若要达到同等的换热效果，需要更大的循环水量，沿程管路损失和水力损失也相应增大，循环水系统动力能耗增加。

检测循环水及补水的各种离子浓度(主要为钙离子、氯离子等)，以及了解管控指标要求，选用合理数量的电化学除垢节水设备(例如CN109534454A所提供的模块化常压电化学处理装置、CN210480935U所提供的全自动电化学除垢装置)来加装于冷水池，达到阻垢除垢，提高换热效率，降低循环水系统动力能耗和节水节药的目的。

2、循环水泵组优化

1)设计、定制高效节能水泵

检测当前运行的循环水系统使用情况，分析判断出循环水系统各部分的能耗情况，在确保系统使用效果的前提下，尽可能降低循环水系统的管路阻力及阀门阻力(例如更换新型低阻控制阀)，采用“量身定做”高效节能泵替换原来使用的循环水泵，让水泵在最佳工况运行，水泵与系统最匹配，以提高流体输送效率，达到最佳节能效果，水泵性能曲线参见图2，该图中1代表原泵H-Q(即原循环水系统使用的常规水泵)，与之对应替换为高效节能泵H-Q1(替换后的的高效节能水泵)的性能曲线可以看出，高效节能泵的性能得到极大提升，同理，利用高效节能泵η(替换后的高效节能水泵)替换原泵η(原循环水系统使用的常规水泵)，利用高效节能泵N(替换后的高效节能水泵)替换原泵N(原循环水系统使用的常规水泵)。

2)原电机属于高能耗落后电机的，应更换为高效电机。

3)增加智能调节装置

由流体力学原理可知，水泵流量与转速及电机功率关系，即流量Q与转速n成正比；扬程H与转速n

从图3可知，当用水量为Q2时，与系统特性曲线4相交于B点，当流量减少Q1时，如采用阀门进行控制，则将改变系统特性曲线，使之从曲线4变成曲线5，与泵特性曲线相交于C点；如采用转速控制，不会改变系统特性曲线，工况点由B点移到A点，泵的扬程由Hb降为Ha，相当于将泵特性曲线从1平移至2，实际减少扬程CA段(Hc-Ha)。列如，所需流量为额定流量的80％，则转速也下降为额定转速的89.44％，而轴功率P∝n

按水泵基本理论，在额定工况下运行，水泵效率最高，偏离额定工况，效率就会下降。循环水系统的水泵是多泵并联运行，出水在母管汇总，送到各个装置，再通过支管到各个不同的换热终端。由于循环水系统的水量是由冷却器的需要来控制的，工厂的实际生产、工艺条件、设备因素、水质条件、人为等因素的影响，系统的总水量需要不断地进行调整。这也就决定了水泵的运行工况点也在不断的变化中。为了使水泵始终在额定工况下高效运行，水泵须具备无级调节功能。因此要采用变频调速来控制泵的实际运行转速，确保水泵在较高效率点运行。

同时编制软件，实现全自动运行、调整模式。参见图4，由循环水、定制的高效节能水泵、用户端组成的工作部分，变频器、压力传感器、流量传感器、可编程控制器、触摸显示屏组成的系统管理部分，工作部分和换热端借助于配套的管路连接，各个节点都安装有压力传感器和流量传感器，管理部分借助于压力传感器和流量传感器采集在线流体参数信号回传至可编程控制器处理，经过处理后转化为标准模式下的调整指令，传送到变频器，该变频器通过三相电缆与动力设备的驱动电机相连，直接实现对动力设备输出功率的调整，借助变频器实现自动控制的标准化运行，同时也可用触摸显示屏实现人机界面对话，实时监控，根据末端负荷情况进行灵活调整。

3、管网优化

1)更换全通径无阻耗止回阀：测量水泵出口阀后的止回阀的前后压差，如逆止阀不参与水泵的安全控制，压差超过20kPa(2米水柱)，即可选择更换为全通径无阻耗止回阀。

2)排查换热设备进回水温差：逐一排查换热设备进回水温差，温差控制在8℃左右，不足8℃需排查原因，积累数据，可利用停工期有针对性的进行清理。

3)及时关闭循环水的进回水旁通。

4)管路设置局部增压：对于循环水厂换热设备3个以上，高差在25米或25米以上，分装置总管有条件增加水泵的增加局部增压水泵，将原有高扬程水泵更换为低扬程水泵，可降低水泵功耗10％以上。

4、冷却塔优化

1)冷却效率优化

检测冷却塔进水温度、回水温度，分析填料是否堵塞以及布水均匀程度，制定相应措施(比如清洗填料、更换填料，提高填料换热效果；对喷头和布水器进行改造、以及在上塔主管顶端安装储气平衡罐，平衡各上塔主管末端压力，提升布水均匀；冷却塔风机夏季全运行，冬季运行数量少，冬季容易出现混水现象，水温不均匀，导致冷却塔出水温度过高，对冷却塔对冷却塔风机智能化辅助动力水轮机装置改造或者全变频改造，冬季所有冷却塔风机都运行，避免冷水池出现混水现象)，解决问题，提高冷却塔冷却效率。

2)智能化辅助动力水轮机装置

针对循环水系统上塔有富余压力，采用智能化辅助动力水轮机装置(例如CN110905709A所提供的一种智能化辅助动力水轮机装置)替换传统电机驱动冷却塔风机。智能化辅助动力装置能够自动识别风机转速和冷却水的温度，根据冷却水温度要求，优先选择无电驱动；在系统冷却效果不够时，控制辅助电机的功率输出，补充水轮机的出力不足，差多少补多少，同时实现对水轮机提速，在满足系统冷却要求的安全的前提下，节能做到最优化；在系统冷却效果超出要求时，控制辅助电机进行制动(制动的能量以热量散发出去)，降低水轮机转速，以保证冷却水池水温不低于最低保护值。

智能化辅助动力装置可选择带有能量反馈的发电功能，在环境温度较低，水轮机转速需求较低时，智能化的辅助动力装置可以起到制动作用，制动的能量反馈发电，可供用户厂内自用。

本发明还提供了一种用于循环水系统整体优化节能方法的系统，参见图5，其包括：冷水池1、接于冷水池1的循环水泵组，其每条循环水泵输送线路依次设置有阀门一、循环水泵、止回阀、阀门二。接于循环水泵组的换热组，其每条换热线路中包括依次设置的阀门三、换热设备、阀门四。接于换热组的冷却塔，所述冷却塔接于冷水池，上述内容属于现有技术。

所述冷水池1安装有电化学除垢设备10，该电化学除垢设备例如可以选择上海东方威尔节能技术有限公司研发的模块化常压电化学处理装置(公开号为CN109534454A)，此时，模块化常压电化学处理装置的进水端接自冷却循环水系统回水上塔主管或者由取水泵从冷水池1取水输送至进水端、出水端溢流管接至冷水池1(溢流管末端悬空)，或者是还可以选择全自动电化学除垢装置(CN210480935U)，此时进水管接自冷却循环水系统回水上塔主管或者由取水泵从冷水池1取水输送至进水管、出水管接至冷水池1(出水管末端悬空)。

所述止回阀9为全通径止回阀。

所述循环水泵组的循环水泵3为高效节能水泵，所述循环水泵组中与循环水泵相连的电机3a为高效节能电机。

所述冷却塔设置有智能化辅助动力水轮机装置，例如上海东方威尔节能技术有限公司研发的智能化辅助动力水轮机装置(CN110905709A)，对冷却塔的改进可以参考上述专利。

所述智能调节装置包括：安装于高效节能水泵的变频器、安装于循环水泵组合换热组的压力传感器、流量传感器、与压力传感器和流量传感器连接的可编程控制器、连接于可编程控制器的触摸显示屏。

本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本发明的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。