小議循環(huán)冷卻水體系的節能設計論文
水泵配用的電機、風(fēng)機配用電機、以及系統中自動(dòng)化控制設備均需輸入電能來(lái)保證設備運行與運轉。能量轉化。由電機驅動(dòng)循環(huán)水水泵，電機將電能轉化為水泵的動(dòng)能，進(jìn)而通過(guò)水泵轉換為循環(huán)水的動(dòng)能;電機將電能轉化為冷卻塔上風(fēng)機的動(dòng)能，進(jìn)而通過(guò)風(fēng)機轉換為冷卻風(fēng)的動(dòng)能;控制閥通過(guò)電、氣驅動(dòng)，實(shí)現自動(dòng)化系統對水壓、流量及冷卻溫度的自動(dòng)調節。依據能量守恒，循環(huán)冷卻水系統中能量消耗是在能量的轉移與轉化過(guò)程中的損耗。如循環(huán)水系統中的電機、水泵和風(fēng)機等實(shí)現了電能、機械能及動(dòng)能的能量轉化;連接器(機械接手及變速齒輪)、換熱器等完成了能量的傳遞與轉移。能量在轉移與轉化的過(guò)程中不可避免發(fā)生能量的損耗，因此，要提高循環(huán)冷卻水系統的運行效率，就要從系統對能量使用的各設備的運行效率進(jìn)行優(yōu)化提升。
循環(huán)冷卻水系統節能技術(shù)
構成冷卻水系統的各裝置上的能量損失因各自的工作原理、系統控制方法、設備制造工藝及安裝方式等的不同，其對能量的轉移與轉換效率不同，從而產(chǎn)生了不同節能技術(shù)。除對電源裝置本身的優(yōu)化外，廣泛采用的節能技術(shù)主要有三種:變頻調速、高效水泵及水動(dòng)能。其中變頻調速控制是從系統控制優(yōu)化角度進(jìn)行節能優(yōu)化;水泵節能是通過(guò)設備設計與制造的改善來(lái)實(shí)現節能;水動(dòng)能冷卻塔則是充分利用管網(wǎng)中水動(dòng)能余量進(jìn)行能量二次利用。
1變頻調速控制技術(shù)
變頻調速在冷卻水系統中的應用主要針對驅動(dòng)水泵的電機進(jìn)行變頻調速控制，可以有效實(shí)現:①流量調節。通常，由于循環(huán)水系統額定流量基于生產(chǎn)工況最大流量來(lái)選用相應的循環(huán)水泵，通過(guò)調整水泵電機的運轉速度，進(jìn)行循環(huán)水量的調節，以保證生產(chǎn)工況變化時(shí)的需要。②替代控制閥。利用控制閥的開(kāi)度進(jìn)行循環(huán)水系統運行狀態(tài)，如壓力和流量等參數的調整來(lái)滿(mǎn)足現場(chǎng)工況，是非常普遍的方案。由于變頻器技術(shù)的快速發(fā)展，其運用也越來(lái)越廣泛。用變頻控制實(shí)現控制閥的控制功能已有了成熟的解決方案。采用變頻調速控制節能技術(shù)主要優(yōu)點(diǎn)有:通過(guò)調整轉速，滿(mǎn)足生產(chǎn)需求，無(wú)附加損耗，高效節能;電機完全在空載下啟動(dòng)，大幅降低啟動(dòng)電流，減少對電機、電纜、開(kāi)關(guān)及電網(wǎng)等的沖擊，同時(shí)具備軟啟動(dòng)功能;變頻調速避免對設備不利沖擊，延長(cháng)電機等設備使用壽命，減輕軸承磨損，降低設備維護成本，有利于設備靠運行;提高自動(dòng)化水平，減輕操作人員勞動(dòng)強度。其局限性是因為變頻器本身要消耗能量，也存在自身效率的差異，在進(jìn)行技術(shù)改造時(shí)對現場(chǎng)有一定的技術(shù)要求，且改造后需進(jìn)行專(zhuān)業(yè)維護。
2高效節能水泵技術(shù)
水泵的節能原理是通過(guò)提高水泵的運行效率實(shí)現完成同等送水量時(shí)能量消耗降低。自七十年代電子計算機得到廣泛應用后，以被世界公認為葉輪機械三元流動(dòng)理論［2］的奠基人吳仲華教授的“葉輪機械三元流動(dòng)理論”得以運用于葉輪機械產(chǎn)品的設計與制造上來(lái)。1976年美國數十位泵專(zhuān)家合著(zhù)的權威工具書(shū)《泵手冊》，把葉輪機械三元流動(dòng)理論列為泵設計的最先進(jìn)方法。這種泵內含射流－尾跡模型的三元流動(dòng)計算方法，把葉輪內部的三元立體空間無(wú)限地分割，通過(guò)對葉輪流道內的各工作點(diǎn)的分析，建立起完整、真實(shí)的葉輪內流動(dòng)的數學(xué)模型。通過(guò)這一方法，我們對葉輪流道分析可以做得最準確，反映流體的流場(chǎng)、壓力分布也最接近實(shí)際。由于葉輪出口為射流和尾跡(漩渦)的流動(dòng)特征，在設計計算中得以體現。因此，在此基礎上設計制造的葉輪也就能更好地滿(mǎn)足工況要求，效率顯著(zhù)提高�；谕瑯拥睦碚�，從局部管網(wǎng)優(yōu)化的角度出發(fā)，在水泵的進(jìn)水通道上，增加一組(多片)三元流體曲面引流葉片，以?xún)?yōu)化泵體內流場(chǎng)力學(xué)模型，減少流體在泵體內部的運動(dòng)阻力，從而達到降低水泵的氣蝕嚕囅窒蠖運泵效能的影響，提升水泵內的流體效率，在流量、揚程不變的情況下，降低損耗，提升系統的節能空間。
3水動(dòng)能冷卻塔技術(shù)
傳統冷卻塔一般由電動(dòng)機通過(guò)聯(lián)軸器、傳動(dòng)軸和減速機構來(lái)驅動(dòng)冷卻塔的風(fēng)機。風(fēng)機抽風(fēng)使進(jìn)塔水流快速散熱冷卻，并經(jīng)水泵加壓將冷卻后的水重新輸送到需要用水冷卻的'設備。通過(guò)不斷循環(huán)，達到冷卻水反復使用。新型水動(dòng)能冷卻塔是是以水輪機取代電機作為風(fēng)機動(dòng)力源。水輪機的工作動(dòng)力來(lái)自系統的富余流量和富余揚程。主要有:(1)設計余量。設計人員選水泵型號時(shí)，由于水量及系統各環(huán)節阻力很難被精確的計算出來(lái)，為了安全生產(chǎn)及各方面的因素考慮，依據核定冷卻水量及阻力數值的基礎上至少加10%～20%的余量。(2)勢能。水輪機將布水器釋放掉的冷卻塔與換熱設備的絕對高度之差勢能充分地利用起來(lái)，轉化為水輪機做功的能量。(3)水泵的自身調節能力。水泵的流量和揚程是互為關(guān)聯(lián)的。在不增大水泵功率的前提下，流量和揚程可以相互轉化以滿(mǎn)足水輪機所需的實(shí)際壓頭。(4)動(dòng)能。一般水輪機的入口流速為10～20m/s，能夠產(chǎn)生很可觀(guān)的動(dòng)能和推動(dòng)水輪機葉輪做功的揚程。在最初沖擊水輪機葉輪時(shí)，風(fēng)葉的轉速和電機啟動(dòng)時(shí)基本一樣，轉速越來(lái)越快，當達到設定轉速時(shí)，風(fēng)葉和葉輪本身也產(chǎn)生巨大的轉動(dòng)慣量，此時(shí)所需要的驅動(dòng)水頭大大降低。(5)閥門(mén)開(kāi)啟度的余量。在整個(gè)循環(huán)管道系統中，由于沿途設計余量的存在，系統中調節控制閥門(mén)在大絕大部份運行時(shí)間內處在非全開(kāi)的狀態(tài)，導致整個(gè)循環(huán)水閉路系統并不是暢通，致使流量和揚程損失巨大。水動(dòng)能冷卻塔節能技術(shù)主要優(yōu)勢在于:能實(shí)現100%節電;大大降低冷卻塔的震動(dòng)和噪聲，減少對環(huán)境的污染;水動(dòng)風(fēng)機冷卻塔省去了電機、連軸節、減速箱、電控、電纜等，減少日常的維修保養費用;隨著(zhù)季節的變化，水動(dòng)風(fēng)機的轉速隨著(zhù)水的壓力的增減而增減，風(fēng)量也隨之增減，使冷卻塔的氣水比穩定在最佳的狀態(tài)，以達到冷卻的最佳效果。其局限性在于“富余能量”不一定永遠存在，如勢能和閥門(mén)開(kāi)啟度這兩種能量根據現場(chǎng)實(shí)際情況可能不存在。
循環(huán)冷卻水系統節能實(shí)踐
湖北新冶鋼有限公司由動(dòng)力事業(yè)部對各循環(huán)水系統實(shí)施集中管控。威仕爐公司作為首批央企節能服務(wù)公司，組織專(zhuān)業(yè)人員對其2#連鑄水處理系統、3#連鑄水處理系統、7#電爐水處理系統、8#電爐水處理系統、一軋廠(chǎng)水處理系統、制氧廠(chǎng)水處理系統、凈水處理系統及水源站八個(gè)水系統進(jìn)行現場(chǎng)測試與運行數據采集。調查測試了共80臺水泵，分析了34臺開(kāi)機運行的現場(chǎng)水泵數據。根據最保守的計算模型，平均節電率在20%以上，每年節約電費約400萬(wàn)元。以下針對制氧廠(chǎng)循環(huán)冷卻水系統實(shí)施高效節能水泵技術(shù)進(jìn)行節能技改重點(diǎn)分析。
1現場(chǎng)運行狀況
鋼鐵生產(chǎn)工藝中制氧是以空氣為原料，通過(guò)空氣過(guò)濾、壓縮、冷卻、精餾等工序，分離空氣中的氧氣與氮氣來(lái)作為重要的冶金原料。冶鋼20000m3/h制氧冷卻機組是以循環(huán)冷卻水實(shí)現制氧過(guò)程中的冷卻功能�，F場(chǎng)共配置3臺循環(huán)冷卻水水泵，兩用一備。制氧循環(huán)冷卻水系統水泵現場(chǎng)運行數據如表1所示。
2技術(shù)方案要點(diǎn)
調查結果表明，制氧循環(huán)冷卻水系統能耗較高，在“高效流體輸送技術(shù)”進(jìn)行技改方案中，以水泵節能技術(shù)為首選。主要包括高效節能水泵及管網(wǎng)優(yōu)化設備，調整更換原輸送設備;通過(guò)安裝預旋流整流控制裝置，優(yōu)化輸送管網(wǎng)效率;解決原系統運行流量偏差所導致的無(wú)效功耗;優(yōu)化糾正原系統不合理的運行模式，降低系統運行能耗，達到節能降耗的目的。(1)對現場(chǎng)運行數據科學(xué)計算。利用工程流體力學(xué)相關(guān)理論，依據現場(chǎng)實(shí)測數據進(jìn)行流動(dòng)阻力及能量損失推導計算。應用計算機模擬仿真、實(shí)驗研究，較準確推導出管阻特性，計算出能量損失最小值。(2)節能水泵設計與制造。采用國外最先進(jìn)的“CFD”整體數據模擬技術(shù)及三元流理論進(jìn)行最優(yōu)水泵設計，通過(guò)“CFD”泵與管路系統裝置整體數值模擬技術(shù)，計算不同工況下泵裝置內部流場(chǎng)，提高泵裝置設計與運行效率，如圖2所示。
3節能方案分析
節能量測算。實(shí)施技改的制氧冷卻水系統水泵組，泵開(kāi)機時(shí)間為24h/d、365d/a，電費按0.65元/kWh。技改后流量及揚程數據為現場(chǎng)用戶(hù)確認生產(chǎn)要求數據。年節約用電145.5萬(wàn)kWh，(見(jiàn)表2)年直接節約約100萬(wàn)元。方案實(shí)施模式。合同能源管理模式(EPC)是節能服務(wù)公司實(shí)施節能服務(wù)項目的重要模式。即節能服務(wù)公司與用能單位以契約形式約定節能項目的節能目標，節能服務(wù)公司為實(shí)現節能目標向用能單位提供技術(shù)服務(wù)，用能單位以節能效益支付節能服務(wù)，公司的投入及其合理利潤的節能服務(wù)機制。綜合考慮節能改造現場(chǎng)施工、節能效益等因素，對制氧廠(chǎng)循環(huán)冷卻水系統水泵裝置以EPC模式實(shí)施技術(shù)改造。合同能源管理模式實(shí)施要點(diǎn)有:(1)某公司負責從節能方案到方案實(shí)施的全流程的技術(shù)、資金及項目管理內容，冶鋼方面負責項目實(shí)施時(shí)的工程協(xié)作;(2)某公司保證節能技改實(shí)施后噸水節電率不低于20%;(3)冶鋼在某公司節能技術(shù)達到節電目標前提下，以節電收益按期支付項目費用。
結論
循環(huán)水系統節能是對終端用能設備(或機組)進(jìn)行一種有效的節能改造手段，也是當前節能的主要手段之一，總結有以下特點(diǎn):(1)與工序節能不同，循環(huán)水系統節能是對諸如冷卻塔水輪機、水泵或變頻控制器等終端用能設備的局部性改造，因此，節能改造的工期短，施工靈活，基本不影響正常生產(chǎn)。(2)通過(guò)縝密的現場(chǎng)調查，依據對現場(chǎng)運行數據的科學(xué)計算與評估，設計合理的節能技術(shù)改造方案。針對系統組成的不同單元的數據分析，采用的節能技術(shù)會(huì )有所不同。因此，對同一現場(chǎng)，可以設計不同的節能方案，并從中選擇投入與產(chǎn)出最優(yōu)的方案作為執行方案。(3)節能水泵的技術(shù)方案，是對實(shí)際流量及系統阻力精確計算后進(jìn)行精確設計的結果，節能量的測算值有確定的范圍。
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