循环冷却水系统节能方案设计实践

循环冷却水系统节能方案设计实践

导读：从能量守恒定律出发，分析了循环冷却水系统各构成单元的能量转化过程。以降低循环冷却水系统运行能耗为目标，剖析了可采用的三种节能技术。结合钢铁生产工艺中的循环冷却水系统现场，通过数据采集、运行状况诊断、技术方案设计及节能评估，完整阐述了循环冷却水系统节能方案实践过程。

1、前言

钢铁工业是国民经济的重要基础产业，包括从采矿、选矿、烧结(球团)、焦化、炼铁、炼钢、轧钢，直到金属制品及辅料等生产工序。为推动钢铁工业转型升级，走中国特色的新型工业化道路，工业和信息化部印发《钢铁工业“十二五”发展规划》，规划明确指出要深入推进钢铁工业节能减排。在钢铁工业链上各生产工序中，工业冷却水的循环使用非常普遍。循环冷却水系统是工艺生产主线的生命保障线，对于生产正常运行及设备安全运转起着至关重要的作用。因此，有必要对循环冷却水系统的节能技术进行分析，促进系统安全、节能运行。中冶南方(武汉)威仕工业炉有限公司以为客户提供“用能设备的全生命周期服务”的理念，提供包括工业炉及钢铁全流程中终端用能设备的节能技术服务。

2、循环冷却水系统能量使用

2.1循环冷却水系统构成

循环冷却水系统依据系统输送介质不同，有密闭式和敞开式两种系统。以较常用的敞开式系统为例，包括电源装置、传动系统、循环水泵组、管网、换热装置、冷却塔等，其系统构成如图1所示。其中电源装置提供了整个系统的能源供给，如机械输送设备、传动控制系统及自动化控制系统等；自动化控制系统包括电气自动化(如变频调速控制)及仪表自动化(如管网上流量调节阀)；冷却塔通常有风机及驱动电机等子设备；冷却水使用设备包括在广义的循环系统管网中，没有分别列出。

图1典型循环冷却水系统示意图

2.2系统能量输入与转化

电能输入。如图1中的电源装置，通过工厂电网将电能输入到循环冷却水系统。水泵配用的电机、风机配用电机、以及系统中自动化控制设备均需输入电能来保证设备运行与运转。能量转化。由电机驱动循环水水泵，电机将电能转化为水泵的动能，进而通过水泵转换为循环水的动能；电机将电能转化为冷却塔上风机的动能，进而通过风机转换为冷却风的动能；控制阀通过电、气驱动，实现自动化系统对水压、流量及冷却温度的自动调节。

2.3系统能量消耗

依据能量守恒，循环冷却水系统中能量消耗是在能量的转移与转化过程中的损耗。如循环水系统中的电机、水泵和风机等实现了电能、机械能及动能的能量转化；连接器(机械接手及变速齿轮)、换热器等完成了能量的传递与转移。能量在转移与转化的过程中不可避免发生能量的损耗，因此，要提高循环冷却水系统的运行效率，就要从系统对能量使用的各设备的运行效率进行优化提升。

3、循环冷却水系统节能技术

构成冷却水系统的各装置上的能量损失因各自的工作原理、系统控制方法、设备制造工艺及安装方式等的不同，其对能量的转移与转换效率不同，从而产生了不同节能技术。除对电源装置本身的优化外，广泛采用的节能技术主要有三种：变频调速、高效水泵及水动能。其中变频调速控制是从系统控制优化角度进行节能优化；水泵节能是通过设备设计与制造的改善来实现节能；水动能冷却塔则是充分利用管网中水动能余量进行能量二次利用。

3.1变频调速控制技术

变频调速在冷却水系统中的应用主要针对驱动水泵的电机进行变频调速控制，可以有效实现：①流量调节。通常，由于循环水系统额定流量基于生产工况最大流量来选用相应的循环水泵，通过调整水泵电机的运转速度，进行循环水量的调节，以保证生产工况变化时的需要。②替代控制阀。利用控制阀的开度进行循环水系统运行状态，如压力和流量等参数的调整来满足现场工况，是非常普遍的方案。由于变频器技术的快速发展，其运用也越来越广泛。用变频控制实现控制阀的控制功能已有了成熟的解决方案。

采用变频调速控制节能技术主要优点有：通过调整转速，满足生产需求，无附加损耗，高效节能；电机完全在空载下启动，大幅降低启动电流，减少对电机、电缆、开关及电网等的冲击，同时具备软启动功能；变频调速避免对设备不利冲击，延长电机等设备使用寿命，减轻轴承磨损，降低设备维护成本，有利于设备靠运行；提高自动化水平，减轻操作人员劳动强度。其局限性是因为变频器本身要消耗能量，也存在自身效率的差异，在进行技术改造时对现场有一定的技术要求，且改造后需进行专业维护。

3.2高效节能水泵技术

水泵的节能原理是通过提高水泵的运行效率实现完成同等送水量时能量消耗降低。自七十年代电子计算机得到广泛应用后，以被世界公认为叶轮机械三元流动理论的奠基人吴仲华教授的“叶轮机械三元流动理论”得以运用于叶轮机械产品的设计与制造上来。1976年美国数十位泵专家合著的权威工具书《泵手册》，把叶轮机械三元流动理论列为泵设计的最先进方法。这种泵内含射流－尾迹模型的三元流动计算方法，把叶轮内部的三元立体空间无限地分割，通过对叶轮流道内的各工作点的分析，建立起完整、真实的叶轮内流动的数学模型。通过这一方法，我们对叶轮流道分析可以做得最准确，反映流体的流场、压力分布也最接近实际。由于叶轮出口为射流和尾迹(漩涡)的流动特征，在设计计算中得以体现。因此，在此基础上设计制造的叶轮也就能更好地满足工况要求，效率显著提高。

基于同样的理论，从局部管网优化的角度出发，在水泵的进水通道上，增加一组(多片)三元流体曲面引流叶片，以优化泵体内流场力学模型，减少流体在泵体内部的运动阻力，从而达到降低水泵的气蚀现象对水泵效能的影响，提升水泵内的流体效率，在流量、扬程不变的情况下，降低损耗，提升系统的节能空间。

3.3水动能冷却塔技术

传统冷却塔一般由电动机通过联轴器、传动轴和减速机构来驱动冷却塔的风机。风机抽风使进塔水流快速散热冷却，并经水泵加压将冷却后的水重新输送到需要用水冷却的设备。通过不断循环，达到冷却水反复使用。新型水动能冷却塔是是以水轮机取代电机作为风机动力源。水轮机的工作动力来自系统的富余流量和富余扬程。主要有：

(1)设计余量。设计人员选水泵型号时，由于水量及系统各环节阻力很难被精确的计算出来，为了安全生产及各方面的因素考虑，依据核定冷却水量及阻力数值的基础上至少加10%～20%的余量。

(2)势能。水轮机将布水器释放掉的冷却塔与换热设备的绝对高度之差势能充分地利用起来，转化为水轮机做功的能量。

(3)水泵的自身调节能力。水泵的流量和扬程是互为关联的。在不增大水泵功率的前提下，流量和扬程可以相互转化以满足水轮机所需的实际压头。

(4)动能。一般水轮机的入口流速为10～20m/s，能够产生很可观的动能和推动水轮机叶轮做功的扬程。在最初冲击水轮机叶轮时，风叶的转速和电机启动时基本一样，转速越来越快，当达到设定转速时，风叶和叶轮本身也产生巨大的转动惯量，此时所需要的驱动水头大大降低。

(5)阀门开启度的余量。在整个循环管道系统中，由于沿途设计余量的存在，系统中调节控制阀门在大绝大部份运行时间内处在非全开的状态，导致整个循环水闭路系统并不是畅通，致使流量和扬程损失巨大。

水动能冷却塔节能技术主要优势在于：能实现100%节电；大大降低冷却塔的震动和噪声，减少对环境的污染；水动风机冷却塔省去了电机、连轴节、减速箱、电控、电缆等，减少日常的维修保养费用；随着季节的变化，水动风机的转速随着水的压力的增减而增减，风量也随之增减，使冷却塔的气水比稳定在最佳的状态，以达到冷却的最佳效果。其局限性在于“富余能量”不一定永远存在，如势能和阀门开启度这两种能量根据现场实际情况可能不存在。

4、循环冷却水系统节能实践

湖北新冶钢有限公司由动力事业部对各循环水

系统实施集中管控。威仕炉公司作为首批央企节能服务公司，组织专业人员对其2#连铸水处理系统、3#连铸水处理系统、7#电炉水处理系统、8#电炉水处理系统、一轧厂水处理系统、制氧厂水处理系统、净水处理系统及水源站八个水系统进行现场测试与运行数据采集。调查测试了共80台水泵，分析了34台开机运行的现场水泵数据。根据最保守的计算模型，平均节电率在20%以上，每年节约电费约400万元。以下针对制氧厂循环冷却水系统实施高效节能水泵技术进行节能技改重点分析。

4.1现场运行状况

钢铁生产工艺中制氧是以空气为原料，通过空气过滤、压缩、冷却、精馏等工序，分离空气中的氧气与氮气来作为重要的冶金原料。冶钢20000m3/h制氧冷却机组是以循环冷却水实现制氧过程中的冷却功能。现场共配置3台循环冷却水水泵，两用一备。制氧循环冷却水系统水泵现场运行数据如表1所示。

表1制氧循环冷却水泵现场运行数据

4.2技术方案要点

调查结果表明，制氧循环冷却水系统能耗较高，在“高效流体输送技术”进行技改方案中，