CN102542120B - 一种节能式循环冷却水***的设计方法 - Google Patents

Abstract

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***的设计方法，绘制循环冷却水***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。

Description

一种节能式循环冷却水***的设计方法

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***节能的技术方案，特别是一种节能式循环冷却水***的设计方法。

背景技术：

目前，循环冷却水***在工业和日常生活中普遍使用，这些***的耗能，特别是耗电能比较大，现有的循环冷却水***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***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，***运行效率低20％以上。通过对已检测的1000余套空调采暖***，950余套工业冷却循环水***的节电潜力分析、及已成功实施的700余套***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***普遍存在高能耗现象，节能潜力很大。引起循环冷却水***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***层面上进行节能，将工艺过程、冷热公用工程看成一个***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***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***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***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***的全过程角度合理解决循环水***高能耗问题，减少循环水用量的循环水***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***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***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***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***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：

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

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***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：

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

物料在壳程时的压降计算方法为：

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

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***的泵电费；COST2为整个***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***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***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***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***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***时，拐点即为满足***最小传热温差条件的***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***的费用达到最优匹配，整个***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***进行优化设计。

本实施例的工艺循环冷却水***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***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***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***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***高能耗原因，如循环水***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***改造更换7台高效节能泵。

本实施例的循环冷却水***共涉及7台水泵，装有独立的计量***，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；***技改前，循环水***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***。

本实施例的循环冷却水***工程概况为：该冷却水***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***，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％。

Claims (2)

1.一种节能式循环冷却水***的设计方法，其特征在于主体设计步骤包括：

(1)绘制循环冷却水***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***的换热设备、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***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： 

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***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，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：

 

物料在壳程时的压降计算方法为： 

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***的泵电费；COST2为整个***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，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，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***的水泵均处于高效运行。

2.根据权利要求1所述的节能式循环冷却水***的设计方法，其特征在于，步骤(5)中的所述优化分析的是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。

3．根据权利要求1所述的节能式循环冷却水***的设计方法，其特征在于，步骤(1)中的所述换热设备是冷却塔。