CN110298470A - 按需给能的一体化循环水节能技术 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种按需给能的一体化循环水节能技术,该技术步骤如下:S1.对循环水***实际运行工况进行测量和分析;S2.对循环水***现有负载端和需求侧的实际需求给出***最优运行设计参数;S3.对循环水***各个工位装置进行优化调整,确保各装置在最佳工艺点高效运行;S4.对循环水***进行***性调整,使设备运行效率最高,***运行效率最佳,***阻力损失最小,各换热器运行效率最佳。本发明解决现有的循环水***能耗高、效率低、设备和***不匹配的问题。
Description
技术领域
本发明涉及工业循环水领域,特别涉及一种按需给能的一体化循环水节能 技术。
背景技术
着国家低碳、节能、绿色、环保等政策的逐步推进,生产工艺改进、工业 节能减排、循环利用等措施将成为企业节能增效、可持续发展的重要途径。循 环水***是化工、石油、钢铁等企业生产装置的重要组成部分,通常循环水系 统主要由冷却塔、风机、循环水泵、换热装置、管道阀门等组成。
一般循环水***,如图1所示,主要由冷却塔、风机(含电机、减速机、 传动轴)、循环水泵、换热装置、管道阀门等组成。集水池1中的循环水经循 环水泵9升压后送至各用水装置(换热器12),使用后的循环水经回水管返回 至冷却塔3,通过布水层2均匀的分洒在冷却塔的填料上,与冷却塔3塔顶风机 5抽入的空气呈逆向流动进行热交换,热水被冷却后流入塔下水池,再循环使用。 其中循环水泵用电机8驱动,风机的动力源一般为电机6驱动。
现有的循环水***耗能较大,一般约占到企业总能耗的40%上下。由于技 术能力不足、***设计余量关系、设备效率低下、企业节能意识差、管理水平 低等诸多原因导致循环水***效率低下、能耗利用率偏低、能源浪费严重。
目前,循环水***无论从设计、运行均有优化空间,但多数节能公司的节 能改造方案是针对单体设备(如循环水泵节能改造、电机变频改造、冷却塔节 能改造、高效风机、余热利用等)进行的局部改造优化,而循环水***各设备 之间相互关联、相互影响,单一的设备局部调节或改造不可避免的会引起整个 ***的不匹配、不平衡,而这种影响如不进行***优化消除,可能会影响*** 的节能效果,还经常会出现进行了节能改造部分的能耗降低,未进行改造的部 分能耗升高的情况,极端情况还会影响企业的生产运行,得不偿失。因此,针 对循环水***的一体化优化节能技术对于降低企业***能耗,增加企业效益, 提升企业竞争力,促进企业的可持续发展具有重要意义和深远影响。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此,本 发明的主要目的在于提供一种按需给能的一体化循环水节能技术,以从根本上 解决现有的循环水***能耗高、效率低、设备和***不匹配的问题。
为实现上述目的,本发明提供一种按需给能的一体化循环水节能技术,该 技术步骤如下:
S1.对循环水***实际运行工况进行测量和分析;
S2.对循环水***现有负载端和需求侧的实际需求给出***最优运行设计参 数;
S3.对循环水***各个工位装置进行优化调整,确保各装置在最佳工艺点高 效运行;
S4.对循环水***进行***性调整,使设备运行效率最高,***运行效率最 佳,***阻力损失最小,各换热器运行效率最佳。
进一步地,S1中对循环水***实际运行工况进行测量和分析包括:泵组分 析、管路和阀门阻力分析、换热器分析、冷却塔分析、水轮机分析、风机分析。
进一步地,所述泵组分析包括:通过流量、进出口压力、阀门开度、电机 电压、电流、功率因数进行水泵及***效率计算;
其中,水泵轴功率:
(I—水泵电机运行电流,U—水泵电机运行电压,—功率因数,η—电 机效率)
水泵实际效率:η泵=γ×H×Q/W轴
***效率:η***=(γ×(H总管-H泵入口)×Q总)/W总
(γ—水容重,η泵—水泵效率,η***—***效率,Q—水泵流量,Q总—系 统总流量,H—泵扬程,H入口—泵入口压力,H总管—给水总管压力,W总—电 机总功率)。
进一步地,所述管路和阀门阻力分析包括:***阻力损失包括管道沿程损 失、阀门局部阻力损失和***局部阻力损失;
其中,沿程阻力是比由管道的管径、沿程阻力系数、管道长度和流体流速 确定。(其中,λ—沿程阻力系数;L—管线长度;d—母管内径; ρ—循环水密度;υ—流度;g—重力加速度);
而沿程阻力系数λ:
(其中K—粗糙度,Re—雷诺数,μ—运动粘度)
局部阻力是由管道附件(弯头、三通、阀等)形成的,它由局部阻力系数、 流速确定;
局部阻力系数可以根据附件种类、开度大小查手册得出,阻力计算公式:
***总阻力损失:
依据计算的***阻力损失对***实际阻力对比,分析阻力损失点,采用有 效的优化方法(如调节阀门开度、管路改造、设备改造等)降低***阻力。
进一步地,换热器分析包括进出水温差、进出水压差及流量;
换热器的换热效率用传热系数的大小来表征:
其中,δ—换热管壁厚;λ—换热管的导热系数;dm—换热管的平均直径, 取di和do的对数平均;Ri—管程污垢热阻;Ro—壳程污垢热阻;Q—热量; m—质量流量;
依据换热器热平衡计算公式:Q=KA△Tm=CPm△t,换热器温升:
其中:Q—工艺热负荷,K—总传热系数A—换热面积,△tm—平均温差, CP—定压比热容,△t—水侧温差
依据循环水温升情况,通过调整换热器进、出口阀门开度,测试换热器最 佳需求水量,合理避开换热器结垢和泥沙沉积流速对应的临界流量区间,找出 换热器的最佳实际需求流量;
所有换热器需求流量之和即为***最佳需求流量,在留有合理安全余量的 基础上,确定泵组的最佳流量。
进一步地,所述冷却塔分析包括:测试冷却塔实际进水温度、出水温度、 冷却塔风机转速,结合冷却塔设计参数,分析冷却塔实际运行工况。
进一步地,所述水轮机分析需要先判断循环水***现有富余能量是否足够, 保证***与设备参数的相互匹配;
其中,依据冷却塔风机电机运行参数,
其中,I—风机电机运行电流,U—风机电机运行电压,—电机实际功 率因数,η1—电机效率,η2—传动装置效率;
水轮机做功压力:H=W轴/(γ×Q×η);
其中γ—水容重,Q—水轮机额定流量,H—水轮机做功压力,η—水轮机效 率;
其中,水轮机出口至布水层位差所产生的重力压为Hs,水轮机做功压力H, 布水压力为1m,则水轮机入水压力为H4=H-Hs+1,***所需回水压力H需回 =H1+H2+H3+H4;
依据计算的所需回水压力与***实际运行回水压力对比,判断富余能量是 否满足水轮机运行要求;
如果水轮机所需的回水压力小于***实际运行的回水压力,则现有回水压 力可完全满足水轮机做功要求,在达到同样的降温效果时水轮机不耗电,冷却 塔节电率可达100%;
如果水轮机所需回水压力大于***实际运行的回水压力,则需要分析水泵 扬程、***管路损失、阀门开度等问题,通过***调节,使***阻力损失减至 最小,使回水压力提高,达到水轮机做功要求。
更进一步地,所述风机为碳纤维材料制成。
更进一步地,循环水***改造顺序从先到后为:风机、水轮机、泵组、换 热器、水泵、冷却塔。
更进一步地,循环水***还设有监控***,用于对各设备运行参数进行实 时监控。
本发明有益效果如下:
1)本发明是把循环水的整体能耗作为节能考核的基数,有别于原有的局部 设备节能改造,从根本上避免了改造部分局部节能,其他部分能耗可能增加的 情况,是一种真正意义上的***节能。
2)本发明是根据循环水***需要换热的工质或设备工艺等的实际需求,进 行水量配置,以达到“按需给能”的目的。而依据实际工艺需求水量、工艺管路特 点、已有装置的布局,结合最先进的制造工艺,量身定制的供能设备是实现“按 需给能”的手段。
3)本发明满足各类循环水***改造项目及新建项目,不仅适用“大马拉小 车”工况,还适用“小马拉大车”的工况;
4)本发明可长期保持***和设备高效、稳定运行,适用于石油、化工、 钢铁、市政、建筑等各类企业的循环水***;
5)本发明是一种针对循化水***最大化的能效利用方案,不仅可以减少设 备数量、功耗,甚至还可以减少冷却塔数量。
6)本发明可以根据***实际运行工况进行多种节能方式的组合,在监控系 统的指导下,结合工艺需求调整,改造包括1)泵或泵组;2)泵+水轮机;3) 水轮机+风机;4)泵+水轮机+风机。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施 例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述 中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付 出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
图1为本发明***连接示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清 楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例,而不 是全部的实施例。
基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提 下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
需要说明,本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、 后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置 关系、运动情况等,如果该特定姿态发生改变时,则该方向性指示也相应地随 之改变。
在本发明的描述中,“多个”的含义是至少两个,例如两个,三个等,除非另 有明确具体的限定。
在本发明中,除非另有明确的规定和限定,术语“连接”、“固定”等应做广义 理解,例如,“固定”可以是固定连接,也可以是可拆卸连接,或成一体;可以是 机械连接,也可以是电连接;可以是直接相连,也可以通过中间媒介间接相连, 可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系,除非另有明确的限定。 对于本领域的普通技术人员而言,可以根据具体情况理解上述术语在本发明中 的具体含义。
另外,本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合,但是必须是以本 领域普通技术人员能够实现为基础,当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实 现时应当认为这种技术方案的结合不存在,也不在本发明要求的保护范围之内。
一种按需给能的一体化循环水节能技术,该技术步骤如下:
S1.对循环水***实际运行工况进行测量和分析;
S2.对循环水***现有负载端和需求侧的实际需求给出***最优运行设计参 数;
S3.对循环水***各个工位装置进行优化调整,确保各装置在最佳工艺点高 效运行;
S4.对循环水***进行***性调整,使设备运行效率最高,***运行效率最 佳,***阻力损失最小,各换热器运行效率最佳。
本发明目的在于提供一种“按需给能”的一体化循环水节能技术,充分考 虑到全***各设备环节的相互影响,从根本上解决循环水***能耗高、效率低、 设备和***不匹配的问题。
其具体步骤如下:
步骤1,现场调研:
现场调研,采集循环水***各设计、运行参数,对循环水***进行整体运 行性能测试。采集的数据包括供回水压力、温度、流量、换热器流量、高度、 温差、水泵、冷却塔、风机等各设备设计及运行工况、阀门开度、能耗等。
步骤2,泵组分析:
根据精确采集或测量的循环水泵及泵组设计、运行参数,对水泵效率进行 能耗分析,判断水泵及泵组运行效率及阻力损失。
其中,针对循环水泵及泵组的运行参数,如泵的流量、进出口压力、阀门 开度、电机电压、电流、功率因数等,采用如下数学公式进行水泵及***效率 计算。
水泵轴功率:W轴=1.732×U×I×cosφ×η
(I—水泵电机运行电流,U—水泵电机运行电压,cosφ—功率因数,η—电 机效率)
水泵实际效率:η泵=γ×H×Q/W轴;
***效率:η***=(γ×(H总管-H泵入口)×Q总)/W总;
(γ—水容重,η泵—水泵效率,η***—***效率,Q—水泵流量,Q总—系 统总流量,H—泵扬程,H入口—泵入口压力,H总管—给水总管压力,W总—电 机总功率)
目前按三元流流场设计的循环水泵效率一般在85-92%之间,若水泵核算的 实际运行效率低于80%,则通过匹配高效泵,可大幅提升效率,降低能耗。
循环水泵的作用是克服管路的阻力损失,为***提供所需的水量。若经核 算循环水泵效率较高,可针对原***的冷却塔、换热器、***管路、阀门阻力 等环节综合考虑,重新计算***总阻力损失。
其中,***管路阻力可通过管路优化减小,换热器、阀门的阻力损失可通 过开度调节减小或消除,此时***阻力损失最小,可在满足***需求情况下, 提出更优化的设计参数,重新设计水泵参数(流量、扬程、效率),实现节能 最大化。具体计算见步骤7。
步骤3,管路和阀门阻力分析:
***阻力损失包括管道沿程损失、阀门局部阻力损失和***局部阻力损失,
阻力损失可采用以下数学模型进行计算:
沿程阻力是比由管道的管径、沿程阻力系数、管道长度和流体流速确定。(其中,λ—沿程阻力系数;L—管线长度;d—母管内径;ρ—循 环水密度;υ—流度;g—重力加速度)。而沿程阻力系数λ:
(其中K—粗糙度,Re—雷诺数,μ—运动粘度)
局部阻力是由管道附件(弯头、三通、阀等)形成的,它由局部阻力系数、 流速确定。局部阻力系数可以根据附件种类、开度大小查手册得出,阻力计算 公式:
***总阻力损失:
依据计算的***阻力损失对***实际阻力对比,分析阻力损失点,采用有 效的优化方法(如调节阀门开度、管路改造、设备改造等)降低***阻力。同 时,要充分考虑到***流量变化对***阻力的影响,流量越大阻力越大,水泵 扬程就需要的越高。
步骤4,换热器分析:
依据换热器进出水温差、压差及流量等参数,分析各用水换热器运行工况 及换热效率,与设计参数进行对比,提出换热器优化调节方案。
换热器的换热效率用传热系数的大小来表征:
其中,δ—换热管壁厚;λ—换热管的导热系数;dm—换热管的平均直径, 取di和do的对数平均;Ri—管程污垢热阻;Ro—壳程污垢热阻;Q—热量;m —质量流量。
依据换热器热平衡计算公式:Q=KA△Tm=CPm△t,换热器温升:
其中:Q—工艺热负荷,K—总传热系数A—换热面积,△tm—平均温差, CP—定压比热容,△t—水侧温差
依据循环水温升情况,通过调整换热器进、出口阀门开度,测试换热器最 佳需求水量,合理避开换热器结垢和泥沙沉积流速对应的临界流量区间,找出 换热器的最佳实际需求流量。所有换热器需求流量之和即为***最佳需求流量, 在留有合理安全余量的基础上,确定泵组的最佳流量。
步骤5,冷却塔分析:
依据***运行数据,测试冷却塔实际进、出水温度、冷却塔风机转速,结 合冷却塔设计参数,分析冷却塔实际运行工况;
冷却塔能耗主要由两方面组成,一是风机能耗,二是配水能耗。冷却塔风 机的节能主要将玻璃钢风机替换为碳纤维风机,同时考虑到碳纤维风机叶片数 量、叶片直径、叶片角度与冷却塔风量、风筒型线、淋水密度、填料型式、收 水器的型式,合理设计碳纤维风机的参数。由于碳纤维风机重量轻、强度高, 能实现节能降耗的目的。
针对循环水***普遍采用的机械通风逆流冷却塔,其主要耗能部分有:进 风口、塔收缩段、风筒、淋水填料、收水器等,通过对各部分尺寸、线性优化, 获得均匀流畅的气流通道,减小空气阻力,增大进风量,从而提高冷却塔效率。
为了减少冷却塔配水能耗,可通过采用动能回收型风筒、填料优化布置、 合理布置冷却塔的配水管道、采用高效喷头,收水器的型式位置优化来实现, 综合提高冷却塔效率,减少能量损失。
此外通过换热器监控***,可实时监测换热器进出水温的变化,通过调整 冷却塔水量来满足换热器***对于循环水水温的要求。对于冷却塔水量调整一 般通过调整运行方式、数量等手段实现。
步骤6,水轮机分析:
利用循环水***富裕能量,在不增加水泵功耗、保证与原冷却塔降温效果 前提下,用水轮机取代传统的电机作为风机动力,使风机由原来的电力驱动改 为水力驱动,实现冷却塔100%节能。但并不是每个***都能进行水轮机改造的, 许多失败案例就说明了这一点。
其中,采用水轮机替代原有的风机电机,就必须要判断***现有富余能量 是否足够,保证***与设备参数的相互匹配。
依据冷却塔风机电机运行参数,核算风机轴功率W轴=1.732×U×I×cosφ ×η1×η2
其中,I—风机电机运行电流,U—风机电机运行电压,cosφ—电机实际功 率因数,η1—电机效率,η2—传动装置效率;
水轮机做功压力:H=W轴/(γ×Q×η)
其中γ—水容重,Q—水轮机额定流量,H—水轮机做功压力,η—水轮机 效率;
如图1所示,水轮机出口至布水层位差所产生的重力压为Hs,水轮机做功 压力H,布水压力为1m,则水轮机入水压力为H4=H-Hs+1,***所需回水压力 H需回=H1+H2+H3+H4。
此时,依据计算的所需回水压力与***实际运行回水压力对比,判断富余 能量是否满足水轮机运行要求。
如果水轮机所需的回水压力小于***实际运行的回水压力,则现有回水压 力可完全满足水轮机做功要求,在达到同样的降温效果时水轮机不耗电,冷却 塔节电率可达100%。
如果水轮机所需回水压力大于***实际运行的回水压力,则需要分析水泵 扬程、***管路损失、阀门开度等问题,通过***调节,如步骤3,使***阻力 损失减至最小,使回水压力提高,达到水轮机做功要求。
水轮机设计参数的选择要依据循环水***改造后设计的实际运行参数而不 是之前的参数来配置水轮机,这是水轮机改造的关键!
步骤7,碳纤维风机分析:
碳纤维风机具有强度高、重量轻、使用寿命长、效率高的优点,1)当*** 富裕能量不足以驱动传统的玻璃钢风机但差值不大时,可将玻璃钢风机改造为 高效碳纤维风机,风机轴功率减少,满足水轮机的运行要求。2)当***能量富 余时,改造高效碳纤维风机可使风机风量增加,提高冷却塔降温效果。
步骤8,水泵参数的选定
由于水泵及水轮机的运行参数直接关系到***的运行工况,包括流量、压 力、温度等,但各设备之间运行时又相互影响,***处于一个动态变化的过程。
依据步骤3对***进行优化调整,采用有效的调节方法(如调节阀门开度、 管路改造、设备改造等)降低***阻力,从而选定最佳设计参数,最优化方式 匹配***工况,保障***高效运行。
流量:依据步骤3的分析,结合不同季节***水量需求量及装置工况的变 化,根据现场水泵实际运行方式和运行安全,合理配置水泵数量及流量,可以 采用大泵+小泵组合的方式进行配置。
压力:依据步骤4的分析,可依据优化后的***管路、阀门阻力损失,结 合换热器的高度并考虑一定的安全余量,综合选定水泵扬程。
1)若***富余能量满足水轮机做功需求,则
hf换热器+hf管路阀门+h换热器高度+h安全余量=H泵所需扬程;
2)若***富余能量不满足水轮机做功需求,则
hf换热器+hf管路阀门+h换热器高度+H所需回压-H***回压+h安全余量=H泵所需扬程;
换热器管程压降:hf换热器=ΔPl+ΔPr+ΔPN,即流体流过直管部分、管程回 弯和管箱进出口的压力降之和,
其中,N—管程数;μw—壁温下的粘度,Pa.s;fi—管内摩擦系数;Nu—管箱 进出口流速,m/s。
循环水泵参数的选取要综合考虑电机功率、***所需流量、***阻力、冷 却塔降温效果、以及水泵结构、叶轮尺寸、自身效率、泵体材料等因素,确保 水泵能够长期稳定运行在高效区,同时满足***工艺需求。
步骤9,监控***:
循环水***的流量、温度、压力等参数是动态变化的,各设备的正常运行 对装置运行至关重要,通过监控***对各设备运行参数进行实时监控,可以方 便设计、运行、操作人员对循环水***进行运维管理。
针对***换热器及管路阀门进出水温差、压差及流量等参数,采用监控系 统实时采集相关数据,通过后台专家诊断***计算换热器换热量及换热效率, 分析和预判换热器可能出现的堵塞、结垢、水量不足等问题,为换热器及设备 的安全运行提供保障。
步骤10,一体化节能:
通过以上8个步骤,体现了“按需给能”的一体化节能技术。通过对循环 水***各个环节的详细分析、设备节能改造、全***调整、节能优化,使设备 运行在最佳工况点,***阻力损失最小,***运行效率最高。
后期运行,要关注循环水***季节变化及用水需求的变化,始终坚持“按 需给能”的原则,既保证工艺***正常的用水需求,又确保所有设备高效稳定 运行,通过“按需给能”的***节能优化改造真正实现循环水***的节能目标 最大化。
本发明除节能外,还提供了一种新型循环水***改造顺序,以消除用户关 于水轮机的能耗是由水泵额外提供的误区,即循环水一体化改造先从水轮机驱 动风机改造开始,水轮机改造投运后看水泵功耗是否增加,不增加的基础上再 进行其它部分改造。
将循环水回水在进入布水喷头前还未释放的富余能量回收利用,驱动水轮 机带动风机旋转。
水轮机改造成功后,再进行泵组的整体改造,使改造后的水泵运行在高效 区,泵组运行在最佳工况点,同时提供满足水轮机运行的需要能量,换热器需 求的水量(满足换热量需求)。接着再通过换热器的运行参数进行***调整, 消除不必要的***阻力,对***前端(水泵侧)末端(冷却塔测)进行水量匹 配,冷却塔数量匹配。一般按照这样的方式进行多次调整匹配后,循环水*** 将会达到“按需给能”的最佳状态。从2012年开始至今进行的多个工程实践, 均验证了上述发明的可行性及有效性。
实施例1
本实施例为某化工厂,该厂循环水***供2套生产装置(合成、尿素)换热 器用水,主要设备包括7台循环水泵、23台换热器、9台冷却塔、9台玻璃钢风 机等。我们对该循环水***进行整体优化节能技术改造后,吨水能耗从 0.32kW.h/t下降到了0.15kW.h/t,节能率达53%,节能效益非常显著。
我们采用本“按需给能”的循环水***一体化节能技术对该循环水***进行 分析:
步骤1,现场调研:
现场调研,采集循环水***各设计、运行参数,发现***水量不足、阻力 损失大、冷却塔降温不佳、能耗高。
冷却塔上塔阀门开度约30%,***上塔憋压严重,单塔实际流量1960m3/h, 远低于设计流量3200m3/h,导致冷却塔运行效率较低。同时***最高换热器高 点33m,冷却塔布水层高度11.5m,最高点到布水层有21.5m落差,回水势能白 白浪费;
对循环水***各用水换热器进行调研,发现部分换热器水量不足导致出口 水温过高,工艺参数偏离,在满足装置工艺需求的前提下,我们适当调整了换 热器水量,使换热器水量分配最佳,减小***阻力损失。
步骤2,泵组分析:
依据调研数据对循环水泵进行计算,核算水泵效率、功耗如下:
该***有7台水泵,正常运行5用2备,水泵设计额定扬程53-54m,额定 流量5400m3/h,由于电机超流,实际运行压力在0.6MPa,单泵流量仅3500m3/h 左右,现水泵效率在55%-71%,水泵偏离工况点运行,水泵出口阀门开度在 25-40%,出口压力在0.6MPa左右,水泵憋压严重,阀门阻力损失过大,,能耗 较高。
针对上述实际,采用定制高效泵的方式进行改造,大幅提升效率,降低能 耗,水泵参数定制依据换热器需求参数。
步骤3,管路和阀门阻力分析:
现***水泵出口压力55-64m,供水总管压力43m,从水泵出口至供水总管 阻力损失在12m以上,同时***回水总管压力0.26MPa,***供回水阻力损失 0.17MPa,***阻力损失过大。对循环水***管路进行分析,发现***主要限流 点为:循环水泵出口阀门(开度25-40%)、冷却塔上塔阀门(开度30%)。
依据计算,若泵出口阀门阻力损失为9m,冷却塔上塔阀门阻力损失为8m。 改造后,通过***优化调整,水泵出口阀门可全部打开,阀门阻力可大幅减小 至1.5-2m。
步骤4,换热器分析:
依据换热器温度、压差、流量等数据,计算各换热器传热系数为580-720W/(m2.K),所有换热器均运行良好,但有个别换热器水侧压差过大。
依据循环水温升情况,在保证装置工艺正常生产工艺指示的前提下,通过 调整换热器进、出口阀门开度,平衡***流量及各换热器流量分配,分析得出 现有循环水***流量(17700m3/h)不满足夏季最大用水需求,重新设计循环水 投运总流量为23000m3/h。
步骤5,冷却塔分析:
原冷却塔为横流塔改造成逆流塔,原横流塔设计流量3200m3/h,实际运行 9开0备。冷却塔内部填料、收水***、喷头等均运行良好。但现单塔实际运行 流量不足2000m3/h,淋水密度远低于设计值,风机风量仅1.42×106m3/h,冷却 塔未在最佳效率区运行,导致冷却塔能耗高、效率低。
通过现场开阀试验验证,单塔实际过流量可达3500m3/h以上。如果将冷却 塔流量调整至3000-3200m3/h,可优化冷却塔运行方式为7用2备或8用1备, 使冷却塔运行在最佳效率区,保证冷却塔降温效果,同时满足水轮机驱动风机 需求,大幅降低能耗。
步骤6,水轮机分析:
依据现场采集的***运行数据,计算水轮机运行所需回水压力(以9台冷 却塔中风机电机功率的最大值为准)见下表。
依据数据分析可知,***中水轮机运行所需回水压力为22.5m,而***回水 总管压力为27m,可完全满足水轮机运行需要。
该***总水量21600m3/h,考虑到流量叠加损失,设计水轮机的流量为3200 m3/h,共7台(3200×7=22400m3/h)完全满足***水量要求。
改造水轮机后,上塔阀门可以全开,消除的阀门阻力转换成驱动水轮机的 动力,阀门阻力损失减小,现有回水压力不仅能够使水轮机正常运行,而且还 有部分的富余量,可通过调整风机角度或转速的方式提升***降温效果。
步骤7,碳纤维风机的使用:
现***运行回水压力为26m,水轮机需求回水压力25.5m,改造水轮机后, 上塔阀门全开,还具有一定的富裕能量。但现有玻璃钢风机由于刚度强度限制 无法进一步提高转速;而碳纤维风机的刚度、强度优于玻璃钢风机,重量大大 减轻,其输出轴功率会比玻璃钢风机大,通过增加风叶角度或提升风机转速的 方式提高风机的风量和风压,使冷却塔的降温效果得以提升。因此,将冷却塔 原玻璃钢风机全部改造为碳纤维风机(包含轮毂),风机叶片直径、数量不变。
本项目中所改造的水轮机全部匹配碳纤维风机,以传统电机驱动玻璃钢风 机的转速136r/min为标准,分别测量原玻璃钢风机冷却塔和水动风机冷却塔的 风量、转速、振动见下表。
类别 | 转速(r/min) | 风量(m<sup>3</sup>/h) | 振动(mm/s) |
玻璃钢风机 | 136 | 1.42*10<sup>6</sup> | 4.0 |
碳纤维风机 | 136 | 1.55*10<sup>6</sup> | 0.8 |
通过对比发现,在该项目上使用碳纤维风机,在相同转速下,风量大于原 玻璃钢风机冷却塔,同时振动大幅下降。由于碳纤维风机强度、刚度优于玻璃 钢风机,通过增大水量可提高转速,增大角度可提高风量,对降温效果有更大 的提升空间。同时避免了风机因超转带来风叶折断的安全隐患。
步骤8,水泵参数的选定:
因原循环水***流量不足,水量需增加至23000m3/h,改造后水泵运行方式 依然采用5用2备。水泵出口管路是设计院按5400m3/h标准设计的,若单泵额 定流量增大可能会引起泵出口阻力增加,水量无法提升,造成风险。
因此设计改造后单泵流量与原水泵保持一致。但如果都选用5400m3/h。考 虑到泵组运行的叠加损失风险、新泵与原***管路的匹配性,同时考虑到*** 的安全余量,方案选定水泵形式为:大泵额定流量为5400m3/h,小泵额定流量 3400m3/h,运行方式4大1小(理论总流量25000m3/h),这样既可保证*** 总流量,又可保证水泵运行安全(大小泵均有备泵),实现***的最佳匹配。
改造后,通过***优化调整,水泵出口阀门可全部打开,阀门阻力可大幅 减小至不足1m。依据换热器监控***,换热器部分阻力损失均在8m左右,最 高换热器高度33m。因此,由公式hf换热器+hf管路阀门+h换热器高度+h安全余量=H泵所需扬程计算 得出水泵所需的扬程为45m。
因此水泵扬程设计为45m即可满足工艺需求,***投运后验证了设计的正 确性。
步骤9,监控***:
该项目所采用的的监控***包括两方面:
1)针对水泵及电机轴承温度、振动采用温度传感器、振动传感器,将测量 信号用电缆引出,接入DCS***,能在DCS界面显示水泵、电机的温度、振动 参数,指导现场运行维护。针对水轮机采用振动温度一体化探头、转速探头, 将测量信号用电缆接入甲方DCS***,实现水轮机运行关键数据的监控,提高 ***运行的安全性。
2)对***主要换热器的进出口安装温度传感器、压力传感器,将测量信号 采用无线传输仪表远传至DCS***,能够实时监控换热器进出口温度、压力参 数,对水温变化异常、压力变化异常及时作出分析和处理。
步骤8,一体化节能:
通过以上8个步骤,体现了“按需给能”的一体化节能技术。通过对循环水系 统各个环节的详细分析、设备节能改造、全***调整、节能优化,使设备运行 效率最高,***阻力损失最小,***运行效率最高。
最终对整体优化节能改造,改造内容包括:
1.对7台水泵及电机进行整体改造,重新匹配水泵参数,同时对循环水管 路、阀门等进行改造或调整,使水泵运行在高效区。
2.***回水富余能量大,可通过水轮机回收利用,实现整个***的“按需给 能”,将电机冷却塔改造为水轮机驱动。
3.针对循环水***换热器新增无线监控***,对各用水换热器的进出口温 度及压差进行监控,依据监控数据合理分配调整循环水用量。
4.将冷却塔原玻璃钢风机更换为高效碳纤维风机,提高冷却塔运行效率, 提高降温效果。
5.冷却塔运行方式由9用0备调整为7用1备,增加四期空分后,未增加 冷却塔,改为8用1备的运行方式,不仅提升了冷却塔的运行效率,还对工艺 生产安全提供了有力保证。
6.对***进行优化调整,合理分配换热器用水量,对***管路阀门进行调 整,确保水泵、换热器、水轮机、风机、冷却塔等设备均高效运行,实现*** 能耗大幅降低,***效率最佳。
我们确定的设备参数如下:
按此方案对循环水***进行整体优化节能技术改造后,***运行数据如下:
计算效益,该循环水***吨水能耗下降了53%,年节电量可达3200万kW.h。
以上仅为本发明的优选实施例,并非因此限制本发明的专利范围,凡是在 本发明的发明构思下,利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换,或 直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (10)
1.一种按需给能的一体化循环水节能技术,其特征在于,该技术步骤如下:
S1.对循环水***实际运行工况进行测量和分析;
S2.对循环水***现有负载端和需求侧的实际需求给出***最优运行设计参数;
S3.对循环水***各个工位装置进行优化调整,确保各装置在最佳工艺点高效运行;
S4.对循环水***进行***性调整,使设备运行效率最高,***运行效率最佳,***阻力损失最小,各换热器运行效率最佳。
2.根据权利要求1所述的一种按需给能的一体化循环水节能技术,其特征在于,S1中对循环水***实际运行工况进行测量和分析包括:泵组分析、管路和阀门阻力分析、换热器分析、冷却塔分析、水轮机分析、风机分析。
3.根据权利要求2所述的一种按需给能的一体化循环水节能技术,其特征在于,所述泵组分析包括:通过流量、进出口压力、阀门开度、电机电压、电流、功率因数进行水泵及***效率计算;
其中,水泵轴功率:
(I—水泵电机运行电流,U—水泵电机运行电压,—功率因数,η—电机效率)
水泵实际效率:η泵=γ×H×Q/W轴
***效率:η***=(γ×(H总管-H泵入口)×Q总)/W总
(γ—水容重,η泵—水泵效率,η***—***效率,Q—水泵流量,Q总—***总流量,H—泵扬程,H入口—泵入口压力,H总管—给水总管压力,W总—电机总功率)。
4.根据权利要求2所述的一种按需给能的一体化循环水节能技术,其特征在于,所述管路和阀门阻力分析包括:***阻力损失包括管道沿程损失、阀门局部阻力损失和***局部阻力损失;
其中,沿程阻力是比由管道的管径、沿程阻力系数、管道长度和流体流速确定。(其中,λ—沿程阻力系数;L—管线长度;d—母管内径;ρ—循环水密度;υ—流度;g—重力加速度);
而沿程阻力系数λ:
(其中K—粗糙度,Re—雷诺数,μ—运动粘度)
局部阻力是由管道附件(弯头、三通、阀等)形成的,它由局部阻力系数、流速确定;
局部阻力系数可以根据附件种类、开度大小查手册得出,阻力计算公式:
***总阻力损失:
依据计算的***阻力损失对***实际阻力对比,分析阻力损失点,采用有效的优化方法(如调节阀门开度、管路改造、设备改造等)降低***阻力。
5.根据权利要求2所述的一种按需给能的一体化循环水节能技术,其特征在于,所述换热器分析包括进出水温差、进出水压差及流量;
换热器的换热效率用传热系数的大小来表征:
其中,δ—换热管壁厚;λ—换热管的导热系数;dm—换热管的平均直径,取di和do的对数平均;Ri—管程污垢热阻;Ro—壳程污垢热阻;Q—热量;m—质量流量;
依据换热器热平衡计算公式:Q=KA△Tm=CPm△t,换热器温升:
其中:Q—工艺热负荷,K—总传热系数A—换热面积,△tm—平均温差,CP—定压比热容,△t—水侧温差
依据循环水温升情况,通过调整换热器进、出口阀门开度,测试换热器最佳需求水量,合理避开换热器结垢和泥沙沉积流速对应的临界流量区间,找出换热器的最佳实际需求流量;
所有换热器需求流量之和即为***最佳需求流量,在留有合理安全余量的基础上,确定泵组的最佳流量。
6.根据权利要求2所述的一种按需给能的一体化循环水节能技术,其特征在于,所述冷却塔分析包括:测试冷却塔实际进水温度、出水温度、冷却塔风机转速,结合冷却塔设计参数,分析冷却塔实际运行工况。
7.根据权利要求2所述的一种按需给能的一体化循环水节能技术,其特征在于,所述水轮机分析需要先判断循环水***现有富余能量是否足够,保证***与设备参数的相互匹配;
其中,依据冷却塔风机电机运行参数,
其中,I—风机电机运行电流,U—风机电机运行电压,—电机实际功率因数,η1—电机效率,η2—传动装置效率;
水轮机做功压力:H=W轴/(γ×Q×η);
其中γ—水容重,Q—水轮机额定流量,H—水轮机做功压力,η—水轮机效率;
其中,水轮机出口至布水层位差所产生的重力压为Hs,水轮机做功压力H,布水压力为1m,则水轮机入水压力为H4=H-Hs+1,***所需回水压力H需回=H1+H2+H3+H4;
依据计算的所需回水压力与***实际运行回水压力对比,判断富余能量是否满足水轮机运行要求;
如果水轮机所需的回水压力小于***实际运行的回水压力,则现有回水压力可完全满足水轮机做功要求,在达到同样的降温效果时水轮机不耗电,冷却塔节电率可达100%;
如果水轮机所需回水压力大于***实际运行的回水压力,则需要分析水泵扬程、***管路损失、阀门开度等问题,通过***调节,使***阻力损失减至最小,使回水压力提高,达到水轮机做功要求。
8.根据权利要求2所述的一种按需给能的一体化循环水节能技术,其特征在于,所述风机为碳纤维材料制成。
9.根据权利要求1~8所述的一种按需给能的一体化循环水节能技术,其特征在于,所述循环水***改造顺序从先到后为:风机、水轮机、泵组、换热器、水泵、冷却塔。
10.根据权利要求1~8所述的一种按需给能的一体化循环水节能技术,其特征在于,循环水***还设有监控***,用于对各设备运行参数进行实时监控。
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