循環(huán)冷卻水系統(tǒng)創(chuàng)新設(shè)計(jì)研究
時(shí)間:2022-01-03 10:35:47
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摘要:針對(duì)傳統(tǒng)空分項(xiàng)目循環(huán)冷卻水系統(tǒng)普遍存在的水泵揚(yáng)程偏高、流量偏大等主要問(wèn)題,提出了創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法。正確運(yùn)用流體力學(xué)基本原理,結(jié)合空分工程的具體特點(diǎn),抓住關(guān)鍵,從設(shè)計(jì)源頭入手,合理確定水泵流量、科學(xué)計(jì)算水泵揚(yáng)程等,不僅可以大幅度降低循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的運(yùn)行能耗,還可以降低投資成本。
關(guān)鍵詞:空分設(shè)備;循環(huán)冷卻水系統(tǒng);創(chuàng)新設(shè)計(jì);節(jié)能降耗
大型空分設(shè)備用戶是能源消耗大戶,蘊(yùn)藏著巨大的節(jié)能潛力,其主要關(guān)鍵設(shè)備的節(jié)能技術(shù)已不斷取得發(fā)展,而循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的節(jié)能優(yōu)化,空分行業(yè)對(duì)此研究較少。近年來(lái),杭氧對(duì)空分項(xiàng)目的循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的節(jié)能從理論到實(shí)踐進(jìn)行了全面、系統(tǒng)的研究,認(rèn)為空分項(xiàng)目的循環(huán)冷卻水泵的揚(yáng)程余量太大(大部分揚(yáng)程為45~60m,而實(shí)際只需30~35m),余量達(dá)到29%~71%,因此僅合理配置水泵揚(yáng)程,平均就有30%左右的節(jié)能空間;同時(shí),由于冷卻水流量安全系數(shù)重復(fù)考慮,造成確定的水泵流量不合理,雖然換熱設(shè)備冷卻水供、回水溫差設(shè)計(jì)值為8~10℃,但實(shí)際運(yùn)行時(shí)溫差大多為4~6℃,有的更小。盡管有些企業(yè)已經(jīng)實(shí)施了一些節(jié)能改造,但大多從表象出發(fā),沒(méi)有抓住本質(zhì),盲目性大,因而節(jié)能不徹底,效果欠佳??辗猪?xiàng)目的循環(huán)冷卻水系統(tǒng)龐大,其節(jié)能空間相當(dāng)可觀。循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的節(jié)能工作,需要?jiǎng)?chuàng)新設(shè)計(jì),只有在正確、系統(tǒng)的理論指導(dǎo)下,從設(shè)計(jì)源頭入手,才能少走彎路。
1傳統(tǒng)循環(huán)冷卻水系統(tǒng)設(shè)計(jì)和運(yùn)行中存在的問(wèn)題
1.1盲目選擇水泵揚(yáng)程。長(zhǎng)期以來(lái),空分行業(yè)以產(chǎn)品技術(shù)附件中的“供水壓力0.4MPa,回水壓力0.25MPa”等內(nèi)容為依據(jù)來(lái)確定循環(huán)冷卻水泵的揚(yáng)程,大部分選45~60m。理論上,這個(gè)做法是一大誤區(qū),水泵揚(yáng)程的確定應(yīng)根據(jù)流體力學(xué)基本原理對(duì)具體的工程進(jìn)行詳細(xì)水力分析計(jì)算后確定。實(shí)際上,這樣確定的水泵揚(yáng)程余量太大,表現(xiàn)為:如果所配電機(jī)功率比較小,則管路上的閥門(mén)就不能完全打開(kāi)(一般只能開(kāi)30%),需要人為增加阻力損失才能安全運(yùn)行;如果所配電機(jī)功率比較大,水泵就會(huì)在超大流量工況下運(yùn)行,不僅水泵效率低,而且易產(chǎn)生葉輪汽蝕、噪聲大、振動(dòng)大等不利安全運(yùn)行的問(wèn)題,同時(shí),如果超額的流量對(duì)傳熱影響不大,本身就是浪費(fèi)??傊?,盲目確定水泵揚(yáng)程,既浪費(fèi)投資又使運(yùn)行能耗增高。1.2缺少必要的水力分析計(jì)算。除了水泵揚(yáng)程的選擇缺少必要的水力分析計(jì)算外,各換熱設(shè)備支路也沒(méi)有經(jīng)過(guò)水力平衡分析設(shè)計(jì),阻力損失小的支路實(shí)際流量大大超過(guò)設(shè)計(jì)流量,造成流量浪費(fèi);阻力損失大的支路實(shí)際流量小于設(shè)計(jì)流量,造成冷卻效果不理想,這時(shí)只能通過(guò)關(guān)小阻力損失小的支路上的閥門(mén),提高整個(gè)系統(tǒng)的阻力,來(lái)調(diào)節(jié)流量平衡。如果某個(gè)支路的阻力損失特別大,這種做法就更不合理。而且,如果沒(méi)有經(jīng)過(guò)必要的水力分析計(jì)算,循環(huán)冷卻水供水干管在空冷塔位置的壓力就沒(méi)有數(shù)據(jù),空冷塔常溫水泵和冷卻水泵的揚(yáng)程確定必然盲目,要么過(guò)高,要么過(guò)低。如果循環(huán)冷卻水系統(tǒng)變流量運(yùn)行,更會(huì)出現(xiàn)這種情況。1.3不恰當(dāng)?shù)貞?yīng)用變頻調(diào)速技術(shù)。先盲目增加水泵揚(yáng)程或流量的余量,再增設(shè)變頻調(diào)速裝置,將揚(yáng)程或流量降下來(lái)。這種做法不可?。翰粌H要增加一大筆投資,而且水泵不可能在高效區(qū)工作,變頻系統(tǒng)本身也有一定的能量損失,附屬裝置增加,故障率和維修量均增大。應(yīng)用變頻調(diào)速技術(shù)的目的是在變工況時(shí)調(diào)節(jié)流量。一臺(tái)工頻泵和一臺(tái)變頻泵聯(lián)合工作,當(dāng)變頻泵改變流量時(shí),工頻泵的流量朝與其相反的方向改變,不能充分發(fā)揮變頻調(diào)速的作用。同時(shí)變頻泵不可能頻率降得很低,否則,變頻泵提供的壓力比工頻泵的低得多,變頻泵就泵送不了水。1.4對(duì)變頻調(diào)速系統(tǒng)盲目采用壓力自動(dòng)控制。在市政供水和采暖空調(diào)供水系統(tǒng)中,當(dāng)流量改變時(shí)常采用壓力自動(dòng)控制方式,有其具體原因。而盲目地將這種壓力自動(dòng)控制方式應(yīng)用到空分項(xiàng)目,就會(huì)人為增加系統(tǒng)阻力,不利節(jié)能。1.5為達(dá)到運(yùn)行工藝要求人為增大阻力損失。受產(chǎn)品技術(shù)附件中“供水壓力0.45MPa,回水壓力0.25MPa”等內(nèi)容的影響,很多用戶都認(rèn)為“只要壓力上去就好”“只要水回得去就好”,一旦回水壓力低,水回不去,就去關(guān)小回水管閥門(mén)。這是運(yùn)行中的一大誤區(qū)。循環(huán)水泵供水的目的是供給換熱設(shè)備冷卻水流量而不是壓力,應(yīng)該是流量達(dá)到要求就好。對(duì)一個(gè)水力性能可調(diào)系統(tǒng),流量與壓力沒(méi)有直接關(guān)系,而換熱設(shè)備進(jìn)、出口壓差與該設(shè)備的流量有直接對(duì)應(yīng)關(guān)系(換熱設(shè)備水力性能已固定),設(shè)計(jì)和運(yùn)行時(shí)希望系統(tǒng)閥門(mén)全開(kāi),各點(diǎn)的壓力最低,而流量恰好滿足要求。1.6不合理確定水泵流量。確定水泵流量的各環(huán)節(jié)都考慮安全系數(shù),造成重復(fù)考慮;工程設(shè)計(jì)時(shí)沒(méi)有確切的換熱設(shè)備水流量作為依據(jù),更沒(méi)有相應(yīng)的水阻力損失可參考,得出的總流量是個(gè)大概數(shù),因此多數(shù)情況下所配水泵流量遠(yuǎn)大于換熱設(shè)備的設(shè)計(jì)流量,水泵揚(yáng)程偏高使實(shí)際運(yùn)行流量進(jìn)一步增大。實(shí)際運(yùn)行中又認(rèn)為流量大總是好的,流量大可以使壓縮機(jī)級(jí)間冷卻器的空氣溫度降得更低,可以降低壓縮機(jī)的功耗。這些都造成水泵流量確定不合理,使大流量、小溫差運(yùn)行成為一種習(xí)慣。1.7通過(guò)關(guān)小水泵進(jìn)水管閥門(mén)來(lái)調(diào)節(jié)水流量。大流量運(yùn)行對(duì)水泵節(jié)能和運(yùn)行不利,所以有的企業(yè)采用關(guān)小水泵進(jìn)水管閥門(mén)的辦法。這種方法操作快,節(jié)能效果明顯。但是,增加水泵進(jìn)水管阻力,很容易使葉輪汽蝕,進(jìn)而使水泵運(yùn)行效率降低、振動(dòng)大、噪聲大等。1.8不考慮實(shí)際濕球溫度,冷卻塔出水溫度一律定為32℃如青海省西寧市的夏季空氣調(diào)節(jié)室外計(jì)算濕球溫度只有16.6℃,而冷卻塔的進(jìn)、出水溫度依然設(shè)定為42、32℃。本來(lái)可以充分利用氣候條件,有效降低壓縮機(jī)能耗,卻被不合理的設(shè)計(jì)人為抹殺。
2通過(guò)創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)先天節(jié)能
循環(huán)冷卻水系統(tǒng)節(jié)能改造已形成一個(gè)產(chǎn)業(yè),改造規(guī)模大且節(jié)能效果明顯??辗中袠I(yè)傳統(tǒng)地以“供水壓力0.4MPa,回水壓力0.25MPa”、《氧氣站設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50030—2013)標(biāo)準(zhǔn)要求壓縮機(jī)等設(shè)備用冷卻水水壓宜為0.15~0.50MPa等為依據(jù)確定循環(huán)水泵揚(yáng)程,已不能適應(yīng)節(jié)能減排、企業(yè)增收節(jié)支的需要,設(shè)計(jì)方法要?jiǎng)?chuàng)新。2.1合理確定水泵流量。首先要合理確定設(shè)計(jì)工況時(shí)的冷卻水流量,即夏季裝置滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)所需冷卻水流量。冷卻水流量大小影響水泵與壓縮機(jī)、汽輪機(jī)的綜合能耗,冷卻水流量大,對(duì)降低壓縮機(jī)、汽輪機(jī)能耗有利,而對(duì)降低水泵能耗不利;反之,則對(duì)降低壓縮機(jī)、汽輪機(jī)能耗不利,而對(duì)降低水泵能耗有利。因此,需要確定一個(gè)使壓縮機(jī)、汽輪機(jī)能耗與水泵能耗之和最小的合理流量。根據(jù)傳熱學(xué)傳熱系數(shù)公式可以看出,在放熱側(cè)的傳熱系數(shù)一定的情況下,在水流速比較小時(shí),換熱器的總傳熱系數(shù)隨水流速增大明顯增大,但當(dāng)水流速增大到一定程度以后,傳熱系數(shù)就基本不變。因此,流量大到一定程度后,再增大流量,只會(huì)增加水泵能耗,不會(huì)降低壓縮機(jī)、汽輪機(jī)能耗,這部分流量完全浪費(fèi)。而處于對(duì)總傳熱系數(shù)有影響的流量范圍,杭州杭氧制氧機(jī)研究所有限公司已有初步研究結(jié)論:加大流量后,水泵增加的能耗比壓縮機(jī)減少的能耗多;并建議供、回水溫差在8~10℃運(yùn)行比較合理,水泵流量安全系數(shù)的選擇由工程設(shè)計(jì)統(tǒng)一考慮,其他環(huán)節(jié)不考慮。2.2科學(xué)確定水泵揚(yáng)程。在合理確定水泵流量的基礎(chǔ)上,科學(xué)確定水泵揚(yáng)程。即先合理布置總圖,綜合考慮投資與運(yùn)行費(fèi)用、操作與維修便利性等因素,合理設(shè)計(jì)管路系統(tǒng),經(jīng)反復(fù)驗(yàn)算,力求各環(huán)路水力平衡、總體阻力損失最小。再計(jì)算最不利環(huán)路所有局部、沿程阻力損失和凈揚(yáng)水高度(循環(huán)水池液面至冷卻塔噴頭的高度差),作為確定水泵揚(yáng)程的依據(jù)(對(duì)個(gè)別阻力特別大的換熱設(shè)備支路要單獨(dú)考慮增壓);并根據(jù)伯努利能量方程計(jì)算出供水干管在水冷塔、空冷塔位置的壓力,作為空冷塔選取增壓泵和判斷水冷塔能否直接供水的依據(jù)。由上述2點(diǎn)可以確定系統(tǒng)基本水泵的配置,這是最根本的。之后,在固定工況下,系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)一次性調(diào)節(jié)好支管流量平衡閥門(mén),其他閥全開(kāi),流量恰好滿足要求,系統(tǒng)阻力處于最小狀態(tài),平時(shí)不用調(diào)節(jié)閥門(mén)、關(guān)注壓力,操作簡(jiǎn)化。2.3合理采用變工況時(shí)的流量調(diào)節(jié)措施。循環(huán)冷卻水系統(tǒng)管道按設(shè)計(jì)工況即最大流量設(shè)計(jì),在科學(xué)確定基本水泵配置的基礎(chǔ)上,在生產(chǎn)負(fù)荷變小或冬季環(huán)境溫度降低需要降低流量時(shí),要充分利用流體力學(xué)原理:“對(duì)已定型的系統(tǒng),流量與水泵功率接近成三次方關(guān)系”,水泵功率隨流量快速下降,可以在減小流量時(shí)取得更可觀的節(jié)能效果。應(yīng)根據(jù)具體條件采用恰當(dāng)?shù)妮o助手段,如更換葉輪、大小泵搭配(小泵揚(yáng)程也?。⒏淖冞\(yùn)行臺(tái)數(shù)、雙速電機(jī)、變頻調(diào)速、永磁耦合調(diào)速和大型水泵采用汽輪機(jī)拖動(dòng)等來(lái)減小供給流量,實(shí)現(xiàn)變工況時(shí)的流量調(diào)節(jié)。變頻調(diào)速應(yīng)用在需要經(jīng)常頻繁調(diào)節(jié)流量的場(chǎng)合最合適。如果采用變頻器調(diào)速,建議最好采用所有工作泵同時(shí)變頻,增加的投資與減少的能耗成本相比微不足道。變頻器的調(diào)節(jié),在不低于最小流量的前提下,通過(guò)觀察工藝?yán)鋮s效果,采用人工調(diào)節(jié)就可以。設(shè)計(jì)和運(yùn)行時(shí)要盡可能使閥門(mén)全開(kāi),盡可能減小系統(tǒng)阻力損失,使流量減小時(shí)壓力自然降低。2.4合理確定冷卻塔出水溫度。在不超出常規(guī)冷卻塔投資的前提下,對(duì)夏季濕球溫度低的地區(qū),充分利用環(huán)境溫度優(yōu)勢(shì),降低冷卻塔設(shè)計(jì)出水溫度(如西寧市可設(shè)定為22℃),很小的代價(jià)(冷卻塔投資沒(méi)有節(jié)?。┚涂扇〉媒档蛪嚎s機(jī)能耗的大效果。2.5選用高效節(jié)能型設(shè)備和閥門(mén)。選用高效節(jié)能型水泵固然重要,但工程設(shè)計(jì)時(shí)要保證所選水泵能在高效區(qū)運(yùn)行。如果所選水泵性能與實(shí)際裝置管路水力性能偏差太大,即使所選水泵效率很高,實(shí)際運(yùn)行時(shí)效率也會(huì)很低。選擇傳熱系數(shù)大、阻力損失小的換熱設(shè)備和止回閥等,對(duì)空分項(xiàng)目循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的節(jié)能同樣十分重要。
3對(duì)已建項(xiàng)目進(jìn)行節(jié)能改造
從長(zhǎng)期運(yùn)行考慮,對(duì)已建項(xiàng)目進(jìn)行節(jié)能改造的原則同樣遵循新項(xiàng)目設(shè)計(jì)的思路。對(duì)于已經(jīng)投入運(yùn)行的循環(huán)冷卻水系統(tǒng),都可以通過(guò)調(diào)整管路上閥門(mén)的開(kāi)度直接讀出壓力,經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單計(jì)算,就可以確定系統(tǒng)在設(shè)計(jì)流量下實(shí)際所需揚(yáng)程。如果能根據(jù)每個(gè)換熱設(shè)備在設(shè)計(jì)流量下的阻力進(jìn)行水力分析計(jì)算,進(jìn)一步驗(yàn)證所測(cè)揚(yáng)程是否可靠,可靠性就更高。3.1對(duì)基本配置水泵的改造?;九渲盟玫谋举|(zhì)問(wèn)題是揚(yáng)程過(guò)高、流量偏大,為盡可能一勞永逸、一勞永利,改造方案首選是更換葉輪。如果原葉輪在該型號(hào)水泵中屬?zèng)]切割過(guò)或切割很少,應(yīng)首先考慮原型葉輪切割,或者選用改型葉輪。這是最經(jīng)濟(jì)、最方便的改造措施。其次,更換泵頭,改造內(nèi)容稍多,需更換水泵進(jìn)、出口短接頭,地腳螺栓孔有時(shí)也要調(diào)整,投資成本稍高。最后才是更換水泵,工作量大,投資成本最高。3.2變流量時(shí)的輔助手段改造。在對(duì)基本配置水泵進(jìn)行改造的基礎(chǔ)上,如果要根據(jù)生產(chǎn)負(fù)荷變小或冬季環(huán)境溫度降低來(lái)減小供給流量,同樣可以根據(jù)具體條件采用恰當(dāng)?shù)妮o助手段,如更換葉輪、大小泵搭配、改變運(yùn)行臺(tái)數(shù)、采用雙速電機(jī)、變頻調(diào)速等。
4實(shí)施節(jié)能技術(shù)后的經(jīng)濟(jì)效益
采用節(jié)能技術(shù)后,新建項(xiàng)目如不設(shè)變頻調(diào)速裝置,投資成本有所降低;對(duì)已建項(xiàng)目進(jìn)行改造,即使更換新泵,半年內(nèi)也可收回投資成本。因此,其投資成本基本可以忽略。據(jù)氣體分離設(shè)備行業(yè)統(tǒng)計(jì),截至2016年,我國(guó)深泠分離法制空分設(shè)備的總規(guī)模在3300萬(wàn)m3/h左右,循環(huán)水用電功率估計(jì)在100萬(wàn)kW左右。根據(jù)調(diào)查研究分析,如果合理配置水泵揚(yáng)程,約有30%的節(jié)能空間,每年可節(jié)電約57.6億kW•h;而且,空分設(shè)備每年以數(shù)百萬(wàn)m3/h的規(guī)模增加(2014年新增292萬(wàn)m3/h),節(jié)能空間非常大。
5建議
5.1明確換熱設(shè)備的水流阻力損失值。換熱設(shè)備的水流阻力損失是換熱設(shè)備的一個(gè)重要技術(shù)性能參數(shù),不可缺少,它不僅用于工程設(shè)計(jì)時(shí)確定系統(tǒng)總阻力,而且在進(jìn)行各支路水力平衡、優(yōu)化供水方案時(shí)也不可缺少(對(duì)某個(gè)阻力損失特別大的換熱設(shè)備,而流量又占總流量的小部分時(shí),可考慮局部增壓)。5.2完善空分設(shè)備技術(shù)附件的相關(guān)內(nèi)容。如果空分設(shè)備由專用的循環(huán)冷卻水系統(tǒng)獨(dú)立供水,空分設(shè)備技術(shù)附件中“供水壓力0.4MPa,回水壓力0.25MPa”的內(nèi)容容易造成設(shè)計(jì)和運(yùn)行的誤區(qū)。如果空分設(shè)備由大廠的循環(huán)冷卻水系統(tǒng)集中供水,在每個(gè)裝置點(diǎn)確實(shí)需要提供供水干管的供水壓力和回水干管的回水壓力,以便合理配置裝置內(nèi)循環(huán)水管道。但這兩個(gè)值不事先規(guī)定,而是在對(duì)各用水裝置水流阻力損失預(yù)估的基礎(chǔ)上,對(duì)整個(gè)循環(huán)冷卻水系統(tǒng)進(jìn)行合理設(shè)計(jì),根據(jù)伯努利能量方程計(jì)算得到,不同的位置一般不一樣。標(biāo)準(zhǔn)GB50030—2013規(guī)定的“壓縮機(jī)等設(shè)備用冷卻水水壓宜為0.15~0.50MPa”的規(guī)定不科學(xué)。建議標(biāo)準(zhǔn)修訂時(shí)完善,更好地發(fā)揮標(biāo)準(zhǔn)對(duì)循環(huán)冷卻水系統(tǒng)精細(xì)化設(shè)計(jì)、節(jié)能減排的指導(dǎo)作用。
6有待進(jìn)一步研究的問(wèn)題
6.1開(kāi)展流量對(duì)綜合能耗影響的研究。進(jìn)入冷卻器或冷凝器的冷卻水流速不同對(duì)總傳熱系數(shù)影響不一樣,在水流速比較小時(shí),隨水流速增大,總傳熱系數(shù)會(huì)明顯增大;但當(dāng)水流速增大到一定程度后,傳熱系數(shù)就基本不變。為了合理確定冷卻水流量,需要綜合水力學(xué)(水系統(tǒng)設(shè)計(jì))、傳熱學(xué)(換熱器設(shè)計(jì))、熱力學(xué)(壓縮機(jī)、汽輪機(jī)運(yùn)行能耗)3個(gè)方面的專業(yè)技術(shù),進(jìn)一步研究在什么流速下水泵、壓縮機(jī)和汽輪機(jī)的能耗之和為最小,什么流速開(kāi)始對(duì)總傳熱系數(shù)沒(méi)有影響。進(jìn)一步研究變工況時(shí),合理流量的確定、調(diào)節(jié)手段的優(yōu)化。6.2研究?jī)?yōu)化水泵出口閥門(mén)的設(shè)置。目前多數(shù)設(shè)計(jì)在水泵出口管路設(shè)置止回閥,阻力損失很大,能耗損失可觀。需要進(jìn)一步明確各種止回閥的阻力特性。期盼有真正低阻力的止回閥產(chǎn)品,或者不設(shè)置止回閥,僅設(shè)置1只因事故停運(yùn)泵時(shí)能自動(dòng)關(guān)閉的蝶閥。
7結(jié)論
針對(duì)傳統(tǒng)的空分設(shè)備循環(huán)冷卻水系統(tǒng)設(shè)計(jì)和運(yùn)行中存在的主要問(wèn)題,創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法,正確運(yùn)用流體力學(xué)基本原理,結(jié)合空分工程的具體特點(diǎn),抓住關(guān)鍵,從設(shè)計(jì)源頭入手,合理確定水泵流量,科學(xué)計(jì)算水泵揚(yáng)程,不僅可以大幅度降低空分項(xiàng)目循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的運(yùn)行能耗,還可以降低投資成本。對(duì)已建項(xiàng)目的改造,具體情況不同會(huì)產(chǎn)生多少不等的費(fèi)用,但這些投資相對(duì)節(jié)省的運(yùn)行費(fèi)用微不足道,因此,需要改變管理觀念,該更換的應(yīng)及時(shí)更換。發(fā)展節(jié)能技術(shù)是一項(xiàng)增收節(jié)支的有效措施,應(yīng)積極組織實(shí)施空分項(xiàng)目循環(huán)冷卻水系統(tǒng)節(jié)能改造,大幅度降低運(yùn)行成本,提高企業(yè)效益。
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作者:陳劍榮 劉志 單位:1.杭州杭氧化醫(yī)工程有限公司2.浙江省杭州市中山北路592號(hào)弘元大廈