专利名称：一种冷却循环水系统的节能方法
一种冷却循环水系统的节能方法技术领域
本发明属于冷却循环水传送系统技术领域，涉及一种冷却循环水系统的节能方法。
背景技术：
冷却循环水系统作为一套重要的配套系统，应用于包括钢铁、石化、热电等国民经济生产各个领域，当前基本上处于粗放式运作，其能源浪费现象非常严重。目前，循环水系统运作缺乏一种直观、便捷、操作简便的方法，不能及时判断水泵运行效率、不能及时准确进行水泵工况调整等，均会导致出现当前能源浪费严重的现象。
现有技术中，已经有几种方式实现如何进行系统配套的水泵重新选型，但其仍存在以下方面的弊端
1、单纯的将现有流量纠正到额定流量，若现有流量大于额定流量，但系统存在严重水力失衡现象，存在多个换热瓶颈，修正到额定流量往往会使换热瓶颈暴露出来，影响系统正常使用；
2、单纯提高水泵运行效率，供水能力达到当前供水能力，此方法虽然不对当前冷却效果产生影响，但该技术节电效果仍然有更大的空间挖掘，不属于最先进的节能技术；
3、只是简单通过维修、清洗、更换等方式解决因设备本身导致的阀门阻力损失、局部回流损失、管路堵塞引起损失等，但处理起来有一定的局限性，不属于最先进的节能技术；
4、单纯根据整体供回水温度判断就进行流量调整(理论上系统产能一定情况下， 超流量运行会导致温差偏小)，这只能在水力平衡优秀的系统中才能够达到节能的目的，但系统若存在水力分布不平衡、或由于换热器结垢严重导致热量带不出来，则会导致减少流量往往会暴露出来水力条件或换热条件不好的区域使用效果变差的现象，影响生产正常进行；
5、对设备进行更换后，只是单纯进行设备更换，存在着泵站运行模式上优化潜力没有实现，节能不彻底的现象。
故，针对目前现有技术中存在的上述缺陷，实有必要进行研究，以提供一种方案， 实现冷却循环水系统的节能降耗。发明内容
为解决上述问题，本发明的目的在于提供一种冷却循环水系统的节能方法，其综合考量当前水泵运行的效率、管路附件(阀门、过滤器、高处虹吸管等)的异常、系统水力平衡以及所需要的供水流量，开启泵站设备台数及模式，使系统能耗最低。
为实现上述目的，本发明的技术方案为
一种冷却循环水系统的节能方法，包括如下步骤
SlO 采集与循环水系统有关的设备配置参数及测试设备的实际运行参数；
S20 根据测试数据分析当前供水能力是否合理，并对系统中局部阻力异常、水力失衡、换热器换热效果不好、设备无效流量、供水泵匹配不合理部分进行优化改造；S30 通过步骤S20优化改造后，初步确定供水泵站复数个运行模式；S40 通过对步骤S30中确定的复数个运行模式进行比较，选出能耗最低的搭配模式。进一步地，所述设备配置参数包括设备的生产厂家、型号规格、额定参数，以及管道布置、换热器位置信息参数；所述实际运行参数数据包括压力、温度、流量、以及运行功率。进一步地，所述步骤S30包括根据当前供回水温度计算出温差，判断当前实际需要供水的流量，通过泵站不同泵组合性能叠加图，初步确定复数种运行模式。进一步地，所述步骤S40包括在步骤S30中确定的每种运行模式下，计算出单台泵运行的流量、扬程，再通过单台单泵性能曲线图，根据水泵功率计算公式计算出每台泵运行功率及总功率，通过对几种模式下的总功率进行比较，选择出能耗最低的搭配模式。本发明综合考量当前水泵运行的效率、管路附件(阀门、过滤器、高处虹吸管等) 异常、系统水力平衡以及所需要的供水流量，开启泵站设备台数及模式，使系统能耗最低。 根据系统生产实际情况，利用预先编制好的程序或计算过程及结果，能够在特定工况下，通过表格或人机界面提供正确、经济的操作模式，使一般设备管理人员均能简便操作就能达到节能降耗的目的。
图1为本发明系统的流程图示。图2为本发明的泵站不同运行模式性能叠加流量-扬程0H1)图。图3为本发明的单台水泵运行曲线图。图4为本发明的水泵特性曲线与管路性能曲线关系图。其中，图2中，al为1台小泵运行曲线，a2为2台小泵并联运行曲线，a3为1台大泵2 台小泵并联运行曲线，a4为1台大泵运行曲线，a5为2台大泵并联运行曲线，a6为系统要求流量线，a7为系统要求扬程线。图3中，bl为流量-扬程Ο -Η)曲线，1^2为流量-效率(Q-η)曲线，b3为流量-功率^-P)曲线，b4为流量-汽蚀^-NPSHr)曲线；图4中，Cl为管路特性曲线，c2为水泵性能曲线，c3为为水泵运行工况点。
具体实施例方式为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。请参照图1至图4所示，本发明冷却循环水系统的节能方法包括如下步骤SlO 采集与循环水系统有关的设备配置参数及测试设备的实际运行参数采集当前与循环水系统有关的所有设备配置参数，包括设备的生产厂家、型号规格、额定参数等，以及管道布置、换热器位置等信息参数。测试设备的实际运行参数数据，包括压力、温度、流量、以及运行功率。获取当前系统使用效果，设计及实际产能等信息，为系统优化节能提供分析依据。如图1所示，循环水系统包括有温度计1、压力表2、调节阀3、流量计4、换热设备6、冷水池、循环水泵5、输送管网、用水换热器、冷却塔、以及各取压力温度信号，其中冷水池冷水由循环水泵通过输送管网配送至各用水换热器进行换热，换热后热水经管网回至冷却塔散热冷却，如此循环往复。
S20 根据测试数据分析当前供水能力是否合理，并对系统中局部阻力异常、水力失衡、换热器换热效果不好、设备无效流量、供水泵匹配不合理部分进行优化改造；
循环水系统的作用为将生产过程中散发出来热量通过水介质进行热交换，带到凉水塔进行散热冷却，其中热量根据生产负荷变化而变化，一般系统设计有特定的指导温差， 如石油化工行业设计温差为10°c，发热量M、温差Δ T、流量Q之间有如下关系
M = kX ATXQ
则当发热量一定时，温差与流量成反比，若温差偏小，则供水能力有调整的空间的可能。
S30 通过步骤S20优化改造后，初步确定复数个运行模式
系统根据当前供回水温度计算出温差，判断当前实际需要供水流量，通过该泵站不同泵组合性能叠加图，初步确定复数种运行模式。如图2所示，其示出了泵站不同运行模式的性能叠加图。
S40 通过对步骤S30中确定的复数个运行模式进行比较，选出能耗最低的搭配模式
在步骤S30中确定的每种运行模式下，计算出该种模式下单台泵的运行流量、扬程，再通过单台单泵的性能曲线图，如图3所示，根据水泵功率计算公式计算出每台泵运行的功率及总功率，通过对几种模式下的总功率比较，选择能耗最低的搭配模式，并在人机街面上直观显示，并提示每台泵出口压力控制数据。
其中，水泵功率计算公式P = (0.00272 XQX Η) + (η电机X η水泵)，Q表示流量，单位t/h ；H表示扬程，单位m ；而η表示效率。
本发明实际应用中，需要根据系统实际情况进行系统优化及调整。根据调查情况， 判断系统是否存在水力失衡、换热器性能欠佳等现象，若存在以上现象，则先进行调整或者更换设备。
其中，系统的优化调整主要包括有优化系统水力平衡、解决系统管道不良问题， 提高管路系统的运行效率、调整系统，计算正常管路阻力特性曲线、统计生产负荷变化，确定合理供水流量指标、选择不同负荷下高效节能水泵、以及按照泵站经济运行原则，在特定供水流量前提下，确定水泵运行模式。
水力不平衡是指当前供水流量达不到由各种因素下导致换热效果不好的现象，包括由于装置很高供水压力不足导致流量无法正常通过、由于换热器结垢需要增加流量但没有达到一定的量、由于各支路阻力系数差异导致流量分配不均等。目前很多系统存在着实际供水流量大于设计要求流量，运行供回水温差也比较小，达不到设计标准温差，但系统流量减小又会引起系统局部换热效果不好，影响生产。该现象并不是当前供水能力不够，而绝大部分是因为由于水力平衡导致系统存在换热瓶颈。因此解决系统水力不平衡现象是系统优化节能技改的关键一步，也是系统能否做到节电潜力最大关键一步。(1)解决装置很高导致水力不平衡的问题针对某个换热装置比较高的系统，当前水系统管理者往往通过提升整体供水压头来满足局部流量要求很小的高区的换热器供水要求，而绝大部分换热器又存在这供水能力过剩现象，大幅提高泵站供水能耗，因水泵能耗与流量、压头一次方成正比(Pg = 0. 00272XQg ·，对于高区换热器，不采用提升整体压头方式(整体流量很大)， 而是通过采用局部加压方式(Pif= 0. 00272XQif · Hif/ η J1)，泵站整体供水能耗下降值远大于增压泵能耗增加值，达到整体经济运行目的，若原系统供水总流量10000t/h，一般装置需要供水扬程30m，高区供水需要供水扬程45m，高区换热器需水量150t/h，则需要增压 15m情况下，不采用局部增压泵站需要消耗总电量为1600kW，通过增压后泵站需要消耗总电量为1067kW，增压泵需要消耗功率8kW，总耗电量减少1600-(1067+8) = 525kW，能耗下降 32.8%。(见图1椭圆形部分)(2)解决换热器换热性能低下导致水力不平衡的问题根据换热量计算公式Q = AK(Tr-At)(其中Q为换热量，A为换热面积，K为导热系数，Tr为热介质平均温度，At为冷介质平均温度)，当换热器结垢严重，换热性能(导热系数K)降低时，当前一般是通过加大整体供水量达到At减小，从而使换热量达到一定要求，但整体能耗增加很大。因此在换热器不更换及换热面积不变情况下，要使换热量加大， 必须减小冷介质平均温度At，通过降低该支路供水温度可以达到要求。因此本发明实施例中采用一种无须制冷机即可达到降低供水温度，且安装方便，不必要使系统停产、且不额外增加水系统等投资，利用半导体制冷技术，因半导体制冷片的单个制冷元件对的功率很小， 本发明实施例中采用半导体制冷片组合的电堆，用同类型的电堆串、并联的方法组合成很大制冷量的制冷系统，理论上半导体制冷片的温差范围，从正温90°C到负温度130°C都可以实现。利用半导体制冷，将电堆以包裹形式安装在管道外壁，达到给供水管路降温目的。 若系统正常要求供水流量10000t/h，由于局部换热效果不好导致需要增加系统整体流量， 增加10%为11000t/h，由于系统阻力正比于流量的平方，则阻力增加约1. 21倍，能耗增加约33%，采用该方式后，将流量修正到要求值10000t/h，则能耗有降低33%的可能，具体参见图1所示。另外，解决水力平衡问题还包括有调节各支路阻力系数达到调节各支路流量分配目的等。一套系统对各支路供回水总管压力差相同，即为供水总管与回水总管压力差，由 Δ P = SQ2 (其中Δ P为供回水压力差，S为支管阻力系数，Q为供水流量)，在管路系统水力失衡不是很严重情况下，通过阀门调节改变该支路阻力系数，从而达到改变流量分配的目的。管道不良问题包括阀门损坏不能达到全开位置、过滤器堵塞、真空度控制不合理导致水汽化形成汽堵等，此种现象往往会导致管路局部阻力上升，根据水泵功率公式， P-Q-H,局部阻力每上升10% (如20米扬程局部阻力有2米，则能量让费10% )，能耗让费 10%。判断管路阻力是否异常，采用实际压力降与标准压力降比较，标准压力降通过查阅设备厂家资料(如开利离心机组19XR8787505EPS冷却水系统在额定流量1067t/h情况下，查阅标准压力降为10. 42米)，利用超声波测试实际流量Q3m，利用高精度压力表测试进
7出口等高度压力差δρμ，经换算与标准值进行比较，若实际压力差大于标准压力差，则阻力异常。
ΔΡ标准=ΔΡ额定χ ( 0 ) 2仏则
当ΔΡ·明显大于时，则阻力异常，对阻力异常的设备，采取更换、维修方法解决。
对于系统没有测压点，可以采用带压开孔器现场开孔测压，该带压开孔器具有开孔方便，能够在任何防暴、非防暴区域均能使用的特点。
通过解决上述水力平衡及管路不良问题后，泵站以外系统处于优秀状态运行，通过调节水泵出口阀门，并将串联于管道上分散的压力损失集中到水泵出口处，使系统能够在正常运行的基础上，降低供水量及压力，待系统稳定后，测定调整后管路特性曲线，管路特性曲线即对应流量下，管路系统所需要阻力关系。管路系统特性关系式
H总=H净髙+SQ2
为系统需要经济总扬程(通过压力表测量压力值后换算)，H净高为水池至冷却塔出水高度差(通过卷尺测量)，S为系统整体阻力系数，Q为系统总流量(通过超声波流量计测量)。
其中H总换算方式如下
H总=(P总管-Ps进口)X102+(h总管_hs进口)+ Ah
P表示压强，单位MPa ；h总管表示总管压力表相对基准面高度，单位m ；hs进口表示泵进口压力表相对基准面高度，单位m ； Δ h表示泵进出口动能损失，单位m，一般取1. 5m。
由测试及换算值H,pHj^^Q计算出整体阻力系数S，绘制管路特性曲线图，如图4 所示。
统计生产负荷变化，确定合理供水流量指标。生产负荷往往根据市场行情不同而改变，不同生产负荷其系统热负荷也不一样，需水流量也不一样，选择典型的高负荷、低负荷两种模式，确定两种模式下需水量Qsfe^ Qteiiffi，通过计算公式H^+SQ2或查阅管路特性曲线，得出不同负荷下需要的水泵扬程。根据核算特定负荷下，确定的流量Q值，及计算出所需的水泵扬程，选择在该工况点下效率最高的高效节能泵，此时水泵所消耗功率P 为
P=0·00272 x Qxffη水泵χ η电机
ρ表示功率，单位kW ；Q表示流量，单位t/h ；H表示扬程，单位m ； η表示效率。
最后，按照泵站经济运行原则，在特定供水流量前提下，确定水泵运行模式。其中， 针对泵站有多台设备，为了达到某一需求流量，可以有多种运行模式组合，每种组合都会有一个消耗功率值，通过以下方式确定在某一需求流量下使能耗最低
(1)在同一坐标系(横坐标为流量，纵坐标为扬程)中，按照水泵性能曲线将各单台水泵流量——扬程性能曲线在坐标中画出，如图2所示。
(2)将泵站各种水泵之间性能曲线进行组合叠加，叠加模式的数量有Cnp(n为泵台数；P为运行台数，P = 1、2.......η)，水泵并联系统叠加方法为，流量——扬程曲线所对应纵坐标不变，横坐标相加，得出叠加后组合运行性能曲线，如图2所示。
(3)将正常管路特性曲线绘制在同一坐标系统中，得出管路特性曲线与多种运行模式叠加曲线交点，可选择的运行模式为水泵叠加性能曲线与管路特性曲线交点流量值> 要求值，扬程值>该流量下管道特性曲线对应扬程值，如图2所示。
(4)确定可以达到要求的组合运行模式后，以要求流量点为起点，绘制一条垂直于横坐标(流量坐标)直线，与各叠加曲线形成交点，此交点对应的纵坐标扬程值也对应于单台水泵运行的扬程值，即此时流量为组合运行下的运行总流量，扬程为组合运行下的运行总扬程，因并联关系，也即单台水泵运行扬程，如图2所示。
(5)将每种组合模式下所对应的水泵运行扬程对应到单台泵性能曲线中，计算单台泵的运行流量⑴)、效率(Π)、功率(P)，计算出该种模式下各台水泵的运行功率之和(Σ P)，取Σ P最小数值的运行模式，并将单台水泵扬程调整到组合性能曲线对应的扬程工况下运行，如图3所示。
(6)以表格或人机界面形式反映各负荷下水泵的运行模式，显示内容包括传感器的显示温差、需要的流量范围、泵组的运行模式(位号)、水泵出口的控制压力等。另外， 需要流量要核算考虑系统流量分配最低要求，并不是当前负荷只有满负荷10%，流量就是额定流量10%的概念。按照表格或人机界面形式反映的运行方式，运行管理人员可以直观的根据操作提示进行操作。
以下以一套生产能力为5万T/年苯酐和15万T/年DOP增塑剂(邻苯二甲酸二辛酯)的循环水系统举例进行说明。其配置3台上海连成泵业SL0W250-470(1081t/h，M. 5m, 84%,1480r/min,220kff)；系统设计供水能力2500t/h，设计标准供水温度32°C、回水温度 42°C、温差10°C ；装置供水最高^m ；设计运行模式2台O用1备)。当前运行概况为运行2台循环水泵，出口压力0. 36MPa，表高1. 5m，水泵进口水池水位1. 55m，冷却塔布水高度 8. 5m ；通过对出口阀门人为调节，供水总管压力为0. 32MPa，根据安装电度表统计平均功率 234. 4kW，供回水温差5. 1°C，当前处于非满负载运行，供水压力维持0. 32MPa是为了保证最高供水点供水压力要求，另外，布置在2层平台上的2台结片机(每台额定要求流量35t/h) 由于水力平衡有问题导致水量再下降冷却效果不好，其他换热设备正常使用。
其中，首先核定当前水泵运行工况。通过水泵出口压力及进口水位计算水泵总扬程H总=(0. 36X 102+1. 5)-1. 55+1. 5 = 38. 17m ；通过上海连成水泵厂家的该款泵标准性能曲线查阅对应流量1430t/h ；通过电度表统计平均功率及水泵功率计算公式，计算水泵运行效率
η 泵=0.00272xQxH = 0.00272χ 1430χ38.17 =70.4%户⑶电机^2344x09^
分析当前管路特性曲线，当前管道中水流量合计2X 1430 = 2860t/h ；水泵净扬程即冷却塔布水高度至水池液面高度Hjf= 8. 5-1. 55 = 6. 95m ；计算正常管路下总体阻力系数，水泵出口压力0. 36MPa对应于H总为38. 17m,由于人为调节水泵出口阀门，阀门阻力为 (0. 36-0. 32) X 102 = 4. 08m，按照系统系统优化后打开出口阀门，保留正常蝶阀及止回阀阻力1. 5m,当系统中有^60t/h流量时，有效扬程H. 为当前总扬程减去可以减少的阀门损失，即有效扬程=38. 17-4. 08+1. 5 = 35. 59m，其中有效扬程包括两部分，即系统阻力、净扬程，则系统阻力=Hws-!^=35. 59-6. 95 = 28. 64m由阻力计算公式h = SXQ2,则观.64 = SX28602,计算出管路阻力系数为 3. 5 X IO"6则管路特性曲线函数公式为H总=H净+S X Q2= 6. 95+3. 5X 10 6XQ2对系统进行优化，当前由于结片机水力平衡条件不好，导致需要将供水能力提升至^60t/h，同时又会导致其他换热设备供水流量浪费，温差与设计标准温差相比偏小。因此该系统优化方法主要有a、全开水泵出口蝶阀，使管路系统阻力系数最优；b、将供水总流量按照系统最高负荷设计的最大供水流量2500t/h进行设计，并根据管路特性曲线函数公式计算2500t/h流量下的供水扬程，并进行管路合理调整；C、根据管路特性调整后的供水流量、需要扬程，制定该工况下运行效率最高的高效节能泵；d、供水流量下降后，采用对结片机局部加压方式解决水力平衡问题，改善结片机换热效果。具体计算过程如下A、系统整体流量修正至2500t/h，按照技改前管路特性，对系统阻力值进行计算
h 后=h 前 χ「η λ2 G后
= 28-64 Xr2500V
权利要求
1.一种冷却循环水系统的节能方法，其特征在于，包括如下步骤SlO 采集与循环水系统有关的设备配置参数及测试设备的实际运行参数；S20 根据测试数据分析当前供水能力是否合理，并对系统中不合理地方进行优化改造；S30 通过步骤S20优化改造后，初步确定供水泵站复数个运行模式；S40 通过对步骤S30中确定的复数个运行模式进行比较，选出能耗最低的搭配模式。
2.如权利要求1所述冷却循环水系统的节能方法，其特征在于所述设备配置参数包括设备的生产厂家、型号规格、额定参数，以及管道布置、换热器位置信息参数；所述实际运行参数数据包括压力、温度、流量、以及运行功率。
3.如权利要求1所述冷却循环水系统的节能方法，其特征在于所述步骤S20包括 调整系统水力平衡，整改系统过滤器、阀门、堵塞导致的局部阻力异常，整改系统设备无效流量，调整系统人为操作导致的阻力，更换与系统管路特性相匹配的高效节能泵组，统计不同负荷下需要的供水指标。
4.如权利要求1所述冷却循环水系统的节能方法，其特征在于所述步骤S30包括 根据当前供回水温度计算出温差，判断当前实际需要的供水量，通过泵站不同泵组合性能叠加图，初步确定复数种运行模式。
5.如权利要求2-4中任何一项所述冷却循环水系统的节能方法，其特征在于所述步骤S40包括在步骤S30中确定的每种运行模式下，计算出单台泵运行的流量、扬程，再通过单台单泵性能曲线图，根据水泵功率计算公式计算出每台泵运行的功率及总功率，通过对几种模式下总功率比较，选择出能耗最低的搭配模式。
6.如权利要求5所述冷却循环水系统的节能方法，其特征在于，所述冷却循环水系统的节能方法还包括如下步骤根据不同负荷下供水指标，选择不同负荷下高效节能水泵运行模式。
7.如权利要求6所述冷却循环水系统的节能方法，其特征在于针对换热装置比较高的系统，通过采用局部加压方式来满足局部流量要求很小的高区的换热器供水要求。
8.如权利要求7所述冷却循环水系统的节能方法，其特征在于采用半导体制冷片组合的电堆，用同类型的电堆串、并联的方法组合成制冷系统。
9.如权利要求8所述冷却循环水系统的节能方法，其特征在于通过以下方式确定在某一需求流量下使能耗最低的运行模式组合在一横坐标为流量，纵坐标为扬程的同一坐标系中，按照水泵性能曲线将各单台水泵流量——扬程性能曲线在坐标中画出；将泵站各种水泵之间的性能曲线进行组合叠加，叠加模式数量有Cnp，其中η为泵台数，P为运行台数，P = 1、2.......η ；流量——扬程曲线所对应纵坐标不变，横坐标相加，得出叠加后的组合运行性能曲线；将正常管路特性曲线绘制在同一坐标系统中，得出管路特性曲线与多种运行模式叠加曲线交点，可选择的运行模式为水泵叠加性能曲线与管路特性曲线交点流量值>要求值， 扬程值>该流量下管道特性曲线对应扬程值；确定可以达到要求的组合运行模式后，以要求流量点为起点，绘制一条垂直于横坐标的直线，与各叠加曲线形成交点，此交点对应的纵坐标扬程值也对应于单台水泵运行的扬程值；将每种组合模式下所对应的水泵运行扬程对应到单台泵性能曲线中，计算单台泵运行的流量、效率、功率，计算出该种模式下各台水泵运行的功率之和(Σ P)，取Σ P最小数值的运行模式，并将单台水泵扬程调整到组合性能曲线对应的扬程工况下运行。
全文摘要
一种冷却循环水系统的节能方法，包括如下步骤S10采集与循环水系统有关的设备配置参数及测试设备的实际运行参数；S20根据测试数据分析当前供水能力是否合理，并对系统中局部阻力异常、水力失衡、换热器换热效果不好、设备无效流量、供水泵匹配不合理部分进行优化改造；S30通过步骤S20优化改造后，初步确定供水泵站复数个运行模式；S40通过对步骤S30中确定的复数个运行模式进行比较，选出能耗最低的搭配模式。本发明根据系统生产实际情况，通过系统优化后，再利用预先编制好的程序或计算过程及结果，能够在特定工况下，通过表格或人机界面提供正确、经济的操作模式，使一般设备管理人员均能简便操作就能达到节能降耗的目的，并提高设备使用安全性。
文档编号F17D1/14GK102518946SQ20121000570
公开日2012年6月27日 申请日期2012年1月9日 优先权日2012年1月9日
发明者万文杰, 吕伟, 林永辉, 陶冬生 申请人:浙江科维节能技术有限公司