陈瑞利

（西萨化工上海有限公司，上海 201507）

优化循环水系统操作节约电能

陈瑞利

（西萨化工上海有限公司，上海 201507）

分析了某厂的循环水系统运状态，分析了运行中发现的问题，提出解决方案；更进一步通过热平衡及水力学分析，优化操作，取得了647万元/a的经济效益。

循环水；优化；节能

循环水系统是化工厂最常见的冷却系统，其特点是流量高，一般在数千至上万立方每小时，循环水供水泵及冷却水塔风扇的功率在兆瓦级。合理的根据装置负荷、气候情况、冷却器的效率调整循环水系统的运行可以取得显著的节电效果。

本文以某工厂的循环水系统优化实例说明了如何通过合理调节达到节电效果。

1 循环水系统介绍

本工厂循环水系统的主流程框图参考下图，系统包括了如下主要设备。

1）正常循环水供水泵P02A～D，每台泵的额定流量为4700 m3/h，功率950kW，按设计3开1备。

2）紧急循环水供水泵P03A～C，每台泵的设计流量为1400 m3/h，功率325kW。按设计2开1备。此泵与柴油发电机连接，在外界供电停供状态下仍可供水。

3）6台冷却水塔A～F及循环水池，其中C～F为变频风机；A、B塔为紧急冷却塔，风机固定转速，并与柴油发电机连接，在停电时风扇仍可运行。

4）若干冷却水用户级相关阀门、管道、仪表等。

冷却塔的设计条件如下：

正常循环水量11 200m3/h，供水压力＞530kPa，当压力低于此值时，备用泵自启；紧急循环水流量为2 400m3/h，供水压力＞450kPa，当压力低于此值时，备用泵自启。供水温度32℃，总回水温度38℃。用户负荷94Mkcal/h。

2 运行工况

此工厂为2015年初投产的新工厂。在初始运行的第一年，工程师主要精力放在了主工艺装置，循环水系统的运行主要依靠操作工的个人经验。操作工为了维持压力在5.3kPa以上，通常运行3台P02泵，供水量在9 500～10 500m3/h；紧急冷却水运行2台P03泵，流量2 000～2 400m3/h，循环水塔风机运行3～4台。总电耗在3.3MW左右。供水温度满足冷却器要求。

3 运行中的问题

尽管供水温度及流量满足了冷却用户的要求，但实际上系统并未恰当控制在最佳点，主要存在的问题如下：

1）三台P02泵的出口手阀开度大小不一，导致3台泵的负荷分布不均，根据泵出口压力及功率判断，有的泵在接近甚至可能低于最小流量状态下运行。长期运行可能会损坏泵体。

2）泵出口手阀开度过小。由于此阀门为30”蝶阀，开关比较困难，操作工一般将出口阀开的很小，导致此手阀的压降损失很大，对比泵出口压力和总管压力，此阀门的压降为150kPa。由于总管上有一个530kPa的低压联锁，为了保持压力，3台泵必须要开启，否则压力就不够。三台泵总共供水量只有9 500～10 500m3/h，平均每台泵供水只有3 200～3 500m3/h。

3）由于设计余量，加之开车初期，装置负荷不高，即便在3天的100%负荷测试的时间里，循环水塔的负荷也只有最高73Mkcal/h，供水温度在27～32℃，回水温度在32～37℃之间，温差在5～6.5℃之间。

4）紧急冷却水的正常用户只有3台，其中2台不大，总设计流量只有200m3/h，而另有一台冷却器，C08，其设计负荷为17.8Mkcal/h，冷却水设计流量为2 200m3/h。但根据实际运行数据来看，此换热器的设计面积远大于实际需求，导致循环水平均流量在400m3/h即可满足换热要求，这意味着紧急冷却水量只要600m3/h就可满足需求。

顺便提一下，此处有低循环水量引起管道阀门震动问题。C08是通过控制循环水流量来控制换热量，而控制阀是按照正常流量2 200m3/h而设计的，由于现在平均流量只有400m3/h，并且流量实在200～600m3/h间波动，阀门也相应在10%～20%间波动。当阀门开度在10%左右时，由于阀门节流，导致此阀门及相关管线剧烈振动，噪音巨大。长期如此运行，必然引起管道及阀门的损坏。

5）每个冷却水用户单元末端，都有一个从供水至回水的旁路阀，每一台换热器进出口都有蝶阀，但出口未安装任何温度变送器或就地表。在开车投产阶段，有些旁路阀完全处于开的状态，有些换热器入口阀没有全开，有些换热器出口阀全开。这些问题都导致了不必要的循环量，浪费供水泵的能耗。

6）循环水回塔的分布不均，有的多有的少，而风机转速的控制并没有根据水量分布来控制，导致冷却效果不高。

7）设计冷却水供水温度控制风扇转速，以达到节能效果，但实际上，由于风扇本身机械及操作习惯问题，自开车来，风机转速由操作工手动设置，一般也不会去调此转速，因此供水温度总低于实际需求。

4 优化思路

解决以上问题并找到最优点主要通过两条路径：

1）纠正不正确的操作，包括通过调整泵出口手阀，平均分配泵运行负荷，保证其运行在最小流量之上；维修风机，保证其正查运行；根据回水量分布，调整风机转速，回水量多的风机可转速高些，回水量少的风机转速低些甚至停止风机；投用温度控制风扇转速的回路。

2）研究系统热负荷，决定供水流量，找到满足如下条件的操作点：

供水温度不高于32℃，回水温差不超过38℃，温差在6℃内。

满足压力要求。

通过降低供水量，尽可能运行少的机泵，风扇转速尽可能低。

5 优化分析过程

对于上述两条思路，第一条主要是纠正错误的操作和维修相关的设备，使系统运行在设计工况下。

第二条是优化的重点，需要更多的可行性分析：

在操作中的问题（2）中提到过，实际正常供水量平均值为10 000m3/h，考虑到泵的额定流量为4 700m3/h，2台泵可供9 400m3/h流量，与10 000m3/h相差不多，对用户影响应该不大。而如果能停一台泵，预计可节约800kW的电量。

对于循环水系统的用户侧，有如下热平衡公式：

Qr=FCp∩Tcwr|Tcws

上式中：

Qr为各个用户的总负荷需求，由主工艺装置决定，对于循环水系统属目标变量，不可调节。

F为供水流量，可调。

Cp为水的比热，1kcal/kg.℃

Tcws为供水温度，受冷却塔的运行效率影响，如风扇转速，水量分布等因素影响。

Tcwr为回水温度，当Qr和Tcws固定后，由流量F决定。

通过上面对公式的分析，可以看出，F最终影响的是供-回水温差，流量假设减少20%，则温差增大20%。如果Tcws不变的话，则影响的就是Tcwr。而对于用户而言，只要入口温度Tcws不变，Tcwr并不是很重要的参数，因为一般换热器都有一定的设计余量，只要入口温度不超过设计值，一般都可以满足冷却要求。

因此，循环水流量是可降低的，其后果是循环水回水温度升高，只要此时注意每个用户的冷却效果，做相应的单独调整，应该可以找到一个合适的操作点。

由于循环水量降低，回水温度升高，如果要保证供水温度，则需要再调整循环水塔的操作，必要时可以加大风扇转速来确保供水温度。

三个重要推论：

1）循环水量决定回水温度，实际就是供-回水温差，只要温差由余地，就有可能降低流量；水量减少的比例与温差成的变化成反比。

2）供水温度由循环水塔运行决定，回水温度的升高，可以通过调节循环水塔的操作而达到供水温度的要求。

3）循环水量的减少，只要比例不是太大，比如20%以内，换热器用户的效率是不会受到太大的影响。

根据以上推论，停一台P02泵，循环水量由10 000m3/ h降低至9 400m3/h，满负荷操作时温差预计由5～6.5℃上升至5.3～6.9℃，供水温度在27～32℃之间，回水温度最高温度38.9℃。考虑到这是夏天满负荷负荷操作的温度，处于其他季节非满负荷时，通过控制供水温度，回水温度控制在38℃内应该问题不大。

对于紧急冷却水系统，前文已经分析过，由于C08的设计余量很大，完全没有必要再提供2 200m3/h的流量，可以停一台P03泵，预计可节约电能250kW。

另外，在停P02和P03泵时，供水压力必然会下降，而且还有可能低于联锁值。这是一个水力学问题。这个问题可以通过调整泵出口阀和循环水回水阀而满足压力要求。

因此，提出的最终解决方案如下：

（1）各停一台P02和P03泵。

（2）调整冷却塔水量分布及风扇转速，控制供水温度不高于32℃。

（3）调整泵出口阀门，满足压力要求。

6 实际调整过程及问题的解决

6.1调整管网水力学分布

之前在问题5中提到过一些错误操作，因此第一步先纠正这些错误，主要包括：

（1）全开每一个换热器的入口手阀，出口阀门一般控制在50%。

（2）全关每个单元的旁路阀门。

（3）检查每个单元的进出口界区阀，一般在50%左右的就不再调整。

（4）监控一些重要的，大的冷却器的冷却效果，通过便携式温度计测量回水温度。有些换热器出口温度过高的，开大其出口手阀，甚至某些冷却器出口欧阀门全开。

通过以上调整，保证了在低流量下，绝大部分换热器仍可得到足够的冷却水。

6.2调整泵出口阀门及管网阀门

停泵最关键的问题在于供水压力是否能维持住。考虑P02运行3台泵时，压力已经比较接近低压联锁值，因此在停泵之前，都先预开了三台泵的出口阀门，并且调整每台泵的出口压力及电流相同。通过此调整，供水压力提高了60kPa，流量大约提高1 000m3/h。之后停其中一台泵。

停泵后，流量掉至9 400m3/h，压力掉到525kPag，低于联锁压力。之前已经将此联锁旁路，因此第三台泵没有自启。电机电流已经略高于额定电流。

为了减小电机电流，必须降低供水流量；为了升高供水压力，需要开大泵出口阀门；但开大出口阀门就会流量升高，电机电流升高。因此此时不能再通过开大泵出口阀门的方法来提高管网压力，而应当通过关小回循环水塔的回水阀门来减小流量及提高压力。

实际调整时，先估计3～4个塔的运行即可满足冷却要求，然后观察每个循环水塔的回水分布，选定了3个回水塔为主要冷却塔（D，E，F），尽量关小了其余的3塔的回水量（A，B，C），均匀分布了D、E、F三塔的回水量。并且控制总供水量在8 500m3/h，供水压力提高至570kPag，回水压力由之前的100kPag升高至320kPag。

运行D、E、F风扇，停其余风扇，供水温度在28-30℃之间，监测主要冷却器的运行状况，仅发现有一个精馏塔的冷凝器（C404A/B/C）效果有较明显降低。

该塔有三台冷凝器，总设计负荷为11Mkcal/h，循环水总流量1 800m3/h，循环水入口设计温度32℃，出口37.8℃。工艺侧设计入口温度43℃。

现场测量出口管道温度约为41℃，分析换热能力下降的可能原因是循环水流量不够。但经现场检查冷却器进出口阀门都已全开。随后怀疑可能是精馏单元界区24”阀门开度不够，经检查阀门入口阀门开度只有25%左右，出口50%。开大入口阀门至50%后，冷却能力恢复。

在调整正常循环水达到要求后，采用类似的步骤停一台紧急冷却水泵。发现的问题是泵出口压力在附近460kPag波动，接近联锁值，流量约900m3/h，电机电流低于额定电流。为了提高压力，开大了泵出口阀门，流量略有提高。

至此，调整工作告一个段落。

7 调整后结果

（1）P02和P03泵各停一台。节约电能约1 000kW。

（2）优化了循环水分布，将温度控制转速回路投用，运行三台风扇在低转速即可满足生产需求，节约电能约100kW。

（3）解决了问题4中的管线及阀门振动问题。其机理是回水压力升高了220kPa，而紧急冷却水供水压力基本维持不变，因此控制阀的压差减小，开度增大，正常开度在20%以上，节流问题消失。

通过此调整，实际供节约电能1 100kW，相当于节省电费647万元/年（电费按0.7元/度税前计，一年按8 400生产小时计），经济效果十分显著。

同时还纠正了一系列不正确或不好的操作模式，消除了管线振动，降低了设备出问题的风险。

8 下一步计划

目前回水压力在320kPa，实际上80kPa即可满足回塔需求。并且回水阀的压降过高，还导致低流量的阀门开度很小，管线有噪音。

这说明循环水供水泵的压头设计偏高，最大有240kPa的余量，因此下一步计划研究通过更换小叶轮的方式，降低泵压头。

根据泵特性曲线，如果更换最小叶轮，压头可降低10m。理论计算单台泵可节能175kW，经济效益也很明显。

9 总结

循环水系统只要能满足供水温度和压力，常常不为生产所注意，而实际上其为耗电大户，就本厂而言，其用电在调整前占了总厂耗电的30%。仔细分析后加以合理的调整，直接带来了647万元/年的经济效益，因此应当对循环水系统予以足够的重视。

Saving the Electrical Power by Optimizing the Cooling Water System

Chen Rui-li

Studied the performance of cooling water system of a plant，pointed out the control problem and proposed the improvement plans；furthermore，by analyzing the heat balance and hydraulic performance of the system，optimized the operation，6.47MRMB/year electrical power cost was saved after the optimization.

cooling water system；optimization；energy saving

TQ085.4

A

1003-6490（2016）01-0145-03

2016-01-20

陈瑞利（1977—），男，陕西旬阳人，工程师，主要从事化工生产及技术工作。