循环水系统的优化设计

循环水系统的优化设计【摘要】关于循环水系统节能改造设计的文摘较多，但均未做到系统性研究分析。通过理论分析，结合设计和生产经验，从水柱高程、水头损失、设备的效率、泵的配置及水质等方面，全面分析设计的合理性与能源消耗的关系，从而做到设计优化。【关键词】流量；设计；水压；管损；水质；功率1引言在很多化工生产中，循环水系统的电耗占生产成本很大一部分，以20万吨燃料酒精的生产线为例，其循环水系统的电耗约占总电耗的23.6%，因此循环水系统的设计优劣在很大程度上决定燃料酒精产品的生产成本。由于项目建设的独特性决定循环水系统应用在生产中无法形成统一的技术标准，循环水系统的设计技术指标参差不齐，存在较大的节能空间。在耗能方面主要反应在水力输送的水头损失、静压损失、机泵的运行效率和循环冷却水的冷却效果等。2循环水站位置和高程的确定意义为尽可能的减少管道的沿程水头损失、局部水头损失和水柱高程，循环水站应布置在便于进出水管配置，靠近负荷中心或主要用水点附近，建筑物的顶部或厂区内的最高点建设。例如：某项目需建设一个循环水站（地面高程±0.00），分别向+6.00平面供水1000m³/h和+12.00平面供水1500m³/h。若将循环水站建在±0.00平面，供水压力必须大于水柱压力∑hf（0.12Mpa）和水头损失∑hj1之和hw，若将循环水站建在+12.0平面，供水压力只需满足大于最远处的水头损失∑hj2。假设管道的阻力特性及长度等同，则∑hj1=∑hj2。通过理论计算Pe=ρg（qv1H1+qv2H2）/3600s=1000×9.8×（1000×6+1500×12）/3600s=65.3kw（ρ=1000kg/m³，qv1=1000m³/h，qv2=1500m³/h，H1=6m，H2=12m）可见，在+12.0平面建设循环水站至少节约电耗65kw。3汽蚀现象对泵性能的影响由于管路设计的不合理，造成泵进口管道压力较低，当叶轮入口处压强降至输送液体在工作温度下的饱和蒸汽压时，将产生汽化现象，产生的气泡进入高压区后会急剧收缩凝结，产生高强度的冲击波，简称“汽蚀”。汽蚀现象不仅直接造成设备的损害，同时造成设备性能的下降。图1ns=70的单级离心泵发生汽蚀的性能曲线由图1可知，以ns=70离心式泵为例，当泵距水面的几何安装高度为6m时，最大可调节流量约为95m³/h。若继续开大阀门，扬程曲线急剧下降，且流量增加不明显，形成断裂工况。在发生汽蚀后，大量气泡很快布满叶轮流道，形成断流，造成压力、效率急剧下降。因此，循环水系统的设计，要避免泵的进口压力过低，防止汽蚀产生。4供水方式的确定对于有多个用水点的循环水系统，根据各用水点对供水要求指标的不同，统筹考虑供水方式，设计原则主要为“以流量大、压力集中的工况点为设计技术主线，采用同质同压、集中供给与分散供给相结合的方式”。对于流量和压力均偏低的用水点，可适当采用高质低用的方式供给；对于小流量高压力的用水点，可就近采用增加管道加压泵供给方式供给。5泵的选择在我国水泵耗能总量约占全国总发电量的20～25%，而我国水泵的平均效率仅为75％，比国际先进水平约低5%。因此，泵设备的合理选择，同样存在极大的节能潜力。在设备选型过程中，应当选择水力模型设计先进，高效节能的泵，另外，每种型号的泵都有自身最佳运行工况点，应尽可能选择管道阻力特性和流量特性与设备额定工况相吻合的泵。图2泵的运行曲线以图2为例，泵的最佳运行工况点为Q=160L/S，H=13m，此时，泵的效率约为68%。若实际工况点为Q=60L/S，H=16m，此时效率为42%。6管道的合理配置在管道的配管过程中，利用经济流速来确定配管，同时减少配管过程中过的“瓶颈”现象，减少管道输送距离，减少管道弯头、变径等管附件，做到低点排污，高低排空，减少“布袋”现象出现。所谓经济流速是一次投资与运行费用之和最小时的流速为经济流速，而相应的管径即为经济管径。在设计过程中，常采用经验参数作为经济流速。但是，在较大规模的循环水系统配管设计中，需反复比较管道的动力损耗费用与投资，针对性确定管道的经济流速。经济流速确定需综合考虑管道造价、折旧、动力费用及用水变化规律等，选用适当的经济技术指标和管损计算公式进行确定。7泵设备的合理搭配设计中选择选流量大、电机电压等级高的泵作为主泵，配合部分小泵作为负荷调节。减少设备并列运行的台数，提高设备出力。多台泵并联运行后所能增加的流量越少，即每台泵输送的流量减少，故并联台数过多并不经济。图3相同性能泵并联工作运行曲线如图3所示，2台同样性能曲线的泵（Ⅰ、Ⅱ），其单独运行时的标定工况点为C点。当并列运行后，其工况点转移为M点，此时qVB<qVC，ηC<ηM。8变速调节负荷的应用在用水负荷变化量较大、对压力要求不高的循环水工艺中，可采用变频器调速的方法来调节负荷，做到节约电能目的。由电机特性分析可知，均匀改变电机供电频率F，就可以平滑地改变电动机的转速，从而改变泵机的转速；结合泵机特性分析，降低电动机转速，电动机输入功率也随之减少，泵机轴功率就相应减少。变速调节的曲线特性可根据泵的比例定律求得：（Q:流量、H:扬程、P：压力）9水处理在生产中循环水的主要用途作为循环冷却用水，当水质较差，导致换热设备的污垢系数较低，造成循环水浪费严重，同时管道阻力也将增大。因此，做好水处理的设计工作，有种重要意义。在《工业循环冷却水处理设计规范》B50050-951中，对于工业循环水的水质有种详细要求。水处理的设计控制措施主要有以下几方面：9.1做好循环水的补水水源选择；9.2投加杀菌灭藻剂，控制藻类的滋生；9.3投加阻蚀缓垢剂，防止管道和换热设备结垢和腐蚀；9.4增加旁滤设备，降低浊度；9.5保持合理的水质浓缩倍数。10余压利用在向高层生产单元供水的系统中，其回水管线形成虹吸，换热设备出口压力（绝压）等于回水工作温度对应的饱和蒸汽压，则说明有部分流动能可能没利用。利用余压再用技术对能源进行回收。目前市场上余压利用技术比较多，比较典型的节能技术就是驱动水轮机发电。例如：某项目循环水站在±0.00平面向+42.0面生产单元供水，回水温度为50℃（对应饱和蒸气压为12.4kpa），冷却塔进口管线标高为+10.0米，冷却塔的阻力损失为5kpa。不计管道损失，回水势能为H总，已回收回水势能为H回，可回收回水势能为H可：H总=42m-10m-0.05m=31.95H回=10.336m-1.269m=9.067mH可=H总-H回=31.95m-9.067m=22.883m11结论通过上述对循环水系统设计的研究分析，充分挖潜优化设计的思路，做到投资最省、运行合理经济。在项目建设完毕后，总结设计经验，对于已安装的循环水系统进行实地技术测量，收集泵的出口压力、流量和消耗功率等技术参数，对于仍有挖潜节能空间的设备，采用叶轮切割的方式，进一步优化改造。[参考文献][1]郭立君,何川.泵与风机[M].北京：中国电力出版社,2004.[2]赵振兴，何建京.水力学[M].北京：清华大学出版社,2005.[3]李玉柱，苑明顺.流体力学[M]（第二版）.北京：高等