冷却循环水系统节能及应用

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Energy saving in cooling water circulationsystem and its implementTang Yue，Ma Zhengjun，Dai Sheng，Zhang Xinpeng，Huang Zhipan(1leseareh Center of Fluid Machinery Engineering and Teehnology，Jiangsu University，Zhenjiang，Jiangsu 2 1 20 1 3，China)Abstract：The cooling water circulation system is frequently subject to a low eficiency and a high e-nergy consumption caused from improper pump selection，unreasonable regulation of working condition，unscientific nmnagement of operation and difculty in energy consumption evaluation.In order to re-duce the energy consumption，the water circulation system in a chemical plant was used as an investi-gation model，then the situation of equipment installation and pump operation conditions dming normalproduction period were surveyed.Comparing the existing energy consumption with that under a variablefrequency speed regulation，the space for energy saving was identifed；eventually，the analysis of as-sessment of energy consumption of the whole system was completed. An energy-saving water supplystrategy，where a variable frequency speed regulation was utilized in the pump stations of the coolingwater recireulation system，was established according to the pump affinity laws and by considering theenergy-saving in the pumps themselves and their systems.Under the premise of meeting the chemicalproduction process requirements，a constant pressure water supply was realized in the watelrecircula-tion pipe network.Moreover，a survey method for evaluating the energy consumption in a cooling waterrecirculation system was suggested based on pump performance curve，motor torque-speed curve andoperation parameters in the key operation conditions of the system.After the cooling water circulationsystem was refurbished in that chemical plant，the annual electric power consumption in the plant was收稿日期：2010-02-15基金项目：-二五”困家科技支撑计划项 目(20l1BAF14B02)；国家杰出青年科学基金资助项目(50825902)作者简介：汤跃(1959-)，男，江苏镇江人，研究员 (tomt###ujs.edu.t n)，主要从事泵系统运行优化和节能研究马正军(1987- )，男，江苏徐州人，硕士研究生(fenghuanglei007###126.corn)，主要从事泵站节能运行研究reduced to 1.4×10 kW ·h from 2.1×10 kW ·h.the saved power is around 7×10 kW ·h，eausing the power consumption was reduced by up to 33% 。

Key words：cooling water circulation systems；pumping station；variable Dequency operation；energy audit；energy saving reconstruction循环水系统是工艺生产的生命线，遍布工业生产的诸多行业.2009年循环水系统耗电量约4.35×10他kW ·h，循环水泵站作为循环水系统耗能主要设备，其耗电量约2.00×10 kW ·h.循环水泵系统能耗巨大，但是其效率却很低 ，与国外先进水平相比，产品效率低 2% ～4%，系统运行效率低近20% J. 目前，针对循环水系统的能耗评估方法匮乏 - ，企业节能意识较差，改造比例依然很低，而且改造措施多局限于单体节能，没有从整个系统出发制定彻底节能策略，系统运行效率低下的情况并没有得到改善 。

文中从当前能源浪费最为严重的中小型企业着手，针对循环水系统特点，建立-套循环水系统能耗评估方法，并根据评测出的节能空间，通过对工艺生产过程和循环水系统的运行情况进行详细的现场调研，从化工生产的整个系统出发同时结合水泵单体节能，制定基于T艺需求的循环水系统节能运行策略。

1 化工循环水系统该化T厂南、北生产区循环水系统泵总装机容量为 150 kW，此次改造对象为北厂区循环水系统，其组成如图 l所示.该供水泵站由2台水泵组成(1台备用)，水泵型号 ISI50-125-315，扬程 H32nl，额定 转 速 凡1 450 r/min，额定 流 量 Q200 Il /h，配套功率 P37 kW.供水泵站常年工频状态下运行，流量调节方式为阀门节流，年耗电量约 2.0×10 kW .h。

图 1 循环水系统组成Fig.1 Components of water reeirculation system2 循环水系统能源调查2.1 节能依据现有的循环水系统流量调节方 式多为管路阀门节流的调节方式 ，泵的电动机转速不变，其实质是通 过改变管路特性来改变 流量，如图 2所示 。

图2 节能原理Fig.2 Energy saving principle当流量需求由 Q 减为 Q 时，阀门开度减小，管路特性曲线由 。变为 尺 ，系统运行工况点由 变为 b，扬程上升为 .在变频调速运行情况下，通过将泵的转速 凡。调为 n ，泵的H-Q曲线由 变为Ⅳ ，系统运行工况点由6/，变为d，此时不但流量为Q 满足系统需求，而且扬程为 ，避免了 到 H。

2.2 能源调查程序制定针对该厂循环水系统的基本情况和现有测量工具，可测量和可搜集信息分别为泵配套电动机电压、电流，泵出口、管网典型点压力，循环水系统相关几何参数，泵外特性曲线，泵配套电动机负载特性曲线等。

根据这些数据，首先由泵外特性 曲线得到泵的P-Q方程和H-Q方程.结合各工况点压力表示数，得到各工况点流量.再结合相似抛物线方程 ，可以得到各工况下的相似 比，从而得到变频后的 P-Q曲线.通过对比变频前后 P-Q曲线计算可得节能空问.具体流程如图3所示。

I 707啊 泵外特性曲Q方程f f工况点压力表示数f f 口方程似抛物线方程i I各工况点流需求方程调速后各工况点相似比节能空间调速后P Q方程网 3 能源调查程序流程图Fig.3 Flow charof energy audit program2.3 现场数据采集依据能源调查程序，现厨行数据采集，该厂 1个完整的生产周期，采集数据分别为泵出口压力P 、管网典型点压力 P 和电动机输入电流 ，，采集方式为 3个数据同时测量.测得数据如表 1所示。

2.4 运行情况分析对图4泵特性曲线进行拟合，可得到 H-Q曲线的方程为H-7×10 Q。7×10- Q -1.05×10 Q36.078， (1)P-Q曲线的方程为P-1.287×10- Q。5×10- Q 1.11 X 10- Q10.413. f2)表 1 泵运行工况数据Tab.1 Data of pump working conditions工况点 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13网4 泵特性曲线Fig.4 Pump performance curves根据泵的安装尺寸及管道的相关阻力系数，由伯努利方程可得日679·7Q Pout2· 2， (3)结合式 (1)即可得 P 和 Q的关系为P . -7×10 Q 1.755 4×10- Q -1.05×10 Q33.87. (4)由式(4)可得所测的 13个工况点的流量。

测得供水最高点为 15 m，泵的出口测压点高度为 2 m.工艺需求压力最低为20 kPa，但是考虑到控制系统的惯性，为保证生产安全和稳定，将工艺需求压力测点压力提高 5 kPa，使工艺压力恒定在25 kPa，结合图1相关尺寸由面 A-/4到面 B-B列伯努利方程，得到循环水系统管网压力与流量的关系，即装置需求方程为H20.551 230(Q/3 600)2. (5)设泵的相似抛物线方程为HKQ ， (6)将式(5)和(6)联立并代人 Q ，q ，，Q 可得所测13个工况下的系数 。， ，，K ，即.H-7×10- Q 7×10- Q -J 1.05×10 Q36.078， (7)l H阳 ， KK1， ，，Kl3，L将 K。， ，， 分别代入方程组(7)中并与式(2)联立得到 1 3个相似工况点的消耗功率和扬程，并求出相似比 ，k ，， ，这样就求出调速后实际需求工况下的功率消耗，即P P 。

根据比例定律，得到变频运行下泵功率流量关系为P：8.285×10- D 1.768 X 10 Q 2.719 X 10 Q3.893. (8)将变频前后 P-Q曲线绘于图 5，对比可以看出，流量小于 220 m /h时，节能空间高于 20%.通过调研得知该泵的年流量小于210 m。/h，所以该泵的节能空问高于 20%.另外在调研过程中发现该泵轴功率全年均在 25 kW 以下，配套电动机 37 kW，能源浪费严重。

Q/(m h'图5 调速前后功率 -流量曲线对比Fig.5 Comparision of P-Q curves before andafter speed regulated3 改造方案1)按电动机配套的安全系数标准(1.05～1.20)和电动机功率系列圆整，为该泵配备30 kW 电动机。

2)化工生产工况复杂多变，阀门节流的调节方式使大部分的能量浪费在管网阀门，造成不必要的能量浪费.改造选用的变频器为三菱 FR-F740-30K，在原有控制柜基础上添加 1套控制系统，变频器内置 PID，设定值设为T艺需求压力 25 kPa，利用压力传感器测得管网压力传送给变频器负反馈点，然后通过 PID比例、积分、微分作用，输出控制电动机转速，从而调节管网压力到需求压力 。J.同时，当变频器频率达到 50 Hz时，变频器的工频/变频切换功能进行切换，以避免变频器的能耗浪费。

系统改造后采用闭环控制实现管网最不利点恒压供水，水泵运行状态 由工艺需求决定，避免了恒速运行中能量浪费在管网阀门.图6为控制系统框 图。

图 6 控制系统框图Fig.6 Diagram of control system4 节能效益分析项目改造投资中，变频器 1台，14 690元；电动机1台，7 500元；压力传感器 1台，2 000元；设备改造费1 000元，管线 800元，共需投入资金约25 990元。

4.1 节能效益估算该生产线 1个生产周期为 13 h，每天 24 h连续工作.根据 2.3节得到的 13个工况下的流量，拟合日 Q-t方程为Q4.3 X 10- t -1.87×10- t。

1.837 6t。9. 691 3t64.3. (9)厂方提供的该电动机负载特性如图7所示。

图7 电动机负载特性曲线Fig.7 Motor load performance curves由图 7可得电动机的效率和轴功率 P .的关系为叼1.0×10- P -1.84×10- P 7.586×10～P 81.608， (10)将式(9)分别代入式(2)和(8)可得P。厂(t)， (1 1)P2g， (12)分别将式(1 1)和(12)代入式(10)可得叼h(t). (13)调速前电动机的输入功率为错， 叼 凡调速后电动机的输入功率为 ，则电动机的日节省功率为P J(P.-P：). (16)代入相 应数 值计 算可得 口节省 电能约 为179.6 kW ·h，据此，考虑变频器的效率，可推算 1个月的节电量约为5 300 kW ·h。

4.2 实际应用该厂对泵站进行节能改造后，计量显示其月节电量为5 520 kW ·h，符合节能估算的结果，节电比例高33%，1 a即可收回改造成本，达到了节能改造的预期效果。

5 结 论1)针对某化工循环水系统，通过能耗分析与评估，找出节能空问，采用单体节能和系统节能相结合的方法，针对水泵配套优化和系统运行控制优化2个方面，建立 r基于用水需求的循环水泵站节能l ，u l 运行方法.在做到节能效果好的基础上，使循环水系统供水更加平稳高效。

2)探讨了 1种循环水系统能源调查方法.该方法以化工工艺过程关键点数据、泵外特性曲线和电动机负载特性曲线为基础，无需特殊的测量工具，操作简单、方便，可为我国中小型企业能源审计程序缺乏和能耗评估困难的现状提供-定的参考。