一种循环水系统的节能技术应用

于伟然, 赵永彬, 王 建

(联泓(山东)化学有限公司, 山东滕州 277527)

根据国家有关规定,企业高温产品和设备必须采用工业循环水冷却。循环水系统在用于工艺过程冷(热)量交换和传送的过程中,涉及循环水泵组、管网、换热装置、制冷设备和冷却塔等,主要依靠水泵作为动力源来推动循环水流动[1]。传统循环水系统一般采用人工操作调节,控制循环水系统的温度、流量、压力等参数。循环水系统基本定流量运行,冷却塔风机季节性调整运行台数,存在较大的节能潜力。若仍以传统方式运行,循环水系统不能根据气候和生产负荷的变化,实时调整优化整个循环水流量和设备效率,设备运行能耗和管理成本较高,造成能源浪费。

通过技改搭建1套完整的人工智能、系统优化、自动控制管理平台,可以彻底改变传统循环水系统依靠人工操作、调节的运行管理模式,全面提升循环水系统的智能化、自动化水平。

1 传统循环水系统主要流程

经换热升温后的循环回水靠余压送至冷却塔,经冷却塔风机冷却后的水落入循环水池并进入吸水池,由加药系统不断向循环水池投加缓蚀阻垢剂和杀菌灭藻剂,以稳定水质和杀菌灭藻,在提高浓缩倍数的同时,为稳定酸碱度,向系统投加一定量的硫酸。处理合格的水经循环水泵加压送入循环水系统管网,供各循环水用户。其中,循环水运行过程中因风吹、蒸发、排污等原因造成水量损失,需要不断补充新鲜水至吸水池[2]。传统循环水系统主要通过气温变化、用户反馈进行循环水调整,不能实时根据系统需求进行优化。

2 改造原因

目前,循环水系统基本定流量运行,某系统下半年月平均温度、压力见表1。

表1 循环水供水温度和压力

由表1可知： 循环水系统1和循环水系统2基本上均属于定压运行,在相同管路且管路阀门开度调整不大的情况下,循环水量不会发生大的变化。

循环水系统1和循环水系统2的循环水站均位于厂区北侧,用水装置则依次分布在厂区南侧,因用水装置到循环水站的距离相差较大,造成位置较远的装置水量较少,不能很好地满足装置用水需求,循环水各支路存在水力不平衡的状况。通过水力平衡调节调整不同装置用水量,可以较好地满足不同装置的用水需求,提高生产效率。

目前,冷却塔风机随着天气变化,基本呈季节性调整运行台数的规律,未在冬季和过渡季节充分利用冷却塔进行强制换热,存在较大的节能潜力。

3 改造方案

在节能降耗的大背景下,循环水系统作为耗电主要用户之一,优化其运行模式,达到节能的目的势在必行。通过对该循环水系统进行优化节能分析,对循环水泵、冷却塔风机增加变频器,冷却塔上水管增加电动调节阀,最高及最远换热器增加压力传感器,搭建了1套完整的人工智能、系统优化、自动控制管理平台。该管理平台通过循环水泵和冷却塔风机增加变频器实现循环水量和冷却塔风量按需供给,动态调节。该项目实施后实现平均年节电率20%～30%,效益巨大。

3.1 循环水泵、冷却塔风机增加高压变频器

3.1.1 循环水系统1改造内容

循环水系统1的循环水泵和冷却塔风机运行模式为：(1) 除极端天气对循环水泵台数进行调整外,全年基本运行2台1 400 kW循环水泵与1台1 800 kW循环水泵。循环水泵配置备用泵,基本上每 2 个月倒1次泵。(2) 冬季只使用 3 台冷却塔风机,夏季开启 6 台冷却塔风机,过渡季节根据天气情况调整风机运行台数。

基于以上运行模式和水泵倒泵需求,循环水泵共增加 3 台变频器,其中 2 台 1 400 kW(一拖二)和 1 台 1 800 kW(一拖二)高压变频器;冷却塔风机增加 1 台 800 kW 变频器(一拖三)。

3.1.2 循环水系统2改造内容

循环水系统2的冷却塔风机运行模式为：冬季只使用 2 台风机,夏季开启 4 台风机,过渡季节根据天气情况进行台数调整。

基于以上运行模式,冷却塔风机增加 1 台 500 kW 变频器(一拖二)。

3.2 冷却塔上水管增加电动调节阀

循环水系统是开式系统,在完成水循环时既要克服管路压降,又要克服静水压头。采用变频方式调节流量时,需要配合回水阀门调节,保证最高点及最远点有足够压力完成循环。

3.3 增加压力传感器

在较远或较高的装置或换热器上安装压力传感器,监测循环水系统末端供水压力,保证循环水可完成正常循环。压力传感器安装可带压开孔,无需停车,不影响生产。

4 项目实施条件

4.1 新建高压变频器配电室

循环水系统节能项目需要新增 4 台高压变频器,现有高压配电室已满,无现成安装位置,因此现场需要新建高压变频器配电室。

4.2 冷却塔上水管安装电动调节阀

采用变频方式调节流量时,需要配合回水阀门调节,保证末端有足够压力,因此需要在冷却塔上水管上改造电动调节阀。改造原有蝶阀,增加电动执行器,在循环水系统正常运行的情况下,依次对原有的手动蝶阀增设电动执行器,将原有蝶阀改造为电动蝶阀。

4.3 带压开孔安装传感器

为明确末端换热实际需求,需要在部分管道新增温度和压力传感器,监测末端工艺换热参数及水侧参数;为保证用户连续运行,采取带压开孔技术来安装传感器。

4.4 循环水系统搭建人工智能控制平台

在完成变频器、阀门和传感器等设备安装改造后,通过搭建1套完整的人工智能、系统优化、自动控制管理平台,彻底改变传统循环水系统依靠人工操作、调节的运行管理模式,并将水冷器工艺侧参数纳入智能优化控制平台,在保证工艺产品质量的前提下,达到循环水系统优化运行和节能控制的目标。智能优化控制平台的主要功能为：

(1) 保证循环水系统安全高效运行,实时监测循环水系统温度和压力、设备运行电流和电压等参数。循环水管路增加温度、压力传感器,循环水耗电设备增加电流、电压监测设备,实时监测循环水系统、设备运行状态,通过设置安全范围值,做到循环水系统、设备故障问题早预防、早发现、早解决,保证系统安全稳定运行。

(2) 实时监测循环水系统效率。通过安装自主开发的具备水泵流量、扬程、效率等监测功能的 DTL 流量计,实时监测循环水泵效率。通过监测室外天气情况和冷却塔进出水温度,结合独创算法实时计算冷却塔冷却效果。

(3) 循环水系统全自动运行,控制工艺侧参数纳入循环水系统节能控制。通过 RS-485通信手段将工艺集散分布系统(DCS)中换热器工艺侧参数纳入循环水监控平台,直接将生产装置末端的水冷器工艺侧参数参与循环水系统的优化运行中,控制目标更直接,控制效果更精确[3-4]。

(4) 循环水泵、冷却塔风机变频调速运行。通过循环水泵、冷却塔风机增加变频调试装置,结合室外天气情况和末端工艺实际需求,利用智能算法实现循环水流量和冷却塔风量自动动态调节;另依据自主开发的 DTL 流量计实测水泵效率,通过动态调节水泵开机台数和流量,保证水泵运行工况点在高效区,提高水泵运行效率。

(5) 循环水系统数字化管理,循环水系统设备能耗监控。读取循环水系统中循环水泵、冷却塔风机及相关设备电量数据记录,建设循环水系统能耗监控平台,通过大数据统计分析,提高循环水系统能耗管理水平,为循环水系统提供后续优化方向。

(6) 循环水系统远程监控、维护。智能控制平台软件支持 Internet 网络远程监控,在用户需要的情况下,整个远程接入通过专用网络(VPN)加密传输,形成独立的通信系统,只允许授权用户连接。由远程专家协助完善循环水系统优化运行控制策略。

(7) 管理效能提升。智能综合管理平台设置历史数据曲线和报表记录功能,无需繁琐的人工手动记录,降低劳动强度,提高管理水平。智能综合管理平台设置系统故障实时报警和记录功能,通过声光报警装置及时提醒相关值班人员,及时处理问题;同时,设置不同操作权限管理功能,结合不同岗位、不同职务设置不同的操作权限,保证系统安全性。

5 改造效果

系统考核期间,节能模式运行时间约 484 h,实测平均节电率 26%,达到节能改造目标：节电率20%～30%。节电量 37万 kW·h,平均每小时节电 765 kW·h。考核期间循环水供应满足生产需求,未对末端换热、蒸汽消耗等产生不良影响。通过对整个系统的运行结果分析,在气候条件适宜的情况下,通过精确控制供水温度,同时结合供、回水温差进行适当的流量调整,在保证生产需求的前提下,可以达到预期的节能效果,效益巨大。

6 结语

依靠科技进步来提高资源的利用率,建设节约型社会是我国的基本国策,随着优化理论、计算科学及计算机技术的发展,产生了一种新的节能方法——优化运行,这种方法在保证安全和运行的前提下,以最小的代价获得收益。与以往的节能措施不同,优化运行方法是一种比较新的节能理念,其优点是可为运行人员提供调度依据,不仅可以帮助运行人员摒弃经验性的习惯调度方法,加强运行人员的节能意识,还有利于提高科学运行管理水平。