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摘要：針對傳統空分項目循環冷卻水系統普遍存在的水泵揚程偏高、流量偏大等主要問題，提出了創新設計方法。正確運用流體力學基本原理，結合空分工程的具體特點，抓住關鍵，從設計源頭入手，合理確定水泵流量、科學計算水泵揚程等，不僅可以大幅度降低循環冷卻水系統的運行能耗，還可以降低投資成本。

關鍵詞：空分設備；循環冷卻水系統；創新設計；節能降耗

大型空分設備用戶是能源消耗大戶，蘊藏著巨大的節能潛力，其主要關鍵設備的節能技術已不斷取得發展，而循環冷卻水系統的節能優化，空分行業對此研究較少。近年來，杭氧對空分項目的循環冷卻水系統的節能從理論到實踐進行了全面、系統的研究，認為空分項目的循環冷卻水泵的揚程余量太大（大部分揚程為45～60m，而實際只需30～35m），余量達到29%～71%，因此僅合理配置水泵揚程，平均就有30%左右的節能空間；同時，由于冷卻水流量安全系數重復考慮，造成確定的水泵流量不合理，雖然換熱設備冷卻水供、回水溫差設計值為8～10℃，但實際運行時溫差大多為4～6℃，有的更小。盡管有些企業已經實施了一些節能改造，但大多從表象出發，沒有抓住本質，盲目性大，因而節能不徹底，效果欠佳。空分項目的循環冷卻水系統龐大，其節能空間相當可觀。循環冷卻水系統的節能工作，需要創新設計，只有在正確、系統的理論指導下，從設計源頭入手，才能少走彎路。

1傳統循環冷卻水系統設計和運行中存在的問題

1.1盲目選擇水泵揚程。長期以來，空分行業以產品技術附件中的“供水壓力0.4MPa，回水壓力0.25MPa”等內容為依據來確定循環冷卻水泵的揚程，大部分選45～60m。理論上，這個做法是一大誤區，水泵揚程的確定應根據流體力學基本原理對具體的工程進行詳細水力分析計算后確定。實際上，這樣確定的水泵揚程余量太大，表現為：如果所配電機功率比較小，則管路上的閥門就不能完全打開（一般只能開30%），需要人為增加阻力損失才能安全運行；如果所配電機功率比較大，水泵就會在超大流量工況下運行，不僅水泵效率低，而且易產生葉輪汽蝕、噪聲大、振動大等不利安全運行的問題，同時，如果超額的流量對傳熱影響不大，本身就是浪費。總之，盲目確定水泵揚程，既浪費投資又使運行能耗增高。1.2缺少必要的水力分析計算。除了水泵揚程的選擇缺少必要的水力分析計算外，各換熱設備支路也沒有經過水力平衡分析設計，阻力損失小的支路實際流量大大超過設計流量，造成流量浪費；阻力損失大的支路實際流量小于設計流量，造成冷卻效果不理想，這時只能通過關小阻力損失小的支路上的閥門，提高整個系統的阻力，來調節流量平衡。如果某個支路的阻力損失特別大，這種做法就更不合理。而且，如果沒有經過必要的水力分析計算，循環冷卻水供水干管在空冷塔位置的壓力就沒有數據，空冷塔常溫水泵和冷卻水泵的揚程確定必然盲目，要么過高，要么過低。如果循環冷卻水系統變流量運行，更會出現這種情況。1.3不恰當地應用變頻調速技術。先盲目增加水泵揚程或流量的余量，再增設變頻調速裝置，將揚程或流量降下來。這種做法不可取：不僅要增加一大筆投資，而且水泵不可能在高效區工作，變頻系統本身也有一定的能量損失，附屬裝置增加，故障率和維修量均增大。應用變頻調速技術的目的是在變工況時調節流量。一臺工頻泵和一臺變頻泵聯合工作，當變頻泵改變流量時，工頻泵的流量朝與其相反的方向改變，不能充分發揮變頻調速的作用。同時變頻泵不可能頻率降得很低，否則，變頻泵提供的壓力比工頻泵的低得多，變頻泵就泵送不了水。1.4對變頻調速系統盲目采用壓力自動控制。在市政供水和采暖空調供水系統中，當流量改變時常采用壓力自動控制方式，有其具體原因。而盲目地將這種壓力自動控制方式應用到空分項目，就會人為增加系統阻力，不利節能。1.5為達到運行工藝要求人為增大阻力損失。受產品技術附件中“供水壓力0.45MPa，回水壓力0.25MPa”等內容的影響，很多用戶都認為“只要壓力上去就好”“只要水回得去就好”，一旦回水壓力低，水回不去，就去關小回水管閥門。這是運行中的一大誤區。循環水泵供水的目的是供給換熱設備冷卻水流量而不是壓力，應該是流量達到要求就好。對一個水力性能可調系統，流量與壓力沒有直接關系，而換熱設備進、出口壓差與該設備的流量有直接對應關系（換熱設備水力性能已固定），設計和運行時希望系統閥門全開，各點的壓力最低，而流量恰好滿足要求。1.6不合理確定水泵流量。確定水泵流量的各環節都考慮安全系數，造成重復考慮；工程設計時沒有確切的換熱設備水流量作為依據，更沒有相應的水阻力損失可參考，得出的總流量是個大概數，因此多數情況下所配水泵流量遠大于換熱設備的設計流量，水泵揚程偏高使實際運行流量進一步增大。實際運行中又認為流量大總是好的，流量大可以使壓縮機級間冷卻器的空氣溫度降得更低，可以降低壓縮機的功耗。這些都造成水泵流量確定不合理，使大流量、小溫差運行成為一種習慣。1.7通過關小水泵進水管閥門來調節水流量。大流量運行對水泵節能和運行不利，所以有的企業采用關小水泵進水管閥門的辦法。這種方法操作快，節能效果明顯。但是，增加水泵進水管阻力，很容易使葉輪汽蝕，進而使水泵運行效率降低、振動大、噪聲大等。1.8不考慮實際濕球溫度，冷卻塔出水溫度一律定為32℃如青海省西寧市的夏季空氣調節室外計算濕球溫度只有16.6℃，而冷卻塔的進、出水溫度依然設定為42、32℃。本來可以充分利用氣候條件，有效降低壓縮機能耗，卻被不合理的設計人為抹殺。

2通過創新設計實現先天節能

循環冷卻水系統節能改造已形成一個產業，改造規模大且節能效果明顯。空分行業傳統地以“供水壓力0.4MPa，回水壓力0.25MPa”、《氧氣站設計規范》（GB50030—2013）標準要求壓縮機等設備用冷卻水水壓宜為0.15～0.50MPa等為依據確定循環水泵揚程，已不能適應節能減排、企業增收節支的需要，設計方法要創新。2.1合理確定水泵流量。首先要合理確定設計工況時的冷卻水流量，即夏季裝置滿負荷運行時所需冷卻水流量。冷卻水流量大小影響水泵與壓縮機、汽輪機的綜合能耗，冷卻水流量大，對降低壓縮機、汽輪機能耗有利，而對降低水泵能耗不利；反之，則對降低壓縮機、汽輪機能耗不利，而對降低水泵能耗有利。因此，需要確定一個使壓縮機、汽輪機能耗與水泵能耗之和最小的合理流量。根據傳熱學傳熱系數公式可以看出，在放熱側的傳熱系數一定的情況下，在水流速比較小時，換熱器的總傳熱系數隨水流速增大明顯增大，但當水流速增大到一定程度以后，傳熱系數就基本不變。因此，流量大到一定程度后，再增大流量，只會增加水泵能耗，不會降低壓縮機、汽輪機能耗，這部分流量完全浪費。而處于對總傳熱系數有影響的流量范圍，杭州杭氧制氧機研究所有限公司已有初步研究結論：加大流量后，水泵增加的能耗比壓縮機減少的能耗多；并建議供、回水溫差在8～10℃運行比較合理，水泵流量安全系數的選擇由工程設計統一考慮，其他環節不考慮。2.2科學確定水泵揚程。在合理確定水泵流量的基礎上，科學確定水泵揚程。即先合理布置總圖，綜合考慮投資與運行費用、操作與維修便利性等因素，合理設計管路系統，經反復驗算，力求各環路水力平衡、總體阻力損失最小。再計算最不利環路所有局部、沿程阻力損失和凈揚水高度（循環水池液面至冷卻塔噴頭的高度差），作為確定水泵揚程的依據（對個別阻力特別大的換熱設備支路要單獨考慮增壓）；并根據伯努利能量方程計算出供水干管在水冷塔、空冷塔位置的壓力，作為空冷塔選取增壓泵和判斷水冷塔能否直接供水的依據。由上述2點可以確定系統基本水泵的配置，這是最根本的。之后，在固定工況下，系統運行時一次性調節好支管流量平衡閥門，其他閥全開，流量恰好滿足要求，系統阻力處于最小狀態，平時不用調節閥門、關注壓力，操作簡化。2.3合理采用變工況時的流量調節措施。循環冷卻水系統管道按設計工況即最大流量設計，在科學確定基本水泵配置的基礎上，在生產負荷變小或冬季環境溫度降低需要降低流量時，要充分利用流體力學原理：“對已定型的系統，流量與水泵功率接近成三次方關系”，水泵功率隨流量快速下降，可以在減小流量時取得更可觀的節能效果。應根據具體條件采用恰當的輔助手段，如更換葉輪、大小泵搭配（小泵揚程也小）、改變運行臺數、雙速電機、變頻調速、永磁耦合調速和大型水泵采用汽輪機拖動等來減小供給流量，實現變工況時的流量調節。變頻調速應用在需要經常頻繁調節流量的場合最合適。如果采用變頻器調速，建議最好采用所有工作泵同時變頻，增加的投資與減少的能耗成本相比微不足道。變頻器的調節，在不低于最小流量的前提下，通過觀察工藝冷卻效果，采用人工調節就可以。設計和運行時要盡可能使閥門全開，盡可能減小系統阻力損失，使流量減小時壓力自然降低。2.4合理確定冷卻塔出水溫度。在不超出常規冷卻塔投資的前提下，對夏季濕球溫度低的地區，充分利用環境溫度優勢，降低冷卻塔設計出水溫度（如西寧市可設定為22℃），很小的代價（冷卻塔投資沒有節省）就可取得降低壓縮機能耗的大效果。2.5選用高效節能型設備和閥門。選用高效節能型水泵固然重要，但工程設計時要保證所選水泵能在高效區運行。如果所選水泵性能與實際裝置管路水力性能偏差太大，即使所選水泵效率很高，實際運行時效率也會很低。選擇傳熱系數大、阻力損失小的換熱設備和止回閥等，對空分項目循環冷卻水系統的節能同樣十分重要。

3對已建項目進行節能改造

從長期運行考慮，對已建項目進行節能改造的原則同樣遵循新項目設計的思路。對于已經投入運行的循環冷卻水系統，都可以通過調整管路上閥門的開度直接讀出壓力，經過簡單計算，就可以確定系統在設計流量下實際所需揚程。如果能根據每個換熱設備在設計流量下的阻力進行水力分析計算，進一步驗證所測揚程是否可靠，可靠性就更高。3.1對基本配置水泵的改造。基本配置水泵的本質問題是揚程過高、流量偏大，為盡可能一勞永逸、一勞永利，改造方案首選是更換葉輪。如果原葉輪在該型號水泵中屬沒切割過或切割很少，應首先考慮原型葉輪切割，或者選用改型葉輪。這是最經濟、最方便的改造措施。其次，更換泵頭，改造內容稍多，需更換水泵進、出口短接頭，地腳螺栓孔有時也要調整，投資成本稍高。最后才是更換水泵，工作量大，投資成本最高。3.2變流量時的輔助手段改造。在對基本配置水泵進行改造的基礎上，如果要根據生產負荷變小或冬季環境溫度降低來減小供給流量，同樣可以根據具體條件采用恰當的輔助手段，如更換葉輪、大小泵搭配、改變運行臺數、采用雙速電機、變頻調速等。

4實施節能技術后的經濟效益

采用節能技術后，新建項目如不設變頻調速裝置，投資成本有所降低；對已建項目進行改造，即使更換新泵，半年內也可收回投資成本。因此，其投資成本基本可以忽略。據氣體分離設備行業統計，截至2016年，我國深泠分離法制空分設備的總規模在3300萬m3/h左右，循環水用電功率估計在100萬kW左右。根據調查研究分析，如果合理配置水泵揚程，約有30%的節能空間，每年可節電約57.6億kW•h；而且，空分設備每年以數百萬m3/h的規模增加（2014年新增292萬m3/h），節能空間非常大。

5建議

5.1明確換熱設備的水流阻力損失值。換熱設備的水流阻力損失是換熱設備的一個重要技術性能參數，不可缺少，它不僅用于工程設計時確定系統總阻力，而且在進行各支路水力平衡、優化供水方案時也不可缺少（對某個阻力損失特別大的換熱設備，而流量又占總流量的小部分時，可考慮局部增壓）。5.2完善空分設備技術附件的相關內容。如果空分設備由專用的循環冷卻水系統獨立供水，空分設備技術附件中“供水壓力0.4MPa，回水壓力0.25MPa”的內容容易造成設計和運行的誤區。如果空分設備由大廠的循環冷卻水系統集中供水，在每個裝置點確實需要提供供水干管的供水壓力和回水干管的回水壓力，以便合理配置裝置內循環水管道。但這兩個值不事先規定，而是在對各用水裝置水流阻力損失預估的基礎上，對整個循環冷卻水系統進行合理設計，根據伯努利能量方程計算得到，不同的位置一般不一樣。標準GB50030—2013規定的“壓縮機等設備用冷卻水水壓宜為0.15～0.50MPa”的規定不科學。建議標準修訂時完善，更好地發揮標準對循環冷卻水系統精細化設計、節能減排的指導作用。

6有待進一步研究的問題

6.1開展流量對綜合能耗影響的研究。進入冷卻器或冷凝器的冷卻水流速不同對總傳熱系數影響不一樣，在水流速比較小時，隨水流速增大，總傳熱系數會明顯增大；但當水流速增大到一定程度后，傳熱系數就基本不變。為了合理確定冷卻水流量，需要綜合水力學（水系統設計）、傳熱學（換熱器設計）、熱力學（壓縮機、汽輪機運行能耗）3個方面的專業技術，進一步研究在什么流速下水泵、壓縮機和汽輪機的能耗之和為最小，什么流速開始對總傳熱系數沒有影響。進一步研究變工況時，合理流量的確定、調節手段的優化。6.2研究優化水泵出口閥門的設置。目前多數設計在水泵出口管路設置止回閥，阻力損失很大，能耗損失可觀。需要進一步明確各種止回閥的阻力特性。期盼有真正低阻力的止回閥產品，或者不設置止回閥，僅設置1只因事故停運泵時能自動關閉的蝶閥。

7結論

針對傳統的空分設備循環冷卻水系統設計和運行中存在的主要問題，創新設計方法，正確運用流體力學基本原理，結合空分工程的具體特點，抓住關鍵，從設計源頭入手，合理確定水泵流量，科學計算水泵揚程，不僅可以大幅度降低空分項目循環冷卻水系統的運行能耗，還可以降低投資成本。對已建項目的改造，具體情況不同會產生多少不等的費用，但這些投資相對節省的運行費用微不足道，因此，需要改變管理觀念，該更換的應及時更換。發展節能技術是一項增收節支的有效措施，應積極組織實施空分項目循環冷卻水系統節能改造，大幅度降低運行成本，提高企業效益。

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作者:陳劍榮 劉志 單位:1.杭州杭氧化醫工程有限公司2.浙江省杭州市中山北路592號弘元大廈