姚海涛
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摘要：循环水系统是一种常见且重要的公用工程系统，其系统复杂、用户多、水量大，能耗较高，节能意义重大。本文将对公用循环水系统进行能耗状况分析，并探讨一种循环水系统的节能优化方法。
关键词：循环水系统 能耗分析 节能措施
1 引言
循环水系统是一种非常常见且重要的公用工程系统，其具有系统复杂、用户多、水量大等特点。相应的能耗也非常高，其用水量约占企业总用水量的85%～92%，用电负荷约占企业总用电量的20%～30%[1]。
在石油化工等领域，循环水系统是必不可少的基本环节，其以水泵为动力源，电能消耗较大，约占石化生产过程中总用电量的8%～10%[2]。目前，我国石化行业循环水系统普遍存在能耗较高的现象，与先进国家相比，水泵机效率低5%以上，系统效率低20%以上[3]。在热力发电厂中，循环水泵是主要的辅机之一；在凝汽式电厂中，循环水泵的耗电量约占厂用电量的10%～25%[4]。在冶炼企业中，循环水系统更是不可缺少，对产品性能起着决定性的作用，高炉炉壁系统、轧钢系统等循环冷却需大量水力动能冷却，且此类循环水系统均为高耗能范围。
2 循环水系统能耗分析
2.1 设计阶段能耗浪费
（1）在工艺设计阶段，根据工艺生产设计热交换量确定循环水流量后初定给水方式及管网布置时，为节省泵站用地、造价及管理等多方面考虑，往往采用单一泵站集中供水的形式，拟定的供水压力必须满足最不利用水点（通常为最高用水点）的需求而忽视了不同用水装置用水量、用水高度等特点，往往较高的换热器用水量并不大，却无形中提高了整个管网水泵扬程，造成极大的能源浪费。
（2）由于在管网水力计算存在诸多不确定因素，会因理论与实际的偏差造成用能的增加，比如沿程阻力系数及局部阻力系数的选取往往与管道施工完毕后存在差异，造成实际的管路损失理论与实际不符、选定的经济流速及水头损失等理论与实际存在偏差，造成流速、压力、水温等均偏离设计，造成能源浪费。
（3）设计循环水泵参数及施工选型时，会存在按系数略有放大的情形，造成理论用能与实际用能不符，能源浪费。
所以在设计阶段，由于供水方式的局限性及理论与实际管网的差异导致电能的利用率降低，“大马拉小车”造成极大的能源浪费。因此需对系统全面了解，根据管网特点有针对性的优化设计，节省用电。
2.2 生产运行阶段能耗损失
（1）水泵运行效率低，造成耗电较高
水泵运行效率低的原因是多方面的，一是产品质量造成的效率降低，二是水泵最佳运行工况点的偏离。由于设计阶段的管路特性曲线与实际管路曲线的偏离，造成了水泵效率点转移[5]，同时流量压力都随之变化，无效耗能增加。
（2）循环水泵出口管网的阻力过大。
水泵出口管网是多条并联、串联的管路组成，由于各个装置冷却器标高不同，各生产装置与泵站间的距离远近不同，冷却器大小类型不同，用水量不同等，使各个分支循环水管路阻力大不相同。循环水泵提供的动力远远大于管网的最大阻力，造成极大的富余能量。
（3）冷却塔实际回水余压过大
冷却塔应在设计冷却能力及设计回水压力下才能发挥最优的换热效果，循环水温差在5-10℃最佳。由于系统实际阻力降与设计不同及实际水泵流量与压力的变化，冷造成冷却塔实际回水余压过大，换热效果降低，温度差变小，无用能耗增加。
（4）循环水的流量的调节
一些企业的生产负荷变化大，再加上气候等因素，生产装置循环水量一年四季的变化较大，因此流量恒定是不合理的，容易造成实际生产负荷与循环水流量不相匹配的问题而引起能耗浪费。
3 节能优化方法探讨
3.1 方法简述
循环水系统的核心是循环水泵，也是整个循环冷却水的主要耗能设备。循环水泵的优化是循环水系统节能优化的最重要手段。所以根据循环水系统最佳工况选择合适扬程和流量的循环水泵，替换处于不利工况、低效率运行的水泵，可有效降低无效能耗，提高输送效率，达到最佳节能效果。
通过对系统管路、流量、压力、水泵效率等相关参数建立水力模型，确定管路实际特性曲线；根据现状水泵运行参数、实际工况最大流量结合管路特性曲线确定最佳运行工况点；针对最佳工况运行点选取合适参数的循环水泵[6]，通过更换水泵的方法达到降低能耗的目的。
3.2 优化实施
（1）收集循环水系统资料
收集整理循环水系统及用水用户等相关技术参数，包括负荷、流量、压力、循环水系统的分布、管路走向、循环水量分配等情况。
调查分析循环水系统的现状运行情况，在整个管网系统中选取合适的节点，测定系统压力分布及阀门开度情况。例如循环水泵进出口压力、末端换热装置的进出口压力、回水总管压力以及各测点阀门开度等数据。
（2）循坏水系统优化设计
针对整个管网的分布情况，以及收集到各项技术参数，对该循环水系统建立流体输送模型。
根据循环水系统各设备设施设计参数，确定管路实际特性曲线；根据管路现状运行参数，分析循环水泵现状运行工况点，确定管路实际循环水量需求；结合循环水量需求，根据管路实际特性曲线，确定最佳运行工况点，选取合适流量、扬程的循环水泵并更换。
（3）循环水系统调试
循环水泵更换后，系统优化主要体现在调试以及后续的运行管理中。
调试阶段主要是优化调节系统供水总管阀门、回水总管阀门，降低阀门阻力损失，尽量减少系统节流损失，提高循环水系统输送效率。
运营管理阶段主要是定期对各管路系统进行巡视检查，管路系统备用设备在闲置过程中应关闭各进口阀门，防止循环水运行中通过闲置中的设备，而造成能耗增加。根据管网用水用户高低区的分布情况，结合各个末端换热装置的设计生产能力、最大用水需求量、实际运行负荷情况等，适时调整各个分路阀门开度，以末端换热设备的实际需水量为导向进行循环水量的分配利用。循环水系统常年运行过程中，根据各个季节的温度等外界环境不同、各个年份生产负荷的动态变化，适当调整循环水量的大小。
4 结论与建议
循环水系统的节能优化对工业行业有着非常重要的意义，尤其是对石油化工、热力发电、金属冶炼等高耗能领域，是节能降耗、实现降本增效的重要手段。随着科技的发展，循环水系统的节能空间会有进一步的挖掘提升，系统优化、工艺调整、高效循环水泵的运用都是较好的发展方向。
本文仅对现有运行的系统，从更换循环水泵的角度，提出一种减少富裕扬程、适当调整流量的方法进行节能优化，具有一定的实践意义。但是仍存在一定的缺陷，一是仅限于现有运行的系统，未能在设计阶段参与系统优化；二是富裕扬程、流量的减少可能不能满足后期生产规模的扩大。对于循环水系统的节能优化，是一个循序渐进、持续改进的过程，需要不断探索。
参考文献
[1]徐素芳.化工企业循环冷却水系统的节能技术探讨[J].化工机械，2011年第39卷第07期.
[2]姚长江.工艺冷却循环水系统节能运行探索[J].中国科技博览，2018年第03期.
[3]张宝林，闫横，刘志勇.浅析城镇供热系统节能[J].节能，2006-08-021.
[4]张鹏.300MW混流循环水泵结构参数对其性能影响的数值模拟[D].北京：华北电力大学（北京）硕士学位论文，2006.
[5]范昌海.FCH流体高效输送技术在火电厂水泵与风机上的节电潜力[J].上海电力，2010年第23卷第4期.
[6]薄卫东，杨卫峰，高强等.循环水系统节能优化探讨[J].山东化工，2020，,4（1）：89.