基于數學模型的大型工業循環水系統節能優化研究

＊張海榮 韓鶴 趙海明 黎曦

（1.中煤陜西榆林能源化工有限公司 陜西 719000 2.北京清大五環節能技術有限公司 北京 101200）

循環水系統是一項常見的公用工程系統，主要是熱量交換、熱量轉移的作用，是整個裝置最重要的系統之一，同時也是耗水量最大的部分。目前煤化工企業的循環水系統多采用并聯序列的換熱器進行冷卻降溫，冷卻水都只使用一次后通過主管回冷卻塔冷卻。通過對各流股的溫度和流量進行優化匹配，可以有效降低循環冷卻水用水量，并降低循環泵的電耗，在煤化工行業中是不可或缺的。我國煤炭資源和水資源分布的地理位置不匹配，水資源是制約煤化工產業發展的問題之一。在此背景下，大型煤化工項目通過采取節水措施，減少取水量，這是提高經濟效益的必然選擇。據統計，循環水系統的耗電量約占企業總耗電量的20%～30%。因此，研究如何降低循環水系統的電耗對企業有著重要的意義。在循環水系統中兩個最大的耗電部分是循環水泵和冷卻塔風機，兩者約占循環水系統能耗的70%和25%。因此循環水系統節能重點是降低循環水泵和冷卻風機用電，尤其是可以降低循環水泵流量和揚程，可大幅降低循環水系統的電耗，取得節電效果。

1.循環水系統目前存在的問題

不同工業企業裝置的循環水系統存在的問題各不相同，主要問題有設備問題和系統間不匹配導致循環水量不足、排污控制、蒸發損失大、排污損失大、濃縮倍數控制等問題，對于設備問題的解決，第一是設備的自身設計結構的優化，這類優化對象更偏向于單個設備，我們對系統的優化要更關注整體。第二就是設備所用的技術優化。近年來，泵和風機使用變頻技等諸如此類的優化越發成熟。對于單個換熱器的效率優化已經非常成熟。韓瀟等[1]對陜西渭河煤化工集團某一期裝置的循環水系統進行分析，指出系統存在機泵效率較低、水泵特征曲線和系統最優需求曲線不匹配、管網流阻較大、冷卻塔處理能力富裕量較大、循環水流量可優化等問題，同時對癥下藥給出了相應的解決辦法，通過更換高效電機、高效風機等措施實現了經濟效益和社會效益。劉濱濱等[2]對理論上影響濃縮倍數的因素進行了全面地分析，并給出了提高循環水濃縮倍數的具體措施?？傊?，在常見涉及設備等問題的優化上，解決方案已經比較成熟。

近年來，隨著政府節能減排政策的執行落實，工業上對于節水節能意識增強。受環保壓力和工廠位置的限制，現在絕大多數化工生產企業均采用循環冷卻水系統，冷卻水管網耗水情況為冷卻管網的補充水量，約占總管網水量的0.5%～10%[3]，但在老舊廠區的的循環冷卻水工程設計中，受制于年代以及技術不足的影響，很多企業的循環冷卻水管網系統設計粗放，整體設計值裕量過大，在滿足冷卻物料溫度要求時水耗過多，不符合節水政策要求[4]；此外部分廠區設計不合理，管線內部水壓情況不明，多平衡管段；廠區維修不到位，管線結垢、腐蝕等，換熱設備缺乏定期停車維修[5]，導致實際的熱交換效率低下，循環管路系統設計水量合理，但實際運行過程中經年累月導致運行工況與實際工況取用水偏差巨大；且廠區部分工段循環水冷卻水量不足情況下，其他工段又存在嚴重跑水、漏水等浪費的現象，部分工段工業冷卻水循環利用率僅為52%，供水管道和用水設備“跑、冒、滴、漏”現象普遍，取水量逐年上升，浪費和漏失的水量高于設計量的15%，因循環水量不足導致整個廠區無法滿負荷運行。

文獻調研未發現用軟件模擬循環水系統工況的相關報道，因此，綜合應用循環水力管線、閥門、循環水泵工作點、換熱設備壓降計算以及Smart Circulating工況仿真模擬等手段，針對循環冷卻水系統水力失調問題進行優化計算的方式非常必要，通過軟件模擬和分析，可在循環水量相同情況下，使冷量配置更加均勻合理，滿足廠區的生產要求，同時優化后系統運行水量的下降在一定程度上減少了泵的功率和冷卻塔風機的功率，可達到既節水又節電的目的。

2.模型建立原理

循環冷卻水系統由換熱設備（換熱器、冷凝器），冷卻設備（如冷卻塔、空氣冷卻器等），水泵，管道和其他有關設備組成，主要分析管線閥門、水泵以及換熱設備的水力工況情況。使用的軟件Smart Circulating建模原理如下。

(1)管線水力工況計算基礎

分析水力工況變化的依據是水力計算，使系統中各管段的水流量符合設計要求，保證各個流進換熱設備的水流量符合要求，應該對管路進行水力計算。

當流體沿供水管網管道流動時，由于流體分子與其管壁間的摩擦，流體損失能量；當流體流過管道的部分附件（諸如閥門、彎頭、三通等）時，由于流動速度或流動方向的改變，產生局部旋渦與撞擊，流體也會損失能量，前者稱為沿程損失，后者稱為局部損失，故而，循環冷卻水管網系統中對于管段壓力計算的公式，可以用式（1）簡要表示。

ΔP=ΔPy+ΔPj=RL+ΔPj（1）

式中，ΔP—管段計算的壓力損失，Pa；ΔPy—管段的沿程損失計算，Pa；ΔPj—管段的局部損失計算，Pa；R—每米管長的沿程損失，Pa/m；L—整體管線的總長度，m。

(2)管網系統水力工況計算基礎

系統水力工況計算主要有兩個重要參數，分別為管路阻力特性系數與管網的阻力數與導通數，分別計算如下：

在循環冷卻水管網中，水的流動狀態大多處于阻力平方區，此時的摩擦系數值的計算公式為（2）：

將公式（2）帶入，有：ΔP=RLzh=6.88×10-9×K0.25/d5.25×ρ(L+Ld)G2=sG2（3）

式中，

G—管網中管道內冷卻水流量，m3/h；

s—管網中管道阻力特性系數又稱阻力數，Pa/(m3/h)2。

由上式可知，管道的阻力特性系數s只與管道的管段直徑d、長度L、管壁內壁當量絕對粗糙度K以及管段局部阻力當量長度Ld有關，管網各管段的阻力數s僅取決于管段本身，并不隨流量變化。

管網的阻力數與導通數是在管網的串并聯管段中進行討論說明的，在串聯管段中，管網的總阻力數為各串聯管段阻力數之和，即公式（4）：

式中，

Sch—管網中串聯管道總阻力數，Pa/(m3/h)2；

s1,s2,s3—管網中各串聯管路的阻力數，Pa/(m3/h)2。

在并聯管道中，其導通數為各并聯管道導通數之和，即公式（5）：

式中，

a1,a2,a3—管網中各并聯管路的導通數；

s1,s2,s3—管網中各并聯管路的阻力數，Pa/(m3/h)2；

G1,G2,G3—管網中各并聯管路的冷卻水流量，m3/h。

根據上述公式可得，無論是串聯還是并聯管路，管段的阻力數增大或變小時，整個熱網的總阻力數會隨之增大或減少，并聯管段間的流量分配取決于并聯管段導通數的比值。

(3)循環水泵水力工況計算基礎

循環水泵運行方式的調節主要是通過對水泵、管路的調節，改變水泵運行工況點的位置，使流量、揚程、軸功率等運行參數適應新的工作狀況的需要。水泵的工況點是由性能曲線和裝置性能曲線的交點確定的。所以只要這兩條線發生改變或是交點發生變化后，泵的工作點即發生位移，所以對泵的運行調節主要是對性能曲線和裝置的性能曲線進行調節[6]。

泵的計算模型主要為泵機效率以及伯努利方程構成，由式（6）～（7）所示。

泵的特性曲線上每一點代表一個工況，對應一組參數（H、Q、N、η、NPSH）。當水泵運行時在特性曲線上哪一點工作，這是由泵的特性曲線和裝置特性曲線（需要揚程曲線）確定的。

本文采用數值求解方法對水泵工況點進行分析，數值求解法就是求水泵的Q～H方程與裝置特性曲線的交點，即公式（8）～（9）：

式中，

Hst—管網中水泵凈揚程，m；

k—綜合管路系數。

上式中未知參數a、b、c是和水泵有關的常數，可通過廠家所提供的Q～H曲線求解或通過所選定的點進行曲線擬合獲得多項式求解。

循環水泵為多泵并聯時，假設泵的流量與多臺泵并聯運行的流量相同，揚程與多臺泵并聯運行相等，此泵稱為并聯當量泵；同理對于串聯水泵，也可采用當量泵的等效計算進行求解。

并聯操作時，揚程不變，流量為所有并聯水泵流量之和；串聯操作時，當量泵的流量不變，揚程為所有串聯水泵之和。

(4)管殼式換熱器壓降計算基礎

在過程工業中使用了許多類型的傳熱設備。到目前為止，最常用的是管殼式換熱器。本文中假設所有換熱器均采用管殼式換熱器。在換熱器網絡設計的概念階段，管殼式換熱器的傳熱系數和壓降的計算應盡可能少的依賴于詳細的幾何結構。但是，必須對幾何圖形進行一些假設，用以方便公式計算。

①管徑

使用標準尺寸，但標準不常用。一般尺寸為do=20mm，di=16mm；do=25mm，di=19.8mm。

②管長

標準管長度是首選，但同樣，標準不是常用的。但是，原則上可以使用任何長度的管子。管子的工作長度比安裝在其上的管板所占用的長度略短。在初步設計階段，兩個管板的公差為0.05m是合理的假設。管道長度的選擇是由設計師決定的自由度。同樣的換熱面積可以用小直徑長殼中的少量長管或大直徑短殼中的大量短管來獲得。管長與殼體直徑之比通常在5到10之間。

③管距

管距（Pt）是相鄰管之間的中心距，通常為1.25do。

④管道布置

管道可以是方形或三角形配置，如圖1所示。方形結構用于污染流體，為機械清洗提供通道。清洗通道應連續穿過整個管束。三角形配置僅限于非污染流體，因為機械清洗更困難。但是，對于給定的管距，在給定的外殼直徑下，三角形配置可以排列更多的管道。

圖1 方形管道配置與三角形管道配置示意圖

⑤折流板切口

折流板用于引導流體流過管道。折流板切口是指為了形成折流板而移除的部分的高度，它是折流板直徑的一部分。使用0.15至0.45的折流板切口。在概念設計中，假設值為0.25。

(5)管殼式換熱器水力工況計算基礎

在過程工業中使用了許多類型的傳熱設備。到目前為止，最常用的是管殼式換熱器。對于管殼式換熱器，管程與殼程壓降不同，應分開進行計算，此外由于換熱設備中傳熱系數和壓降都與速度有關。因此，可以用速度作為兩者之間的橋梁來推導傳熱系數、壓力降和表面積之間的關系。

①管程壓降計算，即公式（10）。

式中，

ΔPT—管網中管程壓降，Pa；

NpT—管程換熱管束數目；

ρ—循環冷卻水密度，kg/m3；

A—換熱面積，m2；

C—常數，對于氣體取0.021，非粘滯流體取0.023，粘滯流體取0.027；

di—管程管內壁直徑，m；

do—管程管外壁直徑，m。

②殼程壓降計算，即公式（11）。

式中，

ΔPs—管網中殼程壓降，Pa；

KpT—管程換熱管束數目；

ρ—循環冷卻水密度，kg/m3；

A—換熱面積，m2；

C—常數，對于氣體取0.021，非粘滯流體取0.023，粘滯流體取0.027。

3.建模及優化

根據收集到的設備參數和結構參數，以清大五環循環水系統模擬優化軟件（SmartCirculating）為平臺，繪制循環水系統流程圖，然后輸入設備參數和管線結構參數，完成循環水系統設備和管網系統的模型。該模型可以作循環水系統水力、傳熱的計算，計算出管網上任何位置的循環水流量、流速、壓力、壓降、溫度、溫降，管線的散熱量、表面溫度以及換熱器管程和殼程傳熱系數、總傳熱系數、管程和殼程壓降、流速、換熱器冷卻負荷等。

根據模型模擬結果，通過對某甲醇制烯烴裝置內循環水換熱器進行分析，以下換熱器運行不合理，有優化空間。對裝置內換熱器優化如下：

（1）E01A/B原設計為污水汽提塔頂冷凝器，目前用于排污急冷水冷卻，一開一備運行，排污急冷水量約為50t/h，要求冷卻到40℃以下。兩個換熱器結構參數一致，E01A只通過循環水，無冷卻任務，通過模型模擬，循環水走管程，流速1.84m/s，流速快，不易結垢；循環水流量太大，溫差僅有2.3～2.6℃；殼程流速僅有0.05m/s，流速過慢，易結垢，且由于殼程結構原因，會有很多淤積，殼程清洗困難，檢修和維護需將管道全部取下來沖洗，清洗較麻煩。

建議將E01A/B換熱器管殼程管線互換，改造后急冷水走管程，循環水走殼程，同時改造后備開的換熱器可完全關閉循環水閥門，管殼程調換后，循環水走殼程，流量提高到1285.8t/h，流速為1.17m/s，流速適中，溫升為2.0℃；急冷水走管程，流量50t/h，流速為0.07m/s，和改造前變化不大；改造后在剛清洗完可調節閥門，將循環水流量控制在534.4t/h，殼程流速為0.5m/s，溫升達到4.7℃，比不控制流量上升了2.7℃，同時，由于排污急冷水走管程，檢修或清洗時只需要對換熱管沖洗，減少了檢修工作量，同時關停備開換熱器循環水閥門。改造后關停備開換熱器閥門可節省循環水1200.0t/h，全年效益約為302.4萬元。

（2）E02A/B和E02C是凈化水冷卻器，正常運行工況下E02A和E02B既可串聯運行，也可并聯運行，和E02C都并聯運行，凈化水正常運行流量約為170t/h，要求冷卻到40℃以下。根據模擬，建議同樣將E02三個換熱器管殼程管線互換，改造后凈化水走管程，循環水走殼程，同時改造后備開的換熱器可完成關閉循環水閥門，經模擬計算，改造后三臺換熱器可一開一備一清洗運行，并關停備開和清洗換熱器循環水閥門，關停閥門可節省循環水800.0t/h，全年效益約為201.6萬元。

（3）E03A和E03B是甲醇廢水冷卻器，甲醇廢水流量6.0t/h，溫度96.7℃，并聯一開一備運行。通過模型模擬，循環水走殼程，流速約為0.08m/s左右，極慢，易結垢，E03換熱器是整個甲醇制烯烴裝置循環水側溫升最高的換熱器，溫升超過18℃，且流速極低，換熱器易結垢堵塞，E02處于甲醇制烯烴裝置供水線最末端，資用壓力最低，供水管線管徑為DN100，從主線分支出來后到E03換熱器較遠，因此E03循環水量較小。

建議將供往E03換熱器的循環水管線擴徑到DN200，擴徑后，E03換熱器循環水量增加到105.6t/h，流速達到0.41m/s，較擴徑前有很大的提升；改造后循環水溫升為4.1℃，溫升較為合適；由于改造后流速提高，溫升降低，E03結垢速率會有明顯降低，清洗頻率也可相應減少，增加了運行穩定性。

4.總結

針對某甲醇制烯烴裝置的閉式循環水系統利用模擬軟件SmartCirculating進行系統建模和優化分析，在兩個方面進行了改造。

①調換甲醇制烯烴裝置E01、E02的管殼程流體，運行方式改為一開一備，并關停備開換熱器的循環水。

②將甲醇制烯烴裝置E03的供水管道從DN100擴徑到DN200。改造后，可減少循環水量約2000t/h，為企業帶來了良好的經濟效益，每年可產生經濟效益504萬元，同時E03管線改造后可降低循環水溫升，緩解換熱器結垢和堵塞。優化方法與結果，可為其他化工企業的循環水系統改造提供參考。