基于数学模型的大型工业循环水系统节能优化研究

＊张海荣 韩鹤 赵海明 黎曦

（1.中煤陕西榆林能源化工有限公司 陕西 719000 2.北京清大五环节能技术有限公司 北京 101200）

循环水系统是一项常见的公用工程系统，主要是热量交换、热量转移的作用，是整个装置最重要的系统之一，同时也是耗水量最大的部分。目前煤化工企业的循环水系统多采用并联序列的换热器进行冷却降温，冷却水都只使用一次后通过主管回冷却塔冷却。通过对各流股的温度和流量进行优化匹配，可以有效降低循环冷却水用水量，并降低循环泵的电耗，在煤化工行业中是不可或缺的。我国煤炭资源和水资源分布的地理位置不匹配，水资源是制约煤化工产业发展的问题之一。在此背景下，大型煤化工项目通过采取节水措施，减少取水量，这是提高经济效益的必然选择。据统计，循环水系统的耗电量约占企业总耗电量的20%～30%。因此，研究如何降低循环水系统的电耗对企业有着重要的意义。在循环水系统中两个最大的耗电部分是循环水泵和冷却塔风机，两者约占循环水系统能耗的70%和25%。因此循环水系统节能重点是降低循环水泵和冷却风机用电，尤其是可以降低循环水泵流量和扬程，可大幅降低循环水系统的电耗，取得节电效果。

1.循环水系统目前存在的问题

不同工业企业装置的循环水系统存在的问题各不相同，主要问题有设备问题和系统间不匹配导致循环水量不足、排污控制、蒸发损失大、排污损失大、浓缩倍数控制等问题，对于设备问题的解决，第一是设备的自身设计结构的优化，这类优化对象更偏向于单个设备，我们对系统的优化要更关注整体。第二就是设备所用的技术优化。近年来，泵和风机使用变频技等诸如此类的优化越发成熟。对于单个换热器的效率优化已经非常成熟。韩潇等[1]对陕西渭河煤化工集团某一期装置的循环水系统进行分析，指出系统存在机泵效率较低、水泵特征曲线和系统最优需求曲线不匹配、管网流阻较大、冷却塔处理能力富裕量较大、循环水流量可优化等问题，同时对症下药给出了相应的解决办法，通过更换高效电机、高效风机等措施实现了经济效益和社会效益。刘滨滨等[2]对理论上影响浓缩倍数的因素进行了全面地分析，并给出了提高循环水浓缩倍数的具体措施。总之，在常见涉及设备等问题的优化上，解决方案已经比较成熟。

近年来，随着政府节能减排政策的执行落实，工业上对于节水节能意识增强。受环保压力和工厂位置的限制，现在绝大多数化工生产企业均采用循环冷却水系统，冷却水管网耗水情况为冷却管网的补充水量，约占总管网水量的0.5%～10%[3]，但在老旧厂区的的循环冷却水工程设计中，受制于年代以及技术不足的影响，很多企业的循环冷却水管网系统设计粗放，整体设计值裕量过大，在满足冷却物料温度要求时水耗过多，不符合节水政策要求[4]；此外部分厂区设计不合理，管线内部水压情况不明，多平衡管段；厂区维修不到位，管线结垢、腐蚀等，换热设备缺乏定期停车维修[5]，导致实际的热交换效率低下，循环管路系统设计水量合理，但实际运行过程中经年累月导致运行工况与实际工况取用水偏差巨大；且厂区部分工段循环水冷却水量不足情况下，其他工段又存在严重跑水、漏水等浪费的现象，部分工段工业冷却水循环利用率仅为52%，供水管道和用水设备“跑、冒、滴、漏”现象普遍，取水量逐年上升，浪费和漏失的水量高于设计量的15%，因循环水量不足导致整个厂区无法满负荷运行。

文献调研未发现用软件模拟循环水系统工况的相关报道，因此，综合应用循环水力管线、阀门、循环水泵工作点、换热设备压降计算以及Smart Circulating工况仿真模拟等手段，针对循环冷却水系统水力失调问题进行优化计算的方式非常必要，通过软件模拟和分析，可在循环水量相同情况下，使冷量配置更加均匀合理，满足厂区的生产要求，同时优化后系统运行水量的下降在一定程度上减少了泵的功率和冷却塔风机的功率，可达到既节水又节电的目的。

2.模型建立原理

循环冷却水系统由换热设备（换热器、冷凝器），冷却设备（如冷却塔、空气冷却器等），水泵，管道和其他有关设备组成，主要分析管线阀门、水泵以及换热设备的水力工况情况。使用的软件Smart Circulating建模原理如下。

(1)管线水力工况计算基础

分析水力工况变化的依据是水力计算，使系统中各管段的水流量符合设计要求，保证各个流进换热设备的水流量符合要求，应该对管路进行水力计算。

当流体沿供水管网管道流动时，由于流体分子与其管壁间的摩擦，流体损失能量；当流体流过管道的部分附件（诸如阀门、弯头、三通等）时，由于流动速度或流动方向的改变，产生局部旋涡与撞击，流体也会损失能量，前者称为沿程损失，后者称为局部损失，故而，循环冷却水管网系统中对于管段压力计算的公式，可以用式（1）简要表示。

ΔP=ΔPy+ΔPj=RL+ΔPj（1）

式中，ΔP—管段计算的压力损失，Pa；ΔPy—管段的沿程损失计算，Pa；ΔPj—管段的局部损失计算，Pa；R—每米管长的沿程损失，Pa/m；L—整体管线的总长度，m。

(2)管网系统水力工况计算基础

系统水力工况计算主要有两个重要参数，分别为管路阻力特性系数与管网的阻力数与导通数，分别计算如下：

在循环冷却水管网中，水的流动状态大多处于阻力平方区，此时的摩擦系数值的计算公式为（2）：

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

式中，

G—管网中管道内冷却水流量，m3/h；

s—管网中管道阻力特性系数又称阻力数，Pa/(m3/h)2。

由上式可知，管道的阻力特性系数s只与管道的管段直径d、长度L、管壁内壁当量绝对粗糙度K以及管段局部阻力当量长度Ld有关，管网各管段的阻力数s仅取决于管段本身，并不随流量变化。

管网的阻力数与导通数是在管网的串并联管段中进行讨论说明的，在串联管段中，管网的总阻力数为各串联管段阻力数之和，即公式（4）：

式中，

Sch—管网中串联管道总阻力数，Pa/(m3/h)2；

s1,s2,s3—管网中各串联管路的阻力数，Pa/(m3/h)2。

在并联管道中，其导通数为各并联管道导通数之和，即公式（5）：

式中，

a1,a2,a3—管网中各并联管路的导通数；

s1,s2,s3—管网中各并联管路的阻力数，Pa/(m3/h)2；

G1,G2,G3—管网中各并联管路的冷却水流量，m3/h。

根据上述公式可得，无论是串联还是并联管路，管段的阻力数增大或变小时，整个热网的总阻力数会随之增大或减少，并联管段间的流量分配取决于并联管段导通数的比值。

(3)循环水泵水力工况计算基础

循环水泵运行方式的调节主要是通过对水泵、管路的调节，改变水泵运行工况点的位置，使流量、扬程、轴功率等运行参数适应新的工作状况的需要。水泵的工况点是由性能曲线和装置性能曲线的交点确定的。所以只要这两条线发生改变或是交点发生变化后，泵的工作点即发生位移，所以对泵的运行调节主要是对性能曲线和装置的性能曲线进行调节[6]。

泵的计算模型主要为泵机效率以及伯努利方程构成，由式（6）～（7）所示。

泵的特性曲线上每一点代表一个工况，对应一组参数（H、Q、N、η、NPSH）。当水泵运行时在特性曲线上哪一点工作，这是由泵的特性曲线和装置特性曲线（需要扬程曲线）确定的。

本文采用数值求解方法对水泵工况点进行分析，数值求解法就是求水泵的Q～H方程与装置特性曲线的交点，即公式（8）～（9）：

式中，

Hst—管网中水泵净扬程，m；

k—综合管路系数。

上式中未知参数a、b、c是和水泵有关的常数，可通过厂家所提供的Q～H曲线求解或通过所选定的点进行曲线拟合获得多项式求解。

循环水泵为多泵并联时，假设泵的流量与多台泵并联运行的流量相同，扬程与多台泵并联运行相等，此泵称为并联当量泵；同理对于串联水泵，也可采用当量泵的等效计算进行求解。

并联操作时，扬程不变，流量为所有并联水泵流量之和；串联操作时，当量泵的流量不变，扬程为所有串联水泵之和。

(4)管壳式换热器压降计算基础

在过程工业中使用了许多类型的传热设备。到目前为止，最常用的是管壳式换热器。本文中假设所有换热器均采用管壳式换热器。在换热器网络设计的概念阶段，管壳式换热器的传热系数和压降的计算应尽可能少的依赖于详细的几何结构。但是，必须对几何图形进行一些假设，用以方便公式计算。

①管径

使用标准尺寸，但标准不常用。一般尺寸为do=20mm，di=16mm；do=25mm，di=19.8mm。

②管长

标准管长度是首选，但同样，标准不是常用的。但是，原则上可以使用任何长度的管子。管子的工作长度比安装在其上的管板所占用的长度略短。在初步设计阶段，两个管板的公差为0.05m是合理的假设。管道长度的选择是由设计师决定的自由度。同样的换热面积可以用小直径长壳中的少量长管或大直径短壳中的大量短管来获得。管长与壳体直径之比通常在5到10之间。

③管距

管距（Pt）是相邻管之间的中心距，通常为1.25do。

④管道布置

管道可以是方形或三角形配置，如图1所示。方形结构用于污染流体，为机械清洗提供通道。清洗通道应连续穿过整个管束。三角形配置仅限于非污染流体，因为机械清洗更困难。但是，对于给定的管距，在给定的外壳直径下，三角形配置可以排列更多的管道。

图1 方形管道配置与三角形管道配置示意图

⑤折流板切口

折流板用于引导流体流过管道。折流板切口是指为了形成折流板而移除的部分的高度，它是折流板直径的一部分。使用0.15至0.45的折流板切口。在概念设计中，假设值为0.25。

(5)管壳式换热器水力工况计算基础

在过程工业中使用了许多类型的传热设备。到目前为止，最常用的是管壳式换热器。对于管壳式换热器，管程与壳程压降不同，应分开进行计算，此外由于换热设备中传热系数和压降都与速度有关。因此，可以用速度作为两者之间的桥梁来推导传热系数、压力降和表面积之间的关系。

①管程压降计算，即公式（10）。

式中，

ΔPT—管网中管程压降，Pa；

NpT—管程换热管束数目；

ρ—循环冷却水密度，kg/m3；

A—换热面积，m2；

C—常数，对于气体取0.021，非粘滞流体取0.023，粘滞流体取0.027；

di—管程管内壁直径，m；

do—管程管外壁直径，m。

②壳程压降计算，即公式（11）。

式中，

ΔPs—管网中壳程压降，Pa；

KpT—管程换热管束数目；

ρ—循环冷却水密度，kg/m3；

A—换热面积，m2；

C—常数，对于气体取0.021，非粘滞流体取0.023，粘滞流体取0.027。

3.建模及优化

根据收集到的设备参数和结构参数，以清大五环循环水系统模拟优化软件（SmartCirculating）为平台，绘制循环水系统流程图，然后输入设备参数和管线结构参数，完成循环水系统设备和管网系统的模型。该模型可以作循环水系统水力、传热的计算，计算出管网上任何位置的循环水流量、流速、压力、压降、温度、温降，管线的散热量、表面温度以及换热器管程和壳程传热系数、总传热系数、管程和壳程压降、流速、换热器冷却负荷等。

根据模型模拟结果，通过对某甲醇制烯烃装置内循环水换热器进行分析，以下换热器运行不合理，有优化空间。对装置内换热器优化如下：

（1）E01A/B原设计为污水汽提塔顶冷凝器，目前用于排污急冷水冷却，一开一备运行，排污急冷水量约为50t/h，要求冷却到40℃以下。两个换热器结构参数一致，E01A只通过循环水，无冷却任务，通过模型模拟，循环水走管程，流速1.84m/s，流速快，不易结垢；循环水流量太大，温差仅有2.3～2.6℃；壳程流速仅有0.05m/s，流速过慢，易结垢，且由于壳程结构原因，会有很多淤积，壳程清洗困难，检修和维护需将管道全部取下来冲洗，清洗较麻烦。

建议将E01A/B换热器管壳程管线互换，改造后急冷水走管程，循环水走壳程，同时改造后备开的换热器可完全关闭循环水阀门，管壳程调换后，循环水走壳程，流量提高到1285.8t/h，流速为1.17m/s，流速适中，温升为2.0℃；急冷水走管程，流量50t/h，流速为0.07m/s，和改造前变化不大；改造后在刚清洗完可调节阀门，将循环水流量控制在534.4t/h，壳程流速为0.5m/s，温升达到4.7℃，比不控制流量上升了2.7℃，同时，由于排污急冷水走管程，检修或清洗时只需要对换热管冲洗，减少了检修工作量，同时关停备开换热器循环水阀门。改造后关停备开换热器阀门可节省循环水1200.0t/h，全年效益约为302.4万元。

（2）E02A/B和E02C是净化水冷却器，正常运行工况下E02A和E02B既可串联运行，也可并联运行，和E02C都并联运行，净化水正常运行流量约为170t/h，要求冷却到40℃以下。根据模拟，建议同样将E02三个换热器管壳程管线互换，改造后净化水走管程，循环水走壳程，同时改造后备开的换热器可完成关闭循环水阀门，经模拟计算，改造后三台换热器可一开一备一清洗运行，并关停备开和清洗换热器循环水阀门，关停阀门可节省循环水800.0t/h，全年效益约为201.6万元。

（3）E03A和E03B是甲醇废水冷却器，甲醇废水流量6.0t/h，温度96.7℃，并联一开一备运行。通过模型模拟，循环水走壳程，流速约为0.08m/s左右，极慢，易结垢，E03换热器是整个甲醇制烯烃装置循环水侧温升最高的换热器，温升超过18℃，且流速极低，换热器易结垢堵塞，E02处于甲醇制烯烃装置供水线最末端，资用压力最低，供水管线管径为DN100，从主线分支出来后到E03换热器较远，因此E03循环水量较小。

建议将供往E03换热器的循环水管线扩径到DN200，扩径后，E03换热器循环水量增加到105.6t/h，流速达到0.41m/s，较扩径前有很大的提升；改造后循环水温升为4.1℃，温升较为合适；由于改造后流速提高，温升降低，E03结垢速率会有明显降低，清洗频率也可相应减少，增加了运行稳定性。

4.总结

针对某甲醇制烯烃装置的闭式循环水系统利用模拟软件SmartCirculating进行系统建模和优化分析，在两个方面进行了改造。

①调换甲醇制烯烃装置E01、E02的管壳程流体，运行方式改为一开一备，并关停备开换热器的循环水。

②将甲醇制烯烃装置E03的供水管道从DN100扩径到DN200。改造后，可减少循环水量约2000t/h，为企业带来了良好的经济效益，每年可产生经济效益504万元，同时E03管线改造后可降低循环水温升，缓解换热器结垢和堵塞。优化方法与结果，可为其他化工企业的循环水系统改造提供参考。