工业循环水系统组合节能方法及工业循环水组合节能系统

技术领域

本发明涉及工业循环水系统的节能技术，特别涉及一种工业循环水组合节能系统及工业循环水系统组合节能方法。

背景技术

工业循环水系统是工业企业内大量采用的工艺系统，其能耗往往占据工业用电的20%以上，系统的节能有助于工业企业的节能减排和增强行业竞争力。由于工业循环水系统在设计时难以准确计算管网的阻力和生产工艺的实际需求，致使系统中设计余量很大，根据设计建成的循环水系统不能在最优的工况下运行。同时，随着生产状况的变化、环境的变化、设备状态的变化，使得工业循环水系统经常处于变工况运行状态，人为的手动调节和设备本身的调节能力难以胜任变化的需要，致使系统的运行效率往往很低，能耗较大。为了降低工业循环水系统的能源消耗，除从管理上采取措施做到一定程度的节能外，也有必要采取技术措施做到节能。

但是，目前在工业循环水系统技术节能领域，通常只采用高效泵，或变频调速技术，或水动力冷却塔中的一种节能技术。虽然工业循环水系统具有一定的共性，但要做到尽量多的节能，必须考虑每个工业循环水系统的个性特点。单纯采用某种单项节能技术并不是最优选择，以致有的应用这些技术的工业循环水系统由于不能满足变化的需求和环境而无法做到节能，或有的系统虽有节能效果但节能不彻底，更不持久，仍然存在巨大的节能潜力。

发明内容

本发明的目的在于提供一种工业循环水组合节能系统和方法，用于解决工业循环水系统中，采用单项节能技术导致的工业循环水系统不节能、节能不彻底，节能不持久的难题。

本发明还提供了一种工业循环水系统组合节能方法，包括以下步骤：

步骤一：通过对工业循环水系统的组成设备、工艺需求、设备状态和环境条件的调研，对工业循环水系统进行能效分析，获得各组成设备所需消耗的能量；

步骤二：将各组成设备所需消耗的能量与先进节能循环水系统各部分消耗的能量进行比较，获得该工业循环水系统各组成设备多耗能的数量，即各组成设备的节能潜力；

步骤三：根据各组成设备的节能潜力的分布，初步确定各组成设备中需要使用节能设备的设备组合。

步骤四：对使用节能设备后的工业循环水系统进行能效分析，获得各组成设备所需消耗的能量；

步骤五：对使用节能设备后的工业循环水系统进行节能效益评估，并根据节能效益评估以及投资决策原则确定出优化节能的设备技术组合，形成工业循环水组合节能系统。

一些实施例中，通过对工业循环水系统中的循环泵组、管路段、换热器、冷却塔分别建立以流量和压力为变量的能耗数学模型，将管路布局、用水点的换热需求、回水的冷却需求、先进节能的类似和或模拟系统设备的参数应用到模型中，从而可计算得到所述先进节能循环水系统各部分消耗的能量。

一些实施例中，所述能效分析是指通过对各个组成设备建立能耗数学模型，结合该设备在工业循环水系统中的预期运行状态，模拟其能耗情况，计算出该设备应用后消耗的能量。

一些实施例中，所述节能效益评估是通过计算该项节能设备建成投资，以及投用后产生的节能效果，分析出采用该项节能设备后的投资回收情况和投资效益，为确定不同节能设备技术组合提供决策依据。

本发明还提供了一种工业循环水组合节能系统，包括通过管路依次相连的冷水池、循环泵、换热器和冷却塔，其特征在于，所述循环泵为高效节能泵，所述工业循环水组合节能系统还包括监控单元，所述监控单元用于工业循环水组合节能系统中各组成设备的运行状态监视和管路上设置的阀门的开度控制、高效节能泵的速度控制。

一些实施例中，所述高效节能泵的入口处的管路上设置有吸入管和入口控制阀，所述冷水池内的工业循环水通过所述吸入管和入口控制阀被吸入所述高效节能泵内。

一些实施例中，所述高效节能泵的出口处的管路上设置有止回阀和第一电动控制阀门，所述第一电动控制阀与所述监控单元相连，所述第一电动控制阀门将开度信号上传给所述监控单元，并接受所述监控单元发出的阀门调节指令。

一些实施例中，所述高效节能泵与一变频调速装置相连，所述高效节能泵内设置有电机，所述变频调速装置用于调节所述电机的转速。

一些实施例中，所述变频调节装置与所述监控单元相连，所述监控单元通过所述变频调节装置间接控制所述电机的转速。

一些实施例中，所述换热器的出口处的管路上设置有第二电动控制阀门，且所述第二电动控制阀门与所述监控单元相连，所述监控单元接受所述第二电动控制阀门传输的信号。

一些实施例中，所述第二电动控制阀门上设置有温度传感器，所述温度传感器用于对所述换热器的出水温度进行测量，并将测量到的温度信息传给监控单元。

本发明由于采用以上技术方案，使之与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：

1）本发明提供的工业循环水组合节能系统及工业循环水系统组合节能方法，适用于各种工业循环水系统的节能需求；

2）本发明提供的工业循环水组合节能系统及工业循环水系统组合节能方法，便于以合理的投资做到工业循环水系统的最大化节能；

3）本发明提供的工业循环水组合节能系统及工业循环水系统组合节能方法，能满足不同生产工艺需求并能自适应调节，并能保持设备的正常运行；

4）本发明提供的工业循环水组合节能系统及工业循环水系统组合节能方法，使得工业循环水系统的最大化节能可长期保持。

附图说明

结合附图，通过下文的详细说明，可更清楚地理解本发明的上述及其他特征和优点，其中：

图1为本发明提供的工业循环水组合节能系统的结构设计意图。

符号说明：

1-冷水池

2-入口控制阀

3-高效节能泵

4-止回阀

5-第一电动控制阀门

6-换热器

7-第二电动控制阀门

8-主管路

9-变频调速装置

10-监控单元

11-冷却塔

具体实施方式

参见本发明实施例的附图，下文将更详细地描述本发明。然而，本发明可以以许多不同形式实现，并且不应解释为受在此提出之实施例的限制。相反，提出这些实施例是为了达成充分及完整公开，并且使本技术领域的技术人员完全了解本发明的范围。这些附图中，为清楚起见，可能放大了层及区域的尺寸及相对尺寸。

一般工业循环水系统中，包括有通过管路依次相连的一个冷水池、循环泵组、换热器组、回水热水池、冷却塔，其中循环泵内设置有电机。

本发明提供了一种工业循环水系统组合节能方法, 用于解决工业循环水系统中，采用单项节能技术导致的工业循环水系统不节能、节能不彻底、节能不持久的难题，具体包括以下步骤：

步骤一：通过对工业循环水系统的组成设备、工艺需求、设备状态和环境条件的调研，对工业循环水系统进行能效分析，获得各组成设备所需消耗的能量；

其中，进行能效分析是指通过对各个组成设备建立能耗数学模型，结合该设备在工业循环水系统中的预期运行状态，模拟其能耗情况，计算出该设备应用后消耗的能量的过程。

具体的，对工业循环水系统构成、工艺需求、设备状态和环境条件的调研包括获取水泵设计参数、冷却塔设计参数、系统设计参数、系统当前输出流量、多点的压力、用水点的流量、进出水温度、泵和冷却塔风机运行电流、电压、阀门开度、环境温度、湿度、管路布局、系统运行状况变化、用水工艺节奏等相关资料。

具体的，各个组成设备建立能耗数学模型如下：

循环泵内电机电耗的计算公式为：√3UIcosφ（U：电机运行电压；I：电机运行电流；cosφ：电机功率因数）；循环泵组输出的有效功计算公式为ρgQH（ρ：水的密度；g：重力加速度；Q：泵组体积流量；H：泵组输出扬程）；从而计算出循环泵组的运行效率（百分比）。根据管路段压力损失、换热器压力损失、冷却塔压力损失，结合泵组有效功公式可得到管路段、换热器、冷却塔的能耗，以及冷却塔风机电机的电耗，从而可得到各构成部分的能量消耗占总能耗的百分比。

步骤二，将各组成设备所需消耗的能量与先进节能循环水系统各部分消耗的能量进行比较，获得该工业循环水系统各组成设备多耗能的数量，即各组成设备的节能潜力；

其中，通过对工业循环水系统中的循环泵组、管路段、换热器、冷却塔分别建立以流量和压力为变量的能耗数学模型，将管路布局、用水点的换热需求、回水的冷却需求、先进节能的类似和或模拟系统设备的参数应用到模型中，从而可计算得到先进节能循环水系统各部分消耗的能量。

步骤三，根据各组成设备的节能潜力的分布，初步确定各组成设备中需要使用节能设备的设备组合。

具体的，由识别出的节能潜力的分布，结合组合节能系统的节能设备，如：高效节能泵、高效电机、调速装置、智能调节阀、高效换热器、水动或水电混合动力冷却塔、监控单元，初步确定可选用的两种及以上节能设备的组合。

步骤四，对使用节能设备后的工业循环水系统进行能效分析，获得各组成设备所需消耗的能量；

其中，本步骤中能效分析的方法参考步骤一，此处不再赘述。

步骤五：对使用节能设备后的工业循环水系统进行节能效益评估，根据节能效益评估以及投资决策原则确定出优化节能的设备技术组合，形成工业循环水组合节能系统。

其中，节能效益评估是通过计算该项节能设备建成投资，以及投用后产生的节能效果，分析出采用该项节能设备后的投资回收情况和投资效益，为确定不同节能设备技术组合提供决策依据。

具体的，通过计算初步确定的可选节能设备的建成投资，以及投用后产生的年度节能量和节能金额（由节能量和电单价的乘积得到），再利用技术经济分析得出采用该项节能设备后的投资回收情况和投资效益，由预先确定的投资效益指标计算公式得到投资效益指标值，再根据投资决策原则当该值符合投资要求时，即认为可以投资建设该项节能设备，从而确定出优化节能设备技术组合，形成工业循环水组合节能系统。这些设备通过替换现有设备，如用高效节能泵替换旧的循环泵，用高效电机替换旧电机，或是增加节能设备，如增加智能调节阀、调速装置，进入到该工业循环水系统中，发挥节能作用。其中投资决策原则可根据使用者的具体情况进行设定，此处不作限制。

下面以某一工业水循环系统为具体实施列进行说明，具体如下：

经过现场调研测试发现，一个工业循环水系统某段时间的平均输出流量为1000m³/h，输出压力为0.5Mpa，泵组运行电压为380V，运行电流均为200A，电机功率因数为0.85。管路上的压力损失约为0.15Mpa，三个换热器上的压力损失总共为0.25Mpa，末端上冷却塔压力损失约为0.1Mpa，冷却塔风机运行电压为380V，运行电流为60A，电机功率因数为0.85。

因此，可计算得到整个循环泵组耗电为：

√3*380*200*2*0.85/1000=223.8kW。

再由循环水泵组输出有效功计算公式ρgQH可计算得到循环泵组输出有效功为：

1000*9.81*1000*52/3600/1000=141.7kW。

其中水的密度为1000kg/m³，重力加速度为9.81m/s²，压力折算到扬程约为52m。也即循环泵组消耗的功率为：223.8-141.7=82.1kW。对应于循环泵组的效率为：141.7/223.8=63%。

同样的，由有效功计算公式ρgQH可分别得到管路、换热器、冷却塔的能耗为：43.6kW，73.6kW，24.5kW。由电机电耗公式√3UIcosφ可计算得到冷却塔的耗电为：√3*380*60*0.85/1000=33.6kW。

从而整个循环水系统的消耗功率为：223.8+33.6=257.4kW；

水泵消耗功率占比为：82.1/257.4=32%；

管路消耗功率占比为：43.6/257.4=17%；

换热器消耗功率占比为：73.6/257.4=28%；

冷却塔消耗功率占比为：（24.5+33.6）/257.4=23%。

通过与先进、节能运行的循环水系统进行对标后发现，循环泵组的运行效率可以达到80%，即循环泵上有约17%的节能率。节能运行的管路上压力损失只有约0.14Mpa，即有约7%的节能潜力。同理可确定换热器上的节能潜力约4%，冷却塔上的节能潜力约3%。从而初步确定可以选用高效节能泵（含高效电机）、调速装置、高效换热器、水电混合冷却塔、监控单元五种节能设备组成的工业循环水系统的组合节能系统。

通过能耗数学模型模拟初步确定的、加入到该循环水系统中的五种节能设备的运行能耗，计算出这五种节能设备实际的节能潜力分别为：高效节能泵为13%（含高效电机为1.5%），调速装置为6%，高效换热器为3.5%，水电混合冷却塔为2%，监控单元为3%。而要建成这些节能设备，按高效电机的建成费用为1个单位计算（选为参考的建设费用，用以避免不同阶段建成费用的差异，准确计算建设投资时只需用折算的单位费用与实际单价相乘即可，如水泵建设需要3个单位，则水泵实际建成费用即为3*电机的实际单价），分别需要投资3个，1个，2个，4个，2个，2个单位费用。如果预先确定的投资策略为：可以投资的节能设备是那些节能潜力与投资的比例（设其为收益率指标，这个指标也可以是其它财务指标，它可以随时间和空间变化而人为更改，并不是固定的，只是为做节能投资决策服务的）超过2%的设备。则通过计算发现：高效节能泵收益率为4.3%，高效电机收益率为1.5%，调速装置收益率为3%，高效换热器为0.9%，水电混合冷却塔为1%，监控单元为1.5%。由于调速装置需要根据实际运行状态进行控制，因此还需要增加监控单元，从而可以确定出最终的组合节能系统为由高效节能泵、调速装置和监控单元组成的系统。

根据上述方法，本发明还提供了一种工业循环水组合节能系统，参考图1所示，该工业循环水组合节能系统包括冷水池1、循环泵组、换热器组和冷却塔11，冷水池1、循环泵组、换热器组和冷却塔11之间依次通过管路8相连，实现水循环。

其中，在本实施例中循环泵组包括三个并联的高效节能泵3，高效节能泵3起到节能的效果。该工业循环水组合节能系统还包括监控单元10，监控单元10用于该工业循环水组合节能系统中各组成设备的运行状态监视和管路上设置的阀门的开度控制、高效节能泵的速度控制。

在本实施例中，冷水池1中存放有工业循环水，高效节能泵3的入口处的管路上设置有吸入管和入口控制阀2，冷水池1内的工业循环水通过吸入管和入口控制阀2被吸入高效节能泵3内。高效节能泵3的出口处的管路上设置有止回阀4和第一电动控制阀门5，止回阀4用于防止工业循环水倒流损坏高效节能泵3；第一电动控制阀门5与监控单元10相连，第一电动控制阀门5将开度信号上传给监控单元10，并接受监控单元10发出的阀门调节指令。

在本实施例中，高效节能泵3内设置有电机，且高效节能泵3与一变频调速装置9相连，变频调速装置9用于调节电机的转速。变频调速装置9与监控单元10相连，监控单元10对高效节能泵3进行监控的同时，还对变频调速装置9发出控制指令，通过变频调速装置9传递给高效节能泵，从而控制高效节能泵的转速。

在本实施例中，换热器组包括三个并联的换热器6，且设置于管路上需要冷却的设备处，经过换热器换热后的工业循环水直接上冷却塔11。其中，换热器6的出口处的管路上设置有第二电动控制阀门7，且第二电动控制阀门7与监控单元10相连；第二电动控制阀门7上设置有温度传感器，温度传感器用于对换热器6的出水温度进行测量，并将测量到的温度信息传给监控单元10；监控单元10接收第二电动控制阀门7处出水温度信息，并将该温度信息进行保存、分析处理。

该工业循环水系统的运行过程为如下：

工业循环水在冷水池1中通过吸入管和入口控制阀2被吸入高效节能泵3内，变频调速装置9的控制下电机驱动高效节能泵3，循环水由高效节能泵3升压后经过泵出口止回阀4和第一电动控制阀门5后进入主管路8；工业循环水流经主管路8上在需要冷却的设备处设置的一套换热装置6，经过换热后的循环水直接上冷却塔，进行冷却；冷却后的循环水又回到冷水池1中，从而形成了整个工业循环水系统。

监控单元10接收第二电动控制阀门7处出水温度信息，并对该温度信息进行分析。若所了解的工艺需求为该工业循环水系统的出水温度不得超过33℃，当出水温度只有25℃，且现场环境温度也较低时，说明送水量有一定富余，可以减少一定的水量做到节能。则监控单元10经过分析发出控制指令给变频调速装置9，通过变频调速装置9传递给高效节能泵3，从而降低高效节能泵3的转速，降低其能耗，从而做到整个循环水系统的节能运行。通过一段时间的运行后，监控单元10收集了足够多的运行数据后，就可以做到根据变化的工艺需求，自动确定组合节能系统能最大化节能运行的调整参数，再通过调节就能做到工业循环水系统的持续最大化节能。该系统通过不断的闭环自动调节可以做到进一步节能。

本发明提供的工业循环水组合节能系统，引入监控单元通过自动调节和/或自适应控制实现节能效果，确保工业循环水系统处于长期持续最大化节能状态。其中，自动调节是根据主生产工艺对该工业循环水系统的需求变化，通过实时采集变化的参数，及时调整高效节能泵的运行频率、智能调节阀的开度，以满足该种变化的需求并确保该系统处于正常、节能运行。自适应控制是通过分析实时采集的参数，预测分析生产工艺的需求和整个系统的能耗状态，确定出最大化节能的控制参数：高效节能泵的运行频率、智能调节阀的开度，通过调整，做到在满足生产工艺需求的同时，系统处于最大化节能状态，从而实现该系统的长期持续最大化节能。

综上所述，本发明提供了一种工业循环水系统组合节能方法，首先通过充分调研工业循环水系统构成、工艺需求、设备状态和环境条件建立该系统的能量消耗模型，评估出各个组成部分消耗的能量；通过与先进、节能运行的类似和或模拟系统进行比较，找出该工业循环水系统各构成部件多耗能的数量；初步确定可选用的节能组合；再模拟该些设备在该循环水系统的预期运行状态，模拟其能耗情况，计算出该设备应用后取得的节能效果；同时计算该项节能设备的建成投资，分析出采用该种节能设备后的投资回收情况和投资效益；再根据投资决策原则确定出优化节能的设备技术组合，形成工业循环水组合节能系统。本发明还提供了一种工业循环水组合节能系统，包括通过管路依次相连的冷水池、循环泵、换热器和冷却塔，循环泵为高效节能泵；该系统还包括监控单元，用于该工业循环水组合节能系统中各组成设备的运行状态监视和管路上设置的阀门的开度控制、高效节能泵的速度控制。

本技术领域的技术人员应理解，本发明可以以许多其他具体形式实现而不脱离本发明的精神或范围。尽管已描述了本发明的实施例，应理解本发明不应限制为这些实施例，本技术领域的技术人员可如所附权利要求书界定的本发明精神和范围之内作出变化和修改。