循環(huán)水系統(tǒng)智慧運行關(guān)鍵技術(shù)及應用

循環(huán)水系統(tǒng)智慧運行關(guān)鍵技術(shù)及應用摘要：當今社會，能源短缺已經(jīng)引起了社會、政府和企業(yè)的高度重視，尤其是在高速發(fā)展的中國。許多石化、冶金企業(yè)也是典型的高能耗企業(yè)，降低能耗是為企業(yè)提高效率、節(jié)約成本，也是企業(yè)管理水平的體現(xiàn)。目前我國循環(huán)水系統(tǒng)行業(yè)還沒有指定主管部門和協(xié)會，不同廠家的標準差異較大。此外，專業(yè)性互動性較低，很少有企業(yè)對循環(huán)水系統(tǒng)節(jié)能進行系統(tǒng)研究，導致使用循環(huán)水系統(tǒng)的企業(yè)運營成本過高，浪費大量能源。這些問題在現(xiàn)在許多企業(yè)也是不可避免的，主要表現(xiàn)在電機效率低、實際輸出軸功率低、冷卻塔風機轉(zhuǎn)速恒定不變。泵機組整體運行效率低，系統(tǒng)損耗過大。另一方面，隨著循環(huán)水系統(tǒng)運行，水質(zhì)變差會造成水垢、污垢、微生物粘泥等附著在管道系統(tǒng)內(nèi)，影響換熱效率等。關(guān)鍵詞:冷卻塔風機；節(jié)能；變頻、飄水率、旁濾器、加藥裝置、優(yōu)化運行；引言化工、冶金企業(yè)生產(chǎn)中存在大量高溫設備，需要通過水熱交換進行冷卻。企業(yè)既要保證高溫設備的正常運行，又要節(jié)約水資源，需要將換熱后的水作為循環(huán)冷卻水循環(huán)使用。為了保證循環(huán)冷卻水的冷卻效果，循環(huán)冷卻塔是重要的冷卻設備之一，在工業(yè)生產(chǎn)中廣泛采用電機驅(qū)動風機冷卻的形式。許多企業(yè)安裝的循環(huán)冷卻塔有幾十座甚至上百座，每年耗電量相當巨大。近年來，受國家節(jié)能要求和企業(yè)精細化發(fā)展的影響，各企業(yè)越來越重視循環(huán)水的節(jié)能運行，不少企業(yè)對冷卻塔、水泵等循環(huán)水系統(tǒng)設備進行節(jié)能改造。循環(huán)水系統(tǒng)（一）冷卻塔冷卻塔塔體一般由上、中、下組成，其內(nèi)部構(gòu)造由上至下為風機、收（除）水器、配水系統(tǒng)、淋水填料、進風窗、底盤（或水池）組成。下面是各部分結(jié)構(gòu)。1、淋水填料淋水填料是熱水在塔內(nèi)進行冷卻的主要部件，需要冷卻的熱水經(jīng)多次濺散成水滴或形成水膜，增加水與空氣的接觸面積和延長接觸時間，促使熱水與空氣進行熱交換，使水得到冷卻。2、配水系統(tǒng)配水系統(tǒng)的作用是將熱水均勻地分布在整個填料上，熱水分布是否均勻，對冷卻效果影響很大。3、通風設備在機械通風冷卻塔的上塔體風筒內(nèi)，設置用電機帶動的風機，利用風機轉(zhuǎn)動產(chǎn)生設計的空氣流量，以保證足夠的空氣與水進行熱交換，達到冷卻效果。4、空氣分配裝置空氣分配裝置是指進風口、百葉窗及導風板等，目的是引導空氣均勻地分布于冷卻塔的整個截面上，不使空氣在塔內(nèi)產(chǎn)生不均及渦流、回流等，保證水與空氣均勻地接觸。5、通風筒通風筒的作用是創(chuàng)造良好的空氣動力條件，減少通風阻力，把排出冷卻塔的濕熱空氣送入高空，防止或減少濕熱空氣回流。機械通風冷卻塔的通風筒又簡稱風筒，目前基本上均用玻璃鋼制作。風筒式自然通風冷卻塔的通風筒，直徑大而高起通風和把濕空氣送往高空的作用，用鋼筋混凝土澆筑而成。6、除（收）水器將要排出塔外的濕空氣中所攜帶的水滴，在塔內(nèi)利用收水器把水滴與空氣分離，減少逸出水量的損失和對周圍環(huán)境的影響。7、塔體塔體指冷卻塔的外殼體，機械通風冷卻塔和風筒式自然通風冷卻塔的塔體是封閉的，其作用是起到支承、圍護和組織合適的氣流功能；開放式冷卻塔的塔體沿塔高做成開敞的，使空氣自然進入塔內(nèi)。8、集水池設在冷卻塔下部，匯集多臺塔從淋水填料落下來的冷卻水。集水池具有一定的容積，有時還起調(diào)節(jié)水量的作用。（二）過濾器（旁濾）循環(huán)水系統(tǒng)過濾器一般采用多介質(zhì)過濾器、淺層砂過濾器和纖維過濾器，工作原理：利用深層介質(zhì)，能有效去除顆粒物和降低濁度。若裝上特定的濾料，例如活性炭、沸石等，還可以吸附去掉相應的有機物、離子等。系統(tǒng)中的流化裝置（底部排水裝置）能流化過濾介質(zhì)，清除被截留在介質(zhì)上的污染物，并將其排出，得到徹底清洗。過濾系統(tǒng)的反洗系統(tǒng)有手動和全自動兩種方式，分別可通過手動按鈕、PLC、壓力差進行啟動。系統(tǒng)內(nèi)部有一個計時器，通過這個計時器可以為特定的工藝情況設定最佳反洗時間。通過設計特別的控制器，可以實現(xiàn)集中或遠程等高要求的控制。（三）加藥裝置成套加藥裝置是是由計量泵、溶液箱、控制系統(tǒng)、管路及閥門等組件安裝在同一底座上，實現(xiàn)藥液溶配、計量投加功能。循環(huán)水加藥裝置有殺菌劑加藥裝置、緩蝕劑加藥裝置、調(diào)節(jié)PH值加酸(堿)裝置以及阻垢劑加藥裝置等。按其形式分兩泵兩箱、多泵多箱等。通過PLC控制能實現(xiàn)自動加藥功能。二、飄水率飄水率是冷卻塔節(jié)水性能的重要指標，飄水率大意味著冷卻塔耗水量多。冷卻塔的水損失包括三部分：蒸發(fā)水量損失、風吹飄水損失以及排污損失。蒸發(fā)水量損失是冷卻塔不可避免的損失,而排污損失相對來說比較少，節(jié)水主要體現(xiàn)在減少飄水損失。飄水率是單位時間內(nèi)的飄水量(質(zhì)量流量,單位kg/h)與進塔冷卻水流量(質(zhì)量流量,單位kg/h)之比。安裝除水器是減少飄水的措施之一，但同時會增加整塔的阻力,導致能耗上升,降低冷卻塔的冷卻能力。飄水率較高時冷卻塔的補水量較多,而且已經(jīng)被冷卻的部分水滴被帶走會造成換熱效率的下降。另外還應包括水滴落在填料上時飛濺到冷卻外的損耗部分。冷卻塔漂水損失通常為1~2%。建議購買達到國家節(jié)水認可的冷卻塔。冷卻塔漂水解決方式：1、加大風機葉片寬度,降低風機轉(zhuǎn)速,從而緩解冷卻塔漂水損失。2、要增加自然重力布水噴頭以及在填料與布水池之間增加擋水部件,進而改進冷卻塔布水方式。3、換轉(zhuǎn)頭，清理灑水管，如果是水泵壓力過大導致就直接換合適的水泵。4、改造冷卻塔淋水填料,在原填料基礎上增加填料的進、出風部分收水結(jié)構(gòu)，使填料水大限度經(jīng)折向后回流,減少風機帶走的水量。當飄水率在循環(huán)水量的2%-5%,在冷卻塔運行的時候,可看到冷卻塔噴灑出很多小水珠，像白霧一樣，說明冷卻塔漂水相當嚴重。循環(huán)水冷卻塔運行原理1、循環(huán)冷卻水運行原理裝置換熱后的高溫熱水，大部分經(jīng)回水管網(wǎng)送往冷卻塔濕段，由布水管道噴淋到塔內(nèi)填料上，在填料間通道內(nèi)，水形成很薄的水膜或濺散成細小的水滴，從上而下流動，有2%~3%的高溫熱水則進入旁濾進行過濾，以降低循環(huán)水中的懸浮物（SS）和濁度，過濾后的循環(huán)水進入吸水池。冷空氣則由塔底的百葉窗進入塔內(nèi)，并被塔頂風機抽吸上升，與落下的水滴和填料上的水膜相遇進行熱交換，水滴和水膜則在下降過程中逐漸變冷，冷卻后的循環(huán)水匯集在塔底水池，最后由循環(huán)水泵送至各裝置換熱器，如此往復。2、循環(huán)冷卻水補水量循環(huán)水系統(tǒng)隨著系統(tǒng)運行時間增長，系統(tǒng)水量將會由于蒸發(fā)損失、風吹損失而減少。并且隨著系統(tǒng)運行，循環(huán)水內(nèi)微生物、管道銹蝕及外界粉塵污染物都會增加，由此引起系統(tǒng)水質(zhì)濃度變大。當水質(zhì)惡化到一定程度時，為維持一定濃縮倍數(shù)(一般控制為2～5)，將不得不排放掉一部分高濃度循環(huán)水。所以，循環(huán)水系統(tǒng)需要定期補充新鮮水。補水量按蒸發(fā)損失率、風吹損失率及排污損失確定。蒸發(fā)損失率P1=kΔt，k為蒸發(fā)損失系數(shù)，當進塔大氣溫度為30℃～40℃時，k=0．0015～0．0016，設Δt=10℃，則P1可取為1．5%。風吹損失P2可取為0．2%～0．5%［3］。排污損失P3=P1/(N－1)，取N=4時，則P3=1．5%/(4－1)=0．5%。系統(tǒng)的補充水量可按下式計算:Qm=Qr×（P1+P2+P3）其中，Qm為補充水量，m3/h;Qr為循環(huán)冷卻水量，m3/h。四、存在問題1、循環(huán)水冷卻塔是按照環(huán)境氣溫高時滿負荷運轉(zhuǎn)設計的，氣溫高時風機轉(zhuǎn)速高可以滿足生產(chǎn)需要。當氣溫低時，風機還是按照這樣轉(zhuǎn)速運轉(zhuǎn)，會造成電力的浪費，同時因為風機轉(zhuǎn)速高飄水率高，也會造成水資源的浪費。2、循環(huán)水冷卻塔使用時間過長，噴頭堵塞，填料破損、堵塞會造成布水不均勻，氣水比減小，達不到降溫效果。3、循環(huán)水泵選型不合適，揚程過高或流量過大，水泵運行不在最佳性能曲線，造成電力浪費。4、循環(huán)水在運行過程中會出現(xiàn)以下水質(zhì)問題（1）水垢：由于循環(huán)水在冷卻過程中不斷地蒸發(fā)，使水中含鹽濃度不斷增高，超過某些鹽類的溶解度而沉淀。常見的有碳酸鈣、磷酸鈣、硅酸鎂等垢。水垢的質(zhì)地比較致密，大大的降低了傳熱效率，0.6毫米的垢厚就使傳熱系數(shù)降低了20%。

（2）污垢：污垢主要由水中的有機物、微生物菌落和分泌物、泥沙、粉塵等構(gòu)成，垢的質(zhì)地松軟，不僅降低傳熱效率而且還引起垢下腐蝕，縮短設備使用壽命。

（3）腐蝕：循環(huán)水對換熱設備的腐蝕，主要是電化腐蝕，產(chǎn)生的原因有設備制造缺陷、水中充足的氧氣、水中腐蝕性離子（Cl-、Fe2+、Cu2+）以及微生物分泌的黏液所生成的污垢等因素，腐蝕的后果十分嚴重，不加控制極短的時間即使換熱器、輸水管路設備報廢。

（4）微生物粘泥：因為循環(huán)水中溶有充足的氧氣、合適的溫度及富養(yǎng)條件，很適合微生物的生長繁殖，如不及時控制將迅速導致水質(zhì)惡化、發(fā)臭、變黑，冷卻塔大量黏垢沉積甚至堵塞，冷卻散熱效果大幅下降，設備腐蝕加劇。因此循環(huán)水處理必須控制微生物的繁殖。五、循環(huán)水系統(tǒng)智慧運行關(guān)鍵技術(shù)及應用1、根據(jù)循環(huán)水風機電機功率，選用變頻器，與循環(huán)水供水溫度連鎖，設定供水溫度在28℃左右，當環(huán)境溫度低時，供水溫度降低，電機轉(zhuǎn)速降低，風機轉(zhuǎn)速隨之降低，節(jié)約電力。因風機轉(zhuǎn)速降低，隨之飄水率降低，節(jié)約用水。2、為了進一步改善固定布水器布水效果，在改造噴頭數(shù)量上本著“數(shù)量要少，噴水要均勻”的原則。噴頭數(shù)量少，便于安裝和檢修，可以節(jié)約安裝費用，便于維護。固定布水器布水要均勻，要求噴射面范圍要大，能夠全覆蓋循環(huán)冷卻塔填料表面，在噴頭的選取上采用了高效節(jié)能防堵塞的螺旋形噴嘴。螺旋形噴嘴具有特點:1)高能量效率。螺旋形噴嘴在流量相同的情況下，安裝水量遠少于普通噴嘴。2)細密霧化效果好。在液體進入噴嘴過程中，不會受到噴嘴管壁阻礙，噴嘴的噴流速率高，具有較好的霧化效果，更為節(jié)能。3)防堵塞。獨特的無管壁阻礙結(jié)構(gòu)，比普通噴嘴更為通暢，有效避免噴嘴堵塞現(xiàn)象的發(fā)生。4)噴嘴覆蓋范圍改善。螺旋噴嘴具有50°到180°的噴霧角度，比普通噴嘴噴霧角度范圍更大，覆蓋范圍更廣。3、填料一般選用的是PVC材質(zhì)，使用時間過長會出現(xiàn)老化、破損及部分堵塞，影響換熱效果，及時檢查填料，并對填料進行更換是節(jié)能的必要措施。4、根據(jù)水泵的運行的性能曲線，對水泵進行更換，使之在最佳的性能曲線上運行，據(jù)統(tǒng)計，一般對水泵進行節(jié)能改造后，每年能節(jié)省電費15~20%。5、選用多介質(zhì)過濾器、纖維過濾器、高效淺層砂過濾器作為循環(huán)水旁濾器，過濾水量為循環(huán)水量的5~8%，過濾水中的懸浮物、藻類等雜質(zhì)，根據(jù)過濾時間、過濾器前后壓力差自動進行反洗，提高循環(huán)水的使用時間，減少補水水量。6、定時監(jiān)測循環(huán)水質(zhì)，根據(jù)水質(zhì)選用各種藥劑。選用溶解氧阻垢緩蝕劑，主要應用于脫鹽水或易腐蝕性水質(zhì)作為補水的各種敞開式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)，是一類綜合性能優(yōu)良的阻垢緩蝕劑。對碳鋼、不銹鋼和銅材具有良好的緩蝕效果，分散阻垢性能優(yōu)越，高溫下不易分解，對溫度、水質(zhì)條件適應范圍寬，適用性強。長期使用可延長設備使用壽命，保循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的正常運行。非氧化殺菌滅藻劑是通過斷開細菌和藻類蛋白質(zhì)的鍵而起殺生作用的。非氧化殺菌滅藻劑與微生物接觸后，能迅速地不可逆地抑制其生長，從而導致微生物細胞的死亡，故對常見細菌、真菌、藻類等具有很強的抑制和殺滅作用。非氧化殺菌劑和10%的次氯酸鈉溶液交替使用，可以降低細菌、真菌、藻類的耐藥性，提高殺菌效果，每半月交替使用。根據(jù)水質(zhì)PH值，加入酸堿及時調(diào)整，能有效降低循環(huán)水系統(tǒng)的結(jié)垢及腐蝕。六、結(jié)論及建議對于冷卻系統(tǒng)風機變頻調(diào)速系統(tǒng)，冷卻塔智能運行系統(tǒng)根據(jù)冷卻塔特性及水熱平衡原理，按照與風機相似的規(guī)律設計，運行良好，設定值在早晚溫差大的其他季節(jié)和地區(qū)的節(jié)電效果會更加明顯。本系統(tǒng)還將繼續(xù)優(yōu)化和改進，以確保設備的生產(chǎn)安全為限，進一步優(yōu)化風機轉(zhuǎn)速、風機起動臺數(shù)和溫度、生產(chǎn)、回水溫度、輸出調(diào)節(jié)溫度的自動搜索算法，以進一步降低能耗。循環(huán)水系統(tǒng)通過以上方法改進，可以有效的降低用電量，用水量，同時提高換熱效率，有效的降低生產(chǎn)成本。參考文獻鄧鳴.工業(yè)冷卻循環(huán)水系統(tǒng)的節(jié)能優(yōu)化改進[J].科技創(chuàng)新導報,2019,16(33):89+91.[2]張建偉.循環(huán)水冷卻塔風機水能驅(qū)動節(jié)能改造小結(jié)[J].中氮肥,2019(06):58-61.[3]高為,周宇昊,張心羽,王彧斐.循環(huán)水系統(tǒng)多周期優(yōu)化方法研究[J].計算機與應用化學,2019,36(05):513-518.[4]張宇.空濕冷機組循環(huán)水耦