循環水節能方案匯總
前 言
在工業企業、樓宇中央空調中，循環水的使用都相當普遍。循環水的主要功能在于將生產設備、制冷設備的熱量換出并釋放，其工作的流程一般都不復雜，主要是先將冷水輸送到被冷卻的設備，循環過程中將熱量帶出來，并輸送到冷卻塔散熱，將水溫降低之后收集到水池中，如此不斷循環，過程中蒸發的水量通過自動補水系統進行補充。在循環過程中，水泵是動力設備，冷卻塔是散熱設備。
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水泵：提供循環的動力
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冷卻塔及風機：使熱量散發到空氣中
循環水系統在冶煉、化工、制藥、電子、紡織等產業居于重要位置，耗電量較大，在中央空調等領域，其能耗也占據較大比重，研究循環水系統的節能對于企業和樓宇節電具有較大意義。
為了實現循環水節能，北京時代科儀新能源科技有限公司進行了6年的研究和實踐。北京時代科儀新能源科技有限公司成立于2010，總部和研發中心位于北京市海淀區中關村科技園區上地信息產業基地。企業專注于節能產品的研發，是國家高新技術企業、國家軟件企業、國家創新基金資助企業、國家發改委備案的節能服務公司。
企業以技術創新作為核心工作和發展動力，研制了多項國內外領先的獨創節能技術，申請發明專利6項，實用新型專利11項。公司涉及的節能產品主要包括：空壓機系統節能、循環冷卻水系統節能、中央空調系統節能、電梯節能、并網逆變器等。主要應用領域為：工業企業節電、大型公建系統的節電，提供一站式綜合節能服務。
企業的主營業務為：節能方案研發、節能產品生產、節能工程實施、節能項目服務。公司具有較強的節能項目實施經驗，為中牧制藥、英利集團、桐昆集團、香飄飄、寶潔、天能電池、聯合特鋼、天津機場、外交部、湖州市政府大樓等實施了節能項目，效果顯著。并為清華大學、北京交通大學、中科院等高校和院所提供設備、技術服務，或具有合作關系。通過數年的發展，公司具備豐富的節能項目經驗和項目實施能力。
企業成立以來，先后研制了電力并網逆變裝置、空壓機智能節能系統、循環冷卻水智能節能系統、大型離心設備智能節能系統、污水處理廠綜合節能系統等節能產品，并申報了相關的專利和軟件著作權。，在相關領域獲得了一定的研究成果，具有相應資質，擁有獨立知識產權，既往項目業績突出。
本文將循環水節能相關技術進行小結和匯總，以供參考。
一、循環水節能的理論基礎
循環水系統的能耗部件主要是水泵和冷卻塔風機，此兩項以及工藝、氣候之間存在密切的關聯，因此分析難度較大。本章主要介紹基本理論，幫助對各種節能技術進行相應的分析。
1.1 水泵分析理論
水泵主要的分析理論在于水泵的兩條曲線，分別是性能曲線和效率曲線，由于水泵的真實表現主要受到揚程影響，因此將性能曲線和效率曲線都以揚程為自變量繪出，如下所示：
流量曲線 效率曲線
對于變速泵，遵循相似原理，曲線如下所示：
以上曲線，含有豐富的信息量，只要充分解讀，就能夠分析水泵的性能和節能潛力，北京時代科儀的工程師就是采用以上曲線充分挖掘，實現了諸多節能方法的分析過程。
1.2 系統運行分析理論
循環水系統的運行具有較多變量，如何準確、快捷分析其節能潛力？北京時代科儀的工程師采用以下兩個基本公式對循環水進行分析，獲得主要的節能潛力數據：
1.2.1 熱功率的傳遞公式
循環冷卻水的任務就是將熱量帶走并散發到空氣中去，因此帶走熱量就是循環冷卻水的任務，帶走的熱量按照熱功率來計算，那么熱功率為：
P=cQΔT
其中P為熱功率，c為水的比熱（常數），Q為水的流量，ΔT為出水和回水的溫差，等于進入冷卻塔和流出冷卻塔的溫差。
此公式用于分析流量、溫差的相互關系，并考慮氣候對散熱的影響，作為智能化控制的基礎理論。
1.2.2 水泵功率的表達式
循環冷卻水的代價主要是電能的消耗、水的消耗、清洗維護成本等。
其中水泵電能消耗的為：
P功耗=Qh/η
其中P功耗為水泵的功耗，Q為流量，h為水泵的揚程，η為水泵的效率。
從這個表達式，我們可以分析減小功耗的途徑是：
充分利用或者減小流量Q，
充分利用或者減小揚程h，
提高泵的效率η。
北京時代科儀的工程師通過以上表達式，對節能方法進行分析，以下進行初步解釋：
流量Q：由于Q與溫差ΔT成反比，那么就應該保證合理的溫差，根據氣候變化進行準確的流量調節，還要保證冷卻塔的散熱能力，保證水流進入冷卻塔的均衡性，充分利用流量。
揚程h：根據現場不同的特點，可以適當調節揚程h使得運行在最經濟狀態，對于系統設計不合理的可進行改進，使得泵的入口存在較大揚程從而減少對揚程的需求，敞開閥門使得揚程損失減小，有條件時可采用富裕揚程發電回收等。
水泵效率η：水泵的效率與實際運行狀況密切相關，不同工況下水泵的效率可能大幅變動，針對現場實際情況修改水泵的設計或者進行精確的調節使得水泵運行在高效狀態非常必要。
經過上述三個過程的優化，循環冷卻水系統的實際功耗通常能夠顯著下降，部分的還可實現節水、減少清洗等效果，但是不同現場的循環冷卻水條件各不相同，經過分析后采取的節能手段也不相同，工程師們致力于提供一站式服務，綜合手段減少循環冷卻水的能耗。
二、閥門控制節能
循環水系統最簡單的方法是采用閥門控制節能，本章進行簡單敘述。
2.1 閥門控制節能的原理（智慧閥門）
循環水系統一般按照夏季最大水量需求而設計，在日常運行中，流量具有裕量。通過閥門控制，減小水泵的輸出流量，達到節能的目的。從水泵的性能曲線中查詢，當水泵揚程增大時，流量就會減小，流量減小的幅度大于揚程增大的幅度，從而水泵功耗下降。通過一套自動控制系統，可以控制閥門的開度，實現流量、水溫受控，這種具有自動控制能力的閥門稱為“智慧閥門”。
2.2 閥門控制節能的效果
閥門控制能夠降低水泵的輸出流量，但是同時會增大水泵的輸出壓力，水泵的功耗下降程度沒有流量下降明顯，其節能效果較為有限，由于閥門具有額外的能量損失，其節能效果僅限于降低水泵功耗的部分，其主要作用在于避免水泵的超載。此種節能方式目前在化工等現場仍然在大量使用，有必要更換成更佳的節能方式。
三、變頻節能
變頻節能的主要設備是變頻器，對水泵進行降速運行，已經獲得廣泛應用。
3.1 變頻節能的原理
北京時代科儀新能源科技有限公司的工程師通過水泵性能曲線分析變頻節能的原理：
為了實現低于水泵額定流量的一個實際流量，采用閥門控制勢必增大水泵的輸出揚程，但是如果采用減速運行，則能在更低的揚程條件下輸出該流量。在流量相同的情況下，揚程下降非常明顯，從而實現了水泵功率的大幅下降。變頻節能是一個進步，而至今用戶仍然不能完全掌握變頻的特性，也未必能夠將變頻用好，仍然需要節能工作者的認真引導和服務。
3.2 變頻節能的改進
通常變頻器只在一組水泵中的一臺配置，實踐證明，此種配置不能充分發揮變頻器的節能作用，也不能使得水泵運行在高效區間，因此這種方法存在改進的余地。理想的變頻配置應是：為每臺運行的泵配置變頻器，并且等速運行，具體原則可咨詢北京時代科儀工程師。
四、溫差控制節能
溫差控制是在變頻節能基礎上發展出來的，本章進行簡述。
4.1 溫差控制節能的原理
根據熱功率傳遞公式，如果溫差增大，則對流量的需求減少。工程師們自然將溫差作為控制指標，通過保證溫差來實現流量的限制，從而實現節能。流量與溫差成反比，在相當多的場合，實現溫差較低，通過適當拉大溫差運行，能夠顯著降低流量需求，再采用變頻器控制水泵，降低流量的產生，從而實現節能。
為了實現溫差控制，一般在冷卻塔或者表冷器的兩端分別設立水溫傳感器，將溫差測量出來，并指定一個溫差目標，通過流量控制實現溫差恒定。
4.2 溫差控制節能的弊端
溫差控制方式在變頻器的基礎上具備了基本的自控能力，但是，對于溫差的指定未必科學。例如：夏季某日的環境濕度極高，接近飽和，此時冷卻塔無法將溫差拉開，溫差控制系統為了增大溫差，不斷降低流量，導致熱量難以散出，最終冷卻水因溫度過高而引起系統跳車。從這個極端例子可見，溫差控制是具有邏輯缺陷的，雖然被寫入教科書，但是仍然不具備理論和邏輯上的正確性。
北京時代科儀的工程師對溫差控制的弊端進行了充分的分析，并給出了一種智能化溫差設置方案，彌補了這個缺陷，并應用在循環水智能控制系統中。
五、水泵參數改制節能
循環水系統一經設計，參數就會固定，而出廠參數往往不適合現場的真實需要，因此對水泵參數進行改制就是一種節能手段。
5.1 水泵參數改制原理
5.1.1 水泵揚程設計偏大
根據水泵性能曲線，假設水泵揚程配置偏大，則水泵容易出現流量過大，進而導致過載，因此就采用閥門限制流量，同時水泵的輸出壓力提高，滿足揚程匹配關系。由于閥門的阻礙作用，帶來了較大的能量損失。通過改制水泵，矯正揚程偏高的問題。
5.1.2 水泵不能處于高效區間
某些現場水泵的揚程與實際背壓不匹配，根據水泵效率曲線，當揚程不匹配時，水泵不能處于高效區間，實際性能下降。通過改制水泵，使改制后的水泵揚程匹配程度提高，處于高效區間。
5.2 水泵參數改制的方法
以上水泵參數改制，一般稱為“高效泵”節能，其主要原理是提高水泵的實際運行效率，并且改制后的泵力求在工藝上更加先進、高效，使泵本體獲得節能效果，具體方法有：
5.2.1 更換水泵
測量現場具體運行環境和所需參數，重新設計、制造、更換水泵。
5.2.2 更換葉輪
保留原有泵殼，重新設計、制造、更換葉輪。
5.2.3 切削葉輪
對原有葉輪進行切割，更改直徑、間隙參數，降低揚程和流量。
5.3 注意事項
以上各種泵改制的方法，其本質是降低泵的設計揚程，獲得更好的實際運行效率。有必要時，同時會降低泵的輸出流量，以減少泵的設計裕量。水泵改制方法存在一定的風險，主要是不可恢復性，在夏季容易出現流量不足、還得多開一臺泵的情況，其結果適得其反，特別是切削葉輪，失敗案例較多，應慎重選用。
六、冷卻塔節能
循環水系統必須與冷卻塔配合工作，因此冷卻塔節能也不可小視，在此列舉。
6.1 冷卻塔節能原理
根據熱功率傳遞公式，如果溫差增大，那么流量需求減少。通過冷卻塔的改進，能夠實現溫差增大的目標，并使得水溫下降，從而需要更少的流量，實現節能。
6.2 冷卻塔均水改造
6.2.1 塔間均水
北京時代科儀的工程師通過焊接各塔之間的均水管路，實現各塔之間水量均衡，杜絕塔內部填料干枯現象，充分利用散熱面積、提高滯空時間，使得水氣交換更充分，從而自然拉大溫差，降低流量需求，實現節能。
6.2.2 塔內均水
使用特制的布水噴頭，對水量進行均勻分配，實現塔內均水，使得有效散熱面積充分發揮出來，實現節能。
6.3 冷卻塔改制
在部分現場，由于冷卻塔設計失誤或者年久失修，散熱能力不足，造成水溫偏高，水泵不得不滿負荷工作，浪費能源，通過冷卻塔的改制，使得問題改善，降低使用能耗，方法如下：
6.3.1 延長填料
通過重建冷卻塔骨架，并更換較長的填料，延長水氣交換距離，增大散熱面積，獲得更好的冷卻效果，從而有望降低水泵的功耗。
6.3.2 更換風機
將冷卻塔風機更換成負壓更大的風機，提高通風性能，獲得更好的散熱效果，以降低整體的能耗。
6.4 高負壓冷卻塔
采用廠家定制的高負壓冷卻塔，又稱“低溫冷卻塔”，該塔的主要特點是填料具有兩次散熱機會，空氣先經過第一段填料蒸發預冷，再進入第二段填料，有望降低水溫；同時，采用高負壓的風機，提高通風能力，負壓增大、降低濕球溫度。該冷卻塔對于散熱能力不足、水溫高、整體運行能耗過高的問題有效。
6.5 冷卻塔風扇變頻
通過冷卻塔風扇變頻，主要目的并不是降低冷卻塔風扇的能耗，而在于：冬季無需關閉部分冷卻塔風機，較多的冷卻塔風機都可以適度運行，較多冷卻塔都具有通風功能，從而充分利用填料散熱面積，提高整體的性能系數EER。
冷卻塔風機變頻對于北方地區冬季運行有利，其最佳配置方式與水泵變頻類似，都應是全部配置、等速運行。
6.6 啟用備用冷卻塔
在某些現場，存在備用冷卻塔，例如：
中央空調多臺機組中未運行的機組對應的冷卻塔；發電廠中未運行機組對應的冷卻塔。
通過啟用備用冷卻塔，或者采取“一機雙塔”，充分利用散熱面積，拉大溫差，降低流量需求，獲得節能效果。
6.7 水輪風機
如前述水泵性能曲線分析，在秋冬季節時，需要的流量較小，此時通過閥門開度的降低，限制流量，水泵輸出揚程增大、出現“富余揚程”，該部分額外揚程完全被閥門消耗。如果采用水輪機利用這部分揚程推動冷卻塔風扇工作，則可以實現一部分節能效果。但該技術在實際應用時存在較多弊端，當夏季來臨，此時水量和風量都要求較大，可能無法滿足系統的散熱要求，出現問題，因此使用該技術應注意細節，反復推敲。
6.8 冷卻塔節能小結
冷卻塔在系統中的重要性常常被忽視，冷卻塔的性能會對整體運行能耗水平起到決定性的作用，應重點關注。冷卻塔最佳的控制方式是：充分利用散熱面積、合理通風、均衡運行，起到最大的散熱作用，拉大溫差，便于實現整體的最佳性能，實現最大程度的節能。
七、節能的利器：循環水智能控制系統
北京時代科儀的循環水智能控制系統是一種綜合的節能技術，是上述各章的集大成者，具有較好的節能效果，在此重點論述。
7.1 時代科儀循環水智能控制系統的原理
根據前述水泵功耗的表達式，考慮水泵節能，應著手考慮三個方面：
1、避免多余的壓力需求；
2、避免過多流量；
3、使水泵運行在高效區間。
在保證系統穩定運行的基礎上，可以從以上三個方面對系統進行配置，挖掘壓力、流量、效率的裕量，實現整體效率最大化，起到節能的作用。
為了實現上述節能方法，時代科儀設計的循環水智能控制系統含有四大模塊，從邏輯上分為：
1、溫差、壓差、流量綜合控制系統。根據用戶規定的運行區間，自動尋找最佳的節能工作點，對系統參數進行實時調節，實現水泵節能和風機節能。
2、水泵最大效率調度系統。計算水泵的效率曲線，并根據用戶規定的范圍，調度水泵的運行臺數，進一步實現水泵節能。
3、風、水平衡系統。根據季節和氣候選擇最佳風、水配比，充分發揮冷卻塔的性能，實現風機節能和整體效率最優。
4、冷卻塔優化控制系統，實現冷卻塔的最大散熱面積、最佳通風，系統性能系數最大。
采用時代科儀技術可以實現整個冷卻水系統的協調運行，在此基礎上，就能夠把原有系統的設計裕量利用起來，根據實際情況，實時調節水泵和風機的運轉參數，使得水泵和風機實現合理的節能。
7.2 時代科儀循環水智能控制系統的特點
時代科儀循環水智能控制系統的技術特點在于：
1、安全可靠性方面：
（1）對原有系統改動很小，并且保留備用回路互為備用，保留原系統設計余量，無任何改造隱患，屬于“中醫調理而非傷筋動骨的大手術”；
（2）專利技術可以實現系統任意斷電，來電帶載復啟功能；
（3）冗余配置變頻驅動裝置，降低運行溫度，提高設備運行穩定性和壽命；
（4）對工藝生產過程中的各種不利情況和可能的故障做了充分的預案和報警。
2、安裝施工便捷：安裝施工周期短，完全不影響正常生產。
3、技術擴展性強：增加產能或上新項目整合循環水系統，可隨時擴容融入系統，節能效益滿足任意測試條件。
4、節能效果計量更科學合理：屬于可恢復性技術改造，可以滿足各種節能率（量）的計量和驗收方式。
5、深入結合生產工藝要求，確保能夠持續實現循環水系統最佳的運行狀態。
6、有效提高循環冷卻水系統的智能化、網絡化和自動化管理水平。
7、循環水系統整體優化節能，可充分挖掘節能潛力，該項目可實現年平均節電率40%以上。
8、另外可以解決或緩解夏季超溫、冬季結冰和飄水的問題。
7.3 案例分析
詳見【產品介紹-循環水智能控制系統】
八、復合式閉環冷卻塔
8.1 原理和特征
復合式閉環冷卻塔是工作流體在塔的盤管內進行循環，工作流體的熱量經過盤管散入流過盤管的水中。同時，機組外四周的空氣從盤管上的進風格柵進入，與水的流動方向相反，向上流經盤管。完全靠水的蒸發潛熱帶走熱量，而不像板換靠水的顯熱帶走熱量，對水的使用需求量大大減少。一小部分水蒸發而吸走熱量，熱濕空氣由冷卻塔頂部的通風機排出到大氣中，其余的水落入底部水盤，由水泵再循環至水分配系統又回淋到盤管上。
8.2 技術特點
1、由于冷卻水不與外界空氣接觸，補充水采用軟化水，冷卻水中不會產生水垢、細菌污泥等雜質污染，有效防止冷水機組冷凝器、換熱器堵塞，延長冷水機組使用壽命，減少水處理藥劑使用量，比開式冷卻塔水損耗量減少。
2、冬季供冷時，可利用外界較低空氣溫度采用風冷降溫，只開通風機，外循環水泵停開，既提供足夠排熱能力，又節水，防止結冰，減少結垢。
3、冷卻水溫度穩定，完全符合工藝要求。閉式空冷系統，冷卻水冷卻溫度，可達到該地區年保證率不超過5天的環境溫度，即開式冷卻塔能達到的冷卻溫度，閉式空冷循環系統一樣能達到。完全符合工藝要求。由于有很多調節溫度的措施，可以確保出空冷器的冷卻水溫度穩定，進而使工藝操作穩定。
4、提高了工藝換熱設備傳熱效率和壽命。與工藝換熱設備換熱的是軟化水，軟水硬度低，雜質少，PH值7-9，微堿性，況且在系統中閉路循環，不受大氣污染。大大地減少工藝換熱設備結垢和腐蝕，提高了工藝換熱設備傳熱效率和壽命。如高爐的夾套，使用開式循環冷卻時，壽命只3年，使用閉式空冷系統后，壽命可提高到8-10年。
5、降低新鮮補充水消耗，節水效果明顯。管內軟水閉路循環，基本不需補充。管外冷卻主要靠空氣，噴淋水作為調溫手段，隨著氣溫降低，逐漸減少。根據生產實踐，每m3冷卻水補充新鮮水0.01-0.012 m3,而開式涼水塔系統, 每m3冷卻水補充新鮮水0.018-0.022 m3。故閉式空冷循環冷卻水系統，比涼水塔的傳統工業循環冷卻水系統，可節水近50％。
6、減少排污，有利環保。若取相同的濃縮倍率來排污，由于閉式空冷系統蒸發量只為涼水塔系統的50％，故排污量減少也將近50％。有利環保，節省污水處理投資。
7、維護簡單、運轉費用低。無填料，不需要更換，減少費用和人工時。加藥量少，加藥量費用僅為開式塔系統的30％。加上節水，運轉費用低。
8.3 應用場合
由于北方地區冬季空氣干燥，灰塵大，盡管氣溫低，細菌不易繁殖，但生物粘泥在開式冷卻塔中沉積，帶入冷卻水管路系統中，減小管道流通面積，增加管道阻力。例如，北方某半導體公司動力部門曾于1996 年冬季，用開式冷卻塔直接給空調表冷器供冷卻水，經過一個冬季運行后，盡管節約了一部分運行成本（停開冷凍機，電費減少），但空調機組表冷器進出口壓差增加1.5 kg/cm2，換熱效率急劇下降。因此，為解決冬季空調和設備冷卻水對冷負荷需求，降低運行成本，采用閉式冷卻塔是個不錯的選擇。
九、循環水節能的其它技術方案
9.1 分壓供水
在一套循環水系統中，存在高、低位置不同的熱負荷，時代科儀通過分壓供水，為較高的熱負荷專門配置增壓泵，降低整體運行揚程，實現節能。該方法的弊端在于增壓泵的抽吸作用容易形成負壓，干擾其它設備散熱，因此應對增壓泵進行無負壓控制。
9.2 管路優化
北京時代科儀通過對系統管路的走向、形狀、直徑、流量、流程分析，找到阻力較大、流程不合理的部位，并進行改進，改善散熱條件，降低水泵的揚程、流量需求，實現節能。
9.3 清淤、整修、除垢
為循環水系統清淤、設置過濾裝置、化學除垢、物理除垢，提高換熱能力，降低運行能耗。
后 記
時代科儀為企業循環水系統提供一攬子節能方案，通過上述各種節能方案的敘述，希望起到拋磚引玉的作用，為用戶循環水系統節能提供參考。
