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循环冷却水系统节能方案设计实践

导读：从能量守恒定律出发，分析了循环冷却水系统各构成单元的能量转化过程。以降低
循环冷却水系统运行能耗为目标，剖析了可采用的三种节能技术。结合钢铁生产工艺中的
循环冷却水系统现场，通过数据采集、运行状况诊断、技术方案设计及节能评估，完整阐
述了循环冷却水系统节能方案实践过程。
1、前言
钢铁工业是国民经济的重要基础产业，包括从采矿、选矿、烧结(球团)、焦化、炼铁、
炼钢、轧钢，直到金属制品及辅料等生产工序。为推动钢铁工业转型升级，走中国特色的
新型工业化道路，工业和信息化部印发《钢铁工业“十二五”发展规划》，规划明确指出要深
入推进钢铁工业节能减排。在钢铁工业链上各生产工序中，工业冷却水的循环使用非常普
遍。循环冷却水系统是工艺生产主线的生命保障线，对于生产正常运行及设备安全运转起
着至关重要的作用。因此，有必要对循环冷却水系统的节能技术进行分析，促进系统安全、
节能运行。中冶南方(武汉)威仕工业炉有限公司以为客户提供“用能设备的全生命周期服务”
的理念，提供包括工业炉及钢铁全流程中终端用能设备的节能技术服务。
2、循环冷却水系统能量使用
2.1循环冷却水系统构成
循环冷却水系统依据系统输送介质不同，有密闭式和敞开式两种系统。以较常用的敞
开式系统为例，包括电源装置、传动系统、循环水泵组、管网、换热装置、冷却塔等，其
系统构成如图1所示。其中电源装置提供了整个系统的能源供给，如机械输送设备、传动
控制系统及自动化控制系统等；自动化控制系统包括电气自动化(如变频调速控制)及仪表
自动化(如管网上流量调节阀)；冷却塔通常有风机及驱动电机等子设备；冷却水使用设备
包括在广义的循环系统管网中，没有分别列出。

图1典型循环冷却水系统示意图
2.2系统能量输入与转化
电能输入。如图1中的电源装置，通过工厂电网将电能输入到循环冷却水系统。水泵
配用的电机、风机配用电机、以及系统中自动化控制设备均需输入电能来保证设备运行与
运转。能量转化。由电机驱动循环水水泵，电机将电能转化为水泵的动能，进而通过水泵
转换为循环水的动能；电机将电能转化为冷却塔上风机的动能，进而通过风机转换为冷却
风的动能；控制阀通过电、气驱动，实现自动化系统对水压、流量及冷却温度的自动调节。
2.3系统能量消耗
依据能量守恒，循环冷却水系统中能量消耗是在能量的转移与转化过程中的损耗。如
循环水系统中的电机、水泵和风机等实现了电能、机械能及动能的能量转化；连接器(机械
接手及变速齿轮)、换热器等完成了能量的传递与转移。能量在转移与转化的过程中不可避
免发生能量的损耗，因此，要提高循环冷却水系统的运行效率，就要从系统对能量使用的
各设备的运行效率进行优化提升。
3、循环冷却水系统节能技术
构成冷却水系统的各装置上的能量损失因各自的工作原理、系统控制方法、设备制造
工艺及安装方式等的不同，其对能量的转移与转换效率不同，从而产生了不同节能技术。
除对电源装置本身的优化外，广泛采用的节能技术主要有三种：变频调速、高效水泵及水
动能。其中变频调速控制是从系统控制优化角度进行节能优化；水泵节能是通过设备设计
与制造的改善来实现节能；水动能冷却塔则是充分利用管网中水动能余量进行能量二次利
用。
3.1变频调速控制技术
变频调速在冷却水系统中的应用主要针对驱动水泵的电机进行变频调速控制，可以有
效实现：①流量调节。通常，由于循环水系统额定流量基于生产工况最大流量来选用相应
的循环水泵，通过调整水泵电机的运转速度，进行循环水量的调节，以保证生产工况变化
时的需要。②替代控制阀。利用控制阀的开度进行循环水系统运行状态，如压力和流量等
参数的调整来满足现场工况，是非常普遍的方案。由于变频器技术的快速发展，其运用也
越来越广泛。用变频控制实现控制阀的控制功能已有了成熟的解决方案。
采用变频调速控制节能技术主要优点有：通过调整转速，满足生产需求，无附加损耗，
高效节能；电机完全在空载下启动，大幅降低启动电流，减少对电机、电缆、开关及电网
等的冲击，同时具备软启动功能；变频调速避免对设备不利冲击，延长电机等设备使用寿
命，减轻轴承磨损，降低设备维护成本，有利于设备靠运行；提高自动化水平，减轻操作
人员劳动强度。其局限性是因为变频器本身要消耗能量，也存在自身效率的差异，在进行
技术改造时对现场有一定的技术要求，且改造后需进行专业维护。
3.2高效节能水泵技术
水泵的节能原理是通过提高水泵的运行效率实现完成同等送水量时能量消耗降低。自
七十年代电子计算机得到广泛应用后，以被世界公认为叶轮机械三元流动理论的奠基人吴
仲华教授的“叶轮机械三元流动理论”得以运用于叶轮机械产品的设计与制造上来1976。年
美国数十位泵专家合著的权威工具书《泵手册》，把叶轮机械三元流动理