摘  要  本文通過對影響循環(huán)水系統(tǒng)能耗、工況的問題進(jìn)行計算分析，并提出節(jié)能改造方案，使之滿足生產(chǎn)工藝的前提下，實(shí)現(xiàn)安全穩(wěn)定、節(jié)能減排、降本增效的目的。

關(guān)鍵詞  水泵  節(jié)能改造  效率

1  前言

昆鋼股份新區(qū)公司煉鋼、軋鋼各工藝環(huán)節(jié)的循環(huán)水系統(tǒng)普遍存在電機(jī)過載、水量不足、設(shè)備故障率高、系統(tǒng)能耗高等問題。通過水泵系統(tǒng)的節(jié)能優(yōu)化改造，可以在滿足現(xiàn)有生產(chǎn)工藝要求的同時，可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)安全、穩(wěn)定運(yùn)行，達(dá)到節(jié)能減排、降本增效的目的。

2  工藝簡介

改造涉及新區(qū)公司煉鋼廠、軋鋼廠4個系統(tǒng)共5臺水泵，分別為小方坯連鑄設(shè)備噴淋水系統(tǒng)、通風(fēng)設(shè)備水系統(tǒng)、液壓冷卻水系統(tǒng)、棒材濁環(huán)中壓水系統(tǒng)，4個系統(tǒng)均為開式的循環(huán)冷卻水系統(tǒng)，其共同的工藝簡如圖1。

水泵系統(tǒng)額定參數(shù)如下表。

表1 技改前水泵及電機(jī)額定參數(shù)

3  改前工況診斷

3.1 運(yùn)行工況

各水泵系統(tǒng)正常情況下全天24 h運(yùn)行，全年運(yùn)行時間約8 400 h，且各個系統(tǒng)用水工藝均比較穩(wěn)定，流量和壓力波動較小。采用壓力表、超聲波流量計和電能綜合測試儀等儀表工具測得各系統(tǒng)運(yùn)行工況下，相關(guān)參數(shù)如表2。

表2  改造前水泵和電機(jī)實(shí)測參數(shù)

注：棒材濁環(huán)中壓水1^#、2^#泵出口閥門開度30 %，其他均為全開。

3.2 參數(shù)計算

改造前，通過對原設(shè)備電機(jī)的電流、電壓、功率因素，水泵的流量、泵后壓力、泵前水池液位高度等實(shí)際運(yùn)行參數(shù)的測試，對相關(guān)參數(shù)計算如下：

（1）水泵揚(yáng)程計算

運(yùn)行工況下水泵的實(shí)際揚(yáng)程[1]，按公式①計算：

      ①

式中：

P₁、P₂——水泵進(jìn)、出口的絕對壓力，由壓力表測定并計算獲得（一般需要計算到進(jìn)出口法蘭處的壓力值），Pa；

ΔZ——泵進(jìn)出口的位置水頭，在此可以理解為壓力測點(diǎn)離水泵中心線的高度，m；

ρ——水的密度，在此忽略溫度的影響，取值為1 000 kg/m³，對于介質(zhì)溫度較高時，應(yīng)對密度進(jìn)行修正；

g——重力加速度，9.81 m/s²；

v₁、v₂——水泵進(jìn)、出口流速，由流量計測得，m/s。

（2）系統(tǒng)功耗計算

電機(jī)的實(shí)際運(yùn)行功率N₀，水泵有效功率N_u按如下公式計算：

式中，U——電動機(jī)實(shí)測瞬時電壓，V；

      I——電動機(jī)實(shí)測瞬時電流，A；

      cosφ——電動機(jī)實(shí)測功率因素；

      η₁、η₂——電機(jī)、水泵效率，%。

      H——水泵揚(yáng)程，m；

      Q——水泵流量，m³/s。

注：改前原系統(tǒng)電機(jī)實(shí)際功率按公式②測算，節(jié)能設(shè)計時新系統(tǒng)電機(jī)實(shí)際功率按公式③測算。

（3）計算結(jié)果匯總

表3  計算結(jié)果匯總表

3.3 存在問題

經(jīng)過現(xiàn)場診斷、測試與分析，各循環(huán)水系統(tǒng)主要存在設(shè)計偏工況、運(yùn)行效率低、系統(tǒng)阻力大、電機(jī)負(fù)載率高等問題。

（1）偏工況的影響

對比表1、表2中水泵的流量、揚(yáng)程的設(shè)計值和實(shí)際值，可以發(fā)現(xiàn)各臺水泵均存在嚴(yán)重的偏工況現(xiàn)象。從圖2可以看出：水泵設(shè)計點(diǎn)為A，但由于管路系統(tǒng)特性曲線1^#和水泵特性曲線2^#的交點(diǎn)B為系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行工況點(diǎn)，即出現(xiàn)前述提到的偏工況運(yùn)行?？赡軐?dǎo)致水泵的實(shí)際流量或揚(yáng)程無法滿足生產(chǎn)工藝要求。

（2）效率的影響

同時，從泵的效率曲線3^#上可以看出，水泵在設(shè)計點(diǎn)A點(diǎn)的效率η_A最高，在運(yùn)行工況點(diǎn)的實(shí)際效率η_B低于該泵的設(shè)計效率。為此，偏工況可引起水泵運(yùn)行效率下降，在同等工藝要求下勢必導(dǎo)致能耗的浪費(fèi)。表3中各系統(tǒng)效率處在37～65 %的范圍內(nèi)，屬于效率較低。

圖2 水泵及管道特性曲線圖

（3）水泵功率的變化

隨著水泵工作點(diǎn)的變化，水泵軸功率也隨之發(fā)生變化，根據(jù)圖2可以看出，設(shè)計工作點(diǎn)A在功率曲線下方，實(shí)際工作點(diǎn)B在功率曲線上方，為此一旦出現(xiàn)上述情況的偏工況，就會導(dǎo)致水泵實(shí)際功率大于設(shè)計功率，表3中除通風(fēng)設(shè)備水系統(tǒng)外，其他系統(tǒng)水泵均是此現(xiàn)象，嚴(yán)重時可能導(dǎo)致電機(jī)超負(fù)荷，甚至燒電機(jī)的情況。

（4）管路系統(tǒng)阻力影響

除水泵的設(shè)計選型不合理外，管路系統(tǒng)的不合理設(shè)計也是影響水泵系統(tǒng)能耗的主要因素。根據(jù)系統(tǒng)揚(yáng)程[2]

H_z=h_a+（P₂-P₁）/ρg+H_v  m   ⑥

式中，h_a——是指吸入液面和排除液面的幾何高度，m；

    （P₂-P₁）/ρg——管路系統(tǒng)壓頭損失，m；

     H_v ——管路系統(tǒng)阻力損失，m；

系統(tǒng)揚(yáng)程H_z是由位能、壓能和管路阻力損失三部分構(gòu)成，當(dāng)位能、壓能不變時，管路阻力損失的直接決定了整個系統(tǒng)揚(yáng)程大小。同時，系統(tǒng)揚(yáng)程直接決定了泵工作揚(yáng)程的大小。圖3，反應(yīng)出當(dāng)泵選定的情況下，泵工況點(diǎn)隨管路特性變化的趨勢，圖中的L、M、N三個點(diǎn)為運(yùn)行工況點(diǎn)，從圖上可以看出水泵穩(wěn)定運(yùn)行時工作揚(yáng)程等于系統(tǒng)揚(yáng)程，且隨系統(tǒng)揚(yáng)程變化而變化：當(dāng)循環(huán)水系統(tǒng)管路阻力變大，如管道閥門關(guān)小，則該曲線往左邊移動；反之，則曲線往右邊移動。隨之，水泵運(yùn)行工況點(diǎn)會偏離設(shè)計值，水泵的實(shí)際功耗也會發(fā)生相應(yīng)的變化。

圖3  水泵特性曲線與管道特性曲線圖

4  節(jié)能措施

根據(jù)循環(huán)水系統(tǒng)的能耗評估與分析結(jié)果，本著投入最低、安全可靠的原則，在確?，F(xiàn)在生產(chǎn)工藝的同時，對水泵重新設(shè)計、選型，并對管路系統(tǒng)進(jìn)行局部優(yōu)化，主要從以下兩個方面入手：

4.1 降低阻力損失

降低管網(wǎng)阻力損失主要是降低沿程阻力損失和局部阻力損失，措施主要有：1）在條件允許的情況下增大管徑降低管內(nèi)介質(zhì)流速；2）優(yōu)化管路結(jié)構(gòu)，減少彎頭、變徑管的數(shù)量或角度，縮短管路長度；3）修復(fù)或更換原老舊或損壞的管道和閥門；4）確保管閥、法蘭焊縫內(nèi)部光滑，無銳角；5）合理的工藝設(shè)計，以確保系統(tǒng)正常工作時，泵前后閥門能處于全開狀態(tài)。

4.2 提高系統(tǒng)效率

提高系統(tǒng)效率的措施主要有：（1）通過有效的系統(tǒng)工況診斷，確定合理的系統(tǒng)工藝和水泵選型，使水泵正常工作時運(yùn)行在高效區(qū)；（2）采用先進(jìn)的水利模型，優(yōu)化設(shè)計、制造、裝配工藝，提高泵的效率；（3）對于電機(jī)可選用當(dāng)前國家發(fā)改委推薦的《高效電機(jī)推廣目錄》中的電機(jī)產(chǎn)品或滿足GB 18613-2012《中小型三相異步電動機(jī)能效限定值及能效等級》中不低于2級能效的電機(jī)。

5  工藝選型及節(jié)能預(yù)測

通過對原水泵相關(guān)參數(shù)的測試、計算和分析，并結(jié)合用戶的要求，確定水泵的流量、揚(yáng)程和相關(guān)的工藝要求，并以此進(jìn)行節(jié)能計算。按照前述方法和公式，計算得改造后相關(guān)參數(shù)如表3。經(jīng)計算，系統(tǒng)綜合節(jié)電率約40.7 %。

表3 節(jié)能效果預(yù)測表

由于測試流量受管路位置、介質(zhì)成分、流動狀態(tài)、管壁腐蝕程度等因素的影響，測試流量與實(shí)際流量可能存在一定的誤差，設(shè)計流量需結(jié)合實(shí)測揚(yáng)程和現(xiàn)場工藝，并根據(jù)泵原廠家的水泵性能曲線進(jìn)行修正，以獲得較為準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。

6  改造實(shí)施

項(xiàng)目實(shí)施主要經(jīng)歷“工況及能耗診斷、基準(zhǔn)能耗測試、設(shè)備安裝、改后測試及驗(yàn)收”等四個環(huán)節(jié)。第一環(huán)節(jié)需采用流量計和電能測試儀對系統(tǒng)工況和能源狀況進(jìn)行測試、分析，以確定項(xiàng)目技術(shù)的可行性。項(xiàng)目在確定可行后，進(jìn)入到后面三個環(huán)節(jié)，在此期間的能耗數(shù)據(jù)的采集需要安裝電度表和計時器，根據(jù)統(tǒng)計期內(nèi)的實(shí)際數(shù)據(jù)，采用累計平均的方法計算獲得相應(yīng)能耗結(jié)果。

7  實(shí)施效果

通過改造，系統(tǒng)參數(shù)滿足工藝試用要求，且系統(tǒng)設(shè)備安全、穩(wěn)定性大大提高，節(jié)能減排、降本增效效果顯著，主要體現(xiàn)以下三個方面：

（1）系統(tǒng)設(shè)備安全、穩(wěn)定性提高后，有效降低了設(shè)備的維護(hù)、檢修成本；

（2）通過改造，對原Y系列低效電機(jī)更換為符合國家要求的高效電機(jī)，完成了低效電機(jī)的淘汰工作，有效促進(jìn)了電機(jī)能效提升工作的推進(jìn)；

（3）通過系統(tǒng)優(yōu)化，以及高效泵、高效電機(jī)的使用，項(xiàng)目綜合節(jié)電率達(dá)到42.6 %，每年可節(jié)約電量約221.6萬kWh，折算為標(biāo)準(zhǔn)煤量約731.3 tce，實(shí)現(xiàn)CO₂減排1168.1 t（排放因子采用0.5271 kgCO₂/kWh），年節(jié)能效益約110.8萬元。改造后節(jié)能測試結(jié)果見表4。

表4  改后節(jié)能效果測算表

8  結(jié)束語

本次節(jié)能改造取得較好的節(jié)能效益和良好的節(jié)能示范效應(yīng)，為在昆鋼各個分廠及其他工業(yè)企業(yè)進(jìn)一步推廣循環(huán)水系統(tǒng)的節(jié)能改造作出積極的嘗試，也為企業(yè)下一步節(jié)能減排、降本增效工作的持續(xù)、深入開展起到非常積極的作用。

參考文獻(xiàn)

[1].姜乃昌.泵與泵站（第五版）[M].中國建筑工業(yè)出版社出版.2007.12

[2].全國化工設(shè)備設(shè)計技術(shù)中心站機(jī)泵技術(shù)委員會.工業(yè)泵選用手冊(第二版）[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社.2010.09

[3].王宇清.流體力學(xué)泵與風(fēng)機(jī)[M].中國建筑工業(yè)出版社出版.2001.12

[4].中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會.GB/T 30256-2013節(jié)能量測量和驗(yàn)證技術(shù)要求泵類液體輸送系統(tǒng)[S].中國標(biāo)準(zhǔn)出版社.2013.12.08

[5].中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會.GB/T 28750-2012節(jié)能量測量和驗(yàn)證技術(shù)通則[S].中國標(biāo)準(zhǔn)出版社.2012.11.05

[6].中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會.GB 18613-2012中小型三相異步電動機(jī)能效限定值及能效等級[S].中國標(biāo)準(zhǔn)出版社.2012.05.11