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摘要：硝酸行业冷却循环水系统能耗占据系统整个能耗比重大，对冷却循环水系统从运行管理、技术改造两个方面进行优化，对整个系统降低能耗起着关键作用，本文结合我司目前已经成功为企业提供优化服务项目的总结，提出循环水系统如何优化的几种关键手段。
关键词：硝酸；冷却循环水；系统优化；节能降耗
中图分类号：TE08文献标识码： A
一、引言
根据国家“十二五”规划，节能减排关系着我国经济结构调整和经济发展方式转变，国家将加大对节能减排政策的扶持力度，促进企业进行节能降耗，不仅有利于国民经济良性发展，还有利于企业可持续发展。硝酸行业节能降耗切入点较多，如工艺优化、换热设备热平衡优化、循环水系统优化等，本文重点阐述冷却循环水系统从运行管理、技术改造两个方面达到节能降号的目的。
二、当前硝酸行业循环水能耗现状
稀硝酸一般是以氨为原料进行生产的， 生产步骤分为氨的接触氧化和氧化氮吸收两步：
4NH3+5O2─→4NO+6H2O+226kJ（放热）
2NO+O2─→2NO2+57kJ（放热）
3NO2+H2O←→2HNO3+NO+59Kj（放热）
硝酸（包括浓硝酸等）在发生化学反应过程中，发出大量的热量，为了提高硝酸领域生产速度，降低生产过程中消耗的能耗，所发出大量热需要通过冷却循环水进行冷却，以便维持持续生产。
据调查，目前我国硝酸领域冷却循环水系统普遍存在着高能耗现象，主要由于以下几个方面原因：
1、水管网系统存在水力不平衡现象，为了满足某部分换热瓶颈，加大供水量；
2、泵站设备配置（循环水泵）由于机械加工水平、偏工况运行等使运行效率低下，未能达到高效供水，能耗偏高；
3、用水装置处于粗放管理方式，未能根据负荷变化进行即时、有效地调节水量，增加泵送能耗；
4、泵站管道附件（如阀门等）质量不高，存在“跑冒滴漏”现象比较严重，流量有效利用率不高；
5、按照常规思路，当初系统设计存在“富裕量”偏大，各参数设计层层加码，导致系统存在“大马拉小车”现象，增加泵送能耗；
6、泵站配置缺乏经济运行模式，不便于经济运行管理，整体运行效率不高。
三、流体输送Go·well技术在硝酸领域的应用
1、技术思路
以最佳工况运行、最合理能耗为指导原则，从影响水泵能耗最根本的三大要素（输送流量、合理阻抗、高效运行）入手，着眼于系统整体优化。首先凭借专有的参数采集标准和计算机仿真模拟等技术手段，通过检测复核系统当前运行工况，准确判断引起高能耗的各种原因，提出系统节能的最佳解决方案。然后通过整改网络不利因素、解决换热瓶颈、优化水力参数设定、量身定制高效节能泵等多种技术手段，消除因设置不合理引起的高能耗；对负荷变化较大的系统，再针对性安装变流量控制系统，实现变工况节能运行。标本兼治，整体节能，达到最佳节能效果！
2、技术手段应用说明
2.1水力平衡优化调整
系统水力平衡是循环水系统经济运行关键，直接影响到系统实际需水能力即泵站需要供水量，对循环水系统能耗起着直接、决定性的作用。制酸系统装置用水换热器数量多，种类各不相同，性能也有所差异，各换热设备通过管网进行连接，形成一个大的管道网络，因管道规格、施工现场实际情况、设备布置高低不一、换热器结垢导致换热性能下降等各种原因，导致整个管网很容易存在水力失衡现象，在正常供水指标情况下，轻则导致局部换热器换热效果欠佳，重则出现局部换热器回水温度严重偏高或根本使水流无法通过，要使系统全部换热设备达到正常换热效果，目前管理人员普遍使用加大供水量、提高供水压头的方法，一方面能够使换热效果原本不好的换热器使用效果得到改善，另外一方面也为原本换热效果正常的装置提供更大的水量，泵站整体能耗大幅上升。针对系统水力失衡现象，可以通过以下手段进行处理：
2.1.1调节各支路阻力系数，达到合理分配水流量目的
整个供水管网可以看成一个并联系统，即并联于供水总管于回水总管之间，各支路供回水压力差△P相同，各支路供水流量与该支路阻力系数关系如下：
△P1=ξ1×Q12
△P2=ξ2×Q22
△P3=ξ3×Q32
……
则：ξ1×Q12=ξ2×Q22=ξ3×Q32……
通过调整各支路换热器进出口阀门，改变该支路阻力系数，从而改变该回路供水流量，此方法适用于系统水力失衡现象不太严重情况，也是最简单、最快捷的一种手段，只需要平时加强装置管理。
2.1.2采取局部加压，解决高区或远区换热瓶颈问题
中大型硝酸生产装置供水最高点一般均在30米以上，因此供水泵站常规设计需要按照最高供水點满足正常用水条件为首要条件，使整体供水压力提高，而一般用水设备布置位置不高，按照最高点设计供水压力绰绰有余，存在着能耗浪费现象，虽然某些系统可以适当下调供水压力，但高位压力控制根不合理，往往会产生水汽化形成断流、扰流形成非满管流增加管路阻力等不利影响。如一般高度用水设备需水压力0.3MPa，为了满足高点使用要求，供水压力提高到0.35MPa，所需要水泵供水扬程提高16.7%。据水泵消耗功率计算公式：
即水泵所消耗功率与扬程一次方成正比，水泵能耗也增加16.7%
因局部高点需水量所占整体供水量不大，因此系统压力按照正常换热器要求进行设计，对局部高点进行局部加压，可使系统能耗大幅降低。该方式我公司成功应用于江苏大和氯碱有限公司、嘉兴庆安化工有限公司、张家港华昌化工有限公司等企业，取得良好的使用效果，节电率基本达到30%以上。
2.1.3采取局部降温，降低该支路供水温度，提高换热器冷却效果：
针对局部加压处理方式，主要是针对高区换热设备供水压力欠缺的系统，但当前往往存在系统换热瓶颈不是在高区，而是在低区，由于换热器本身设计缺陷等原因，通过加大供水量还不能有效解决换热效果问题，我公司开发出针对单个支回路管道进行局部降温技术，该技术通过半导体使通过该支路水温较整体循环水供水温度下降4℃左右。使夏季在冷却塔正常冷却能力达到32℃时供水温度，通过局部降温技术处理，供应给该支路温度只有28℃左右。
2.2更换现场处于低效率运行水泵为与系统相匹配的高效节能泵
现有水泵效率低下，主要由两个方面导致：一、本身机械性能、水力模型不优秀；二、水泵性能曲线与管路特性不相匹配，导致偏工况运行，偏离高效区。水泵额定工况与实际运行工况关系图如下：
ECOWELL高效节能泵采用先进水力模型，每台泵出厂之前需经严格地性能试验，确保泵体本身水力性能优异。同时，更换高效节能泵之前，对系统运行数据进行详细调查测试，并通过计算机模拟软件分析，能够准确分析出管路特性曲线，并根据管路特性曲线，提供与系统相匹配、“量身定做”的高效节能泵，能够使水泵处于高效区运行。
2.3提供能源管理系统，为泵站经济运行提供管理、决策依据
泵站作为循环水系统消耗能源主要部分，对于配置多台水泵、多种规格的泵站，按照泵站经济运行原则，我公司开发具有针对性的泵站能源管理系统，硝酸生产过程中，需水量需要根据不同负荷进行有效调节，对系统在需要特定供水能力前提下，通过各种规格水泵性能参数叠加、组合、模拟等手段，提供开机模式决策依据，包括开启哪种组合模式，该种模式下各台水泵运行在什么样的工况下，使供水能耗最低。该系统可以集成以下功能：
A、显示系统运行参数。包括流量、压力、温度、设备开启状态等，可以为现场操作人员提供集中监控的人机界面；
B、判断运行模式合理性。根据当前供水要求及实际运行模式，判断当前运行模式是否合理、经济，若不经济，系统自动提示合理的运行模式，指导操作人员合理操作；
C、提供每台泵运行合理工况决策。对于复杂系统，在正确的操作模式下，能够根据预先编制程序自动计算出各台设备具体运行工况，使能耗最低，如某系统实际需要供水能力为9300t/h，开启泵位号为A#、B#、C#，并计算出维持三台泵出口压力分别为多少为该系统最经济的运行方式；
D、统计设备运行时间及定期更换易损件提示，现在绝大部分系统或企业只是在换易损件损坏时再更换，达不到预防效果，该系统增加易损件维修记录窗口，根据实际运行时间，及时提示易损件需要更换，提高设备运行保障能力；
E、该集成系统可以独立组成一个系统，也可以根据需要，与现有DCS等系统对接，方便企业操作管理。
四、应用案例
从○四年开始，目前流体输送Go·well技术已经成功应用于国民经济各行各业，包括钢铁、石油、化工、中央空调、铝业、热电、合成氨等，并为国内多家硝酸系统成功进行节能技改。
序号 企业名称 技改前功率
（kW） 技改后功率
（kW） 小时节电量
（kW） 节电率
（%） 备注
1 山东华鸿化工有限公司 164.7+164.7+115.2 131.3+135.9+58.09 119.31 26.8
2 山东华阳迪尔化工有限公司 223+224.8+223.9 197.4+199.3+197.3 77.7 11.56
3 山東宁阳迪尔化工有限公司 128.3+125.7 109.2+106.9 37.9 14.92
4 广西柳州化工股份有限公司 842.5+793.4+700.4 638.6+610.8+572.0 514.9 22
5 南京化学工业有限公司 1761.7（总） 1186（总） 575.7 32.6 稀硝酸系统
6 南京化学工业有限公司 401.7+401.7 320+320 163.4 20.3 浓硝酸系统
五、结束语
流体输送Go·well技术从系统优化入手，技改方式可靠，节电效果显著，不对系统正常运行产生任何影响，并能够合理运用各种技术手段，解决系统换热瓶颈问题，提高系统整体运行效率。
关键词：硝酸；冷却循环水；系统优化；节能降耗
中图分类号：TE08文献标识码： A
一、引言
根据国家“十二五”规划，节能减排关系着我国经济结构调整和经济发展方式转变，国家将加大对节能减排政策的扶持力度，促进企业进行节能降耗，不仅有利于国民经济良性发展，还有利于企业可持续发展。硝酸行业节能降耗切入点较多，如工艺优化、换热设备热平衡优化、循环水系统优化等，本文重点阐述冷却循环水系统从运行管理、技术改造两个方面达到节能降号的目的。
二、当前硝酸行业循环水能耗现状
稀硝酸一般是以氨为原料进行生产的， 生产步骤分为氨的接触氧化和氧化氮吸收两步：
4NH3+5O2─→4NO+6H2O+226kJ（放热）
2NO+O2─→2NO2+57kJ（放热）
3NO2+H2O←→2HNO3+NO+59Kj（放热）
硝酸（包括浓硝酸等）在发生化学反应过程中，发出大量的热量，为了提高硝酸领域生产速度，降低生产过程中消耗的能耗，所发出大量热需要通过冷却循环水进行冷却，以便维持持续生产。
据调查，目前我国硝酸领域冷却循环水系统普遍存在着高能耗现象，主要由于以下几个方面原因：
1、水管网系统存在水力不平衡现象，为了满足某部分换热瓶颈，加大供水量；
2、泵站设备配置（循环水泵）由于机械加工水平、偏工况运行等使运行效率低下，未能达到高效供水，能耗偏高；
3、用水装置处于粗放管理方式，未能根据负荷变化进行即时、有效地调节水量，增加泵送能耗；
4、泵站管道附件（如阀门等）质量不高，存在“跑冒滴漏”现象比较严重，流量有效利用率不高；
5、按照常规思路，当初系统设计存在“富裕量”偏大，各参数设计层层加码，导致系统存在“大马拉小车”现象，增加泵送能耗；
6、泵站配置缺乏经济运行模式，不便于经济运行管理，整体运行效率不高。
三、流体输送Go·well技术在硝酸领域的应用
1、技术思路
以最佳工况运行、最合理能耗为指导原则，从影响水泵能耗最根本的三大要素（输送流量、合理阻抗、高效运行）入手，着眼于系统整体优化。首先凭借专有的参数采集标准和计算机仿真模拟等技术手段，通过检测复核系统当前运行工况，准确判断引起高能耗的各种原因，提出系统节能的最佳解决方案。然后通过整改网络不利因素、解决换热瓶颈、优化水力参数设定、量身定制高效节能泵等多种技术手段，消除因设置不合理引起的高能耗；对负荷变化较大的系统，再针对性安装变流量控制系统，实现变工况节能运行。标本兼治，整体节能，达到最佳节能效果！
2、技术手段应用说明
2.1水力平衡优化调整
系统水力平衡是循环水系统经济运行关键，直接影响到系统实际需水能力即泵站需要供水量，对循环水系统能耗起着直接、决定性的作用。制酸系统装置用水换热器数量多，种类各不相同，性能也有所差异，各换热设备通过管网进行连接，形成一个大的管道网络，因管道规格、施工现场实际情况、设备布置高低不一、换热器结垢导致换热性能下降等各种原因，导致整个管网很容易存在水力失衡现象，在正常供水指标情况下，轻则导致局部换热器换热效果欠佳，重则出现局部换热器回水温度严重偏高或根本使水流无法通过，要使系统全部换热设备达到正常换热效果，目前管理人员普遍使用加大供水量、提高供水压头的方法，一方面能够使换热效果原本不好的换热器使用效果得到改善，另外一方面也为原本换热效果正常的装置提供更大的水量，泵站整体能耗大幅上升。针对系统水力失衡现象，可以通过以下手段进行处理：
2.1.1调节各支路阻力系数，达到合理分配水流量目的
整个供水管网可以看成一个并联系统，即并联于供水总管于回水总管之间，各支路供回水压力差△P相同，各支路供水流量与该支路阻力系数关系如下：
△P1=ξ1×Q12
△P2=ξ2×Q22
△P3=ξ3×Q32
……
则：ξ1×Q12=ξ2×Q22=ξ3×Q32……
通过调整各支路换热器进出口阀门，改变该支路阻力系数，从而改变该回路供水流量，此方法适用于系统水力失衡现象不太严重情况，也是最简单、最快捷的一种手段，只需要平时加强装置管理。
2.1.2采取局部加压，解决高区或远区换热瓶颈问题
中大型硝酸生产装置供水最高点一般均在30米以上，因此供水泵站常规设计需要按照最高供水點满足正常用水条件为首要条件，使整体供水压力提高，而一般用水设备布置位置不高，按照最高点设计供水压力绰绰有余，存在着能耗浪费现象，虽然某些系统可以适当下调供水压力，但高位压力控制根不合理，往往会产生水汽化形成断流、扰流形成非满管流增加管路阻力等不利影响。如一般高度用水设备需水压力0.3MPa，为了满足高点使用要求，供水压力提高到0.35MPa，所需要水泵供水扬程提高16.7%。据水泵消耗功率计算公式：
即水泵所消耗功率与扬程一次方成正比，水泵能耗也增加16.7%
因局部高点需水量所占整体供水量不大，因此系统压力按照正常换热器要求进行设计，对局部高点进行局部加压，可使系统能耗大幅降低。该方式我公司成功应用于江苏大和氯碱有限公司、嘉兴庆安化工有限公司、张家港华昌化工有限公司等企业，取得良好的使用效果，节电率基本达到30%以上。
2.1.3采取局部降温，降低该支路供水温度，提高换热器冷却效果：
针对局部加压处理方式，主要是针对高区换热设备供水压力欠缺的系统，但当前往往存在系统换热瓶颈不是在高区，而是在低区，由于换热器本身设计缺陷等原因，通过加大供水量还不能有效解决换热效果问题，我公司开发出针对单个支回路管道进行局部降温技术，该技术通过半导体使通过该支路水温较整体循环水供水温度下降4℃左右。使夏季在冷却塔正常冷却能力达到32℃时供水温度，通过局部降温技术处理，供应给该支路温度只有28℃左右。
2.2更换现场处于低效率运行水泵为与系统相匹配的高效节能泵
现有水泵效率低下，主要由两个方面导致：一、本身机械性能、水力模型不优秀；二、水泵性能曲线与管路特性不相匹配，导致偏工况运行，偏离高效区。水泵额定工况与实际运行工况关系图如下：
ECOWELL高效节能泵采用先进水力模型，每台泵出厂之前需经严格地性能试验，确保泵体本身水力性能优异。同时，更换高效节能泵之前，对系统运行数据进行详细调查测试，并通过计算机模拟软件分析，能够准确分析出管路特性曲线，并根据管路特性曲线，提供与系统相匹配、“量身定做”的高效节能泵，能够使水泵处于高效区运行。
2.3提供能源管理系统，为泵站经济运行提供管理、决策依据
泵站作为循环水系统消耗能源主要部分，对于配置多台水泵、多种规格的泵站，按照泵站经济运行原则，我公司开发具有针对性的泵站能源管理系统，硝酸生产过程中，需水量需要根据不同负荷进行有效调节，对系统在需要特定供水能力前提下，通过各种规格水泵性能参数叠加、组合、模拟等手段，提供开机模式决策依据，包括开启哪种组合模式，该种模式下各台水泵运行在什么样的工况下，使供水能耗最低。该系统可以集成以下功能：
A、显示系统运行参数。包括流量、压力、温度、设备开启状态等，可以为现场操作人员提供集中监控的人机界面；
B、判断运行模式合理性。根据当前供水要求及实际运行模式，判断当前运行模式是否合理、经济，若不经济，系统自动提示合理的运行模式，指导操作人员合理操作；
C、提供每台泵运行合理工况决策。对于复杂系统，在正确的操作模式下，能够根据预先编制程序自动计算出各台设备具体运行工况，使能耗最低，如某系统实际需要供水能力为9300t/h，开启泵位号为A#、B#、C#，并计算出维持三台泵出口压力分别为多少为该系统最经济的运行方式；
D、统计设备运行时间及定期更换易损件提示，现在绝大部分系统或企业只是在换易损件损坏时再更换，达不到预防效果，该系统增加易损件维修记录窗口，根据实际运行时间，及时提示易损件需要更换，提高设备运行保障能力；
E、该集成系统可以独立组成一个系统，也可以根据需要，与现有DCS等系统对接，方便企业操作管理。
四、应用案例
从○四年开始，目前流体输送Go·well技术已经成功应用于国民经济各行各业，包括钢铁、石油、化工、中央空调、铝业、热电、合成氨等，并为国内多家硝酸系统成功进行节能技改。
序号 企业名称 技改前功率
（kW） 技改后功率
（kW） 小时节电量
（kW） 节电率
（%） 备注
1 山东华鸿化工有限公司 164.7+164.7+115.2 131.3+135.9+58.09 119.31 26.8
2 山东华阳迪尔化工有限公司 223+224.8+223.9 197.4+199.3+197.3 77.7 11.56
3 山東宁阳迪尔化工有限公司 128.3+125.7 109.2+106.9 37.9 14.92
4 广西柳州化工股份有限公司 842.5+793.4+700.4 638.6+610.8+572.0 514.9 22
5 南京化学工业有限公司 1761.7（总） 1186（总） 575.7 32.6 稀硝酸系统
6 南京化学工业有限公司 401.7+401.7 320+320 163.4 20.3 浓硝酸系统
五、结束语
流体输送Go·well技术从系统优化入手，技改方式可靠，节电效果显著，不对系统正常运行产生任何影响，并能够合理运用各种技术手段，解决系统换热瓶颈问题，提高系统整体运行效率。