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在对循环冷却水系统构成进行分析的基础上，从循环冷却水系统的系统能量输入与转化入手，分析了循环冷却水系统在运行过程中产生的能耗，以此为基础，对循环冷却水系统的节能做法进行了阐述，以减轻循环冷却水系统的能源、资源方面的消耗，使企业运行的成本得以减轻，从而提升循环冷却水系统的节能水平。
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1
循环冷却水系统构成及能量转化

1.1
循环冷却水系统构成

从系统输送介质的角度来看，循环冷却由密闭式和敞开式两种系统构成。对于敞开式来说,其主要组成部分为电源装置、传动系统、循环水泵组、管网、换热装置、冷却塔。其中，整个系统的能源供给来自电源装置，包括机械输送设备、 传动控制系统及自动化控制系统等设备；变频调速控制等电气自动化以及管网上流量调节阀等仪表自动化装置共同构成了自动化控制系统；风机及驱动电机等子设备是冷却塔的组成部分。广义上来说，系统的循环系统管网包含了冷却水使用设备系统，并没有分门归类。

1.2
系统能量输入与转化

1)电能输入。依据工厂电网，电能能够顺利与循环冷却水系统相通。同时为确保设备的正常运转，应将电能输入至泵配用的电机、风机配用电机以及系统中自动化控制等设备。
2)能量转化。电机在电机驱动循环水水泵的作用下，能够将电能转化为水泵动能，在水泵影响下进一步变为循环水的动能。电能通过电机能够转变为冷却塔上风机的动能，同时依靠风机进一步变为冷却风的动能。在电、气的驱动作用下，控制阀能够结合自动化系统从而自动调试水压、流量及冷却温度[1] 。

1.3
系统能量消耗

以能量守恒定律为基础，循环冷却水系统中的能量消耗应与能量转移、转化时所消耗量相一致。具体来看，循环水系统中的电机、水泵和风机等能够促进电能、机械能及动能的能量转化；机械接手及变速齿轮等连接器、换热器有利于 推动能量的传递与转移。在一系列转移和转化期间，能量消耗必然发生，因此，应不断从整体上优化和提高涉及设备的运行效率，以此保证循环冷却水系统的运行效率。

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2
冷却塔在循环冷却水系统中的应用

循环水冷却系统的硬件配置常采用冷却塔。在我国南方,水资源相对充足,因而以直流系统居多;北方水资源匮乏,直流系统无法满足水资源的持续性供应要求,为实现节约用水的目标,通常将冷却塔作为冷却水系统配置中的重要装置,水升温后再经由冷却塔降温,加之凝汽器及其他辅助设备的应用,达到水资源循环利用的效果。

在冷却塔循环功能的辅助下，可减少水资源的浪费量，但并不能从根本上解决水资源的使用困境。随着技术的发展，机械通风直接空气冷却系统应运而生，成为水资源循环利用中的重要选择对象。在应用机械通风直接空气冷却系统时，工作人员需明确直接空冷凝汽器的特性，认识到此装置在应用中的局限性。由于装置安装复杂的缘故，通常在汽机间的高架平台处设置，除此之外的其他设施依然为传统的循环冷却水系统。

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3
冷却循环水系统的配套技术及可靠性分析

1)配套技术。循环冷却水系统的组成复杂，各功能系统间存在密切的联系，彼此必须保持协同运行状态，如此才可推动大系统的有效运行。各系统在安装方式、运行原理、控制机制等方面存在差异，装置能量流失方式不同，需加强对能量转移、流失及转换率的分析，根据分析结果精心挑选最佳的节能技术。电源装置的优化是直接且效果较佳的途径, 需成为设计人员的重点考虑对象，搭配高效水泵、变频调速等方法可以起到良好的节能效果。现阶段可选择的节能技术多样化，各自均有侧重点，在挑选节能技术时需做针对性的考虑。例如，变频调速控制的基本原理是调节系统的控制状态，在加强控制后减少系统不必要的能源消耗；水动能冷却塔的运行原理在于发挥出管网水动能余量的利用价值;水泵节能机制相对复杂，需从优化设计效果、改善设备等方面着手。

2)可靠性分析。循环冷却水系统的稳定运行至关重要, 但系统运行期间受到诸多因素的干扰，组成系统的各设备均要保持稳定可靠的工作状态。各系统间的连接方式需合理，以免由于连接问题而威胁到系统的可靠性。在保证循环冷却水系统各设备可靠性的前提下，提高制造厂的加工水平、 注重材料优化、深化设备结构均属于重要内容。相关工作人员应加强对循环水泵的配置及连接等关键部位的检查，为保证循环水泵的稳定运行，配置 2 台或 3 台水泵，其中 1 台备 用，以便在水泵出现异常后及时启用备用设备。循环水泵采用冗余方式并联连接，此连接对维持设备的可靠性有益，但需控制并联设备的个数并保证每台并联设备的稳定性，通常随着并联设备数量的增加，整体可靠性提升，并联系统能够 更加有效的运行。

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4
循环冷却水系统常规生产流程

冰水循环泵能够将低于 28 ℃ 的冰水回水槽中高温冰水运输至制冷机组蒸发器，同时冷却水泵将低于 32 ℃ 的循环水输送至制冷机组冷凝器。此时，制冷机组同时流经循环水与冰水，可促使循环水与冰水之间的融合，从而降低温度。此外，在冷却塔的工作之下，能够将循环水系统中的热量暴露在大气之中，进而降低循环水温度，所得到的循环水可再次流入循环水池，达到循环利用的效果。

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5
循环冷却水系统的节能举措

5.1
冬季运行时的设计优化

冬季时,在冷却塔降温后的循环水温度不会超过 26 ℃ , 外部温度最低时，循环水温度也可相对低至 10 ℃ ，生产时便可直接运用循环水，以此在降温时便可运用其来取代电驱动制冷机组与吸收式制冷机组。在工艺运行中开展管线的改 造具备简便性特征，往往将一路 3 m 长的串通管道配置于制冷机降温后供生产车间的供水总管道——原冰水管道以及供应制冷机组的循环水供水总管——循环水管道之间，同时安装一只 DN700 切断蝶阀。此外，增加 2 只 DN700 的控制蝶阀，一只在制冷机出口总管向冷却塔进水的总管处，另一只在生产车间用冰水降温后向冰水回水槽进水总管处，同时安装一路 5 m 的串通管道于冰水回水总管与制冷机组冷却水回水总管之间，至此改造完成。

在整体改造之后，在外部环境气温较低的条件下，冬季便可通过切换管路来推动氨基酸生产部动力车间所供应的冰水最大限度转变为循环水，经由冷却塔的冷却，能够起到取代冰水的作用直接流入冰水管道，为生产所使用。因此，可停用该制冷机(生产车间发酵降温制冷机所用)，在冬季环境下减轻制冷机组的运行成本，优化节能效益[2]。从 5 万 t / 年的赖氨酸生产线规模的用能状况来看，在经过提升之后，对制冷量为2. 510 4 × 10 7 kJ/ h 的制冷机组及相应的辅机等 4 台设备可停止使用，期间节约的维护资金、降低的工作人员任务量等不可估量，预估年实际节约电耗可达 4 427. 9 万 kW·h。

5.2
夏季运行时的设计优化

在夏季运行情况下，制冷机组的工作任务为确保生产用冰水温度处于 28 ℃以下状态，运行压力较大。在全面探究夏季环境温度的变化特征之后，能够得出温度较高天气下，一天中 80% 时间内冷却塔降温后循环水的温度仍能呈现出低于 30 ℃的状态，回水温度最低为 35 ℃ ，相对于在 8、9 月份更高温的天气，阶段之内的循环水温度也能保持在28 ℃ 。进一步整合所得数据能够归纳出以下结论：首先，夏季期间，循环水温度仍能在某些时段内达到生产标准，此部分低温循环水能够直接利用；其次，进入冷却塔的回水与循环水池冷却后的循环水在温度上呈现出 6 ℃左右的差值，同时冷却后的循环水温度也仅比发酵冷却水的温度高 1 ℃ ~ 2 ℃ ,冷却塔能够起到自然降温的散热性能[3]。

根据实际情况，夏季在不采取冰水供应循环水而对循环水多加运用的同时，将板式换热器配置于冷却塔降温后循环冷却水进入冰水管道之前，以此充分达到冰水降温循环水的效果。

充分落实此种冷却水供应方式，能够全面以赖氨酸发酵生产对冷却水温度的需求为基础，不仅有利于在夏季环境温度阶段性较低的条件下停用制冷机组。同时,在自然降温循环水难以符合赖氨酸生产要求(仅高于生产所需温度上限 1 ~ 2 ℃ )之下，可良好发挥板式换热器的作用，降低循环水温度以达到冰水的生产要求。从而在冷却塔自然降温的方式之下推动冷却水中绝大比重的热负荷发散至大气环境之中，同时依靠制冷机组的冰水将受环境温度限制难以直接散热的较小比重的热负荷疏散出去。

传统制冷工作原理如下：循环水在制冷机组的运行下能迅速让冰水的温度降低，降温之后的水流经蒸发器后水温变得更低，循环水将低温水的热量带走，从而起到升温的作用，当水温升至冷却水的饱和温度之上时，循环水将高温水的热量带走，使之发散到大气之中。循环水降温用冰水的方式不同于传统的制冷工作原理。这种方式经无数事实的验证可知是极为有效果的。即使在夏季，使用这种方式降温也具有良好的效果。这样一来，制冷机组的运行负荷得到了有效降低，甚至在条件允许的情况下可以暂时性全面暂停制冷机组，故而这种方式更能起到节能的效果，且收益可观[4]。

5.3
参数优化

耗能最大的部分当属循环水泵和风机，耗能大小与流量设计和扬程息息相关，填料、水、隔离层、空气之间的相互影响也会影响耗能量。根据循环系统工作原理，当气水比、空气干球温度、换热器的面积固定时，无形中会增大蒸发传热和接触传热量。当任务工作量一定时，水量变小，空气量降低；当气水比和空气干球温度被固定时，循环水量减少，空气量减少，从而使得机组的运行能耗降低，起到成本控制的作用；当空气干球温度和换热器面积维持不变，气水比增加时，提升冷却塔的处理量，功耗增加的同时也提升了运行效率。故而，确定参数时，要结合实际生产负荷和能耗成本，寻找其中的平衡点，再借助实际数学模型起到优化参数的效果。

5.4
循环冷却水的余热利用

低温热源如冷冻机或空压机可以用过循环冷却水实现降温的目的。如循环水通过冷却塔将原来 37 ℃ 的冷冻机降 到 32 ℃ ，将原来 42 ℃的空压机降到 32 ℃。为有效起到节能的效果，可充分利用这部分的余热。在工业项目中，冷冻机、 空压机中循环冷却水量很大，以循环水量 500 m3/ h、温升 5 ℃为例，根据热交换理论，计算的余热有 2 925 kW。假设某企业中有 120 m3/ h 纯水制取工艺，纯水的水温在 20 ℃ 左右才能达到纯水的转化率标准，满足生产设备的用水水温要求。若是冬季使用，需要对热源进行加热后再使用，按照原水水量为产水量的 1. 3 倍计算，温差 5 ℃ ,这一过程产生的热量为 2 738 kW。将板式换热器放置到冷却水系统中，冷却水的热量可以供给纯水原水的预热系统，这样能减少纯水生产系统的热源加热装置的购买与安装维护费用。为有效节 约生产能耗可关闭部分冷却塔，使用纯水制取工艺所需的洁净热源，如电加热、蒸汽等，以上余热回收利用的量为 2 738 kW, 假设利用率为 80% ，考虑到使用中的水温差异波动及负荷变化,可回收热量约为 2 200 kW，24 h 工作制，全国工业用电平均价格按 0. 85 元/ (kW·h)考虑，冬季 3 个月可实现节约费用约 404 万元。

5.5
动力设备的节能运行

因生产设备和生产过程的差异，从水量或水压方面考虑，工业内部对冷却水的需求会产生一定的差异。从理论角度而言，根据生产需要，不同循环冷却水系统中的循环水泵和风机要适时调节运行工况，以免产生非必要的能耗。在某些工艺中需涉及调速，可根据生产需要使用变频技术，如调节控制风机、水泵等设备也能有效起到降低能耗的效果。在实际使用中，变频技术的优势如下：调速性能优良，适用于多种场合，生产过程驱动设备故障率也能够得到有效控制，还能增加设备的使用寿命，有效提升产品质量。当多台循环泵并联运行时，应使用循环泵自带变频器，数量一般以 1 ~ 2 台为宜；当实现冷却塔风机变频控制时，可使用双速风机冷却塔。这些方式的应用可以结合系统的负荷情况以调整水泵和冷却塔的运行工况，从而实现降低能耗的目标。

5.6
其他节能措施

当工业循环冷却水系统运行时水温较高会因为水质因素的作用，易使腐蚀、结垢等问题暴露于循环冷却水系统中的设备和管道内部，增大水路和风路系统的水头损失，不利于节能。故而，做好循环冷却水设备的防腐蚀和防结垢工作也是重要的节能措施。当系统运行通畅时，水头损失小，系统运行能耗也会随之降低。

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6
结语

可以从多个方面实现循环冷却水系统节能目标，具体措施在应用时要综合考虑不同工业项目的规模、实际运行工况、建设地的条件等各方面因素。本文以生物制药厂为例，分析了循环水的节能处理技术，最终目标是实现生物制药工程的节能减排，以提升企业经济发展效益。

参考文献
[1] 路陶鹏. 生物制药厂房空调及通风系统设计要点[ J]. 工程建设与设计,2022,70(18):38 - 41.
[2] 王伟. 循环水系统整体节能优化改造[ J]. 石化技术,2022,43 (4):234 - 235.
[3] 马健,朱玉,顾红波. 工业冷却循环水系统节能与环保探讨 [J]. 节能与环保,2021,39(12):39 - 40.
[4] 方婷婷. 能源站中给排水循环冷却水系统设计思考[ J]. 工程建设与设计,2021,69(17):40 - 42.