化工控制之 液体循环系统中的压力控制爱游戏平台与节能设计（2）

　　液体循环系统也需要一个压力稳定点，作为整个循环系统中压力分布的基准点，所以分析一个液体循环也要找到这个压力稳定点在哪儿。液体循环系统与气体循环系统的差别在于：液体系统压力平衡不代表系统物料平衡，因为液体的体积受压力影响极小；气体系统的压力平衡可以代表物料平衡，因为固定空间内的气体压力近似正比与摩尔量。液体系统的物料平衡通过中间储罐的液位体现，液体循环系统的稳定通过控制循环流股的流量实现，原因可参看：

　　液体系统的物料平衡主要有流量控制或液位控制，与压力关系不大，所以液体循环系统的压力无需严格控制。在实际流程中并不会对离心泵出口压力严格控制，只需加一块压力表监测报警即可，泵出口自控阀主要用于流量控制。

　　在入口压力固定时，泵出口压力对泵的运行功率有极大影响。在同样流量下，泵的功率近似与泵的出口压力成正比。所以，如何控制泵的出口压力、降低泵的出口压力，对液体循环系统的节能运行有重大意义。

　　液体循环系统大部分场合都是公用工程的循环水系统，包括不同温度的冷却循环水。

　　最典型的、最常见开式液体循环系统就是凉水塔冷却循环水系统。示意图如图1，图中一台循环泵代表循环泵组，一台凉水塔代表凉水塔群，三台换热器代表生产装置内所有的冷却换热器，忽略其他非关键部件，例如补水与排水系统。

　　凉水塔冷却循环水系统作为开式循环系统，循环水塔直接暴露在大气环境中，所以系统有两个压力稳定点，分别是循环水进凉水塔的入口点以及凉水塔底部水池，压力均为大气压。

　　理论上泵的扬程只需等于从水池到凉水塔入口的管路系统阻力降即可，但实际上泵扬程要等于系统阻力降再加上装置中最高点冷却器的位差。原因是：为保证最高点换热器内循环水充满并维持最低20kPa(绝压，60℃下水的饱和蒸汽压），冷却水不在最高点气化，凉水塔回水阀入口压力至少为“最高点与回水阀之间的位差再减去 最高点与回水阀之间的阻力降”，即回水阀的压降是必须要有的。如果把回水阀全部打开，顶楼的冷却循环水要出大问题。

　　循环水泵的出口压力不作控制，只作监测。当生产装置移热负荷降低，有两种处理方法：

　　第一种处理方式：保持循环水用户端流量不变，即不调节用户侧循环水调节阀不控制工艺侧温度，此时循环水总量不变，但回水温度降低，即循环水供水温度与回水温度的差值变小；这种方式还有一个副作用，冷却器因为过多移热所以系统需要过多消耗蒸汽。所以这种处理方式最不节能，无论是泵消耗的电能，还是装置消耗的热能。

　　第二种处理方式：调节用户侧循环水流量，以控制工艺侧温度。此时，循环水总流量降低，泵的出口压力升高，但不控制泵的出口压力。此时泵流量降低，泵的功率略有降低，但绝非与泵流量成比例，所以这种调节方式略节约泵的电耗。

　　通常，生产装置中的工艺用户，对工艺温度要求比较严格的就采用第二种控制方式，对工艺要求并不严格的就采用第一种控制方式。所以在装置内两种调节方式都有。我在现场看到的，很多精馏塔塔顶冷凝器，不采用自动控制循环水，尤其是大塔，主要原因循环水管径太大，自控阀太大而成本过高。即使没有自控阀，负荷有较大变化时，可以通过手阀去调整一下阀门开度。

　　除了装置负荷变化外，如果冷却水的温度变化，若控制工艺侧温度，则循环水量也会发生变化。冷却循环水温度越低，换热器同样的冷却负荷下，冷却循环水的进出口温差越大，所需流量越小，泵出口压力越高。

　　若要冷却循环水系统更加节能的运行，首先需要在工艺侧的大用户增加调节，无论是自动调节还是手动调节。其次，在循环水供应侧可以有以下节能手段：

　　循环水泵变频恒压控制：即调节泵的转速控制泵出口压力，使压力恒定。恒压控制下，泵的功率近似与流量成正比，节能量远高于阀门节流控制。但节能量并非很多变频宣传中的三次方关系，那是非恒压用变频泵直接控制流量条件下的关系。恒压控制的优点除了节能外，用户之间不会互相干扰，即一个用户循环水用量增大并不会降低其他用户的循环水流量。变频恒压控制的缺点是投资大，尤其是10000V的高压变频器，变频器成本远远高于循环水泵。

　　循环水泵组的组合调节：如果变频控制成本太高，可以采用循环水泵组的组合调节。对于大型循环水系统，通常由多台循环水泵，可以通过增加或者减少泵的运行台数使循环水供水压力处于合理区间，此时虽然不能像变频调节一样精确控制供水压力，但是节能量也很显著。最好再用两台同样设计扬程但是50%设计流量的小泵取代一台大泵，通过大小泵以及运行台数组合可以更加节能运行。根据装置的移热负荷以及循环水温度，生产人员可以摸索出一套泵组最优组合规律出来。由于现在切换泵还需要人工切换，当生产工况发生变化而需要更换泵组组合时，还需要人工切换。当然，只要增加泵出口自控阀，也可以做到DCS自动程序切换。

　　循环水水温调节：循环水供水温度越低，所需的循环水量越低。在有泵出口压力调节（上文中的变频恒压控制或者泵组的组合调节）的前提下，降低循环水供水温度也可显著降低泵的能耗。通常循环水塔的循环风机功率远远低于泵的功率，所以让风机全速运行是合算的。当然，在冬季没有必要风机全开，可能温度过低而结冰。可以根据季节设置一个简单的循环水温度控制方案：夏季 时风机全开；春秋季时停止部分风机，使供水温度维持在22-26℃。冬季时停止大部分风机，使供水温度维持在18-22℃，只要生产用户侧工艺允许，尽量降低循环水供水温度。当然，凉水塔的冷却风机也可以采用变频调节控制，是否需要安装，还是考虑投资与收益的比，是否值得。如果有多台凉水塔，可以对一台或者两台风机安装变频器，投资并不大。

　　如果供水温度以及供水压力都有变频调节，理论上系统存在最优供水温度与供水压力组合，此时循环风机与循环水泵的总功率最低，但是实际上很难建立这个最优化数学模型。工业上不求最优，只求可以接受，通过前文所说的泵组运行台数组合以及风机运行台数组合也可以达到一个不错的节能状态。

　　抬高凉水塔安装高度：凉水塔的回水阀入口压力至少为“最高点与回水阀之间的位差再减去 最高点与回水阀之间的阻力降”，所以如果抬高凉水塔安装高度，可以减少回水阀入口压力，即降低泵的出口压力。凉水塔每抬高1米，泵的设计扬程就可以减低1米。所以小装置小型凉水塔，可以直接把凉水塔安装在装置屋顶。此时无需考虑最高点的位差问题，泵的设计扬程等于管路系统阻力降即可。我们看到，建筑制冷系统的循环水凉水塔都安装在屋顶，这是非常合理节能的方法。

　　为高层用户配置管道泵：循环水泵的出口压力满足高层用户的用水需求，然后高层用户的循环水用量占总用量并不大，所以高层用户导致巨大的能量损失。对高层用户可以采用管道泵增压，并且高层用户总管汇聚到装置总回水管道前增加阀门和阀前压力表，手动调节阀门保持阀前压力约等于高点与阀门的位差即可。这种方式下，相当于将高层用户的循环水系统从低层循环水系统中隔离，形成一个二次循环水系统。这种情况下，循环水泵的扬程只需考虑低层用户即可。

　　从上可见，开式循环水系统，物料平衡很容易实现，与系统压力几乎无关。但是开式循环水系统的压力设定值以及压力控制方式，对循环系统的动力源，即循环泵的能耗影响显著。冷却循环水系统节能需要从泵的出口压力以及控制方式入手。

　　后文将对半闭式液体循环系统和闭式液体循环系统的压力控制和设定给出分析与案例。