1.本实用新型涉及工业冷却循环水节能技术领域，具体涉及一种开式循环水系统。
背景技术：2.石化、化工、煤化工等行业一般采用开式循环水系统。循环水系统是各种化工行业重要的公用工程，它的运行需要消耗大量的水和电能，煤化工企业循环冷却水补充水量占全厂总取水量的60％左右，循环水系统运行电耗约占企业用电总量的8％-10％。
3.大部分企业的循环水系统由于设计富余量大、与装置改造不匹配、设备效率低、运行不合理等因素，存在能源消耗高的问题。针对上述问题，现有的循环水节能系统优化改造技术主要侧重于循环水泵，而对生产装置的冷却介质很少关注。关注循环水冷却器的专利技术，如公开号为cn103984999a的中国实用新型专利，虽已涉及装置的冷却设备，但未提及生产装置的热量利用及装置在负荷变化或季节变化时如何有效调整循环水系统的操作。
4.专利申请号为cn202010943599.8、名称为“工业循环水节能系统的优化方法及应用其的工业循环水节能系统
ꢀ”
的中国实用新型专利，其具体方案是：在对循环水系统的循环水泵、冷却塔以及工艺装置换热器进行统计分析后，根据各工艺装置换热器所在高度位置将整个循环水系统的换热器分为位于高位置区域的高区换热器部分以及位于低位置区域的低区换热器部分，并通过流体模拟计算软件搭建模型，进行循环水流量平衡、系统扬程计算模拟分析，然后结合运行费用以及建设投资费用进行经济效益评定，合理选取了经济效益最优的高区换热器部分与低区换热器部分分区的分界线。该实用新型主要通过降低泵的扬程实现循环水系统的最大节能量，现有技术中，大部分精馏塔顶的气相通过冷却器冷凝冷却，冷凝过程的热量是非常大，导致循环水系统用水量大，补充水耗高，且由于冷凝过程的膜传热系数大，冷却器内传热管的管壁温度与工艺物料冷凝温度接近，循环水系统的水压一般较低，特别是高位冷却器，一般高位冷却器的出口压力略高于常压，在这种情况下，循环水在冷却器内与高温的换管管壁接触时，易于在传热管壁上形成“微蒸发”，极易将循环水中的钙、镁等折出，从而导致传热管壁处因结晶而出现硬垢，随着运行时间的延长，硬垢将越来越厚，换热器内循环水侧的流通面积会减少，出水温度会增加，又再加剧“微汽化”，导致工艺物料冷后温度达不到要求，导致开式循环水系统运行周期相对较短的问题。
技术实现要素：5.有鉴于此，本实用新型提供一种开式循环水系统，以解决现有技术中开式循环水系统中冷却器因运行负荷高导致冷却器传热管壁容易结垢而使运行周期缩短。
6.一种开式循环水系统，包括预冷却设备和冷却器，预冷却设备和冷却器通过工艺物料流通管道相连接，预冷却设备按照工艺物料的流通方向设置在冷却器的前方，预冷却设备对进入预冷却设备的工艺物料进行冷却以使冷却的工艺物料的温度与冷却器的循环水上水温度相适配，并将冷却后的工艺物料通过工艺物料流通管道输送给冷却器再次冷却。
7.优选的，上述冷却器还设置工艺物料的出料管、循环水进入管和循环水排出管，开式循环水系统还包括控制组件，控制组件用于控制预冷却设备的运行功率以使进入冷却器的工艺物料的温度达到预定值，控制组件包括控制器、用于采集进入冷却器前的工艺物料的温度的第一温度变送器、用于采集流出冷却器的工艺物料的温度的第二温度变送器、及用于采集流出冷却器的循环水的温度的第三温度变送器，控制器分别和第一温度变送器、第二温度变送器、第三温度变送器电性连接，第一温度变送器设置在工艺物料进入冷却器前的进入管上，第二温度变送器设置在工艺物料流出冷却器后的排出管上，第三温度变送器设置在循环水排出管上，控制器根据第一温度变送器采集的温度数值信号、第二温度变送器采集的温度数值信号和第三温度变送器采集的温度数值信号调节预冷却设备的换热效率。
8.优选的，预冷却设备为热媒水换热器，热媒水换热器设置热媒水循环管路和热媒水循环泵，热媒水循环泵和控制器电性连接。
9.优选的，预冷却设备为空冷器，空冷器的风机和控制器电性连接。
10.优选的，预冷却设备由工艺物料输送管道将热媒水换热器和空冷器相互串联形成，空冷器位于热媒水换热器和冷却器之间，热媒水换热器设置热媒水循环管路和热媒水循环泵，热媒水循环泵和控制器电性连接，空冷器的风机和控制器电性连接。
11.上述开式循环水系统中，预冷却设备和冷却器通过工艺物料流通管道相连接，预冷却设备按照工艺物料的流通方向设置在冷却器的前方，预冷却设备对进入预冷却设备的工艺物料进行冷却以使冷却的工艺物料的温度与冷却器的循环水上水温度相适配，并将冷却后的工艺物料通过工艺物料流通管道输送给冷却器再次冷却，使得进入工艺物料传给传热管的温度与循环水的温度相近，避免传热管壁上形成“微蒸发”，进而延长了开式循环水系统运行周期。
附图说明
12.图1是本实用新型第一实施例的结构框图。
13.图2是本实用新型第二实施例的结构框图。
14.图3是本实用新型第三实施例的结构框图。
15.图4是本实用新型根据管路系统建模分析后，对关键线路设置增压泵的结构框图。
16.图中：预冷却设备10、热媒水换热器11、空冷器12、冷却器20、工艺物料的出料管22、循环水进入管23、循环水排出管24、控制组件30、控制器31、第一温度变送器32、第二温度变送器33、第三温度变送器34、空冷器40。
具体实施方式
17.以下结合本实用新型的附图，对本实用新型的技术方案以及技术效果做进一步的详细阐述。
18.请参阅图1至图3，开式循环水系统包括预冷却设备10和冷却器20，预冷却设备10和冷却器20通过工艺物料流通管道30相连接，工艺物料流通管道30的初始端和生产装置相连接，例如生产装置为精馏塔，预冷却设备10按照工艺物料的流通方向设置在冷却器20的前方，预冷却设备10对进入预冷却设备10的工艺物料进行冷却以使冷却的工艺物料的温度
与冷却器20的循环水上水温度相适配，并将冷却后的工艺物料通过工艺物料流通管道30输送给冷却器20再次冷却。
19.进一步的，上述冷却器20还设置工艺物料的出料管22、循环水进入管23和循环水排出管24，开式循环水系统还包括控制组件30，控制组件30用于控制预冷却设备10的运行功率以使进入冷却器20的工艺物料的温度达到预定值，控制组件30包括控制器31、用于采集进入冷却器20前的工艺物料的温度的第一温度变送器32、用于采集流出冷却器20的工艺物料的温度的第二温度变送器33、及用于采集进入冷却器20的循环水的温度的第三温度变送器34，控制器31分别和第一温度变送器32、第二温度变送器33、第三温度变送器34电性连接，第一温度变送器32设置在工艺物料进入冷却器20前的进入管上，第二温度变送器33设置在工艺物料流出冷却器20后的排出管上，第三温度变送器34设置在循环水进入管23上，控制器31根据第一温度变送器32采集的温度数值信号、第二温度变送器33采集的温度数值信号和第三温度变送器34采集的温度数值信号，控制器31确保流出冷却器20的工艺物料实时温度满足工艺要求的温度前提下调节预冷却设备10的换热效率，改变进入冷却器20前的工艺物料实时温度和循环水上水的实时温度之间的温度差达到降低冷却器20的冷却负荷，同时使冷却器20的传热管壁结垢的几率降低，实现延长开式循环水系统运行周期的目的。
20.进一步的，预冷却设备10为热媒水换热器，热媒水换热器设置热媒水循环管路和热媒水循环泵，热媒水循环泵和控制器31电性连接，控制器31根据第一温度变送器32采集的温度数值信号、第二温度变送器33采集的温度数值信号和第三温度变送器34采集的温度数值信号，控制器31确保流出冷却器20的工艺物料实时温度满足工艺要求的温度前提下调节热媒水循环泵的转速实现调节热媒水换热器的换热效率。
21.进一步的，预冷却设备10为空冷器，空冷器的风机和控制器31电性连接，控制器31根据第一温度变送器32采集的温度数值信号、第二温度变送器33采集的温度数值信号和第三温度变送器34采集的温度数值信号，控制器31确保流出冷却器20的工艺物料实时温度满足工艺要求的温度前提下调节空冷器风机的转速实现调节空冷器的换热效率。
22.进一步的，预冷却设备10由工艺物料输送管道将热媒水换热器和空冷器相互串联形成，空冷器位于热媒水换热器和冷却器20之间，热媒水换热器设置热媒水循环管路和热媒水循环泵，热媒水循环泵和控制器31电性连接，空冷器的风机和控制器31电性连接，控制器31根据第一温度变送器32采集的温度数值信号、第二温度变送器33采集的温度数值信号和第三温度变送器34采集的温度数值信号，控制器31确保流出冷却器20的工艺物料实时温度满足工艺要求的温度前提下调节热媒水循环泵的转速、空冷器风机的转速，分别实现调节热媒水换热器和空冷器的换热效率。
23.进一步的，为了本领域技术人员更容易实施本实用新型，以下为本实用新型的具体操作方法：该方法具体步骤为：
24.s1、先采用预冷却设备对生产装置的工艺物料降低温度后，再将降温后的工艺物料输入冷却器进行冷却，以使冷却的工艺物料的温度与冷却器的循环水上水温度相适配；
25.s2、对不含冷却设备的循环水供水管路系统建模分析，计算管网系统的压力损失，在上述每台冷却器20的入口/出口设置压力测量仪表，进行实时压力测量，在所有上述所有的压力测量数据中，寻找压力最低的三台冷却器20，并将这三台冷却器20出口压力最低的标注为关键线路，出口压力第二低的标注为次关键线路，另一台标注关注线路，在标注为关
键线路、次关键线路和关注线路的三台冷却器20出口分别增设压力变送器，实时监测这三台冷却器20的出口压力值。
26.s3、对设有开工冷却器或一开一备设备的冷却器冷却流程的优化：对设有开工冷却器的设备，在设计时与低位非关键物流的冷却器串联/并联可切换方式设计，即装置开工时按并联方式投用，生产装置运行正常后，切换至串联模式，循环水先进入开工冷却器后再流经非关键物流的冷却器；开工冷却器在采用串联设置时，在正常生产工况时，所有循环水流经冷却设备的流速在循环水走管程时大于0.5m/s，在循环水走壳程时，大于0.3m/s。如壳程采用防腐涂层或反冲洗措施时，大于0.20m/s。对一开一备设备的冷却器，二台用水设备采用串联/并联可切换方式设置，当备用冷却器需要开工时，切换到并联模式，二台冷却器均用水，当设备运行正常，开工冷却器停止运行后，切换到串接模式运行，循环水依次流经二台冷却器。避免了现有技术开工冷却器停止运行后，开工冷却器内的水长期不流动而造成对设备腐蚀，延长开工冷却器的运行周期。
27.s4、冷却器的合理用水量与实时用水量操作调整方法：根据每台冷却器的合理水量，得到每套生产装置的合理水量，进而得到整个循环水系统的合理水量。
28.s41、单台冷却器的合理用水量及合理流速的调整：单台冷却器20的合理用水量的温度应同时满足工艺物料的冷后温度满足工艺卡片或生产运行要求，可采用传热计算软件计算或根据现场实际运行情况判断；冷却水出冷却器的温度小于等于55℃，优选小于等于50℃。
29.循环水的合理流速：在循环水走管程时，循环水的流速在0.5m/s或以上；在循环水走壳程时，循环水的流速在大于0.3m/s，采取防腐涂料或反冲等措施时循环水的流速大于0.20m/s；对已投用的循环水走管程设备，循环水的流速不能大于0.5m/s时，采取堵塞部分换热管的方式实现；对于设置前置预冷却设备10或前置空冷器40时，应调整预冷却设备10或空冷器40的工艺物料出口温度，冷却器内循环水的流速应达到上述合理流速。
30.s42、设计余量特别大的冷却设备合理水量及合理流速的调整：对设计留有特别大设计余量的水冷却设备，采取切除（不投用）部分冷却器20的方式，在满足工艺物料冷却要求的同时，冷却设备内循环水的流速达到大于0.5m/s（循环水走管程）的合理流速，在循环水走管程时，通过部分堵管，减少管程流通面积的方式实现合理流速。
31.生产装置的冷却设备，特别是塔顶冷凝器选型时，住住留有100%甚至300%的设计裕量。这类设计裕量特别大的冷却设备，非常难达到合理流速。企业在生产过程中一般根据工艺物料的出口温度来控制冷却设备循环水的进水量。这种控制方式导致循环水的出水温度较高，冷却器内循环水的流速较低。导致在换热器内，循环水的中粘泥因流速过低而沉积，导致管内（循环水走壳程时为管外）粘泥沉积的“软垢”，运行时间长后，软垢慢慢变硬，且微生物在垢下繁殖，导致垢下腐蚀，从而影响循环水系统的正常生产，也影响了装置的安稳长生产。本实用新型设冷却器的合理水量，该合理水量不仅考虑工艺物料的冷却要求，还考虑循环水的出水温度和循环水在冷却器内的流速，可避免因流速过低造成的粘泥类物质沉积而出现的“软垢”及垢下腐蚀问题，解决了设备长周期安全运行与降低循环水用量之间的矛盾。
32.s43、单台冷却器实时用水量的计算方法：基于工艺物流和物性，在生产装置上测得工艺物流的运行压力、进口温度、出口温度的实时数据，每台冷却器的循环水出口管线上
安装远传（就地）温度计，则我们可以通过：
33.w=cp(物流)
×
δt1（物流）/δt2(循环水)
34.计算得到该单台冷却器的用水量。
35.其中：w：为循环水的用水量
36.cp（物流）:为工艺物流的平均比热容
37.δt1（物流）:工艺物流的冷却温差，进口温度减出口温度
38.δt2(循环水):循环水的上回水温差，出口温度减进口温度
39.cp(物流)
×
δt1（物流）：工艺物料在冷却器20内的总冷却热负荷
40.由于生产装置不可能每台水冷却器安装循环水的流量表，所以在实际生产过程中不能得到循环水在冷却器内的实际流速，所以不可能得到实际生产的实时用水量数据，通过步骤s43获得对应一台冷却其的用水量，根据循环水系统中的每台冷却器用水量的总和计算出循环水系统总的用水量。
41.s44、用水量实时监测与操作方法：根据每台冷却器的合理水量与软测量的实时用水量的比较判断，实时水量与合理水量的偏差
±
10%以内，为运行良好；实时水量与合理水量的偏差在+10~20% ，为循环水用量偏多，-10~20%为“循环水用量偏少；实时水量与合理水量的偏差在》20% ，为循环水严重偏多， 《-20%为循环水用量严重偏少；操作人员根据上述用水量是否合理的判断方法，对冷却器的用水量进行相应调整。
42.s45、全并联系统供水压力与供水压力实时调整方法：
43.循环泵设计选型时，按夏季及处理量最大工况下满足关键线路供水需要的压力选择，并留有适当的余量；在循环水系统正常生产过程中，应实时比较管路理论计算压力损失与实测压力损失；根据关键线路、次关键线路、关注线路上的压力变送器的实时测量值，与循环水泵进行关联，调整循环水泵出口阀的开度。
44.如所有最高位冷却器出口的压力指示值中的最低值如高于0.02mpa，则可关小泵出口阀。
45.如所有最高位冷却器出口的压力指示值中的最低值如低于0.01mpa，则开大泵出口阀。
46.如所有最高位冷却器出口的压力指示值中的最低值如高于0.02mpa，且关小泵出口阀将合泵的操作处于非高效区时，可关小一台循环水泵，其它水泵作相应调整，使供水量、供水压力均在合理值。
47.如所有最高位冷却器出口的压力指示值中的最低值如低于0.01mpa，且开大一台或几台泵出口阀将合泵的操作处于非高效区时，则可增开一台循环水泵，其它水泵作相应调整，使供水量、供水压力均在合理值。
48.在设有一台调速泵（变频/液力偶合或永磁）的循环水系统，也可根据关键线路的最高位压力测量结果进行闭环调节。
49.s46、因布置位置特别高或压力损失特别大的冷却器的系统，需要增设增压泵，参阅图4；在循环水总管上增加一台增压泵，提高该冷却器循环水的入口压力，该增压泵的扬程选择以满足该冷却器出口压力大于零；该冷却器回水管在返回母管前，需要设阀门进行减压，阀门减小的压力与增压泵的扬程相当，以避免该冷却器回水后将总的母管压力提高。
50.如循环水系统中某台冷却设备的压力损失特别大（如所有的冷却器为2管程，该冷
却器为4或6管程），采用多管程冷却器后，冷却器的压力损失会大于2管程冷却设备。在这种情况下，为保证该冷却器的正常运行，需要增设增压泵，所设的增压泵的扬程为该冷却器比大部分其它冷却器的压损差。
51.s47、循环水泵的操作优化：循环水系统的泵，均为并联系统，根据并联泵的操作特性，实际并联运行的泵数量不超过4台为原则选择单台循环水泵的流量，运行泵的数量为n，则n-1台泵应运行在泵的最佳效率区，第n台泵作为备用泵，发现某台泵的实际效率偏低时，启动备用泵工作，检查实际效率偏低泵的叶轮使用情况。
52.上述单台冷却器为循环水系统中任何一台冷却器。
53.进一步的，s11、步骤s1中“降低冷却器的冷却负荷”具体为，在冷却器20的工艺物料进入侧设置预冷却设备10（例如热媒水换热器），回收进入冷却器20前的工艺物料的热量，降低冷却器20的总冷却负荷。
54.进一步的，s111、在步骤s11中，预冷却设备10的工艺物料排出侧设置温度变送器，根据工艺物料的性质及预冷却设备10所使用的冷却介质决定工艺物料的出口温度，工艺物料的性质为非剧毒、非有害、非严重腐蚀、非磨损的流体物质，冷却介质为纯液相冷却时，流出预冷却设备10的工艺物料温度为75℃-100℃；或冷却介质为纯组分冷凝时，流出预冷却设备10的工艺物料温度小于冷却介质的冷凝温度，且流出预冷却设备10的工艺物料温度为75℃-100℃；或冷却介质为多组分冷凝，流出预冷却设备10的工艺物料温度小于70-80%工艺物料冷凝温度，且流出预冷却设备10的工艺物料温度为75℃-100℃。经热量回收后，大部分工艺物流的热量被回收，循环水冷却器作为补充冷却器，起的作用是补充冷却。
55.进一步的，s112、在步骤s11中，分馏塔类采用直接热泵/间接热泵或塔热量偶合等方式，降低工艺物料进冷却器的温度，降低总冷却负荷；
56.对液化石油气分离等分馏塔顶、底温度差小于20℃的基本不含不凝气体的塔顶物，可采用压缩机将塔顶馏出物加压，提升塔顶馏出物的温度，再将塔底馏出物用于本塔或其它可偶合塔的重沸器的热源；
57.对塔顶馏出物含不凝气或含腐蚀类介质的，可采用间接热泵的方式回收热量，削减冷却负荷；
58.多个精馏塔串联操作时，当前塔蒸汽塔温度比后塔塔底温度高20℃或以上时，前塔的塔顶蒸汽可为后塔提供全部或大部分能量，二塔进行热偶合操作，可以降后塔的低重沸器热源用量，也可降低前塔塔顶气相的冷凝负荷。
59.进一步的，s12、步骤s1中“降低冷却器的冷却负荷”具体为，在冷却器20的进水侧设置空冷器40，降低工艺物料进冷却器20的温度，降低冷却器20的总冷却负荷。
60.进一步的，s121、在步骤s12中，空冷器40的出水侧设置温度变送器，根据工艺物料的性质及预冷却设备10所使用的冷却介质决定工艺物料的出口温度，工艺物料的性质为非剧毒、非有害、非严重腐蚀、非磨损的流体物质，冷却介质为纯液相冷却时，流出空冷器40的工艺物料温度为65℃-70℃；或冷却介质为纯组分冷凝时，流出空冷器40的工艺物料温度为65℃-70℃；或冷却介质为多组分冷凝，流出空冷器40的工艺物料温度为65℃-70℃。
61.进一步的，s13、步骤s1中“降低冷却器的冷却负荷”具体为，在冷却器20的工艺物料进入侧依次设置预冷却设备10和空冷器40，先用预冷却设备10回收工艺物料的热量后，再用空冷器40对部分热量回收的工艺物料再次进行降温，最后通过冷却器20进行降温，降
低冷却器20的总冷却负荷。
62.经过本实施例中的s1、s11、s111步骤后，在进入冷却器20前工艺物料的温度较高且冷却负荷较大时，在预冷却设备10和生产装置的冷却器20之间增设工艺物料出口温度变送器，温度变送器实时测量温度的信号传送至控制组件30，控制组件30控制预冷却设备10工艺物料出口侧的温度，一方面大幅度降低冷却器20对高温介质的冷却负荷，降低循环水的循环量，大幅减少凉水塔的蒸发水量，同时降低生产装置中的冷却器20对高温介质的直接冷却，大幅度减缓因高温介质对生产装置的冷却器20管壁加热形成高温而导致的结硬垢现象，从而延长生产装置的冷却器20的运行周期。或经过s1、s12、s121步骤后，在进入冷却器20前工艺物料温度较高且冷却负荷较大时，在空冷器40和生产装置的冷却器20之间增设工艺物料出口温度变送器，温度变送器实时测量温度的信号传送至控制组件30，控制组件30控制空冷器40工艺物料出口侧的温度，一方面用空冷器40大幅度降低生产设备中冷却器20的冷却负荷，降低循环水的循环量，大幅减少凉水塔的蒸发水量，同时大幅度减缓因高温介质对生产装置的冷却器20管壁加热形成高温而导致的结硬垢现象，从而延长生产装置的运行周期。
技术特征：1.一种开式循环水系统，其特征在于，包括预冷却设备和冷却器，预冷却设备和冷却器通过工艺物料流通管道相连接，预冷却设备按照工艺物料的流通方向设置在冷却器的前方，预冷却设备对进入预冷却设备的工艺物料进行冷却以使冷却的工艺物料的温度与冷却器的循环水上水温度相适配，并将冷却后的工艺物料通过工艺物料流通管道输送给冷却器再次冷却。2.如权利要求1所述的开式循环水系统，其特征在于，上述冷却器还设置工艺物料的出料管、循环水进入管和循环水排出管，开式循环水系统还包括控制组件，控制组件用于控制预冷却设备的运行功率以使进入冷却器的工艺物料的温度达到预定值，控制组件包括控制器、用于采集进入冷却器前的工艺物料的温度的第一温度变送器、用于采集流出冷却器的工艺物料的温度的第二温度变送器、及用于采集流出冷却器的循环水的温度的第三温度变送器，控制器分别和第一温度变送器、第二温度变送器、第三温度变送器电性连接，第一温度变送器设置在工艺物料进入冷却器前的进入管上，第二温度变送器设置在工艺物料流出冷却器后的排出管上，第三温度变送器设置在循环水排出管上，控制器根据第一温度变送器采集的温度数值信号、第二温度变送器采集的温度数值信号和第三温度变送器采集的温度数值信号调节预冷却设备的换热效率。3.如权利要求2所述的开式循环水系统，其特征在于，预冷却设备为热媒水换热器，热媒水换热器设置热媒水循环管路和热媒水循环泵，热媒水循环泵和控制器电性连接。4.如权利要求2所述的开式循环水系统，其特征在于，预冷却设备为空冷器，空冷器的风机和控制器电性连接。5.如权利要求2所述的开式循环水系统，其特征在于，预冷却设备由工艺物料输送管道将热媒水换热器和空冷器相互串联形成，空冷器位于热媒水换热器和冷却器之间，热媒水换热器设置热媒水循环管路和热媒水循环泵，热媒水循环泵和控制器电性连接，空冷器的风机和控制器电性连接。
技术总结本实用新型提供一种开式循环水系统，预冷却设备和冷却器通过工艺物料流通管道相连接，预冷却设备按照工艺物料的流通方向设置在冷却器的前方，预冷却设备对进入预冷却设备的工艺物料进行冷却以使冷却的工艺物料的温度与冷却器的循环水上水温度相适配，并将冷却后的工艺物料通过工艺物料流通管道输送给冷却器再次冷却，使得进入工艺物料传给传热管的温度与循环水的温度相近，避免传热管壁上形成“微蒸发”，进而延长了开式循环水系统运行周期。进而延长了开式循环水系统运行周期。进而延长了开式循环水系统运行周期。
技术研发人员：ꢀ(74)专利代理机构
受保护的技术使用者：内蒙古伊姆克系统科技有限公司
技术研发日：2022.08.11
技术公布日：2022/12/1
