Оборотное водоснабжение завода: подпитка 1,7 %, потери — в насосах и воде

Оборотное водоснабжение — это система, в которой охлаждающая вода ходит по кругу: забирает тепло у оборудования, отдаёт его в градирне или драйкулере и возвращается обратно. На контуре 1000 м³/ч завод докупает около 16,8 м³/ч, то есть 1,7 % расхода, на испарение и продувку. Деньги такая система теряет не на воде, а на насосах, грязи в контуре и ошибках схемы.

Статья для собственника и главного инженера завода, где оборотная вода охлаждает печи, прессы, конденсаторы холодильных машин, реакторы или испытательные стенды. Цифры — из наших расчётов и объектов, деньги — по тарифу 10 ₽/кВт·ч. Другие материалы о расходах на холод — в разделе энергоэффективность.

Чем оборотное водоснабжение выгоднее прямоточного?

Оборотная система забирает из источника примерно в 115 раз меньше воды. Прямоточная берёт воду, пропускает через теплообменник и сбрасывает: на контуре 1000 м³/ч при 8000 часах работы это 8 млн м³ в год. Оборотный контур с градирней при четырёх циклах концентрирования гоняет воду по кругу и по реальному профилю нагрузки берёт около 69 тыс. м³ подпитки в год.

Без подпитки открытый контур не работает: градирня охлаждает испарением, и часть воды уходит паром. Испарение сократить нельзя, сокращают только продувку. Как считать каждый поток, я разобрал в статье сколько воды расходует градирня.

Если воды на площадке нет, контур делают сухим, на драйкулере: подпитка ему не нужна, платить за подвод и расход воды не приходится. Как выбирать между аппаратами — в статье градирня или драйкулер.

Из чего состоит система оборотного водоснабжения?

Система оборотного водоснабжения — это аппарат, который отдаёт тепло (градирня, драйкулер или холодильная машина), плюс гидравлический узел вокруг него. Воду по контуру гонит не градирня, а узел: насосы, баки, подпитка, фильтры, водоподготовка. У любого контура пять задач — двигать воду, держать её объём, давление, чистоту и химический состав.

Элемент	Что делает	Где стоит
Насосная группа	Даёт расчётный расход и напор, держит резерв	Между баком или поддоном и потребителем; в закрытом контуре — на обратке перед машиной
Бак запаса	Держит запас воды на набросы нагрузки и перебои подпитки, принимает воду из труб при остановке	Рядом с градирней или вместо её поддона, часто в тёплом помещении
Буферный бак	Добавляет объём, чтобы машина не включалась слишком часто	На обратке перед холодильной машиной
Расширительный бак	Принимает прирост объёма при нагреве и держит давление закрытого контура	На всасе насосов, в точке с самым низким давлением
Подпитка	Восполняет испарение и продувку или мелкие утечки	Открытый контур — в бак через разрыв струи, закрытый — в линию расширительного бака
Фильтрация	Задерживает взвесь, окалину, мусор	Перед насосом или теплообменником, на боковом потоке, на подпитке
Водоподготовка	Держит воду без накипи, коррозии и биообрастания	Панель контроля, дозирования и продувки
Автоматика	Включает резерв, держит перепад, управляет подпиткой и продувкой	Щит насосной группы и контроллер водоподготовки

Ошибки этого узла выглядят как ошибки машины: чиллер уходит в аварию по реле протока, градирня зарастает накипью, гликоль через сезон превращается в слабый раствор. Узел проектируют вместе с машиной, а не после неё: объём бака, напор насоса и состав водоподготовки зависят от того, какой аппарат стоит и в каком контуре.

Открытый или закрытый контур: что выбрать?

Открытый контур — это контур градирни, где вода контактирует с воздухом; закрытый — вода или гликоль под давлением без контакта с воздухом: контур чиллера, драйкулера или змеевика закрытой градирни. От выбора зависят подпитка, водоподготовка и напор насосов.

Что в узле	Открытый контур градирни	Закрытый контур
Подпитка	Постоянная, кубометры в час: испарение плюс продувка	Около нуля; рост подпитки означает течь
Напор насоса	Сопротивление кольца плюс подъём воды на ороситель	Только сопротивление кольца
Водоподготовка	Продувка по электропроводности, дозирование ингибитора и биоцида	Подготовленная подпитка, ингибитор, контроль гликоля
Откуда беда	Накипь, взвесь из воздуха, биология, коррозия	Кислород с каждой подпиткой, гальванические пары, старение гликоля
Защита от замерзания	Вода в тёплом баке, обогрев поддона, слив	Гликоль нужной концентрации

На большинстве заводов работают оба контура сразу. Типовой пример — чиллер с водяным конденсатором: испаритель стоит в закрытом контуре холодной воды, конденсатор — в открытом контуре градирни. У каждого контура своя насосная группа, свои баки и своя водоподготовка. Подпитывать закрытый контур водой открытого нельзя: туда уйдут концентрированные соли и биология.

Недавно мы закончили такую систему на заводе порошковой металлургии: 4,6 МВт холода водой +7/+12 °C. Летом работает абсорбционная машина Thermax, три градирни NCT с центробежными вентиляторами охлаждают её воду с +32 до +25 °C. Зимой машина стоит, две градирни охлаждают воду с +12 до +7 °C и через теплообменники отдают холод на производство. В комплекте — насосная группа NCT, проект, поставка и пусконаладка от нас.

Сколько электричества забирают насосы и где переплата?

Больше всего переплачивают за лишний подъём воды, насосы без ЧРП на переменном расходе и гликоль без пересчёта насосов. Насосы работают все часы, что работает завод, поэтому каждый лишний метр напора оплачивается круглый год.

1. Бак, поставленный ниже, чем нужно. В открытом контуре насос поднимает воду от зеркала бака до оросителя градирни. На контуре 1000 м³/ч каждый метр разницы отметок стоит около 3,6 кВт. При 8000 часах работы это около 288 тыс. ₽ в год за один метр. Бак ставят так высоко, как позволяет самотёк из поддона градирни.

2. Насос без частотного преобразователя там, где расход меняется. Частотный преобразователь (ЧРП) экономит, только если расход в контуре переменный, и только с датчиком перепада на дальнем потребителе. На вторичном контуре 172 м³/ч при 4000 часах в год насосы без ЧРП берут 30 700 кВт·ч, с ЧРП и датчиком у самой насосной группы — 27 100 кВт·ч, с датчиком на дальней ветке — 21 600 кВт·ч. Это минус 30 % и около 91 тыс. ₽ в год на одном контуре. На технологическом объекте с почти постоянной нагрузкой преобразователь окупается хуже — считайте по своему графику.

3. Гликоль без пересчёта насосов и машин. Перевод контура холодной воды на 40-процентный пропиленгликоль увеличивает расход на 8 %, сопротивление кольца — в 1,78 раза, а гидравлическую мощность насоса — с 4,3 до 8,2 кВт, почти вдвое. Холод машин при этом падает с 458 до 412 кВт.

Четвёртая переплата — насос «с запасом» по напору: прикрытый затвор гасит лишний напор, а электричество на него уже потрачено. Остальные меры по электричеству собраны в статье как снизить затраты на охлаждение.

Почему вода в контуре важнее самого оборудования?

Потому что именно вода чаще всего лишает аппарат мощности: на наших объектах в девяти случаях из десяти виновато её качество, а не изготовитель и не монтажники. Теплообменник убивает не нагрузка и не мороз, а то, что течёт внутри.

Самый дорогой урок был с абсорбционной машиной на торговом центре: через год после пуска нержавеющие трубки сгнили насквозь, хотя марка стали оказалась правильной. Кислота, которой заказчик промывал свой теплообменник, попала в контур, воду на зиму слили вопреки инструкции, и в оставшихся каплях кислота концентрировалась, пока не проела трубу.

В открытом контуре работают четыре беды, и они кормят друг друга: отложения прячут металл от ингибитора, под ними идёт язвенная коррозия, продукты коррозии кормят бактерии, а биоплёнка удерживает накипь. Поэтому водоподготовка — это набор: ингибитор накипи, диспергент, ингибитор коррозии и биоцид, плюс автоматическая продувка по электропроводности.

Реагенты подбирают только по лабораторному анализу воды, а не по каталогу. Минимум — двенадцать показателей: pH, общая жёсткость, кальций, магний, щёлочность, электропроводность, сухой остаток, хлориды, сульфаты, железо, кремний и взвешенные вещества. Проба — не старше месяца. Кремний обязательно с указанием формы: пересчёт с Si на SiO₂ — умножение на 2,14, и ошибка в форме вдвое искажает допустимые циклы концентрирования. Рабочий диапазон циклов на практике — 3–6.

Закрытый контур тоже нельзя «залить и забыть». Подпитка в нём всё равно есть — через уплотнения и воздухоотводчики, — и каждый литр приносит кислород. Признак течи — суточная подпитка больше запаса воды в расширительном баке; в нашем расчётном примере это 20 литров в сутки, и это уставка тревоги по водомеру.

Как не остаться без охлаждения при отказе насоса?

Нужен резервный насос на полный расход с автоматическим вводом: тогда отказ одного насоса не снимает охлаждение с завода. Стандартная насосная группа NCT так и устроена — рабочий и резервный насос, каждый на полный расход, переключение по аварии. Установленная подача — 200 % от нужной.

Схема «два рабочих плюс один резервный» дешевле по насосам, но у неё есть ловушка. Ночью работает одна холодильная машина и один насос, а задвижка на конденсаторе остановленной машины открыта. Насос делит воду на два конденсатора, работающий получает 75 % паспортного расхода, давление конденсации растёт, и в первый жаркий день машина уходит в аварию. Лечится отсечным клапаном с приводом на каждом конденсаторе или схемой «насос на машину».

Автоматический ввод резерва должен успеть до того, как сработает реле протока холодильной машины. Резервный насос ротируют по наработке, чтобы он не закисал. Подробнее о схемах с несколькими машинами — в статье схема холодоснабжения с чиллерами.

Заводская насосная станция или сборка на месте?

В большинстве случаев надёжнее заводская насосная станция, собранная и испытанная на общей раме. Сборка из отдельных насосов, труб и арматуры на объекте оправдана в двух случаях — они ниже таблицы.

Критерий	Заводская станция NCT	Сборка на месте
Сопротивление обвязки	Учтено в подборе насоса	Считает проектировщик, легко забыть
Гидроиспытания	На заводе: 0,675 МПа не менее 30 минут	На объекте, течи ищут в пусконаладке
Срок	Изготовление от 4 недель, приходит готовым модулем	Закупка, сварка и окраска на объекте
Помещение	Возможен утеплённый блок-контейнер для работы при −60 °C	Нужно насосное помещение или навес
Ответственность	Один изготовитель за гидравлику и автоматику	Граница между поставщиком насосов, монтажником и наладчиком

Сборка на месте оправдана при реконструкции с исправными насосами или когда модуль не проходит в проёмы. В остальных случаях заводская станция убирает две самые частые причины проблем на пуске: недосчитанное сопротивление обвязки и течи, найденные при заполнении.

Мы сами проектируем и монтируем, поэтому за результат отвечает одна компания, а запчасти и ремонт — здесь, а не из Европы или Китая за 10–12 недель. Насосные группы NCT выпускаются на расход от 16 до 1560 м³/ч и напор от 10 до 100 м. Баки тоже бывают сборными: на хладоцентре хранилища бананов в Петербурге мы смонтировали бак прямо внутри помещения, куда цельносварной было бы не занести без разборки здания.

По каким нормам проектируют оборотное водоснабжение?

Действующей российской нормы на тепловой расчёт градирни и водный баланс оборотного контура сейчас нет. Раздел об охлаждающих системах оборотного водоснабжения был в СНиП 2.04.02-84, но в действующий СП 31.13330.2021 его не перенесли. Числовых норм качества оборотной воды тоже нет: СП 340.1325800.2017 (п. 5.1.6) задаёт только перечень показателей.

На практике климат берут по СП 131.13330, водный режим — по анализу воды и пределам производителей оборудования. Градирни и испарительные конденсаторы по СанПиН 3.3686-21 (глава XLII) требуют периодического исследования воды на легионеллы.

Что в итоге

1. Оборотная система на 1000 м³/ч докупает около 1,7 % воды; прямоток при том же расходе забирал бы примерно в 115 раз больше за год.

2. Каждый метр лишнего подъёма воды на контуре 1000 м³/ч стоит около 288 тыс. ₽ в год при 8000 часах и тарифе 10 ₽/кВт·ч.

3. Частотный преобразователь с датчиком перепада на дальней ветке снижает расход энергии насосами примерно на 30 %, но только там, где расход переменный.

4. В девяти случаях из десяти потеря мощности на наших объектах связана с водой; реагенты подбирают по анализу из двенадцати показателей, а не по каталогу.

5. Схема насосов «2 + 1» без отсечки остановленного конденсатора оставляет работающей машине 75 % расхода и уводит её в аварию в жару.

Частые вопросы

Вода у нас из скважины, жёсткая. Можно обойтись без водоподготовки?

Нет. На скважинной жёсткой воде градирни без обработки ломались у нас уже через год: соли забивали оросители, портили насосы, налёт на решётках отнимал до 20 % производительности. Протокол лаборатории закажите до тендера, а химию сразу включите в сервисный договор.

Солесодержание подпиточной воды выше нормы изготовителя. Исправим реагентами?

Не исправите: солесодержание снижают только мембраны, а кислота заменит одно превышение другим. В разобранном нами случае решением была подпитка от обратного осмоса с подмесом около 10 % умягчённой воды, потому что чистый пермеат агрессивен к медным трубкам. Плюс ингибитор коррозии, биоцид и еженедельный контроль воды с журналом.

В проекте насос на 15 м напора, а поставщик предлагает 20 м. Это переплата?

Не обязательно. У нас был случай, когда самая маленькая доступная модель давала 20 м, а к потерям сети прибавилось ещё сопротивление самой группы — про него часто забывают. Зафиксируйте рабочую точку письменно и приложите технические листы к договору.

Источники

• СП 31.13330.2021 «Водоснабжение. Наружные сети и сооружения» и СНиП 2.04.02-84 (раздел 11, исторический) — нормы оборотного водоснабжения.

• СП 340.1325800.2017, п. 5.1.6 — перечень показателей воды для градирен.

• СанПиН 3.3686-21, глава XLII — контроль легионелл в системах с градирнями.

• ГОСТ Р 59024-2020 — отбор проб воды.

• СП 131.13330 «Строительная климатология» — расчётные параметры наружного воздуха.

• Опыт и расчёты «Энергии холода»: руководство для инженеров по насосным станциям и водоподготовке NCT (2026), референс-лист насосных групп NCT, разборы сервисных случаев.

Подобрать решение под ваш завод — получить консультацию