鹿紀(jì)廣 夏亮 劉錦程 袁文博(山東京博石油化工有限公司， 山東 濱州 256500)

石油化工循環(huán)水系統(tǒng)節(jié)能優(yōu)化技術(shù)探析

鹿紀(jì)廣 夏亮 劉錦程 袁文博(山東京博石油化工有限公司， 山東 濱州 256500)

石油化工行業(yè)生產(chǎn)中，循環(huán)水系統(tǒng)起到了至關(guān)重要的作用，循環(huán)水系統(tǒng)運(yùn)行能耗、水耗巨大。利用行之有效的優(yōu)化節(jié)能技術(shù)能夠提高循環(huán)水系統(tǒng)的能源利用效率，實(shí)現(xiàn)裝置能耗合理，降低企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)壓力。本文探究了循環(huán)水系統(tǒng)的節(jié)能優(yōu)化技術(shù)在石化行業(yè)的應(yīng)用，以為石化企業(yè)循環(huán)水系統(tǒng)優(yōu)化提供改進(jìn)參考。

石油化工；循環(huán)水系統(tǒng)；節(jié)能；優(yōu)化

0 引言

現(xiàn)在企業(yè)將降低裝置能耗作為重點(diǎn)工作，投入大量人力物力進(jìn)行節(jié)能降耗工作，以此提升產(chǎn)品利潤(rùn)進(jìn)而提高企業(yè)綜合競(jìng)爭(zhēng)力。高能耗是化工生產(chǎn)企業(yè)的主要特征之一，循環(huán)水系統(tǒng)能耗占化工生產(chǎn)中整體能耗中的大部分。循環(huán)水系統(tǒng)是公共系統(tǒng)的重要組成部分。本文在保證裝置正常運(yùn)行的前提下，通過探索多種工藝技術(shù)改造降低循環(huán)水系統(tǒng)能耗，以提高生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)效益。

1 水輪機(jī)改造及應(yīng)用

水輪機(jī)的功能是將水流的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，是用水輪機(jī)產(chǎn)生的機(jī)械能來驅(qū)動(dòng)葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)的風(fēng)機(jī)[1]。某循環(huán)水系統(tǒng)，抽風(fēng)式逆流冷卻塔兩座，循環(huán)水泵(額定功率800kW，額定流量4000m3/h，額定電壓10000V)為兩開一備。實(shí)際運(yùn)行循環(huán)水系統(tǒng)中回水壓力一直在0.2MPa以上，為對(duì)回水能量進(jìn)行利用。通過設(shè)計(jì)改造，將原有的電動(dòng)風(fēng)機(jī)(額定功率180kW，直徑9140mm，葉片數(shù)5，額定電壓10000V)改為用水輪機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。經(jīng)過實(shí)際運(yùn)行水輪機(jī)效率可達(dá)到90%，循環(huán)水系統(tǒng)年運(yùn)行時(shí)間按照8000h計(jì)算，電費(fèi)0.73元/kW，每年可節(jié)約能耗：180×8000×0.73元=1051200元。水輪機(jī)存在以下優(yōu)點(diǎn)：將回水能量進(jìn)行充分利用，節(jié)約大量電能；避免電動(dòng)風(fēng)機(jī)的漏電、漏油及電機(jī)、電控?fù)p壞等故障；降低了噪聲，飄水所帶來的環(huán)境污染。

改造前后冷卻塔進(jìn)水對(duì)比如圖1所示。

不改變?cè)鋮s塔系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的情況下實(shí)現(xiàn)了電發(fā)動(dòng)機(jī)所具有的相同的功能，并節(jié)約了電耗，同時(shí)保證冷卻效果保持一致[2]。水輪機(jī)的能量來源是回水壓力，但現(xiàn)在循環(huán)水系統(tǒng)通過合理的設(shè)計(jì)往往回水壓力達(dá)不到0.2MPa，當(dāng)循環(huán)水回水壓力低于0.2MPa時(shí)，水輪機(jī)的應(yīng)用限制較多?；厮膲毫^高，但能量來自循環(huán)水泵，泵自身也有功率損耗存在，且循環(huán)水在整個(gè)系統(tǒng)壓損較大。

2 循環(huán)水泵葉輪切削優(yōu)化及應(yīng)用

葉輪切削指的是對(duì)循環(huán)水系統(tǒng)的水泵葉輪邊緣進(jìn)行切削，降低水泵出力，實(shí)現(xiàn)揚(yáng)程和流量的降低，水泵在運(yùn)行過程中能耗會(huì)有所降低，實(shí)現(xiàn)節(jié)能效果[3]。如某循環(huán)水場(chǎng)泵出口壓力可達(dá)到0.75MPa，電流為53A，循化水回水的壓力為0.19MPa。通過對(duì)循環(huán)水泵葉輪進(jìn)行切割，使循環(huán)水泵出水壓力降低至0.6MPa，電流降至47A。按照年運(yùn)行周期300天，電費(fèi)0.73元/kW，每年可節(jié)能約60萬元。對(duì)循環(huán)水泵葉輪進(jìn)行切割，原因往往是企業(yè)初期選擇水泵不合理，實(shí)際用水量往往達(dá)不到循環(huán)水泵的出水量，需要用通過調(diào)節(jié)閥門開度控制出水量，從而導(dǎo)致泵出口壓力較大，能耗高。

通過切割葉輪的方法直接降低水泵的流量和揚(yáng)程降低水泵的運(yùn)行功率，達(dá)到節(jié)能的目的[4]。葉輪切割的優(yōu)化改造，施工周期較短，成效較快。切割葉輪也會(huì)導(dǎo)致效率降低。可以通過更換高效葉輪降低循環(huán)水能耗，提高能源利用效率。

圖1 改造前后冷卻塔進(jìn)水對(duì)比

3 變頻技術(shù)在循環(huán)水系統(tǒng)中的應(yīng)用

循環(huán)水系統(tǒng)再設(shè)計(jì)之初就可能存在循環(huán)水量大于實(shí)際用量，某延遲焦化裝置兩臺(tái)循環(huán)水泵編號(hào)CP101/CP102，電動(dòng)機(jī)額定功率450kW，一臺(tái)水泵出口全開，一臺(tái)出口開50%，兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)全速運(yùn)行能耗浪費(fèi)嚴(yán)重。通過對(duì)其中一臺(tái)電機(jī)進(jìn)行變頻改造優(yōu)化，通過降低電機(jī)轉(zhuǎn)速大大降低電機(jī)能耗。以冷量“按需供應(yīng)”的原則調(diào)整運(yùn)行電動(dòng)機(jī)的頻率，通過對(duì)供水量以及水溫的合理調(diào)節(jié)，變更設(shè)備的傳統(tǒng)控制方式[5]，實(shí)際運(yùn)行中轉(zhuǎn)速調(diào)至885轉(zhuǎn)/分運(yùn)行，則節(jié)電效益可作如下計(jì)算：電機(jī)輸入功率減少系數(shù)為1-(885/985)3=1-0.725=0.275，則輸入功率節(jié)省0.275×450=123.75kW，每年按照運(yùn)行8000h，則節(jié)省電能為：123.75×8000=990000kW/h，電費(fèi)0.73元/kW，則每年節(jié)能：990000×0.73元=722700(元)。

然而高壓變頻系統(tǒng)存在以下弊端，高壓變頻技術(shù)成熟度低，變頻設(shè)備占地較大，且高壓變頻投入較高等，這些因素限制了高壓變頻在循環(huán)水系統(tǒng)中的廣泛應(yīng)用。

4 閉路循環(huán)水系統(tǒng)應(yīng)用

閉路循環(huán)水系統(tǒng)最大的優(yōu)勢(shì)循環(huán)水系統(tǒng)冷卻水不與外界接觸，進(jìn)而避免空氣中的雜質(zhì)進(jìn)入到循化水系統(tǒng)。循環(huán)水使用除鹽水或軟化水，降低換熱器的結(jié)垢，很大程度提高整個(gè)系統(tǒng)的換熱效率，同時(shí)能夠節(jié)省大量的助劑投入。通過對(duì)國(guó)內(nèi)外蒸發(fā)式冷卻研究情況來看，美國(guó)對(duì)蒸發(fā)式冷卻研究較為深入，通過蒸發(fā)式冷卻技術(shù)的大量研究，推動(dòng)了蒸發(fā)式冷卻理論體系的建立，推動(dòng)該技術(shù)轉(zhuǎn)向閉式冷卻塔的優(yōu)化設(shè)計(jì)、傳熱傳質(zhì)強(qiáng)化以及工業(yè)應(yīng)用等領(lǐng)域[6，7]。對(duì)某循環(huán)水場(chǎng)進(jìn)行閉路循環(huán)改造，原有開式?jīng)鏊幚砹繛?000m3/h，占地約為：30m×14m，鋼筋混凝土框架。風(fēng)機(jī)直徑8m，風(fēng)機(jī)功率90×2=180kW，進(jìn)塔水溫：冬季16℃，夏季40℃；出塔水溫：冬季12℃，夏季33℃?，F(xiàn)有開式?jīng)鏊谑褂眠^程中，由于水質(zhì)較差，工藝設(shè)備循環(huán)水側(cè)結(jié)垢情況較為嚴(yán)重，嚴(yán)重影響換熱性能，直接影響到裝置的工藝操作，難以保證裝置長(zhǎng)時(shí)間正常運(yùn)行。將上述開式?jīng)鏊脑鞛殚]式空冷塔系統(tǒng)。閉式空冷循環(huán)冷卻水系統(tǒng)分為內(nèi)循環(huán)部分和外循環(huán)部分組成。內(nèi)循環(huán)部分包括：空冷器，循環(huán)水泵，循環(huán)水旁濾器，膨脹水箱，加藥裝置；外循環(huán)部分包括：噴淋水泵，噴淋水旁濾器，外循環(huán)加藥等。

閉式空冷循環(huán)冷卻水系統(tǒng)原理如圖2所示。

閉式空冷循環(huán)冷卻水系統(tǒng)與開式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)相比較，其主要優(yōu)點(diǎn)如表1所示。

表1 閉式、開式系統(tǒng)比較

工業(yè)水費(fèi)2.35元/t，電費(fèi)0.73元/kWh，污水處理費(fèi)15元/t，除鹽水12元/t，工業(yè)耗水29萬噸，除鹽水水耗3萬噸，運(yùn)行費(fèi)用及比較如表2。

閉路循環(huán)系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：污水量大大降低，運(yùn)行費(fèi)用低，藥劑量減少，換熱器結(jié)垢減緩。但投資費(fèi)用較高，回收期較長(zhǎng)，限制其在石油化工行業(yè)的推廣應(yīng)用。

圖2 閉式空冷循環(huán)冷卻水系統(tǒng)原理

表2 運(yùn)行費(fèi)用對(duì)照

6 節(jié)能水泵的應(yīng)用

某循環(huán)水場(chǎng)，三臺(tái)450kW電動(dòng)機(jī)兩開一備。現(xiàn)在運(yùn)行方式為兩臺(tái)450kW電動(dòng)機(jī)運(yùn)行，單臺(tái)泵運(yùn)行每天用電量10500kWh，兩臺(tái)水泵全開產(chǎn)生較大的能耗。將兩臺(tái)循環(huán)水泵更換為高效節(jié)能水泵，通過連續(xù)監(jiān)測(cè)單臺(tái)泵每天用電量6400kWh。該循環(huán)水場(chǎng)年運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)為300天，電價(jià)0.73元，通過計(jì)算該循環(huán)水場(chǎng)每年可節(jié)?。?10500-6400)×2×300×0.73元=1795800元。

流體輸送高效節(jié)能水泵的應(yīng)用適合循環(huán)水系統(tǒng)節(jié)能，且節(jié)能效果顯著[8]。節(jié)能水泵相對(duì)普通水泵將揚(yáng)程大大降低，原系統(tǒng)泵出口壓力為0.67MPa，改為節(jié)能泵后泵出口壓力降為0.3MPa。如循環(huán)水系統(tǒng)能夠接受揚(yáng)程的大幅降低同時(shí)仍能保證裝置的正常換熱，節(jié)能泵效果顯著。

7 智能閥門技術(shù)

采用智慧閥門技術(shù)，對(duì)石化企業(yè)循環(huán)水系統(tǒng)進(jìn)行改造，配合高效節(jié)能泵技術(shù)，可有效解決循環(huán)水系統(tǒng)普遍的動(dòng)態(tài)熱力失調(diào)和水力失調(diào)問題，節(jié)能效果明顯[9]。

8 亞音頻波處理工業(yè)冷卻水技術(shù)

亞音頻波傳送給能量增進(jìn)器，水中能量增強(qiáng)，而循環(huán)水中心的氧原子可與冷卻水系統(tǒng)中的銅材以Cu2O形式存在，或與鋼材氧化產(chǎn)物以Fe3O4形式存在，可以有效抑制裝置的腐蝕。[10]。

9 冷卻塔水蒸氣回收技術(shù)

循環(huán)水補(bǔ)水的絕大部分都用于蒸發(fā)消耗，通過對(duì)冷卻塔蒸發(fā)水回收，降低新鮮水的用量。利用CRECT冷卻塔蒸發(fā)水汽回收裝置進(jìn)行蒸發(fā)水汽回收，技術(shù)可行，且已有工業(yè)應(yīng)用。但是該技術(shù)在缺水或工業(yè)水價(jià)格較高地區(qū)應(yīng)用意義較大[11]。

10 結(jié)語

綜上，本文主要對(duì)水輪機(jī)改造、葉輪切削技術(shù)、變頻技術(shù)、閉路循化技術(shù)、節(jié)能水泵在化工行業(yè)應(yīng)用案例進(jìn)行介紹，同時(shí)對(duì)其它的循環(huán)水優(yōu)化技術(shù)進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹，旨在為石油化工行業(yè)循環(huán)水系統(tǒng)的節(jié)能優(yōu)化提供參考。

[1]高瑩，李軍.水輪機(jī)節(jié)能技術(shù)在石化行業(yè)循環(huán)水冷卻塔中的應(yīng)用[J].中外能源，2014，19：98-100．

[2]冷德成.化工生產(chǎn)循環(huán)冷卻水系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)探究[J].化工管理：2016,08：291．

[3]唐培紅，徐偉．淺談化工行業(yè)循環(huán)水系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)及應(yīng)用[J]．化工管理：2016,06：165．

[4]王杰，張生安，燕增偉．論循環(huán)水系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用[J]．化工裝備技術(shù)：2011,32：54-58．

[5]安民．孫潔．李廣林．基于變頻技術(shù)的化纖生產(chǎn)中冷卻循環(huán)水系統(tǒng)的節(jié)能分析[J]．河北聯(lián)合大學(xué)學(xué)報(bào)：2016,(38)：36-41+57．

[6]Parker R O,Treybal R E.The heat and mass transfer characteristics of evaporative coolers [J]. Chemical Engineering and Processing Symposium Series，1962，57(32)：138-147．

[7]Erens P J.Comparison of some design choices for evaporative cooler cores [J].Heat Transfer Engineering，1988,(9)：29-35．

[8]鄧永春，向波．流體高效節(jié)能技術(shù)在冷卻循環(huán)水系統(tǒng)的應(yīng)用[J].四川有色金屬,2013，(3)：54-57+66．

[9]方飛龍,楊笑梅,湯中彩,麻劍鋒,沈新榮．智慧閥門在石化企業(yè)循環(huán)冷卻水節(jié)能中的應(yīng)用[J].工業(yè)儀表與自動(dòng)化裝置,2014,3(106-109)．

[10]廈門綠信環(huán)保科技有限公司．亞音頻波處理工業(yè)冷卻水技術(shù)[J].中國(guó).1006-5377[B]．2016-06

[11]封子文,姚貴安．CRECT蒸發(fā)水汽回收系統(tǒng)在間冷開式冷卻塔上的應(yīng)用[J].石油化工安全環(huán)保技術(shù),2012，28(4).44-46．