王 磊 李 濤 張 霖 文科智

(西南油氣田江油輕烴廠)

循環(huán)水冷卻塔的節(jié)能探究

王 磊 李 濤 張 霖 文科智

(西南油氣田江油輕烴廠)

通過對江油輕烴廠循環(huán)水系統(tǒng)現(xiàn)場數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析，探究循環(huán)水冷卻塔的節(jié)能潛力和熱力性能偏低的原因。根據(jù)分析結(jié)果并結(jié)合現(xiàn)場實際，提出3點節(jié)能措施，以達到優(yōu)化循環(huán)水系統(tǒng)生產(chǎn)運行、降低循環(huán)水冷卻塔能耗和提高熱力性能的目的。

冷卻塔 循環(huán)水系統(tǒng) 熱力性能 水損失量 節(jié)能措施

隨著工業(yè)與經(jīng)濟的快速發(fā)展，節(jié)能降耗在生產(chǎn)中的重要性日益凸顯，尤其是冷卻系統(tǒng)在節(jié)能、環(huán)保、高效方面的研究，已然成為一項專題。西南油氣田江油輕烴廠45×104m3/d輕烴回收裝置，主要用于回收中壩氣田須二氣藏不含硫天然氣中的C3H8、C4H10及C5H12等以上輕烴組分[1]。在裝置生產(chǎn)運行過程中，壓縮機、再生器及重沸器等設(shè)備產(chǎn)生大量的廢熱通過冷卻水帶走，升溫后的冷卻水再經(jīng)過布水系統(tǒng)變成水霧狀，在逆流式風(fēng)機的作用下快速冷卻降溫，最后流入循環(huán)水池，由循環(huán)水泵再輸送到工藝裝置形成閉路循環(huán)。

然而一直以來，技術(shù)人員對循環(huán)水冷卻塔的節(jié)能降耗未給予足夠的重視，忽略了冷卻塔的節(jié)能探索和性能維護，導(dǎo)致裝置冷卻塔的冷卻能力降低，日均水損失嚴(yán)重。

1 循環(huán)水冷卻塔性能影響因素分析

循環(huán)水冷卻塔的性能優(yōu)劣是以冷卻后的水溫與周圍空氣濕球之間的溫差來判斷的，這與冷卻塔的設(shè)計密不可分。西南油氣田江油輕烴廠循環(huán)水冷卻塔的冷卻介質(zhì)主要是塔周圍的冷空氣，冷空氣在塔內(nèi)完成與循環(huán)水、返回水的熱量交換，大部分返回水熱量為汽化水蒸發(fā)所消耗，汽化水隨濕熱空氣一同被逆流式風(fēng)機抽出排放到大氣中，降溫后的循環(huán)水則返回循環(huán)水池被繼續(xù)使用。

相關(guān)資料表明，影響冷卻塔熱力性能的主要因素有：氣水接觸時間、淋水填料面積、淋水分布密度、水滴直徑和數(shù)量。返回水冷卻是一個傳質(zhì)、傳熱共同進行的過程，分布在塔內(nèi)淋水填料表面上的水與空氣氣膜接觸，依靠氣膜與周圍空氣之間的焓值差來推動熱量傳遞。在整個循環(huán)水冷卻過程中，利用了擴散和對流兩種傳熱原理，其傳熱速度的大小與氣水相對流速、接觸時間、接觸面積及淋水密度等因素密切相關(guān)[2]。

2 冷卻塔水損失量估算

西南油氣田江油輕烴廠循環(huán)水冷卻塔的水損失量主要表現(xiàn)在蒸發(fā)損失LE、飄逸損失LC和排污損失LB共3個方面，現(xiàn)根據(jù)現(xiàn)場實際生產(chǎn)數(shù)據(jù)進行估算。

2.1 蒸發(fā)損失估算

4月1日～4月7日，西南油氣田江油輕烴廠循環(huán)水冷卻塔的進出水溫度統(tǒng)計如圖1所示。冷卻塔出水平均溫度T1=23.35℃，進水平均溫度T2=27.61℃，循環(huán)水平均流量L=218.65m3/h。

a. 進水溫度

b. 出水溫度

根據(jù)冷卻塔的傳熱原理，冷卻塔單位時間內(nèi)的傳熱量q由對流傳熱量qC與擴散傳熱量qD構(gòu)成，即[3]：

q=qC+qD

(1)

根據(jù)能量公式，對循環(huán)水進行能量恒算，可得：

q=Lcp(T2-T1)

(2)

式中cp——水的比熱容。

查詢《水的比熱容》表可得，當(dāng)前溫度下的水比熱容cp=4.178kJ/(kg·℃)，代入相應(yīng)數(shù)據(jù)得到：

q=Lcp(T2-T1)

=218.65×103×24×4.178×(27.61-23.35)

=93398.25MJ

查詢《不同溫度下水的汽化潛熱表》，得到水的蒸發(fā)潛熱λ=2427.9kJ/kg。在擴散傳熱和對流傳熱兩種熱量傳遞方式中，特別是環(huán)境氣溫較高時，引起冷卻水降溫的主要原因是水蒸發(fā)傳熱，其次是水、氣之間的溫差傳遞，二者所占比例由氣候條件和冷卻塔處理量決定。參考本裝置循環(huán)水冷卻塔的實際運行狀況，估算出擴散傳熱占總散熱量的75%～80%，對流傳熱占20%～25%。本裝置冷卻塔設(shè)計處理能力為400m3/h，而現(xiàn)冷卻塔實際處理量為218.65m3/h，故取擴散傳熱比例ζ=75%，代入數(shù)據(jù)得到：

qD=Lcp(T2-T1)ζ=70048.69MJ

其中，擴散傳熱量qD與水的蒸發(fā)損失量LE的關(guān)系為：

qD=LE·λ

(3)

根據(jù)式(3)，得到水的蒸發(fā)損失量LE為：

2.2 飄逸損失估算

由于本裝置冷卻塔采用的是逆流式機械通風(fēng)，冷卻塔運行過程中一些小水滴會隨濕熱空氣一起被排到大氣中。查詢相關(guān)資料，得到冷卻塔飄逸損失水量占處理量的百分比見表1。

表1 冷卻塔飄逸損失率 %

鑒于西南油氣田江油輕烴廠循環(huán)水冷卻塔為逆流式機械通風(fēng)冷卻塔，并使用塑料斜折波收水器，故取飄逸損失率C=0.1%，代入數(shù)據(jù)得到飄逸損失量LC為：

LC=LC=218.65×24×0.1%=5.25m3

2.3 排污損失估算

目前，西南油氣田江油輕烴廠循環(huán)水系統(tǒng)的排污清理主要依靠無閥過濾器的旁濾作用，它主要利用虹吸原理對過濾器進行定期反洗，達到除卻循環(huán)水系統(tǒng)中懸浮雜質(zhì)的目的，通過進行二次沉淀過濾處理，保證循環(huán)水水質(zhì)滿足生產(chǎn)運行要求。據(jù)統(tǒng)計，現(xiàn)裝置循環(huán)水系統(tǒng)無閥過濾器平均沖洗頻率為每月一次，每次排污量約4m3，故可以忽略不計。

2.4 冷卻塔水損失綜合

西南油氣田江油輕烴廠4月1日～4月7日循環(huán)水池補水量統(tǒng)計圖如圖2所示，得到一周平均補水量L0=34.28m3。

由于擴散傳熱過程中的蒸發(fā)損失不能夠進行回收，因此要想減小冷卻塔水損失，需要提高飄逸水回收率。估算現(xiàn)場實際飄逸損失量LC′為：

圖2 循環(huán)水池補水量統(tǒng)計圖

LC′與LC相差3.31%，這主要由飄逸損失率取值偏小導(dǎo)致，可以忽略不計。因此，通過上述計算結(jié)果分析得出：控制飄逸水損失率是當(dāng)前循環(huán)水系統(tǒng)減小水損失、實現(xiàn)節(jié)能的主要途徑。

3 循環(huán)水系統(tǒng)節(jié)能措施

根據(jù)上述計算分析結(jié)果，提出3項具體改進措施來提高本裝置循環(huán)水冷卻塔的冷卻性能，優(yōu)化其生產(chǎn)運行，達到節(jié)能降耗的目的。

3.1 更換收水器

收水器是為收集冷卻塔在排氣過程中被濕熱空氣帶出的細(xì)小水滴而設(shè)計的，這種飄逸水損失量與電機風(fēng)速、淋水密度、水滴大小及淋水速度等密切相關(guān)。收水器的安裝能夠及時阻止這種細(xì)小水滴飄逸，避免水資源浪費。

目前，西南油氣田江油輕烴廠循環(huán)水冷卻塔使用的收水器是160mm×40mm(寬×間距)普通塑料斜折波收水器，當(dāng)收水器平面與氣流方向不垂直時，細(xì)小水滴易穿透收水器平面層，存在斜通過的現(xiàn)象，致使收水器工作效果不佳。因此，建議將塑料斜折波收水器更換為175mm×35mm(寬×間距)的多維收水器。該收水器由許多平面折板和多維折板構(gòu)成，組成了多個多維轉(zhuǎn)折的三角形氣流通道，構(gòu)成了氣流通道的空間多維轉(zhuǎn)折立體結(jié)構(gòu)，改變了傳統(tǒng)收水器的單向單維導(dǎo)流方式，達到了很好的收水與節(jié)能效果。多次現(xiàn)場測試表明：多維收水器的收水效率可達99.99%以上，極大地改善了冷卻塔對周邊環(huán)境的影響。應(yīng)用多維收水器后，日均節(jié)水量為：

LC″=LC=218.65×24×0.01%=0.52m3

ΔLC=LC′-LC″=5.43-0.52=4.91m3

初步估算，每天節(jié)水4.91m3，月節(jié)水147.3m3，效益非?？捎^。

3.2 清洗維護淋水填料

冷卻塔填料的作用是利用填料增加循環(huán)水的散熱量面積，延長冷卻水與冷空氣的接觸時間，增加換熱量和均勻布水。冷卻塔降溫性能的優(yōu)劣與塔內(nèi)氣水分布和填料性能密切相關(guān)，淋水填料的熱力性能和阻力特性的差異對冷卻塔的冷卻性能影響巨大，故加強淋水填料的運行維護是提高冷卻塔熱力性能的重要途徑[4]。

目前，西南油氣田江油輕烴廠循環(huán)水冷卻塔性能較低的主要原因為：冷卻塔部分淋水填料破損變形，填料上生長藻類或結(jié)垢，使淋水填料的換熱面積變小，淋水密度增大，循環(huán)水冷卻塔出口水溫偏高[5]。此外，填料表面上積聚水垢、油脂或藻類，會減小空氣流量，減弱汽水熱交換強度，使循環(huán)水冷卻塔的性能下降，設(shè)備利用率降低。

圖3為當(dāng)冷卻塔淋水填料面積相對減少1%～25%時，對應(yīng)的出塔水溫變化情況?？梢钥闯觯皶r清理維護冷卻塔，增大冷卻塔淋水填料，對于提高冷卻塔的性能具有重大意義[6]。

圖3 淋水面積對出塔水溫的影響

3.3 控制電機能耗

目前，西南油氣田江油輕烴廠循環(huán)水冷卻塔配備的是一臺額定功率18.5kW、頻率50Hz的隔爆型變頻調(diào)速電機和一臺BZF200隔爆型軸流風(fēng)機，以滿足整個冷卻塔運行過程的通風(fēng)要求。但在冷卻塔的實際生產(chǎn)運行過程中存在季節(jié)溫度、水處理量及冷卻塔性能等多變因素，因此通過變頻調(diào)速是實現(xiàn)冷卻塔節(jié)能降耗的重要方法。

為估算出現(xiàn)場實際生產(chǎn)過程中循環(huán)水冷卻對通風(fēng)量的需求，采用電子測濕儀分別就4月1日～4月7日冷卻塔進出口空氣的濕度和溫度進行統(tǒng)計，得出7天濕度平均值分別為61%和98%，溫度平均值分別為22.1℃和25.2℃。然后根據(jù)《不同溫度下的干空氣密度表》和《不同溫度下飽和濕空氣含水量表》得到相應(yīng)數(shù)據(jù)，具體見表2[7]。

表2 進出口空氣參數(shù)

代入數(shù)據(jù)，得到進出冷卻塔空氣含濕量分別為：

h1=61%×1.197×16.899=12.34g/kg

h2=98%×1.185×20.356=23.41g/kg

干空氣的平均定壓比熱為1.01kJ/(kg·℃)，水蒸氣的平均定壓比熱為1.84kJ/(kg·℃)，0℃水的氣化潛熱為2 500kJ/kg，則不同溫度下的焓值計算式為：

H=1.01t+(2500+1.84t)h

(4)

式中h——空氣的含濕量，kg/kg；

t——空氣溫度，℃。

代入數(shù)據(jù)，得到進出口空氣焓值H1、H2分別為：

H1=1.01t1+(2500+1.84t1)h1

=1.01×22.1+(2500+1.84×22.1)×12.34×10-3=53.67kJ/kg

H2=1.01t2+(2500+1.84t2)h2

=1.01×24.8+(2500+1.84×24.8)×23.41×10-3=84.64kJ/kg

根據(jù)焓值變化，得到的風(fēng)量需求計算式為：

G(H2-H1)=Lcp(T2-T1)η

(5)

(6)

式中G——單位時間內(nèi)的空氣流量，kg/h。

式(6)中的主要變量為循環(huán)水冷卻塔進出口溫差Δt和循環(huán)水平均流量L，代入實際生產(chǎn)運行數(shù)據(jù)，估算出冷卻塔在對應(yīng)工況下的所需風(fēng)量，進而調(diào)整電機轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)循環(huán)水冷卻塔的節(jié)能降耗。

冷卻塔滿負(fù)荷運行時的具體節(jié)能效果見表3。

4 結(jié)束語

筆者主要通過對循環(huán)水冷卻塔運行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計計算，分析判斷西南油氣田江油輕烴廠冷卻塔目前水損失量大和熱力性能低的原因，并根據(jù)分析原因制定了更換收水器、清洗維護淋水填料、控制電機能耗3方面的具體改進措施，以提高循環(huán)水冷卻塔的熱力性能，降低冷卻塔能耗，為輕烴廠對循環(huán)水冷卻塔的運行優(yōu)化和節(jié)能降耗提供一定的參考與借鑒。

表3 冷卻塔滿負(fù)荷運行時的節(jié)能效果 %

[1] 陳殿,張霖,胡東明.分子篩脫水裝置的節(jié)能探究[J].化工機械,2015,42(5):662～665.

[2] 俞接成,郭嬋,錢高.立式沉降冷卻塔內(nèi)煙氣冷卻的數(shù)值模擬及冷卻方案改進[J].化工機械,2015,42(1):106～109.

[3] 葉明國.冷卻塔的設(shè)計[J].化工裝備技術(shù),1999,20(3):34～40.

[4] 朱高來,張玉杰.冷卻塔的節(jié)能潛力分析[J].新疆電力技術(shù),2011,(3):77～79.

[5] 李德興.冷卻塔與節(jié)能[J].工業(yè)用水與廢水,2006,37(z1):21～24.

[6] 付德報,李國林.中小型冷卻塔的節(jié)能改造[J].設(shè)備管理與維修,2008,(10):50.

[7] 劉迎云.利用冷卻塔節(jié)能的途徑與方法[J].節(jié)能,1999,(12):37～39.

DiscussionofEnergySavinginCirculatingWaterCoolingTower

WANG Lei, LI Tao, ZHANG Lin, WEN Ke-zhi
(JiangyouLightDydrocarbonPlant,PetroChinaSouthwestOil&GasFieldCompany)

Through statistically analyzing site data of the circulating water system in Jiangyou Light Dydrocarbon Plant, the circulating water cooling tower’s energy-saving potential and the causes of lower thermal performance there were discussed. According to the result of analysis and combining with actual production, the three energy-saving proposals were presented to optimize the production run of the circulating water system, reduce the energy consumption and improve the thermal performance of the cooling tower.

cooling tower, circulating cooling water system, thermal performance, water loss,energy-saving measures

王磊(1975-)，工程師，從事石油煉化生產(chǎn)工作。

聯(lián)系人張霖(1987-)，工程師，從事石油煉化生產(chǎn)工作，longtengjituann@163.com。

TQ051.5

A

0254-6094(2017)02-0175-04

2016-04-25，

2016-05-18)