文/劉明哲 王欣榮 李 誠

（1.浙江晉巨化工有限公司；2.東華工程科技股份有限公司）

隨著國民經濟的發(fā)展，國家對于能源消耗的控制愈發(fā)嚴格，作為各類工業(yè)裝置必備配套設施的循環(huán)水系統(tǒng)，其節(jié)能降耗設計從國家能源消耗控制的需求和業(yè)主追求經濟運行的訴求兩方面都具有十分重要的意義。筆者以某項目循環(huán)水系統(tǒng)為例，探索循環(huán)水系統(tǒng)的節(jié)能設計。

一、工程概況

新建39000 Nm3/h 制氧量的空分裝置一套，采取蒸汽驅動，內壓縮流程，產出氧、氮產品供給用戶。與工藝裝置配套的循環(huán)水系統(tǒng)采用開式系統(tǒng)，由冷卻部分、儲水系統(tǒng)、加壓輸送部分和配套的水處理部分組成。循環(huán)水量的正常值為9750 t/h，最大值為11000 t/h。項目所在地水源豐富、水質偏軟，冬季最低氣溫-10.4 ℃，夏季最高氣溫40.5 ℃，全年平均濕度79%。

二、節(jié)能設計的思考

循環(huán)水系統(tǒng)主要的能源消耗是電，分別用于循環(huán)水冷卻部分（冷卻塔風機）和水的加壓輸送環(huán)節(jié)（循環(huán)水泵）。合理規(guī)劃水泵流量，降低循環(huán)水系統(tǒng)工作壓力，減少循環(huán)水冷卻過程能源消耗，是節(jié)能設計的關鍵。

1.冷卻塔

冷卻塔按通風方式分為自然通風、機械通風和混合通風三種，按熱水和空氣的流動方向分為逆流式、橫流式兩種，按水和空氣的接觸方式分為濕式、干式和干濕混合式三種。

從介質流動方向看，同等條件下逆流塔比橫流塔填料體積小20%左右，逆流塔熱交換過程更合理高效，一般首選逆流式；從介質的接觸方式看，干式冷卻塔一般在缺水的地區(qū)采用，同等條件下，濕式冷卻具有塔體積小、效率高、價格便宜、冷卻水溫度低等優(yōu)點，一般首選濕式；從通風方式看，機械通風和自然通風各有優(yōu)缺點。針對濕式逆流式冷卻塔的機械通風與自然通風方式的比較見表1。

表1 濕式逆流式機械通風冷卻塔與自然通風冷卻塔的比較

確定冷卻塔的選用方案需要綜合比較上述兩種冷卻塔型式的優(yōu)缺點并對比同類項目。項目所在區(qū)域水資源豐富、水質好，從能耗角度考慮，濕式逆流式自然通風冷卻塔無疑是更加節(jié)能的方案，這種冷卻塔不需要設置風機。但濕式逆流式自然通風冷卻塔占地大，受建設區(qū)域用地限制，本項目配套的空分裝置采用機械通風冷卻塔更合適，綜合考慮最終選擇了濕式逆流式機械通風冷卻塔。因此，循環(huán)水冷卻塔的節(jié)能設計僅能從風機葉型、淋水密度等方面進行優(yōu)化，通常由冷卻塔供貨廠家根據(jù)其成熟的運行經驗進行優(yōu)化設計。

2.循環(huán)水泵

機械式通風冷卻塔循環(huán)水泵的電耗約占整套循環(huán)水系統(tǒng)電耗的70%，而循環(huán)水泵的投資僅占循環(huán)水系統(tǒng)投資的15%，因此如果能有效降低循環(huán)水泵的電耗，對整套循環(huán)水裝置的節(jié)能意義重大。循環(huán)水泵的電機功率主要取決于流量、揚程和電機的效率。雖然需求流量已經確定，但采用水力效率高的水泵，科學地進行換熱器和蓄水池等設備的布設，盡可能地降低水泵揚程，同時考慮用水量季節(jié)變化進行合理的泵型匹配，并配置高效能等級的電機，節(jié)能空間依然很大。

（1）水泵揚程的選擇。影響循環(huán)水泵揚程的因素有吸水池水靜壓、管路損失、用水設備布置高度[1]。通過提高吸水池高度、增大管道直徑、縮短管路以及降低高點換熱器和冷卻塔進水管高度的方法，可減小水泵揚程，達到節(jié)能的效果。從工藝角度來說，一旦工藝流程選定了，換熱器和冷卻塔的高度很難調整，因此可考慮將高用水點設備和低用水點設備分開供水，從而選擇不同揚程的水泵以節(jié)約能耗，但隨之帶來備泵增加、管網復雜等問題，造成投資增加、運管復雜，可謂有利有弊，需要充分對比評估后才能確定方案。

（2）水泵效率和高效電機的選擇。在需求功一定的情況下，水泵效率越高則驅動端需要提供的能源就越少，對節(jié)能降耗就越有利。例如，對于輸出功率要求為500 kW 的水泵而言，水泵效率為85%時的電機功率應為588 kW，水泵效率為75%時的電機功率應為667 kW，相差達79 kW，按照用電成本0.68 元/kWh 計算，一年的運行費用相差40 余萬元。電機的選擇方面，根據(jù)國家相關標準規(guī)范的要求選擇高效能電機。以500 kW 的電機為例，一級能效比二級能效省6%左右，二級能效比三級能效省6%左右，一年可以節(jié)約運行費用15 萬元左右。

（3）泵型匹配。由于項目所在地區(qū)冬、夏環(huán)境溫度和濕度差異較大，冷卻塔在冬季和夏季的換熱效果相差較大，從而導致冬季和夏季循環(huán)水冷卻系統(tǒng)的運行效率存在較大差異，致使循環(huán)水出水溫度季節(jié)溫差較大。根據(jù)類似項目和裝置運行經驗，循環(huán)水季節(jié)溫差預計可以達到10 ℃甚至更大，因此在夏季循環(huán)水溫度較高時，工藝設備所需的循環(huán)水量將遠大于冬季循環(huán)水用量[2]?？紤]循環(huán)水量季節(jié)變化和工藝設備75%～105%的運行負荷波動和調整，確定設置3 臺或4 臺不同流量的循環(huán)水泵，根據(jù)各種工況下用水量的要求合理調整水泵的運行匹配，充分發(fā)揮水泵效率，降低能耗。

三、方案對比選擇

對水泵效率和高效電機的選擇可以直接在設備訂貨時提出要求，該措施無須討論。對于冷卻塔、水泵流量及揚程等參數(shù)選擇，針對項目實際情況初步擬定了4 種優(yōu)化方案。

方案一：根據(jù)項目季節(jié)環(huán)境因素的影響，對循環(huán)水泵選型進行優(yōu)化。配置3 臺4000 m3/h 的冷卻塔，3臺4500 m3/h 的循環(huán)水泵和1 臺2000 m3/h 的循環(huán)水泵（揚程30 m）。其中，3 臺4500 m3/h 的循環(huán)水泵為兩開一備，1 臺2000 m3/h 的循環(huán)水泵根據(jù)水溫及空分運行負荷，靈活調配開啟。

方案二：針對水泵揚程進行優(yōu)化，考慮提高計算起點（吸水池）的高度。因此方案二中冷卻塔能力不變，水池抬高3 m，循環(huán)水泵流量與方案一相同，揚程相應調整。

方案三：針對水泵揚程進行優(yōu)化，即優(yōu)化計算終點的高度。由于用水設備的高度受工藝要求限制無法調整，考慮為不同高度的用水設備獨立提供循環(huán)水。因此方案三中冷卻塔能力和水池高度與方案一相同，設置3 臺4500 m3/h 的循環(huán)水泵，揚程27 m，供低位的工藝用水點使用；另設置3 臺750 m3/h的循環(huán)水泵，揚程30 m，供高位的工藝用水點使用。

方案四：從優(yōu)化投資、精簡設備配置的角度出發(fā)，設置3 臺4500 m3/h、揚程30 m 的循環(huán)水泵，冷卻塔能力和水池高度與方案一相同。

以方案一作為基準，投資概算按0 計；水泵效率均要求85%以上，電機能效等級2 級以上，對4 種優(yōu)化方案進行對比，對比結果見表2 ，表中的耗電成本按照0.68 元/kWh 計算。

綜合對比可知，方案二和方案三雖有一定的節(jié)能效果，但投資增加較多，在不考慮財務費用和維護成本的情況下，成本回收期接近10 年，意義不大；方案四雖然節(jié)省了投資，但能耗增加過多。因此方案一總體經濟效益更好。

四、結語

循環(huán)水系統(tǒng)作為工程必備系統(tǒng)，其節(jié)能降耗意義重大。決定循環(huán)水系統(tǒng)是否優(yōu)配的因素主要有以下幾個：循環(huán)水系統(tǒng)應盡可能靠近用戶，減少不必要的管路損失；循環(huán)水系統(tǒng)管路流速選擇不應過快，以減少管路損失，但也不宜過慢，以免積垢、沉泥等問題影響運行，一般以1.5～2.0 m/s 為好；高點設備決定了循環(huán)水系統(tǒng)的揚程，所以工藝流程選擇時要同步考慮換熱系統(tǒng)的布置和匹配，合理地匹配布置各換熱器。若有個別換熱器位置較高，且用水量較小，可以考慮單獨配泵，從而降低整套水系統(tǒng)的水泵揚程；循環(huán)水泵選擇水力效率高的泵，一般以大于85%為宜；循環(huán)水泵電機應按照最新的國家標準選擇二級以上能效產品；對于冬夏差異較大的區(qū)域，合理地進行大小泵配置，更有利于長期的經濟運行。