王來彬， 魏江波

（神華工程技術(shù)有限公司， 北京 102200）

煤化工企業(yè)中， 循環(huán)冷卻水系統(tǒng)絕大多數(shù)為開式系統(tǒng)， 冷卻塔塔型選用傳統(tǒng)的機械通風濕式冷卻塔， 該類型循環(huán)冷卻水系統(tǒng)水耗巨大， 補水量占全廠新鮮水量的60% 以上［1］。 現(xiàn)已投產(chǎn)的聚酯滌綸企業(yè)集中的江蘇、 浙江、 福建等地區(qū)， 循環(huán)冷卻水系統(tǒng)也多采用開式系統(tǒng)， 亦面臨同樣水資源消耗過高的問題。 近些年來， 節(jié)水技術(shù)的應用和冷卻塔塔型結(jié)構(gòu)的優(yōu)化， 使循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的全年節(jié)水率有較大提高。 在西北地區(qū)， 濕式閉式冷卻塔（光管）應用案例較多， 節(jié)水率可達到20%左右； 干濕結(jié)合閉式冷卻塔在大型化工項目中逐步推廣， 節(jié)水率在30%～60%， 全空冷閉式冷卻塔（增濕型空冷器）節(jié)水率可達90%以上［2］。

針對西北地區(qū)某聚酯滌綸項目， 在滿足新鮮水耗量指標、 技術(shù)可靠及經(jīng)濟合理的前提下， 在保證工藝冷卻性能要求的基礎(chǔ)上， 綜合考慮節(jié)水效果、能耗、 運行費用、 冷卻效果、 投資、 占地等因素，研究各常用冷卻塔塔型的技術(shù)方案的可行性和適用性， 經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟比較分析后， 選擇適合本項目的循環(huán)冷卻水系統(tǒng)及設(shè)備， 為類似工程提供參考。

1 對比分析基礎(chǔ)和否決條件

1.1 循環(huán)冷卻水系統(tǒng)規(guī)模及氣象條件

項目規(guī)模為12 355 m3／h， 供、 回水溫度分別為33、 43 ℃， 供、 回 水 壓 力 分 別 為0.25、 0.45 MPa， 主要為50 萬t／a 聚酯、 25 萬t／a 滌綸長絲、25 萬t／a 滌綸短絲工藝裝置， 綜合動力站及其他公用工程提供循環(huán)冷卻水， 年運行8 000 h。

項目地處我國西北， 屬于典型的大陸性干旱氣候， 特點是干燥少雨， 四季分明， 冬夏漫長， 春秋季短暫， 光照充足， 風沙較大。 多年平均氣溫為10 ℃， 歷年最高氣溫為38.5 ℃， 歷年最低氣溫為-30.1 ℃。 最熱月5 ～10 d 的日平均濕球溫度為21.6 ℃， 相對應的干球溫度為27.8 ℃。

1.2 否決條件

根據(jù)水資源論證報告批復要求， 本項目新用水量指標為105.29 萬m3／a， 生活用水為3.89 萬m3／a， 生產(chǎn)用水為96.4 萬m3／a， 用水未預見水量為5萬m3／a。 其中用于循環(huán)冷卻水系統(tǒng)水耗約79.0 萬m3／a， 其他生產(chǎn)用水17.4 萬m3／a。

2 常用冷卻塔水耗對比分析

2.1 水量計算方法

（1） 開式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)。 開式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)存在蒸發(fā)水量、 風吹損失水量以及排污水量， 其水量根據(jù)規(guī)范［3］按下列公式計算：

式中： Qe閉為噴淋水蒸發(fā)水量， m3／h； Δt閉為循環(huán)冷卻水空冷后、 出冷卻塔溫差， ℃， 按6 ℃計 算； Cp為 水 的 定 壓 比 熱 容， 取 值4.18 kJ／（kg·℃）； L 為水的蒸發(fā)潛熱， 取值2 450 kJ／kg。

（3） 干濕聯(lián)合式冷卻塔、 全空冷閉式冷卻塔（增濕型空冷器）。 干濕聯(lián)合式冷卻塔空冷部分采用翅片管換熱器， 濕冷部分采用光管。 環(huán)境溫度達到干濕切換點溫度， 啟動噴淋水； 未達到切換點溫度， 依靠空冷降溫。 水耗計算方法與濕式閉式冷卻塔（光管）算法一致。

噴淋水蒸發(fā)水量按式（4）計算。 干濕切換點溫度按5 ℃考慮， 本項目地區(qū)環(huán)境溫度11 月至次年3 月低于5 ℃， 5 個月幾乎不啟動噴淋水， 主要依靠空冷降溫； 4 月～10 月， 需空冷與濕冷結(jié)合降溫。

（4） 開閉式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)-節(jié)水消霧冷卻塔。開閉式系統(tǒng)采用節(jié)水消霧冷卻塔， 循環(huán)回水至塔內(nèi)有兩段換熱， 分別為翅片管空冷換熱、 冷卻水與空氣在填料換熱。 水耗中風吹損失水量、 排污水量與開式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)計算方法相同。

消霧設(shè)計點通常以白晝時間發(fā)生可見霧的頻率為15%～20%的氣象條件設(shè)計基準［4］， 本項目可按最冷月3 個月的平均氣溫-8 ℃考慮。

2.2 水量計算結(jié)果和分析

各循環(huán)冷卻水系統(tǒng)年耗水量計算結(jié)果見表1。

表1 各循環(huán)冷卻水系統(tǒng)年耗水量Tab. 1 Annual water consumption of each circulating cooling water system

由表1 可見， 干濕聯(lián)合式冷卻塔、 全空冷閉式冷卻塔（增濕型空冷器）年耗水量能夠滿足本項目用水指標要求， 其他塔型則超出用水指標。 但全空冷閉式冷卻塔尚無大型規(guī)模應用業(yè)績［2］， 本文不做詳細分析， 故本文進一步分析重點為干濕結(jié)合式冷卻塔的設(shè)計方案。

3 干濕聯(lián)合式冷卻塔方案的綜合分析

干濕聯(lián)合式冷卻塔分為聯(lián)合型和分體型2 種塔型， 工藝流程分別見圖1、 圖2。 每種塔型空冷和濕冷切換點溫度（為環(huán)境溫度）選擇2 個典型的工況點5 ℃和10 ℃， 對4 個代表性的供應商產(chǎn)品（分別標記為A、 B、 C、 D）進行綜合比較分析。 干濕聯(lián)合型和分體型4 種方案綜合參數(shù)如表2、 表3 所示。

表2 干濕聯(lián)合型閉式冷卻塔的綜合參數(shù)Tab. 2 Comprehensive parameters of dry-wet combined closed cooling towers

表3 干濕分體型閉式冷卻塔的綜合參數(shù)Tab. 3 Comprehensive parameters of dry-wet split closed cooling towers

圖1 干濕聯(lián)合型工藝流程Fig. 1 Process flow of dry-wet combined type equipment

圖2 干濕分體型工藝流程Fig. 2 Process flow of dry-wet split type equipment

3.1 干濕聯(lián)合型和分體型2 個工況點綜合參數(shù)比對

從綜合參數(shù)比對來看， 4 種方案各有優(yōu)缺點。從平均值數(shù)據(jù)來看： 電耗方面， 干濕聯(lián)合型（5 ℃）的耗電量最少， 其他三者的耗電量差異性不大； 水耗方面， 干濕聯(lián)合型（5 ℃） ＞干濕分體型（5 ℃） ＞干濕聯(lián)合型（10 ℃） ＞干濕分體型（10 ℃）， 在干濕切換點溫度越高的工況下節(jié)水效果明顯， 在相同干濕切換點的工況下， 塔型的選擇對節(jié)水效果影響不大； 占地面積方面， 干濕聯(lián)合型（5 ℃）＜干濕聯(lián)合型（10 ℃） ＜干濕分體型（5 ℃） ＜干濕分體型（10℃）， 占地面積受塔型影響非常大， 分體型的占地面積約為聯(lián)合型的1.6 倍。

3.2 投資、 運行成本及經(jīng)濟性分析

4 個廠家針對4 種方案對應的循環(huán)冷卻水系統(tǒng)進行了一次性投資估算， 主要包括設(shè)備的購置費、主要材料費、 安裝費和建筑工程費。 4 家投資估算存在一定差異， 為增加數(shù)據(jù)的客觀性和可靠性，采用均價方式進行分析。 干濕聯(lián)合型（5 ℃）投資為7 038.50 萬元， 干濕分體型（5 ℃）投資為6 976.25萬元， 干濕聯(lián)合型（10 ℃）投資為8 064.75 萬元，干濕分體型（10 ℃）投資為7 523.00 萬元。 干濕切換點為5 ℃情況下， 干濕聯(lián)合型稍高于干濕分體型。 干濕切換點為10 ℃情況下， 干濕聯(lián)合型投資費用高出干濕分體型7.2%。 無論是干濕聯(lián)合型還是干濕分體型， 干濕切換點為10 ℃工況均高于干濕切換點為5 ℃工況。

4 個廠家的公用工程消耗也存在一定差異， 為增加數(shù)據(jù)的客觀性， 對每個工況公用工程消耗采用平均消耗方式進行比較。 運行成本費用包括水處理費用（污水處理費和零排放水處理費用）和燃料及動力費用（新鮮水和耗電）， 比較結(jié)果如表4 所示。

表4 運行成本費用比較Tab. 4 Comparison of operation costs

在干濕切換點為5 ℃工況下， 干濕分體型運行成本費用稍高于干濕聯(lián)合型； 在干濕切換點為10 ℃工況下， 干濕聯(lián)合型運行成本費用稍高于干濕分體型。 在干濕切換點為10 ℃或干濕切換點為5 ℃相同工況下， 干濕聯(lián)合型和干濕分體型運行成本差距不大。 經(jīng)濟性分析比較結(jié)果如表5 所示。 從表5 來看， 干濕分體型（10 ℃）的靜態(tài)增量投資回收期最短。 收益率隨著干濕系統(tǒng)切換點溫度的升高而增加。

表5 經(jīng)濟性分析比較Tab. 5 Comparison of economic analysis

3.3 技術(shù)可行性分析

干濕聯(lián)合型閉式冷卻塔廣泛應用于鋼鐵、 電力行業(yè)， 供水溫度一般高于55 ℃， 在化工行業(yè)循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的供、 回水溫度分別為33、 43 ℃， 也有較多案例， 如中天合創(chuàng)、 潞安集團、 浙江廣匯、中煤集團、 延長石油、 榆神集團等， 最大運行業(yè)績?yōu)?5 000 m3／h。

干濕分體型閉式冷卻塔技術(shù)在國內(nèi)應用案例較少， 但隨著水資源利用政策的逐漸收緊， 應用前景廣闊。 電石行業(yè)已有成功運行案例， 循環(huán)冷卻水系統(tǒng)規(guī)模達到20 000 m3／h。 與干濕聯(lián)合型相比， 干濕分體型工作環(huán)境好， 能夠有效解決翅片管易臟污、 腐蝕等影響翅片管使用壽命問題［5］。

4 結(jié)語

（1） 在滿足政府對水資源論證報告批復指標的前提下， 從一次性投資、 運行成本、 經(jīng)濟性及技術(shù)可行性分析來看， 西北地區(qū)某聚酯滌綸項目的循環(huán)冷卻水系統(tǒng)采用干濕分體型（10 ℃）方案優(yōu)勢明顯。

（2） 根據(jù)4 個廠家的干濕分體型（10 ℃）方案，本項目循環(huán)冷卻水系統(tǒng)全年新鮮水耗量約為62.70萬m3／a， 如生活用水、 其他生產(chǎn)用水按批復水量指標考慮， 整個項目新鮮水用水總量約為84 萬m3／a。 根據(jù)《關(guān)于印發(fā)鋼鐵等十八項工業(yè)用水定額的通知》， 結(jié)合本項目產(chǎn)品規(guī)模計算， 單位產(chǎn)品耗水量基本達到國內(nèi)聚酯滌綸行業(yè)領(lǐng)跑值。

（3） 為解決“西部開發(fā)”的戰(zhàn)略規(guī)劃與西北地區(qū)“煤多水少”資源短缺矛盾問題， 循環(huán)冷卻水系統(tǒng)節(jié)水技術(shù)仍需不斷發(fā)展并逐步推廣應用， 但從源頭采取節(jié)水措施， 優(yōu)化工藝裝置流程更為關(guān)鍵。 此外，本文水耗指標要求、 干濕切換點的推薦溫度是基于循環(huán)水量不超過可研水量的基礎(chǔ)上進行分析， 應該在基礎(chǔ)設(shè)計階段詳細地落實氣象參數(shù)、 循環(huán)冷卻水補水水質(zhì)相關(guān)數(shù)據(jù)， 從而進一步確定適合的干濕切換點溫度， 同時對國內(nèi)成功的案例進行現(xiàn)場考察，從而進一步驗證結(jié)論的科學性和可靠性。