丁 寧，唐高峰，丁 聰

(1.咸陽市天然氣有限公司，陜西 咸陽 712021；2.陜西液化天然氣投資發(fā)展有限公司，陜西 楊凌 712100；3.陜西城市燃氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展有限公司，陜西 西安 710016)

由于水的化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，且具有較大的比熱容，所以常常作為熱量交換系統(tǒng)的冷卻介質(zhì)被用于工業(yè)企業(yè)，尤其是石油化工行業(yè)[1]。循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的平穩(wěn)、連續(xù)運行，不僅影響著整個生產(chǎn)裝置的安全運轉(zhuǎn)，而且也承擔著富余能量回收的任務(wù)。在循環(huán)冷卻水系統(tǒng)中，采用電機驅(qū)動的循環(huán)水泵和冷卻塔風機是兩個主要的高耗能設(shè)備。循環(huán)水泵作為循環(huán)冷卻水系統(tǒng)必備的動力設(shè)備，通常從水泵性能與管網(wǎng)特性的適配程度、水泵的運行效率、管路閥門是否全部開啟、管路系統(tǒng)堵塞結(jié)垢等方面進行優(yōu)化，但從實際效果來看，節(jié)能降耗程度有限。因此從冷卻塔風機考慮降低能耗也是一種思路，目前應(yīng)用較為廣泛的方式之一是使用水輪機代替冷卻塔風機[2]。

1 循環(huán)冷卻水系統(tǒng)類型

按照工廠的生產(chǎn)工藝需要、循環(huán)冷卻水的冷卻及散熱形式，循環(huán)冷卻水系統(tǒng)可分為兩種，即封閉式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)和開放式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)。

1.1 封閉式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)

封閉式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)也稱為密閉式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)，主要設(shè)備包括循環(huán)冷卻水泵、換熱器(冷卻工藝介質(zhì))、循環(huán)冷卻水增壓泵、循環(huán)冷卻水的冷卻設(shè)施。冷卻水由冷卻設(shè)施輸送至循環(huán)冷卻水泵進行增壓、提供循環(huán)動力，隨后冷卻水克服系統(tǒng)阻力持續(xù)輸送到換熱器進行熱量交換，屬于介質(zhì)冷卻環(huán)節(jié)；吸收熱量的冷卻水在重力作用下由增壓泵進一步加壓輸送至冷卻設(shè)施，經(jīng)過散熱器熱交換后逐級降溫，屬于循環(huán)水冷卻環(huán)節(jié)。在整個循環(huán)流程中，冷卻水始終處于密閉狀態(tài)，未與外界大氣接觸，在封閉狀態(tài)下循環(huán)回收再利用[3]。

在密閉式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)中，由于冷卻水與外界空氣沒有發(fā)生接觸，冷卻水損耗量較低。與此同時，由于循環(huán)過程的封閉性，循環(huán)水中的微生物、各類礦物質(zhì)及離子含量通常會維持在一個恒定水平，波動變化較小。循環(huán)水水質(zhì)一般受污染的幾率不高，(相對于開放式循環(huán)冷卻水系統(tǒng))不易發(fā)生腐蝕、結(jié)垢、微生物污染，不會被蒸發(fā)、濃縮，無需額外的補水和加藥，工藝設(shè)備的使用性能和壽命大大提高。但密閉式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)前期投資和運行費用較高，對于換熱量較小、工藝安全性、運行可靠性要求較高，或者有其他特殊要求的生產(chǎn)系統(tǒng)，比較適用，如內(nèi)燃機、高爐冷卻壁、轉(zhuǎn)爐氧倉等。

1.2 開放式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)

在工業(yè)生產(chǎn)，實際應(yīng)用最為廣泛的循環(huán)冷卻水系統(tǒng)是開放式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)。循環(huán)冷卻水通過循環(huán)水泵增壓后進入換熱器，通過管束表面接觸，或者在換熱裝置中，與工藝介質(zhì)直接接觸，帶走工藝介質(zhì)的熱量；吸收熱量后的熱循環(huán)水輸送至冷卻裝置，通過與外界冷卻介質(zhì)直接接觸散發(fā)熱量，最后回收進入循環(huán)系統(tǒng)再利用[4]。由于循環(huán)水在冷卻裝置中與外界直接接觸，冷卻水大量蒸發(fā)，產(chǎn)生濃縮現(xiàn)象，循環(huán)水系統(tǒng)中的鈣鎂離子更容易出現(xiàn)飽和結(jié)晶，需要常年補水、加藥且水質(zhì)的硬度、電導(dǎo)率等控制較難。與此同時，在與空氣接觸時，容易將雜質(zhì)、微生物及酸性物質(zhì)等帶入系統(tǒng)；加之，含氧量較高，容易出現(xiàn)腐蝕、結(jié)垢、微生物污染。按照與工藝介質(zhì)換熱的方式不同，可以分為間接開放式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)和直接開放式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)。

間接開放式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)中，循環(huán)冷卻水通過換熱器，或者換熱裝置，與工藝介質(zhì)(如氣體或液體介質(zhì)等)間接地接觸來實現(xiàn)冷卻效果。由于與工藝介質(zhì)沒有直接接觸，循環(huán)水水質(zhì)參數(shù)不會發(fā)生變化，受到污染的概率小，僅僅提高了循環(huán)水溫度，因此也叫做清循環(huán)冷卻水系統(tǒng)。

直接開放式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)中，循環(huán)冷卻水通過與工藝介質(zhì)、物料或者裝置直接地接觸來實現(xiàn)冷卻效果。由于直接接觸，導(dǎo)致?lián)Q熱過程常常會將大量雜質(zhì)、油污等污染物帶入循環(huán)水系統(tǒng)中，因此也叫做濁循環(huán)冷卻水系統(tǒng)。典型的軋機濁循環(huán)冷卻水系統(tǒng)通常有沖渣溝、旋流沉淀池、濃縮池、污泥處理裝置、冷卻裝置等組成。

2 LNG循環(huán)水系統(tǒng)現(xiàn)狀及存在問題

2.1 循環(huán)冷卻水系統(tǒng)現(xiàn)狀

以陜西某LNG為例，工廠現(xiàn)有循環(huán)冷卻水系統(tǒng)一套，包括循環(huán)水池、循環(huán)水泵、冷卻塔、旁流過濾器、輔助加藥及在線監(jiān)測設(shè)備。工藝流程為：生產(chǎn)給水管網(wǎng)將工業(yè)用水定期補充至循環(huán)水池，循環(huán)水池中冷卻水通過循環(huán)水泵增壓后輸送至工廠的換熱器(冷卻器)；經(jīng)冷卻器換熱升溫后的循環(huán)水在管網(wǎng)壓力及重力作用下回流至循環(huán)水系統(tǒng)冷卻塔；通過冷卻塔上部的冷卻水分布器進行配水，通過配水噴嘴的熱循環(huán)水形成噴射小水滴被均勻分布在填料上，熱循環(huán)水從填料上自由落下。與此同時，在電機的驅(qū)動下風機葉片不斷地旋轉(zhuǎn)，大量氣流從風機上方排出，不飽和空氣從塔底部或側(cè)面被吸入淋水裝置，熱循環(huán)水在填料間隙表面下降的過程中遇到上升的空氣流；在與不飽和的空氣進行冷熱交換的同時降低了水滴的下降速度，從而延長了熱量交換的時間。最終，通過直接接觸散熱、液體蒸發(fā)散熱和輻射散熱三種方式完成循環(huán)水冷卻，熱量被散發(fā)至空氣并被風機排出塔外[5]。工廠循環(huán)冷卻水系統(tǒng)工藝流程如圖1所示。

圖1 循環(huán)冷卻水系統(tǒng)工藝流程示意圖

2.2 存在問題

①設(shè)備耗電較高?，F(xiàn)有循環(huán)水冷卻塔安裝有3臺軸流風機，每臺風機功率為 110 kW(380 V)，3臺風機日運行耗電量為 7920 kW·h，全年運行按300天計算，年耗電量在 2376000 kW·h。對于工廠運行來說，這是一筆不小的費用。②冷卻塔風機通常未設(shè)置變頻裝置，運行熱負荷較低時存在電源浪費。冷卻塔風機均為定頻電機驅(qū)動，在LNG停產(chǎn)、減產(chǎn)期間，或者其他熱負荷較低的情況下，下游用戶即水冷器換熱后冷卻回水溫度相對來說偏低，而冷卻風機無法通過降低轉(zhuǎn)速來適應(yīng)這種變化仍然按照既定功率運行，此時電機耗電量偏高從而產(chǎn)生電能浪費情況。③冷卻塔風機的電機、減速箱日常維護費用較高。由于冷卻塔風機的電機即減速箱屬于動設(shè)備，需要定期進行維護保養(yǎng)，包括檢查電機緊固件、添加潤滑油潤滑脂、更換磨損軸承即密封墊片等，存在日常維護費用。④冷卻塔風機的電機和減速箱運行期間產(chǎn)生較大噪音。冷卻塔現(xiàn)場噪音包括風機運行期間底部及側(cè)方進氣產(chǎn)生的噪音，風機出口排氣產(chǎn)生的噪聲，填料上淋水產(chǎn)生的噪聲，循環(huán)水池淋水產(chǎn)生的噪聲，循環(huán)水泵運行噪聲，配管和閥門振動噪聲等，此外由于存在電機和減速箱，運行期間也會產(chǎn)生大量噪音，造成環(huán)境等聲污染。

3 節(jié)能改造方法

為減少冷卻塔風機電機能耗、降低運行成本，將冷卻塔風機及其電機更換為水輪機，循環(huán)水系統(tǒng)管線連接至水輪機上，利用連桿將風機與水輪機的輸出軸相連，帶動風機旋轉(zhuǎn)抽風，完成冷卻水與空氣熱量交換，風機驅(qū)動能量由電力轉(zhuǎn)換為水力。有兩種工藝改造方案。

3.1 水輪機接回水管

為減少對現(xiàn)有循環(huán)水系統(tǒng)的影響，充分利用循環(huán)水系統(tǒng)回水管線富裕能量，改造方案為：①將冷卻塔原有電機、傳動軸、減速箱拆除；②對冷卻塔回水管路進行改造，改造為一條水輪機專用管線，使循環(huán)冷卻水回水由專用管線引至水輪機，通過水輪機之后再流入分布器進行布水；③增加旁通管、旁通閥，在遇到特殊情況或冬季溫度較低無需開啟風機時冷卻塔仍能正常使用；④制作水輪機進出水管和底座支撐，進水管安裝流量調(diào)節(jié)閥門，風筒開孔并加固，安裝并調(diào)試水輪機；⑤管道防腐處理后并入系統(tǒng)。工藝流程如圖2、圖3所示。

圖2 循環(huán)冷卻水系統(tǒng)風機節(jié)能改造后工藝流程示意圖(方案1)

圖3 循環(huán)冷卻水系統(tǒng)風機節(jié)能改造后冷卻塔結(jié)構(gòu)示意圖(方案1)

3.2 水輪機接回流管

第一種方案是循環(huán)水回水驅(qū)動，另一種方案是循環(huán)水給水驅(qū)動，即將循環(huán)水泵出口管線改造連接至水輪機進行風機改造，即：①將冷卻塔原有電機、傳動軸、減速箱拆除；②對循環(huán)水泵出口增壓冷卻水回流管路進行改造，增加一條水輪機專用管線，使循環(huán)水泵增壓后的循環(huán)水由專用管線引至水輪機，之后再流入冷卻塔分布器進行布水；③增加旁通管、旁通閥，在遇到特殊情況或冬季溫度較低無需開啟風機時冷卻塔仍能正常使用；④制作水輪機進出水管和底座支撐，進水管安裝流量調(diào)節(jié)閥門，風筒開孔并加固，安裝并調(diào)試水輪機；⑤管道防腐處理后并入系統(tǒng)[6]。工藝流程圖4、圖5所示。

圖4 循環(huán)冷卻水系統(tǒng)風機節(jié)能改造后工藝流程示意圖(方案2)

圖5 循環(huán)冷卻水系統(tǒng)風機節(jié)能改造后冷卻塔結(jié)構(gòu)示意圖(方案2)

4 方案的選擇

對于循環(huán)水系統(tǒng)實施節(jié)能減排、優(yōu)化改造，是一個循序漸進、持續(xù)改進的過程[7]。方案2中，將循環(huán)水泵出口回流管線進行改造，泵出口循環(huán)水直接引導(dǎo)至水輪機入口作為驅(qū)動。與方案1相比，方案2管線改造長度增加，項目改造費用上升，方案中水輪機僅僅利用泵出口機械能，而且沒有利用處在較高位置的水冷器中循環(huán)水的勢能，水輪機入口的能量相對1方案中要小。而方案1中水輪機利用了泵出口機械能和水冷器后勢能，能源利用更加充分、合理。通過方案1對工廠循環(huán)水系統(tǒng)整體節(jié)能優(yōu)化改造，改造更換了冷卻塔風機及其配套電機設(shè)備，優(yōu)化調(diào)整循環(huán)水系統(tǒng)能量平衡[8]，產(chǎn)生了一定的經(jīng)濟效益及社會效益。

5 改造后效果

5.1 經(jīng)濟效益

現(xiàn)有循環(huán)水冷卻塔安裝有3臺軸流風機，每臺風機功率為 110 kW(380 V)。按照改造1臺風機計算，日運行耗電量為 2640 kW·h，全年運行按300天計算，年耗電量在 792000 kW·h，單臺風機改造年節(jié)約電費為 792000 kW·h×0.6元/kW·h=47.52萬元(電費取平均價0.6元/kW·h)。同時，由于取消了電機、傳動軸、減速箱，因而減少了日常的維護、檢修工作，在一定程度降低了運行成本[9]。

通過以上初步計算，對一臺冷卻塔風機采用節(jié)能技術(shù)改造，一年生產(chǎn)運行周期內(nèi)可節(jié)約電費47.52萬元，節(jié)能效果顯著。若三臺風機全部改造后年效益在140萬元左右，運行半年左右收回全部投資。

5.2 社會效益

1)循環(huán)冷卻水系統(tǒng)風機改造，取消了原有系統(tǒng)中風機的電機、傳動軸、減速箱，在一定程度上降低了原有系統(tǒng)的大量噪音、震動，減少對周邊環(huán)境的噪音污染，有一定的環(huán)保意義；2)由于水輪機取代了電機，不存在電氣設(shè)備及部件，對于可能存在可燃氣體的工廠，改造后更加安全，可在火災(zāi)爆炸危險環(huán)境中工作；3)項目成功實施后對于具有類似改造條件的項目、工廠提供了一定借鑒意義。我國目前仍然以火力發(fā)電為主，合理地利用水輪機進行改造，可以實現(xiàn)節(jié)能減排。對于本LNG工廠而言，冷卻水塔改造1臺風機后，每年就可節(jié)約電量 792000 kW·h，間接減少消耗 316800 kg 標準煤，少向大氣排放 23760 kg 二氧化硫，少向大氣排放 215424 kg 碳粉塵，少向大氣排放 789624 kg 二氧化碳，極大地降低了空氣污染物質(zhì)的排放，對于建立環(huán)境友好型工廠具有積極意義。