＊張海榮 韓鶴 趙海明 黎曦

（1.中煤陜西榆林能源化工有限公司 陜西 719000 2.北京清大五環(huán)節(jié)能技術(shù)有限公司 北京 101200）

循環(huán)水系統(tǒng)是一項(xiàng)常見的公用工程系統(tǒng)，主要是熱量交換、熱量轉(zhuǎn)移的作用，是整個(gè)裝置最重要的系統(tǒng)之一，同時(shí)也是耗水量最大的部分。目前煤化工企業(yè)的循環(huán)水系統(tǒng)多采用并聯(lián)序列的換熱器進(jìn)行冷卻降溫，冷卻水都只使用一次后通過主管回冷卻塔冷卻。通過對(duì)各流股的溫度和流量進(jìn)行優(yōu)化匹配，可以有效降低循環(huán)冷卻水用水量，并降低循環(huán)泵的電耗，在煤化工行業(yè)中是不可或缺的。我國(guó)煤炭資源和水資源分布的地理位置不匹配，水資源是制約煤化工產(chǎn)業(yè)發(fā)展的問題之一。在此背景下，大型煤化工項(xiàng)目通過采取節(jié)水措施，減少取水量，這是提高經(jīng)濟(jì)效益的必然選擇。據(jù)統(tǒng)計(jì)，循環(huán)水系統(tǒng)的耗電量約占企業(yè)總耗電量的20%～30%。因此，研究如何降低循環(huán)水系統(tǒng)的電耗對(duì)企業(yè)有著重要的意義。在循環(huán)水系統(tǒng)中兩個(gè)最大的耗電部分是循環(huán)水泵和冷卻塔風(fēng)機(jī)，兩者約占循環(huán)水系統(tǒng)能耗的70%和25%。因此循環(huán)水系統(tǒng)節(jié)能重點(diǎn)是降低循環(huán)水泵和冷卻風(fēng)機(jī)用電，尤其是可以降低循環(huán)水泵流量和揚(yáng)程，可大幅降低循環(huán)水系統(tǒng)的電耗，取得節(jié)電效果。

1.循環(huán)水系統(tǒng)目前存在的問題

不同工業(yè)企業(yè)裝置的循環(huán)水系統(tǒng)存在的問題各不相同，主要問題有設(shè)備問題和系統(tǒng)間不匹配導(dǎo)致循環(huán)水量不足、排污控制、蒸發(fā)損失大、排污損失大、濃縮倍數(shù)控制等問題，對(duì)于設(shè)備問題的解決，第一是設(shè)備的自身設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，這類優(yōu)化對(duì)象更偏向于單個(gè)設(shè)備，我們對(duì)系統(tǒng)的優(yōu)化要更關(guān)注整體。第二就是設(shè)備所用的技術(shù)優(yōu)化。近年來，泵和風(fēng)機(jī)使用變頻技等諸如此類的優(yōu)化越發(fā)成熟。對(duì)于單個(gè)換熱器的效率優(yōu)化已經(jīng)非常成熟。韓瀟等[1]對(duì)陜西渭河煤化工集團(tuán)某一期裝置的循環(huán)水系統(tǒng)進(jìn)行分析，指出系統(tǒng)存在機(jī)泵效率較低、水泵特征曲線和系統(tǒng)最優(yōu)需求曲線不匹配、管網(wǎng)流阻較大、冷卻塔處理能力富裕量較大、循環(huán)水流量可優(yōu)化等問題，同時(shí)對(duì)癥下藥給出了相應(yīng)的解決辦法，通過更換高效電機(jī)、高效風(fēng)機(jī)等措施實(shí)現(xiàn)了經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。劉濱濱等[2]對(duì)理論上影響濃縮倍數(shù)的因素進(jìn)行了全面地分析，并給出了提高循環(huán)水濃縮倍數(shù)的具體措施?？傊诔Ｒ娚婕霸O(shè)備等問題的優(yōu)化上，解決方案已經(jīng)比較成熟。

近年來，隨著政府節(jié)能減排政策的執(zhí)行落實(shí)，工業(yè)上對(duì)于節(jié)水節(jié)能意識(shí)增強(qiáng)。受環(huán)保壓力和工廠位置的限制，現(xiàn)在絕大多數(shù)化工生產(chǎn)企業(yè)均采用循環(huán)冷卻水系統(tǒng)，冷卻水管網(wǎng)耗水情況為冷卻管網(wǎng)的補(bǔ)充水量，約占總管網(wǎng)水量的0.5%～10%[3]，但在老舊廠區(qū)的的循環(huán)冷卻水工程設(shè)計(jì)中，受制于年代以及技術(shù)不足的影響，很多企業(yè)的循環(huán)冷卻水管網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)粗放，整體設(shè)計(jì)值裕量過大，在滿足冷卻物料溫度要求時(shí)水耗過多，不符合節(jié)水政策要求[4]；此外部分廠區(qū)設(shè)計(jì)不合理，管線內(nèi)部水壓情況不明，多平衡管段；廠區(qū)維修不到位，管線結(jié)垢、腐蝕等，換熱設(shè)備缺乏定期停車維修[5]，導(dǎo)致實(shí)際的熱交換效率低下，循環(huán)管路系統(tǒng)設(shè)計(jì)水量合理，但實(shí)際運(yùn)行過程中經(jīng)年累月導(dǎo)致運(yùn)行工況與實(shí)際工況取用水偏差巨大；且廠區(qū)部分工段循環(huán)水冷卻水量不足情況下，其他工段又存在嚴(yán)重跑水、漏水等浪費(fèi)的現(xiàn)象，部分工段工業(yè)冷卻水循環(huán)利用率僅為52%，供水管道和用水設(shè)備“跑、冒、滴、漏”現(xiàn)象普遍，取水量逐年上升，浪費(fèi)和漏失的水量高于設(shè)計(jì)量的15%，因循環(huán)水量不足導(dǎo)致整個(gè)廠區(qū)無法滿負(fù)荷運(yùn)行。

文獻(xiàn)調(diào)研未發(fā)現(xiàn)用軟件模擬循環(huán)水系統(tǒng)工況的相關(guān)報(bào)道，因此，綜合應(yīng)用循環(huán)水力管線、閥門、循環(huán)水泵工作點(diǎn)、換熱設(shè)備壓降計(jì)算以及Smart Circulating工況仿真模擬等手段，針對(duì)循環(huán)冷卻水系統(tǒng)水力失調(diào)問題進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算的方式非常必要，通過軟件模擬和分析，可在循環(huán)水量相同情況下，使冷量配置更加均勻合理，滿足廠區(qū)的生產(chǎn)要求，同時(shí)優(yōu)化后系統(tǒng)運(yùn)行水量的下降在一定程度上減少了泵的功率和冷卻塔風(fēng)機(jī)的功率，可達(dá)到既節(jié)水又節(jié)電的目的。

2.模型建立原理

循環(huán)冷卻水系統(tǒng)由換熱設(shè)備（換熱器、冷凝器），冷卻設(shè)備（如冷卻塔、空氣冷卻器等），水泵，管道和其他有關(guān)設(shè)備組成，主要分析管線閥門、水泵以及換熱設(shè)備的水力工況情況。使用的軟件Smart Circulating建模原理如下。

(1)管線水力工況計(jì)算基礎(chǔ)

分析水力工況變化的依據(jù)是水力計(jì)算，使系統(tǒng)中各管段的水流量符合設(shè)計(jì)要求，保證各個(gè)流進(jìn)換熱設(shè)備的水流量符合要求，應(yīng)該對(duì)管路進(jìn)行水力計(jì)算。

當(dāng)流體沿供水管網(wǎng)管道流動(dòng)時(shí)，由于流體分子與其管壁間的摩擦，流體損失能量；當(dāng)流體流過管道的部分附件（諸如閥門、彎頭、三通等）時(shí)，由于流動(dòng)速度或流動(dòng)方向的改變，產(chǎn)生局部旋渦與撞擊，流體也會(huì)損失能量，前者稱為沿程損失，后者稱為局部損失，故而，循環(huán)冷卻水管網(wǎng)系統(tǒng)中對(duì)于管段壓力計(jì)算的公式，可以用式（1）簡(jiǎn)要表示。

ΔP=ΔPy+ΔPj=RL+ΔPj（1）

式中，ΔP—管段計(jì)算的壓力損失，Pa；ΔPy—管段的沿程損失計(jì)算，Pa；ΔPj—管段的局部損失計(jì)算，Pa；R—每米管長(zhǎng)的沿程損失，Pa/m；L—整體管線的總長(zhǎng)度，m。

(2)管網(wǎng)系統(tǒng)水力工況計(jì)算基礎(chǔ)

系統(tǒng)水力工況計(jì)算主要有兩個(gè)重要參數(shù)，分別為管路阻力特性系數(shù)與管網(wǎng)的阻力數(shù)與導(dǎo)通數(shù)，分別計(jì)算如下：

在循環(huán)冷卻水管網(wǎng)中，水的流動(dòng)狀態(tài)大多處于阻力平方區(qū)，此時(shí)的摩擦系數(shù)值的計(jì)算公式為（2）：

將公式（2）帶入，有：ΔP=RLzh=6.88×10-9×K0.25/d5.25×ρ(L+Ld)G2=sG2（3）

式中，

G—管網(wǎng)中管道內(nèi)冷卻水流量，m3/h；

s—管網(wǎng)中管道阻力特性系數(shù)又稱阻力數(shù)，Pa/(m3/h)2。

由上式可知，管道的阻力特性系數(shù)s只與管道的管段直徑d、長(zhǎng)度L、管壁內(nèi)壁當(dāng)量絕對(duì)粗糙度K以及管段局部阻力當(dāng)量長(zhǎng)度Ld有關(guān)，管網(wǎng)各管段的阻力數(shù)s僅取決于管段本身，并不隨流量變化。

管網(wǎng)的阻力數(shù)與導(dǎo)通數(shù)是在管網(wǎng)的串并聯(lián)管段中進(jìn)行討論說明的，在串聯(lián)管段中，管網(wǎng)的總阻力數(shù)為各串聯(lián)管段阻力數(shù)之和，即公式（4）：

式中，

Sch—管網(wǎng)中串聯(lián)管道總阻力數(shù)，Pa/(m3/h)2；

s1,s2,s3—管網(wǎng)中各串聯(lián)管路的阻力數(shù)，Pa/(m3/h)2。

在并聯(lián)管道中，其導(dǎo)通數(shù)為各并聯(lián)管道導(dǎo)通數(shù)之和，即公式（5）：

式中，

a1,a2,a3—管網(wǎng)中各并聯(lián)管路的導(dǎo)通數(shù)；

s1,s2,s3—管網(wǎng)中各并聯(lián)管路的阻力數(shù)，Pa/(m3/h)2；

G1,G2,G3—管網(wǎng)中各并聯(lián)管路的冷卻水流量，m3/h。

根據(jù)上述公式可得，無論是串聯(lián)還是并聯(lián)管路，管段的阻力數(shù)增大或變小時(shí)，整個(gè)熱網(wǎng)的總阻力數(shù)會(huì)隨之增大或減少，并聯(lián)管段間的流量分配取決于并聯(lián)管段導(dǎo)通數(shù)的比值。

(3)循環(huán)水泵水力工況計(jì)算基礎(chǔ)

循環(huán)水泵運(yùn)行方式的調(diào)節(jié)主要是通過對(duì)水泵、管路的調(diào)節(jié)，改變水泵運(yùn)行工況點(diǎn)的位置，使流量、揚(yáng)程、軸功率等運(yùn)行參數(shù)適應(yīng)新的工作狀況的需要。水泵的工況點(diǎn)是由性能曲線和裝置性能曲線的交點(diǎn)確定的。所以只要這兩條線發(fā)生改變或是交點(diǎn)發(fā)生變化后，泵的工作點(diǎn)即發(fā)生位移，所以對(duì)泵的運(yùn)行調(diào)節(jié)主要是對(duì)性能曲線和裝置的性能曲線進(jìn)行調(diào)節(jié)[6]。

泵的計(jì)算模型主要為泵機(jī)效率以及伯努利方程構(gòu)成，由式（6）～（7）所示。

泵的特性曲線上每一點(diǎn)代表一個(gè)工況，對(duì)應(yīng)一組參數(shù)（H、Q、N、η、NPSH）。當(dāng)水泵運(yùn)行時(shí)在特性曲線上哪一點(diǎn)工作，這是由泵的特性曲線和裝置特性曲線（需要揚(yáng)程曲線）確定的。

本文采用數(shù)值求解方法對(duì)水泵工況點(diǎn)進(jìn)行分析，數(shù)值求解法就是求水泵的Q～H方程與裝置特性曲線的交點(diǎn)，即公式（8）～（9）：

式中，

Hst—管網(wǎng)中水泵凈揚(yáng)程，m；

k—綜合管路系數(shù)。

上式中未知參數(shù)a、b、c是和水泵有關(guān)的常數(shù)，可通過廠家所提供的Q～H曲線求解或通過所選定的點(diǎn)進(jìn)行曲線擬合獲得多項(xiàng)式求解。

循環(huán)水泵為多泵并聯(lián)時(shí)，假設(shè)泵的流量與多臺(tái)泵并聯(lián)運(yùn)行的流量相同，揚(yáng)程與多臺(tái)泵并聯(lián)運(yùn)行相等，此泵稱為并聯(lián)當(dāng)量泵；同理對(duì)于串聯(lián)水泵，也可采用當(dāng)量泵的等效計(jì)算進(jìn)行求解。

并聯(lián)操作時(shí)，揚(yáng)程不變，流量為所有并聯(lián)水泵流量之和；串聯(lián)操作時(shí)，當(dāng)量泵的流量不變，揚(yáng)程為所有串聯(lián)水泵之和。

(4)管殼式換熱器壓降計(jì)算基礎(chǔ)

在過程工業(yè)中使用了許多類型的傳熱設(shè)備。到目前為止，最常用的是管殼式換熱器。本文中假設(shè)所有換熱器均采用管殼式換熱器。在換熱器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的概念階段，管殼式換熱器的傳熱系數(shù)和壓降的計(jì)算應(yīng)盡可能少的依賴于詳細(xì)的幾何結(jié)構(gòu)。但是，必須對(duì)幾何圖形進(jìn)行一些假設(shè)，用以方便公式計(jì)算。

①管徑

使用標(biāo)準(zhǔn)尺寸，但標(biāo)準(zhǔn)不常用。一般尺寸為do=20mm，di=16mm；do=25mm，di=19.8mm。

②管長(zhǎng)

標(biāo)準(zhǔn)管長(zhǎng)度是首選，但同樣，標(biāo)準(zhǔn)不是常用的。但是，原則上可以使用任何長(zhǎng)度的管子。管子的工作長(zhǎng)度比安裝在其上的管板所占用的長(zhǎng)度略短。在初步設(shè)計(jì)階段，兩個(gè)管板的公差為0.05m是合理的假設(shè)。管道長(zhǎng)度的選擇是由設(shè)計(jì)師決定的自由度。同樣的換熱面積可以用小直徑長(zhǎng)殼中的少量長(zhǎng)管或大直徑短殼中的大量短管來獲得。管長(zhǎng)與殼體直徑之比通常在5到10之間。

③管距

管距（Pt）是相鄰管之間的中心距，通常為1.25do。

④管道布置

管道可以是方形或三角形配置，如圖1所示。方形結(jié)構(gòu)用于污染流體，為機(jī)械清洗提供通道。清洗通道應(yīng)連續(xù)穿過整個(gè)管束。三角形配置僅限于非污染流體，因?yàn)闄C(jī)械清洗更困難。但是，對(duì)于給定的管距，在給定的外殼直徑下，三角形配置可以排列更多的管道。

圖1 方形管道配置與三角形管道配置示意圖

⑤折流板切口

折流板用于引導(dǎo)流體流過管道。折流板切口是指為了形成折流板而移除的部分的高度，它是折流板直徑的一部分。使用0.15至0.45的折流板切口。在概念設(shè)計(jì)中，假設(shè)值為0.25。

(5)管殼式換熱器水力工況計(jì)算基礎(chǔ)

在過程工業(yè)中使用了許多類型的傳熱設(shè)備。到目前為止，最常用的是管殼式換熱器。對(duì)于管殼式換熱器，管程與殼程壓降不同，應(yīng)分開進(jìn)行計(jì)算，此外由于換熱設(shè)備中傳熱系數(shù)和壓降都與速度有關(guān)。因此，可以用速度作為兩者之間的橋梁來推導(dǎo)傳熱系數(shù)、壓力降和表面積之間的關(guān)系。

①管程壓降計(jì)算，即公式（10）。

式中，

ΔPT—管網(wǎng)中管程壓降，Pa；

NpT—管程換熱管束數(shù)目；

ρ—循環(huán)冷卻水密度，kg/m3；

A—換熱面積，m2；

C—常數(shù)，對(duì)于氣體取0.021，非粘滯流體取0.023，粘滯流體取0.027；

di—管程管內(nèi)壁直徑，m；

do—管程管外壁直徑，m。

②殼程壓降計(jì)算，即公式（11）。

式中，

ΔPs—管網(wǎng)中殼程壓降，Pa；

KpT—管程換熱管束數(shù)目；

ρ—循環(huán)冷卻水密度，kg/m3；

A—換熱面積，m2；

C—常數(shù)，對(duì)于氣體取0.021，非粘滯流體取0.023，粘滯流體取0.027。

3.建模及優(yōu)化

根據(jù)收集到的設(shè)備參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)，以清大五環(huán)循環(huán)水系統(tǒng)模擬優(yōu)化軟件（SmartCirculating）為平臺(tái)，繪制循環(huán)水系統(tǒng)流程圖，然后輸入設(shè)備參數(shù)和管線結(jié)構(gòu)參數(shù)，完成循環(huán)水系統(tǒng)設(shè)備和管網(wǎng)系統(tǒng)的模型。該模型可以作循環(huán)水系統(tǒng)水力、傳熱的計(jì)算，計(jì)算出管網(wǎng)上任何位置的循環(huán)水流量、流速、壓力、壓降、溫度、溫降，管線的散熱量、表面溫度以及換熱器管程和殼程傳熱系數(shù)、總傳熱系數(shù)、管程和殼程壓降、流速、換熱器冷卻負(fù)荷等。

根據(jù)模型模擬結(jié)果，通過對(duì)某甲醇制烯烴裝置內(nèi)循環(huán)水換熱器進(jìn)行分析，以下?lián)Q熱器運(yùn)行不合理，有優(yōu)化空間。對(duì)裝置內(nèi)換熱器優(yōu)化如下：

（1）E01A/B原設(shè)計(jì)為污水汽提塔頂冷凝器，目前用于排污急冷水冷卻，一開一備運(yùn)行，排污急冷水量約為50t/h，要求冷卻到40℃以下。兩個(gè)換熱器結(jié)構(gòu)參數(shù)一致，E01A只通過循環(huán)水，無冷卻任務(wù)，通過模型模擬，循環(huán)水走管程，流速1.84m/s，流速快，不易結(jié)垢；循環(huán)水流量太大，溫差僅有2.3～2.6℃；殼程流速僅有0.05m/s，流速過慢，易結(jié)垢，且由于殼程結(jié)構(gòu)原因，會(huì)有很多淤積，殼程清洗困難，檢修和維護(hù)需將管道全部取下來沖洗，清洗較麻煩。

建議將E01A/B換熱器管殼程管線互換，改造后急冷水走管程，循環(huán)水走殼程，同時(shí)改造后備開的換熱器可完全關(guān)閉循環(huán)水閥門，管殼程調(diào)換后，循環(huán)水走殼程，流量提高到1285.8t/h，流速為1.17m/s，流速適中，溫升為2.0℃；急冷水走管程，流量50t/h，流速為0.07m/s，和改造前變化不大；改造后在剛清洗完可調(diào)節(jié)閥門，將循環(huán)水流量控制在534.4t/h，殼程流速為0.5m/s，溫升達(dá)到4.7℃，比不控制流量上升了2.7℃，同時(shí)，由于排污急冷水走管程，檢修或清洗時(shí)只需要對(duì)換熱管沖洗，減少了檢修工作量，同時(shí)關(guān)停備開換熱器循環(huán)水閥門。改造后關(guān)停備開換熱器閥門可節(jié)省循環(huán)水1200.0t/h，全年效益約為302.4萬元。

（2）E02A/B和E02C是凈化水冷卻器，正常運(yùn)行工況下E02A和E02B既可串聯(lián)運(yùn)行，也可并聯(lián)運(yùn)行，和E02C都并聯(lián)運(yùn)行，凈化水正常運(yùn)行流量約為170t/h，要求冷卻到40℃以下。根據(jù)模擬，建議同樣將E02三個(gè)換熱器管殼程管線互換，改造后凈化水走管程，循環(huán)水走殼程，同時(shí)改造后備開的換熱器可完成關(guān)閉循環(huán)水閥門，經(jīng)模擬計(jì)算，改造后三臺(tái)換熱器可一開一備一清洗運(yùn)行，并關(guān)停備開和清洗換熱器循環(huán)水閥門，關(guān)停閥門可節(jié)省循環(huán)水800.0t/h，全年效益約為201.6萬元。

（3）E03A和E03B是甲醇廢水冷卻器，甲醇廢水流量6.0t/h，溫度96.7℃，并聯(lián)一開一備運(yùn)行。通過模型模擬，循環(huán)水走殼程，流速約為0.08m/s左右，極慢，易結(jié)垢，E03換熱器是整個(gè)甲醇制烯烴裝置循環(huán)水側(cè)溫升最高的換熱器，溫升超過18℃，且流速極低，換熱器易結(jié)垢堵塞，E02處于甲醇制烯烴裝置供水線最末端，資用壓力最低，供水管線管徑為DN100，從主線分支出來后到E03換熱器較遠(yuǎn)，因此E03循環(huán)水量較小。

建議將供往E03換熱器的循環(huán)水管線擴(kuò)徑到DN200，擴(kuò)徑后，E03換熱器循環(huán)水量增加到105.6t/h，流速達(dá)到0.41m/s，較擴(kuò)徑前有很大的提升；改造后循環(huán)水溫升為4.1℃，溫升較為合適；由于改造后流速提高，溫升降低，E03結(jié)垢速率會(huì)有明顯降低，清洗頻率也可相應(yīng)減少，增加了運(yùn)行穩(wěn)定性。

4.總結(jié)

針對(duì)某甲醇制烯烴裝置的閉式循環(huán)水系統(tǒng)利用模擬軟件SmartCirculating進(jìn)行系統(tǒng)建模和優(yōu)化分析，在兩個(gè)方面進(jìn)行了改造。

①調(diào)換甲醇制烯烴裝置E01、E02的管殼程流體，運(yùn)行方式改為一開一備，并關(guān)停備開換熱器的循環(huán)水。

②將甲醇制烯烴裝置E03的供水管道從DN100擴(kuò)徑到DN200。改造后，可減少循環(huán)水量約2000t/h，為企業(yè)帶來了良好的經(jīng)濟(jì)效益，每年可產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益504萬元，同時(shí)E03管線改造后可降低循環(huán)水溫升，緩解換熱器結(jié)垢和堵塞。優(yōu)化方法與結(jié)果，可為其他化工企業(yè)的循環(huán)水系統(tǒng)改造提供參考。