石油化工循環水系統節能優化技術探析

鹿紀廣 夏亮 劉錦程 袁文博(山東京博石油化工有限公司， 山東 濱州 256500)

石油化工循環水系統節能優化技術探析

鹿紀廣 夏亮 劉錦程 袁文博(山東京博石油化工有限公司， 山東 濱州 256500)

石油化工行業生產中，循環水系統起到了至關重要的作用，循環水系統運行能耗、水耗巨大。利用行之有效的優化節能技術能夠提高循環水系統的能源利用效率，實現裝置能耗合理，降低企業的競爭壓力。本文探究了循環水系統的節能優化技術在石化行業的應用，以為石化企業循環水系統優化提供改進參考。

石油化工；循環水系統；節能；優化

0 引言

現在企業將降低裝置能耗作為重點工作，投入大量人力物力進行節能降耗工作，以此提升產品利潤進而提高企業綜合競爭力。高能耗是化工生產企業的主要特征之一，循環水系統能耗占化工生產中整體能耗中的大部分。循環水系統是公共系統的重要組成部分。本文在保證裝置正常運行的前提下，通過探索多種工藝技術改造降低循環水系統能耗，以提高生產經營效益。

1 水輪機改造及應用

水輪機的功能是將水流的動能轉化為機械能，是用水輪機產生的機械能來驅動葉輪轉動的風機[1]。某循環水系統，抽風式逆流冷卻塔兩座，循環水泵(額定功率800kW，額定流量4000m3/h，額定電壓10000V)為兩開一備。實際運行循環水系統中回水壓力一直在0.2MPa以上，為對回水能量進行利用。通過設計改造，將原有的電動風機(額定功率180kW，直徑9140mm，葉片數5，額定電壓10000V)改為用水輪機進行驅動。經過實際運行水輪機效率可達到90%，循環水系統年運行時間按照8000h計算，電費0.73元/kW，每年可節約能耗：180×8000×0.73元=1051200元。水輪機存在以下優點：將回水能量進行充分利用，節約大量電能；避免電動風機的漏電、漏油及電機、電控損壞等故障；降低了噪聲，飄水所帶來的環境污染。

改造前后冷卻塔進水對比如圖1所示。

不改變原冷卻塔系統內部結構的情況下實現了電發動機所具有的相同的功能，并節約了電耗，同時保證冷卻效果保持一致[2]。水輪機的能量來源是回水壓力，但現在循環水系統通過合理的設計往往回水壓力達不到0.2MPa，當循環水回水壓力低于0.2MPa時，水輪機的應用限制較多。回水的壓力較高，但能量來自循環水泵，泵自身也有功率損耗存在，且循環水在整個系統壓損較大。

2 循環水泵葉輪切削優化及應用

葉輪切削指的是對循環水系統的水泵葉輪邊緣進行切削，降低水泵出力，實現揚程和流量的降低，水泵在運行過程中能耗會有所降低，實現節能效果[3]。如某循環水場泵出口壓力可達到0.75MPa，電流為53A，循化水回水的壓力為0.19MPa。通過對循環水泵葉輪進行切割，使循環水泵出水壓力降低至0.6MPa，電流降至47A。按照年運行周期300天，電費0.73元/kW，每年可節能約60萬元。對循環水泵葉輪進行切割，原因往往是企業初期選擇水泵不合理，實際用水量往往達不到循環水泵的出水量，需要用通過調節閥門開度控制出水量，從而導致泵出口壓力較大，能耗高。

通過切割葉輪的方法直接降低水泵的流量和揚程降低水泵的運行功率，達到節能的目的[4]。葉輪切割的優化改造，施工周期較短，成效較快。切割葉輪也會導致效率降低。可以通過更換高效葉輪降低循環水能耗，提高能源利用效率。

圖1 改造前后冷卻塔進水對比

3 變頻技術在循環水系統中的應用

循環水系統再設計之初就可能存在循環水量大于實際用量，某延遲焦化裝置兩臺循環水泵編號CP101/CP102，電動機額定功率450kW，一臺水泵出口全開，一臺出口開50%，兩臺電動機全速運行能耗浪費嚴重。通過對其中一臺電機進行變頻改造優化，通過降低電機轉速大大降低電機能耗。以冷量“按需供應”的原則調整運行電動機的頻率，通過對供水量以及水溫的合理調節，變更設備的傳統控制方式[5]，實際運行中轉速調至885轉/分運行，則節電效益可作如下計算：電機輸入功率減少系數為1-(885/985)3=1-0.725=0.275，則輸入功率節省0.275×450=123.75kW，每年按照運行8000h，則節省電能為：123.75×8000=990000kW/h，電費0.73元/kW，則每年節能：990000×0.73元=722700(元)。

然而高壓變頻系統存在以下弊端，高壓變頻技術成熟度低，變頻設備占地較大，且高壓變頻投入較高等，這些因素限制了高壓變頻在循環水系統中的廣泛應用。

4 閉路循環水系統應用

閉路循環水系統最大的優勢循環水系統冷卻水不與外界接觸，進而避免空氣中的雜質進入到循化水系統。循環水使用除鹽水或軟化水，降低換熱器的結垢，很大程度提高整個系統的換熱效率，同時能夠節省大量的助劑投入。通過對國內外蒸發式冷卻研究情況來看，美國對蒸發式冷卻研究較為深入，通過蒸發式冷卻技術的大量研究，推動了蒸發式冷卻理論體系的建立，推動該技術轉向閉式冷卻塔的優化設計、傳熱傳質強化以及工業應用等領域[6，7]。對某循環水場進行閉路循環改造，原有開式涼水塔處理量為4000m3/h，占地約為：30m×14m，鋼筋混凝土框架。風機直徑8m，風機功率90×2=180kW，進塔水溫：冬季16℃，夏季40℃；出塔水溫：冬季12℃，夏季33℃。現有開式涼水塔在使用過程中，由于水質較差，工藝設備循環水側結垢情況較為嚴重，嚴重影響換熱性能，直接影響到裝置的工藝操作，難以保證裝置長時間正常運行。將上述開式涼水塔改造為閉式空冷塔系統。閉式空冷循環冷卻水系統分為內循環部分和外循環部分組成。內循環部分包括：空冷器，循環水泵，循環水旁濾器，膨脹水箱，加藥裝置；外循環部分包括：噴淋水泵，噴淋水旁濾器，外循環加藥等。

閉式空冷循環冷卻水系統原理如圖2所示。

閉式空冷循環冷卻水系統與開式循環冷卻水系統相比較，其主要優點如表1所示。

表1 閉式、開式系統比較

工業水費2.35元/t，電費0.73元/kWh，污水處理費15元/t，除鹽水12元/t，工業耗水29萬噸，除鹽水水耗3萬噸，運行費用及比較如表2。

閉路循環系統具有以下優點：污水量大大降低，運行費用低，藥劑量減少，換熱器結垢減緩。但投資費用較高，回收期較長，限制其在石油化工行業的推廣應用。

圖2 閉式空冷循環冷卻水系統原理

表2 運行費用對照

6 節能水泵的應用

某循環水場，三臺450kW電動機兩開一備。現在運行方式為兩臺450kW電動機運行，單臺泵運行每天用電量10500kWh，兩臺水泵全開產生較大的能耗。將兩臺循環水泵更換為高效節能水泵，通過連續監測單臺泵每天用電量6400kWh。該循環水場年運行時長為300天，電價0.73元，通過計算該循環水場每年可節省：(10500-6400)×2×300×0.73元=1795800元。

流體輸送高效節能水泵的應用適合循環水系統節能，且節能效果顯著[8]。節能水泵相對普通水泵將揚程大大降低，原系統泵出口壓力為0.67MPa，改為節能泵后泵出口壓力降為0.3MPa。如循環水系統能夠接受揚程的大幅降低同時仍能保證裝置的正常換熱，節能泵效果顯著。

7 智能閥門技術

采用智慧閥門技術，對石化企業循環水系統進行改造，配合高效節能泵技術，可有效解決循環水系統普遍的動態熱力失調和水力失調問題，節能效果明顯[9]。

8 亞音頻波處理工業冷卻水技術

亞音頻波傳送給能量增進器，水中能量增強，而循環水中心的氧原子可與冷卻水系統中的銅材以Cu2O形式存在，或與鋼材氧化產物以Fe3O4形式存在，可以有效抑制裝置的腐蝕。[10]。

9 冷卻塔水蒸氣回收技術

循環水補水的絕大部分都用于蒸發消耗，通過對冷卻塔蒸發水回收，降低新鮮水的用量。利用CRECT冷卻塔蒸發水汽回收裝置進行蒸發水汽回收，技術可行，且已有工業應用。但是該技術在缺水或工業水價格較高地區應用意義較大[11]。

10 結語

綜上，本文主要對水輪機改造、葉輪切削技術、變頻技術、閉路循化技術、節能水泵在化工行業應用案例進行介紹，同時對其它的循環水優化技術進行簡要介紹，旨在為石油化工行業循環水系統的節能優化提供參考。

[1]高瑩，李軍.水輪機節能技術在石化行業循環水冷卻塔中的應用[J].中外能源，2014，19：98-100．

[2]冷德成.化工生產循環冷卻水系統節能技術探究[J].化工管理：2016,08：291．

[3]唐培紅，徐偉．淺談化工行業循環水系統節能技術及應用[J]．化工管理：2016,06：165．

[4]王杰，張生安，燕增偉．論循環水系統節能技術的應用[J]．化工裝備技術：2011,32：54-58．

[5]安民．孫潔．李廣林．基于變頻技術的化纖生產中冷卻循環水系統的節能分析[J]．河北聯合大學學報：2016,(38)：36-41+57．

[6]Parker R O,Treybal R E.The heat and mass transfer characteristics of evaporative coolers [J]. Chemical Engineering and Processing Symposium Series，1962，57(32)：138-147．

[7]Erens P J.Comparison of some design choices for evaporative cooler cores [J].Heat Transfer Engineering，1988,(9)：29-35．

[8]鄧永春，向波．流體高效節能技術在冷卻循環水系統的應用[J].四川有色金屬,2013，(3)：54-57+66．

[9]方飛龍,楊笑梅,湯中彩,麻劍鋒,沈新榮．智慧閥門在石化企業循環冷卻水節能中的應用[J].工業儀表與自動化裝置,2014,3(106-109)．

[10]廈門綠信環保科技有限公司．亞音頻波處理工業冷卻水技術[J].中國.1006-5377[B]．2016-06

[11]封子文,姚貴安．CRECT蒸發水汽回收系統在間冷開式冷卻塔上的應用[J].石油化工安全環保技術,2012，28(4).44-46．