化工企業循環水系統節水節能技術改造分析

宋偉剛

（大慶油田化工有限公司，黑龍江大慶 163000）

隨著中央提出了“綠水青山就是金山銀山”的發展理念，各地加大了對環境保護的重視程度，居民的環境保護意識越來越強，對水資源的保護也愈加重視。化工企業屬于環境保護重點監測對象，對環境保護的要求越來越高。在化工企業生產過程中，對水資源的需求量較大，循環冷卻水系統屬于化工企業重要的用水工程，其消耗的水資源量占企業工業用水的2/3以上[1]，循環水系統的能耗及水資源利用效率，不僅影響企業用水用電成本，還增加了企業環境保護壓力，特別是在一些水資源稀缺的地區，這種問題更加突出。因此，化工企業節約用水、降低循環水系統能耗、減排增效是一項重要的工作，做好企業循環水系統運行及管理，對于企業可持續發展意義重大。

1 石化企業循環冷卻水系統

石化企業循環冷卻水系統分為敞開式和封閉式兩種，敞開式循環冷卻水系統應用較為普遍。

1.1 敞開式循環冷卻系統

敞開式循環冷卻系統使用冷卻塔來進行冷卻，能夠對冷卻水進行循環利用。冷卻塔組成部分主要有通風塔、淋水系統、配水系統、收水器、通風設備等，淋水塔是重要的組成部分，能夠將熱水濺散呈細小的水滴或薄水膜，以提高散熱效果。敞開式循環系統在冷卻過程中與空氣接觸，水分會被蒸發，導致損失一部分循環水，使得循環水濃度增加，為了保持循環水平衡，需要補充一定的循環水，并排出部分污水。敞開式循環冷卻水系統冷卻過程分為蒸發冷卻、接觸冷卻和輻射冷卻三個過程。其中夏季室外溫度高，蒸發散熱效果最好，冬季室外溫度低，接觸散熱效果好。

1.2 封閉式循環冷卻水系統

封閉式冷卻水循環系統處于封閉狀態，冷卻水使用后進行循環再利用，而不是立即排放出去。對循環水的冷卻需要借助其他換熱設備進行，由于采用全封閉模式，冷卻水在循環過程中消耗較少。封閉式循環冷卻水系統在內燃機、發電機等設備冷卻中應用較多。

2 循環水系統節水技術分析

2.1 提高濃縮倍數

根據循環水系統水量消耗特點，循環水濃縮倍數直接影響水量的消耗及排污量大小。由圖1循環水系統濃縮倍數與補充水量/蒸發水量關系可知，當濃縮倍數較低時（小于4），隨著濃縮倍數變大，補充水量大幅度減少，隨之排污量也減少。當濃縮倍數變大時（大于4），二者關系曲線較為平直，隨著濃縮倍數變大，補充水量下降較慢，隨之排污水量也降低較慢。伴隨著濃縮倍數增大，循環水系統中含鹽量增加，循環水中鹽濃度增加，導致容易產生垢質，同時對管道腐蝕加劇。

圖1 循環水系統濃縮倍數與補充水量/蒸發水量關系

根據循環水系統濃縮倍數與補充水量/蒸發水量關系，為提高循環水系統節水效果，應精細管理，提高循環水濃縮倍數，實現節水目的。在具體操作過程中，可以通過兩種方式來提高循環水濃縮倍數：①使用高效水處理藥劑，通過合理控制處理劑用量，實現對循環水濃縮倍數的精準控制，達到節水效果，這種方式不需要對補充水進行預處理；②對補充水進行預處理，以提高循環水濃縮系數。這種方式在北方使用較多，北方水質較差，多屬于高硬度、高含堿水，這種水質很難通過處理藥劑來調節濃縮系數，處理劑的效果優選，對補充水進行預處理效果更好，為最佳選擇。

2.2 污水回收利用

通過提高濃縮倍數實現節水及減少排污量的措施效果有限，主要是受到生產規模的影響，因此，需要考慮其他節水措施。通常化工企業具有較為完備的工業用水生產系統及供排水系統，利用這些系統，能夠實現對生產廢水的回收利用，可作為循環水使用。目前，較多的化工企業開展污水回收利用技術研究，企業排放污水達到二級標準，在此基礎上再進行深度處理，可作為循環水來源。

目前對生產用水回收利用有兩種方式，一種是對回收污水只進行簡單處理，而對于循環水階段則加強控制，提高循環水水質，這種回收方式對回用水的處理成本相對較低，回收速度快、投資小，但這種污水回收處理方式也存在弊端，即對循環水系統控制技術要求較高，也會導致循環水控制成本上升，這種方式在南方使用較多，因為南方水質相對較好，且水資源充足、水價相對較低。另一種方式加強對達標污水的處理，實現對達標污水的深度處理，將重點放在污水深處理階段。這種污水處理方式能夠提高循環水水質，降低循環水控制難度，有效保護循環水系統，降低循環水系統運行風險。這種處理方式的弊端是回用水成本較高，適用于北方水資源緊缺、水質較差、水價較高的地區。對于回用污水處理，化工企業應根據自身特點，綜合考慮操作成本、技術難度等因素，選擇適合本企業的回用水標準及深度處理技術。

除了上述利用達標排放的污水外，一些化工企業建有采用混凝沉降工藝的凈水廠，能夠對一些廢水水源進行凈化使用，這部分水源含有大量泥沙和懸浮物，將懸浮物凈化后，可以回用至循環水系統中?；て髽I水處理過程中，化學處理大多采用離子交換技術，實現對污水中鹽類除去，在離子交換樹脂再生后期需要使用脫鹽水進行沖洗，沖洗過程中消耗大量脫鹽水，而這些脫鹽水含鹽量低于新鮮水含鹽量，水質接近新鮮水，可以將這部分水回用于循環水系統，這種污水補充方式適用于北方水質較硬的地區，回收利用這部分水能夠提高循環水系統濃縮倍數，達到節水目的。此外，循環水系統排出的污水也可以進行再利用，這部分污水可以進行脫鹽處理，處理后能夠再回用到循環水系統，也可以將這部分污水用于綠化用水或沖廁用水，這項技術應用需要注意兩個方面，一是要考慮污水回用的成本是否合理，二是要考慮這部分用水量不能過高，否則高于循環水系統排出的污水量，會導致循環水系統濃縮倍數降低，不利循環水系統節水運行。

2.3 提高循環水系統節水效果

除了上述提高循環水濃縮倍數、加強污水處理及回收利用外，還可以結合循環水系統特點，提升節水效果。首先，在循環水系統運行過程中，需要減少防滲漏及密封效果，特別是運行時間較長的循環水系統，由于系統老化腐蝕等，容易出現滲漏，需要做好防滲漏工作，定期檢修與維護，將滲漏降至最低，提高系統運行效率。還需要做好循環水系統防風吹工作。風吹會加速水分揮發，導致循環水損失，因此，需要做好防風吹工作，可以使用收水器或收水擋板，或者加裝填料，減少風吹造成的損失。此外，溫度差異也是造成循環水系統中水分蒸發的重要因素之一，因此，需要降低供回水溫度差異，以提高能源利用效率。例如，當介質溫度大于150℃時，需要先對熱量進行回收利用，然后進行循環冷卻，不僅提高了能量利用率，也降低了循環水的消耗量。

3 循環水系統節電技術分析

化工企業循環水系統中的水泵是循環水流動的重要驅動裝置，以往對于水泵流量控制多使用鼠籠式異步電機，電機恒速轉動拖動水泵，在進行流量控制時，通過節流閥或者擋板來實現流量調節，這種調節方式簡單直接，但節能效果差。目前變頻節能技術已廣泛應用于工業控制中，其調節效果好，智能化程度高，易于自動化控制，節能效果好，避免因設計庸余或流量變化控制效果差造成的電能損失。

3.1 循環水系統變頻節能技術原理

變頻控制技術能夠對水泵電機、風機的智能化控制，實現對循環水的精準調節，達到節能效果。其原理是實現對風機、水泵的智能化調節，取代傳統的節流閥或擋板的調節方式，達到節能效果。為了解變頻控制優勢，分析了水泵的工作特性，如圖2所示。當水泵流量從QA降低到QB時，如果使用關小閥門的方式來進行調節，那么管阻曲線如③所示，此時揚程特性曲線如①所示，由于工作點從A點變到B點，水泵流量降低，揚程增加（由HTA增加到HTB），水泵軸功率與面積S0（FBEO）呈正比。如果閥門的開度保持不變，此時通過調節水泵轉速來控制流量，水泵轉速的變化會導致揚程發生變化，但管阻特征無明顯變化。此時，如果轉速降低，揚程特性曲線也會隨之下移，如曲線④所示，但管阻特性曲線不變，如曲線②所示，此時工作點變為C，水泵軸功率與面積S1（OECH）成正比，減少的能量消耗與面積S2（FBCH）成正比。綜合分析，水泵流量與轉速成正比，而水泵軸功率與轉速的立方成正比，調節水泵轉速比調節流量的方式節能效果更好。

圖2 水泵工作特性曲線

3.2 變頻調節技術措施

通過變頻技術來調節水泵轉速比傳統通過閥門或擋板來調節流量的方法具有明顯優勢。在采用變頻控制技術時，具體控制方案可以在循環水出口處設置一個壓力傳感器和溫度傳感器，監測循環水的溫度與壓力變化情況。當循環水溫度升高，高于設定的溫度上限時，通過變頻控制技術，調節電機功率至上限，提高循環水流量。當檢查到循環水溫度低于溫度下限時，通過變頻控制技術，調節電機功率至下限。當監測到循環水溫度處于最高溫度與最低溫度之間時，變頻控制技術通過智能化控制實現無級調速，使水泵達到最近工作狀態，達到節能降耗的目的。

變頻控制技術自動化程度高、控制效果好、安全平穩、噪音小，能夠有效較低水泵和風機的無效功率，提升節能效果，同時由于控制更加平穩，水泵、風機及管道設備的損耗低，維修費用低、使用壽命得到延長。

4 結束語

為了踐行中央“綠水青山就是金山銀山”的發展理念，各地加大了環境保護力度，化工企業生產過程中用水量大、能耗高且易產生環境污染，屬于環境保護部門重點關注對象。為了貫徹中央環境保護政策，化工企業要不斷改進及創新生產工藝，優化循環水系統流程，持續提升節水節電效果，降低企業生產成本，突出環境保護成效，為企業可持續發展提供技術保障。