煉廠循環水系統節能優化研究與應用

韓會亮，衡永宏，袁亮

（中國石化塔河煉化有限責任公司，新疆庫車 842000）

循環水系統是由換熱設備、冷卻設備、水泵、管道及其他有關設備設施組成。循環冷卻水系統普遍存在著機泵效率低、節流損失大、控制水平低、耗水量大、能量浪費嚴重的現象[1]。因此，分析研究循環水系統運行瓶頸，進行節能優化，可有效降低能耗，提高企業經濟效益。

1 循環水工藝流程

中國石化塔河煉化有限責任公司（簡稱塔河煉化）1#循環水系統是塔河煉化120萬噸/年稠油技改項目的配套公用工程，工藝流程見圖1。主要為1#焦化、1#加制氫、1#硫磺、半再生重整、氣柜壓縮機和動力鍋爐等生產裝置提供循環冷卻水。為敞開式循環冷卻水系統，設計規模4 000 m3/h，保有水量1 500 m3，配置了4臺循環冷卻水給水泵、2臺真空泵；一座2間逆流式機械通風冷卻塔（單間塔設計處理能力2 000 m3/h）和1間與塔底水池合建的吸水池；5臺全自動過濾罐、1套加藥及1臺監測換熱器。裝置于2004年8月投用。

圖1 循環水系統工藝流程

自各生產裝置來的循環冷卻回水（水溫≤40℃）利用余壓經循環冷卻回水管網直接進入逆流式機械通風冷卻塔，使≤40℃的熱水降溫到≤30℃，冷卻水經塔底水池進入吸水池，由循環冷卻給水泵提升輸送至循環冷卻給水系統管網供裝置循環使用。

循環水在冷卻過程中因蒸發、風吹、排污以及系統泄漏等造成水量損失，使循環水中含鹽量增加。為穩定水質，系統需要投加不同藥劑進行處理，同時采用新鮮水作為循環水補充水，維持系統水平衡。

2 循環水系統運行存在的問題

2.1 循環水泵效率偏低

在實際生產時循環水場運行1臺大泵（設計揚程45 m，流量2 200 m3/h）和1臺小泵（設計揚程45 m，流量1 000 m3/h），總供水量3 100 m3/h，供水壓力0.40 MPa，兩臺泵運行電流分別是26 A、14 A，通過對機泵進行能效測試，大泵機組效率76%，小泵機組效率55%，循環水泵效率偏低，存在一定優化空間。

2.2 管路損失較大

由于循環水系統供水的用戶較多，不同用戶所需的供水壓力不同，為了滿足最高供水壓力的要求，循環水場中配備的循環水泵出口壓力明顯高于循環水管網的系統壓力[2]。實際運行中循環水泵的揚程和流量與系統所需的壓力和流量不匹配，導致循環水泵偏離其高效運行區，循環水泵出口閥門未全開，通過關小出口閥截流控制流量而導致流阻增大；出口止回閥選型不當，止回閥壓降大，部分系統管路閥門等阻力較大[3]，再通過涼水塔返塔閥門節流，浪費能量。泵出口壓力和上水母管壓力統計見表1。

表1 泵出口壓力和上水母管壓力統計

2.3 系統溫差偏小

循環水冷卻塔供回水溫差設計為10℃，但根據對生產裝置的主要換熱設備進行調研后發現，目前循環水場整體供回水溫差僅為6℃，換熱器進出口溫差差別較大，部分裝置換熱器進出口溫差明顯偏小，詳見表2，存在較大調整空間。

表2 部分水冷器循環水進出口溫差統計

2.4 水力分配不均，飄溢損失較大

1）冷卻塔填料部分

由于原冷卻塔填料原材料采用再生聚氯乙烯材料制作，所以經過一段時間的使用已嚴重熱變形（部分出現坍塌現象）、填料老化（填料高度不夠）及局部位置出現空洞現象，造成冷卻塔熱力性能明顯下降。

2）冷卻塔布水噴淋系統部分

冷卻塔布水器要求布水均勻和噴頭噴射形成霧化，這樣可以提高冷卻塔的熱工性能。由于原布水器噴頭噴淋面積小、效果不好，且冷卻塔的長期運行導致部分布水管內結垢及腐蝕，并造成部分布水頭脫落，布水系統短路現象，布水嚴重不均勻。

3）冷卻塔本體結構和化冰管

冷卻塔本體中部下隔墻原設計為通透框架且冷卻塔兩側設置有化冰管，在實際運行中，風吹、飄濺現象嚴重，影響周圍環境，而且造成冷卻塔周圍設備結垢、腐蝕。

3 節能改造

3.1 改造思路

通過對循環水系統的整體分析，首先對循環水用量進行優化和局部糾偏，再通過對循環水系統的關鍵線路上各個壓力點的分析，減少非必要的阻力損失，適當調整整個循環水系統的壓力平衡。經過壓力平衡調整試驗，測試循環水管網在合適壓力下運行的安全性及可操作性，同時校核該系統富余壓力。在此基礎上提出整個循環水系統需求的揚程，并對循環水泵改造，達到整個循環水系統的節能優化[4]。提出循環水泵新的設計參數，選取高效的機泵進行改造。

3.2 循環水系統降壓試驗

此次1#循環水系統整體運行降壓優化試驗在模擬夏季高溫工況下進行。試驗前檢查各裝置關鍵水冷器入口壓力表準確性；入口無壓力表的，可參考同水平線或旁邊運行水冷器的入口壓力表，或創造條件安裝壓力表。要求所有在用水冷器入口閥全開，調整出口閥控制流速[5]。1#裝置現場水冷器與地面最大標高約17 m，水冷器出水管口位高約19 m， 循環水泵設計揚程45 m，運行揚程40 m，循環水泵設計揚程存在較大余量。根據循環水系統管網和水冷器布局，確保系統末端最高處水冷器（1#焦化分餾塔頂冷卻器E1113A/B和常壓塔頂后冷器E1005A/B） 運行流速和溫差，同時結合2#循環水降壓優化實際效果，1#循環水系統整個降壓試驗分0.40 MPa降至0.38 MPa、0.38 MPa降至0.36 MPa、0.36 MPa降至0.34 MPa、0.34 MPa降至0.32 MPa四個階段，每個階段觀察運行不少于24小時。試驗過程在維持總循環量基本不變的前提下，逐步關小循環水泵出口閥門，適當開大涼水塔返塔閥門。每次調整時，各裝置崗位人員關注裝置的水冷器和機泵的運行狀態及工藝變化情況，并記錄循環水側進出口溫度、 閥門開度、工藝側進出口溫度，在調整過程中遇到的問題和解決的措施，當裝置現有手段不能解決問題時，則由調度通知停止調整或恢復調整之前的運行狀態。

3.3 機泵改造

經過對1#循環水場降壓試驗，壓力降至0.32 MPa時，觀察1#焦化分餾塔頂冷卻器E1113A/B和常壓塔頂后冷器E1005A/B運行狀況，水側溫差明顯升高，工藝側溫度接近允許上限。根據降壓試驗結果，詳見表3，以及系統最佳工況核算，循環水泵揚程由 45 m改造為38 m，運行揚程35 m，可以滿足系統實際運行的需要。具體改造為：循環水泵P-8202A設計流量2 500 m3/h，揚程45 m，對該泵葉輪進行更換，保持2 500 m3/h流量不變，揚程降至38 m；其余3臺泵整體更換為低揚程高效泵，保持流量不變，揚程降至38 m，實際運行中泵進出口閥門全開，提高整個循環水系統運行效率，實現整體節能。改造前后循環水泵參數見表4。

表3 降壓前后水冷器運行參數

表4 改造前后循環水泵參數

3.4 泵出口止回閥改造

循環水泵出口止回閥選型不當，導致過大的局部阻力。將循環水泵出口止回閥更換為高效管力閥，形成直線型流道，能耗低、運行穩，密封效果好，其兼具止回閥的功能，通過提高快關時間，能更好地消除水錘危害，保護水泵及管網系統安全。

4 其他優化措施

4.1 涼水塔內部填料、布水管優化

全部更換2間涼水塔內填料、布水水帽，對腐蝕和堵塞的布水管進行維修。原填料老化破碎嚴重，流道發生了堵塞現象，更換新填料使流道更均勻，擴大冷卻面積，提高換熱效率。填料更換前后布水情況見圖2。原布水水帽存在缺陷，覆蓋面積小，同時存在短路現象，布水不夠均勻，更換新水帽及疏通布水管，布水面積增大，實現均勻覆蓋。

圖2 填料更換前后布水情況

4.2 涼水塔中間隔墻、化冰管優化

根據當地氣候條件，對涼水塔下隔墻封堵后涼水塔冷卻效果進行核算后，將涼水塔下隔墻進行封堵；拆除涼水塔原東西兩側化冰管，增設收水檐，以減少飄散損失。

4.3 水處理方案優化

循環水補水以新鮮水為主，新鮮水屬于中等硬度、中等堿度水質，采用自然pH值運行工藝，濃縮倍數高時易引起循環水系統結垢。系統結垢直接影響裝置冷換設備和涼水塔的冷卻效果，為消除結垢，需要增加循環水系統不停車清洗預膜工作，消耗大量藥劑和補水。因此，要根據水質特點優化緩蝕阻垢劑配方，降低配方中的鋅離子含量并增加共聚物分散劑的用量，增強碳酸鈣阻垢效果。2018年委托北化院根據循環水補水水質開發出適應塔河煉化水質的低磷配方，運行至今，循環水結垢現象較之前明顯改善。調整循環水水處理方案，循環水濃縮倍數由2019年的平均3.93倍提高至5.2倍，減少了循環水補水量10.02 m3/h，年直接經濟效益18.87萬元。

4.4 加強水冷器管理，減少介質泄漏

水冷器泄漏后，物料介質泄漏到循環水系統，導致循環水水體顏色、濁度等指標升高，每次泄漏 都需要對設備進行逐臺查漏，對循環水系統進行剝離、除油，并適當換水，改善水質，不僅增加人員勞動強度，過程中消耗大量藥劑和水，才能恢復水質。

通過每月定期跟蹤裝置水冷器溫差、端差及流速情況，對不達標的水冷器進行調整，對以往泄漏頻次較高的水冷器進行管束材質升級，根據掛片腐蝕速率調整緩蝕阻垢劑的投放量，在出現介質泄漏時，第一時間查找出泄漏源并迅速切除，減輕因泄漏造成的水質惡化[6]。

5 節能效果

1）2020年4月循環水泵和止回閥改造投用后，在保證裝置安全運行的基礎上，循環水系統供水壓力由改造前的0.40 MPa降至0.35 MPa，循環水總供水量保持基本不變，裝置年運行電耗同比下降71 萬kW·h，降幅達12.1%，按照電價0.34元/kW·h計算，年節省電費24.14萬元。改造前后循環水機泵電耗對比見圖3。

圖3 優化改造前后循環水機泵運行電耗對比

2）循環水涼水塔更換填料、布水器和水帽，提高了冷卻塔性能。將涼水塔下隔墻進行封堵，拆除涼水塔原東西兩側化冰管，增設收水檐，減少風吹損失，循環水現場飄溢現象消除，現場環境得到明顯改善，規格化、標準化水平明顯提升。

6 結論

通過對1#循環水系統實際情況進行分析研究確定改造方案，將循環水泵改造更換為低揚程高效泵，更換泵出口止回閥和涼水塔內部件等，多種改造方式并行，并優化循環水系統運行，優化改造后循環水系統年運行電耗同比下降71萬kW·h，節電率達12.1%，現場飄濺現象消除，現場環境得到明顯改善，取得了良好的節能效果和環境效益。