循環水系統節能研究

劉建樓，李艷飛，曹國玉，侯學文

（1.陜西北元化工集團股份有限公司，陜西 榆林 719319；2.陜西延長石油榆林凱越煤化有限責任公司，陜西 榆林 719319）

陜西北元化工集團股份有限公司（以下簡稱“北元化工”）化工分公司100萬t/a聚氯乙烯項目采鹵分廠B線循環水冷卻水系統為間冷開式循環冷卻系統，由換熱設備、冷卻設備、處理設施、水泵、管道、水池等有關設施組成。系統容積為8 000 m3，主要為燒堿、VCM及公用系統的換熱器提供冷卻用循環水。系統共有換熱器163臺，主要形式為板式、管式等，材質以碳鋼、不銹鋼、石墨為主，配置不同型號的循環水泵7臺，年平均循環水總量20 274 m3/h。

1 工藝原理及流程

集水池的水經濾網將水中漂浮物攔截后進入吸水池，吸水池中的水經循環水泵連續運轉提供給用戶，經用戶換熱后循環溫度升高，通過回水管回到循環水池，其中4.0%～5.0%的水被纖維球過濾器過濾后直接進入吸水池，其余回水由于壓力達0.10～0.15 MPa，直接送到冷卻塔頂部，分成各支路噴淋，均勻噴灑到填料從而增大與空氣的接觸面積達到降溫的效果。當風機開啟后，大量流動空氣從底部向上流動，與填料接觸后的循環水接觸，兩種介質形成逆流。當空氣抽走后空間壓力下降，部分水分閃發吸熱，從而使水溫降低，流入集水池，循環水循環利用。循環水站工藝流程圖見圖1。

圖1 循環水站工藝流程圖

2 目前存在的問題

目前采鹵分廠B線循環冷卻水系統主要有以下問題，（1）循環冷卻水系統補水為兩種水源，二者無固定混合比例，水質穩定性較差，總磷、總鐵含量較高，給傳統水處理技術的日常運行與管理帶來較大困難。（2）打開部分換熱器發現污垢、銹瘤、生物粘泥較為嚴重。（3）通過測量部分換熱器的相關參數，并計算換熱效率，得出實際換熱效率僅為設計值的50%左右。（4）部分水泵出口閥門開度在50%以下，開度較小，造成局部阻力偏高，揚程損耗較大。水泵主要運行參數與現有工藝需求參數對比，二者的匹配度較差，泵組效率偏低。（5）通過實測發現目前冷卻塔上下水溫差只有3.0～4.0℃，而設計溫差為10℃，偏離設計值較大。

3 針對問題的優化思路研究

（1）穩定水質，進一步縮少濃縮倍數運行區間。

（2）清潔系統并減少阻力，能量平衡以匹配各泵。

（3）復配特殊化學藥劑定期對系統進行自清洗，通過物質自重靜水沉降原理，降低循環水濁度，控制污垢沉積，確保系統清潔，提高換熱效率。

（4）收集了供水設備、用水設備設計資料，繪制循環水管線工藝流程圖，對工藝系統進行重新計算和匹配。

（5）開展換熱器滿負荷測試，并找出問題換熱器。

（6）調整換熱器工藝指標，計算工藝系統與循環水系統的匹配性。

（7）編制換熱器、冷卻塔及循環水泵優化方案。

4 研究方案的實施

4.1 穩定水質優化方案

（1）補水優化。包括2種補水的比例和補水量實時計算實現循環水水質的穩定控制。

（2）實現自控補水。通過實時在線監測水池液位，精確控制補水。同時與加藥、排污等聯動，提供安全保障和節水節藥。

（3）實現自控排污。將人工間歇排污方式改為自控連續排污，在節約用水的同時，實現穩定水質。

（4）實現自控加藥。通過在線監測的各種參數，實時分析藥劑投加濃度，自動控制藥劑投加量和投加時間。

（5）實現異常報警。通過設定水質控制指標，實現運行數據異常報警。

4.2 換熱單元優化方案

4.2.1 換熱單元的現狀

計算工藝介質與循環水系統匹配數據，找出存在問題的換熱器，編制換熱器改造方案。采鹵分廠B線循環水用戶換熱器共163臺，141臺運行，22臺備用，其中有23臺板式換熱器、83臺管殼換熱器、57臺石墨換熱器。熱負荷計算見表1。

表1 計算熱負荷

4.2.2 換熱器的異常統計

（1）系統設計參數收集，包含換熱器面積、材質、工藝介質、指標、設備標高等、設計換熱系數。

（2）實測和計算系統數據。

（3）異常換熱器統計。通過計算得出循環水換熱器換熱系數，經過與設計換熱系數及同類型換熱器換熱系數對比，共有15臺換熱器換熱系數偏差較大，其中有3臺（硫酸裂解）換熱器明顯出現換熱面積偏大，其余為氯壓機中冷器，氯化氫壓縮機冷卻器，合成爐冷卻器等換熱器換熱效率偏低，為下一步換熱器整改提供數據支撐，其存在問題換熱器見表2。

表2 核查存在問題換熱器

（4）夏季系統最大負荷計算。

夏季系統最大負荷計算見表3。

表3 夏季系統最大負荷計算

4.2.3 降膜吸收器的優化方案

（1）將未運行的一、二級降膜吸收器水流量由120 m3/h調整為40 m3/h，在保證降膜吸收器處于滿水狀態下，降低循環水使用量，24臺共降低（保持4臺運轉）循環水流量1 920 m3/h以上。根據吸收液溫度比例調節降膜吸收器循環水流量，吸收液出口溫度控制在40℃以下。

（2）控制原理。設置吸收器與事故報警聯動，事故吸收時，控制吸收液溫度40℃（可根據工藝調整），當接近此溫度時，調節水量以適應工況。事故狀態結束后，調節水量至40 m3/h并定期調節水量至沖擊水量120 m3/h。

（3）改造的必要性。未運行降膜吸收器僅需較小流量即可保持滿液狀態，當需要運行時，改變設置即可自動改變流量，增加裝置為電動閥門、控制單元及監控系統，考慮到降膜吸收器運行情況很少發生，此方案實施可大幅降低系統循環量。

4.2.4 溴化鋰機組的優化方案

（1）溴化鋰機組增加3臺1 500 t/h揚程15 m內循環泵，并最大化利用原有內循環管路，內循環泵自回水管吸水匯總后供給溴化鋰機組，單機組內循環流量由進口調節閥根據循環水出口溫度控制。

（2）控制原理。在溴化鋰機組側增加內循環泵，提高用水單元溫差、降低運行流量。優化后管程流速提高，循環水回水溫度升高，換熱效率得到改善。

（3）公用工程冷凍站溴化鋰機組為循環水系統中用水量最大的子系統，與涼水塔距離最近。當冬季循環量較小時最易產生沉積阻塞，機組設計要求循環水供水溫度高于28℃為宜，這導致管程流速與系統流量、供回水溫差之間的矛盾。增加系統內循環裝置，可最大限度解決此矛盾，同時在溴化鋰機組系統內循環也可最大限度利用揚程降低原理，減少循環水輸送能耗。

4.3 冷卻塔優化方案

4.3.1 冷卻塔現狀

（1）水量分配不均。采鹵分廠B線循環水站冷卻塔改造項目配套6臺NH-4100型冷卻塔，單塔軸線尺寸為16 m×16 m，單塔設計。淋水量4 100 m3/h，設計淋水密度16 m3/（m2·h）。

實測淋水系統參數見表4，各塔上塔水量存在分配不均現象，國標推薦允許淋水密度范圍為12～16 m3/（m2·h），水量分配不均是導致冷卻塔冷卻效果較差的原因之一。

表4 實測淋水參數

（2）氣水比不合理。冷卻塔配置Φ8 530 mm風機，采用110 kW電機驅動運行。單臺設計風量2 100 000 m3/h，設計氣水比0.513。

實測風量及氣水比見表5，實測最大氣水比僅為0.35小于設計值0.513，通過計算合理氣水比為0.485，目前系統運行狀況欠佳。

表5 實測風量及氣水比

（3）風機葉片老化。風機葉片存在裂紋、輪轂銹蝕嚴重，存在葉片及夾緊螺栓斷裂等安全隱患。

（4）填料老化、堵塞、結垢問題。目前采鹵分廠B線冷卻塔填料存在老化、堵塞以及結垢，部分填料破損，布水管道爆裂導致淋水不均，甚至出現柱狀水流等問題。

（5）收水器問題。收水器存在破損現象，導致漂水嚴重，影響風機做功，縮短風機使用壽命。

4.3.2 冷卻塔優化方案

（1）上塔水量不均的優化。通過在各塔回水管增設流量計和電動調節閥，調節上塔水量，確保各個冷卻塔水量分配均勻。

（2）氣水比不合理的優化。通過計算，合理的氣水比為0.485，通過調節葉片角度增加風量后氣水比最大值僅為0.41（現有電機能力上限）。解決風量增加瓶頸需將電機由110 kW更換為160 kW，同時增設變頻器，通過變頻調速方式保證匹配的氣水比，達到節能的同時也避免調節葉片安裝角的工作量及帶來的系列問題。

（3）風機的優化。更換老化銹蝕嚴重、有裂紋的風機，解決存在的安全隱患。對風機進行定期保養維護。

（4）填料問題優化。更換新填料，提高冷卻塔換熱性能及能力。

（5）收水器問題優化。對配水系統、收水系統進行整體更換，保證均勻配水，較少漂水損失。

4.4 循環水泵機組優化方案

4.4.1 水泵機組現狀

目前燒堿系統5臺循環泵額定流量為5 500m3/h，揚程為51 m，VCM 2臺循環泵額定流量1 026 m3/h，揚程60 m，而實際供水總管揚程僅為43 m左右，存在機組效率低（僅為70%左右），增大了系統電量消耗。

4.4.2 水泵機組優化方案

按照換熱單元總需求流量26666m3/h配置，更換燒堿系統4臺循環泵，每臺泵額定流量7 000 m3/h，揚程45 m，1臺備用泵不做改造，正常使用為4用1備；更換VCM系統1臺循環泵，額定流量1 300 m3/h，揚程47 m，另1臺備用泵不做改造。燒堿系統和VCM系統供水總管連通，在連通管加裝流量計和電動調節閥，根據不同季節流量需求變化匹配大泵和小泵開啟臺數，合理調配水量達到節水、節電目的。管道連通經雙方充分論證后確定為VCM系統高點配置小型增壓泵，解決最不利點工況問題，降低系統整體揚程需求。

5 研究效果

5.1 水質優化前后對比

突破了濁度、鈣硬度和氯離子對提高濃縮倍數的瓶頸，濃縮倍數由3.5倍提高至6.5倍，節約用水的同時，實現穩定水質。水質優化前后指標對比見表6。

表6 水質優化前后指標對比

5.2 換熱器優化前后循環水用量對比

（1）降膜吸收器優化前后循環水量對比表見表7。

表7 降膜吸收器優化前后循環水量對比

優化前后循環水量減少2 550.8 m3/h。用量降低84%。

（2）溴化鋰機組優化前后循環水用量對比

溴化鋰機組循環水提高溫差、降低流量等方法進行優化，系統在供水流量較低時，開啟回流裝置，保證管程流速，同時根據供回水溫差調節循環水流量，改造后夏季/冬季降低外部循環水使用量3 500 m3/h，循環水溫差提高1.2℃。改造前后溫差和流量對比見表8。

表8 溴化鋰機組改造前后溫差和流量對比

5.3 冷卻塔優化前后對比

（1）在總循環量≤26 666 m3/h時，冷卻塔供回水溫差由3.2℃提高至4.5℃。

（2）在總循環量為26 666 m3/h時，冷卻塔換熱能力由103 MW提高至134 MW。

5.4 水泵機組優化前后對比

3#燒堿循環水泵優化前后耗量對比見表9。

表9 燒堿循環水系統泵更換前后耗電量對比 kW·h

更換前每小時耗電量：

638 740/144=4 435.69 kW·h

改造后每小時耗電量：

525 740/144=3 650.97 kW·h

節電率=（4 435.69-3 650.97）/4 435.69×100%=17.69%

結論，17.69%＞15%。實際節電量大于目標設定值。

6 結語

綜上所述，該研究項目穩定控制水質和系統節能取得了一定的成果，減少了循環水外排量，降低了能耗，實現了較好的社會效益。