煤化工企業循環水系統低碳節能優化研究

穆彥懷，安 磊，秦國英，龐秀錦

（晉能控股裝置備制造集團天源山西化工有限公司，山西 高平 048400）

1 概述

天源山西化工有限責任公司4060 項目，設計產能為年產成氨36 萬t、甲醇4 萬t、大顆粒尿素60 萬t，主要工藝流程為純氧氣化產半水煤氣，經過脫硫、壓縮、變換、脫碳、合成氨，最后形成尿素；經過近幾年生產系統節能挖潛、升級優化，裝置產能不斷提升。配備有兩套16 000 m3/h 循環水系統，10 臺4 000 m3/h 循環水泵，8 臺冷卻塔風機，主要對生產過程中，氣體壓縮產生的熱量進行冷卻。

2 項目背景

晉能控股裝備制造集團天源山西化工有限責任公司4060 項目，有兩套循環水系統，每套循環水量16 000 m3/h，各配備5 臺循環水泵，廠家為中國上海凱泉（集團）有限公司，泵額定流量均為4 000 m3/h，8臺6 葉風機；循環水泵額定功率710 kW，額定電流51.3 A，風機132 kW，額定電流267 A。在實際運行中循環水泵功率750 kW，超出了額定功率，只能將循環水泵出口閥關到25%以下，功率才能回到700 kW 以下，確保正常運行，但是將閥門關小后，循環水泵葉輪經過會出現氣蝕現象[1]。每套循環水各配套4 臺冷卻塔風機，風機實際運行電流197、180、201、216 A 左右，將風葉角度調整到最大16°時，電機電流到216 A左右，還有余量。到夏季循環水上水溫度37 ℃，回水溫度42.5 ℃左右，嚴重影響公司生產，必須對循環水系統進行整體優化改造。

3 循環水系統實際運行情況

3.1 設備基本情況

循環水泵運行情況：循環水泵實際功率690 kW，泵出口閥開度25%，冷卻塔風機運行電流205 A 左右，額定電流289 A，還有改造提升空間。表1、表2 為水泵和風機的配置。

表1 循環水泵基本配置

表2 冷卻塔基本配置

3.2 系統運行參數情況

循環水泵和冷卻塔風機的實際運行檢測數據見表3、表4。

表3 循環水泵運行情況

表4 冷卻塔風機運行數據

4 系統存在的問題

1）循環水泵實際運行效率為65%，循環水泵實際運行效率為64%，水泵效率存在優化空間。

2）循環水系統供水夏季最熱天氣時可達43 ℃，對生產造成不利影響，總體散熱能力偏低。

3）合成循環水系統上回水溫差在5 ℃，電站循環水系統上回水溫差均在4.4 ℃，通過對換熱器的運行數據檢測，缺乏技術手段來對換熱器水量進行量化控制，換熱器閥門普遍處于全開狀態，未對循環水進行水平衡優化調整。

4）循環水系統供水壓力偏低，部分月份為保證供水壓力，需開啟5 臺循環水泵，此時系統已無備用泵。

5）冷卻塔風機開滿負荷，電機電流205 A 左右，還有余量；但循環水水溫偏高，上回水溫差只有5 ℃左右。

5 改造方案及思路

改造目標：夏季要將循環水上水溫度控制在32 ℃以下，提高循環水上回水溫差，泵運行功率控制在700 kW 以下。

5.1 循環水泵改造思路

天源公司選用的雙吸單級離心泵是常規合理的選擇，更換循環水泵的費用較高，而且和電機還不匹配；討論先對其中一臺循環水泵進行葉輪切割改造，來滿足生產需要，根據實際運行數據，再對剩余的泵進行改造。

5.2 冷卻塔風機風葉的分類及改造思路

循環水冷卻塔風機風葉分類：根據材質可分為ABS（工程塑料）風機、鋁合金風機、玻璃鋼風機、不銹鋼風機、碳纖維風葉。鋁合金和不銹鋼風機一般用于特殊要求的地方或者中小型風機上；主要考慮玻璃鋼風葉和碳纖維風葉為主[2]。

1）碳纖維風機：單片葉片質量50 kg、葉片寬度510 mm、輪轂質量50 kg。碳纖維是以聚丙烯腈、粘膠纖維、瀝青纖維等原絲作為原料，經過高溫碳化和石墨化制成的，是一種含碳量在90%以上的高強度纖維材料。碳纖維廣為人知的優點就是質輕高強，其密度僅有1.6 g/cm，而常用的結構材料鋼材的密度為7.8 g/cm，即使是輕質量金屬材料鋁密度也有2.7 g/cm，相比而言，碳纖維復合材料的輕量化更為明顯。

2）玻璃鋼風機：單片葉片質量50 kg、葉片寬度310 mm、輪轂質量200 kg。玻璃纖維也是用得比較多的非金屬增強材料，主要是以石英砂、石灰石、白云石、硼鎂石等礦石為原料，經過高溫熔斷、拉絲、絡紗、織布等工藝制造而成。常作為增強材料、絕緣材料、絕熱材料，其密度在2.5 g/cm 左右，其抗拉強度在2 800 MPa 左右。玻璃纖維為無機纖維，伸長率在3%左右，絕緣性能好，也耐酸堿腐蝕[3]。

對以上兩種材質相比較：在同等葉片質量相同情況下碳纖維風機葉片較玻璃鋼葉片寬200 mm，且輪轂材質較輕。

6 改造過程

6.1 確定循環水泵葉輪切削量

葉輪切割前后的性能參數變化關系，可近似地由以下切割定律即式（1）～式（3）來表達。

式中：D 為葉輪切削前直徑，mm；D1為葉輪切削后直徑，mm；G 為葉輪切削前水泵流量，m3/h；G1為葉輪切削后水泵流量，m3/h；H 為葉輪切削前揚程，m；H1為葉輪切削后揚程，m；P 為葉輪切削前功率，kW；P1為葉輪切削后功率，kW。

根據上述公式，實測泵滿負荷運行時功率為750 kW，要降到700 kW 以下，葉輪直徑需要縮小20 mm，為保證穩定，同時考慮到循環水泵余量較大，討論決定縮小量增加2 mm，葉輪實際直徑縮小了22 mm。改造后：運行電流48 A，功率680 kW，泵出口閥門開度100%，額定電流51.59 A，額定功率710 kW。

6.2 冷卻塔風機風葉改造

冷卻塔風機電機和減速機利用原配套設備，減速機上安裝的六葉輪轂拆除，更換成八葉輪轂，在八葉輪轂上安裝八片碳纖維風葉，調整風葉角度13°。4臺風機改造后，電流從197、180、201、216 A 增大至257、250、258、244 A，風速從6.7 m/s 增大至7.8 m/s，風速同比增加11.6%。

7 改造后循環水泵和冷卻塔風機運行數據

經過對循環水泵和冷卻塔風機的雙管齊下改造，循環水泵功率從750 kW 降低到680 kW，泵出口閥開度從25%調整到100%，系統管網壓力從0.389 MPa提高到0.43 MPa；冷卻塔風機風速從6.7 m/s 增大至7.8 m/s，風速同比增加11.6%。循環水系統給水溫度從28～29 ℃至25～26 ℃下降2～3 ℃，回水溫度從33 ℃至32 ℃下降1 ℃，給回水溫差從4～5 ℃增加至6～7 ℃，降溫效果明顯，目前運行狀態正常。實際運行數據見表5～表8。

表5 循環水泵實際運行參數

表6 冷卻塔風機單元運行數據

表8 2021 年6 月系統九機負荷參數

8 結語

綜合現場實際情況，結合成熟的先進技術，系統性地對設備進行升級改造，達到了預期的效果，為安全生產長周期穩定運行，夯實基礎。