石油化工循環(huán)水系統(tǒng)節(jié)能優(yōu)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(huán)水系統(tǒng)節(jié)能優(yōu)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(yè)生產(chǎn)中，循環(huán)水系統(tǒng)起到了至關重要的作用，循環(huán)水系統(tǒng)運行能耗、水耗巨大。利用行之有效的優(yōu)化節(jié)能技術能夠提高循環(huán)水系統(tǒng)的能源利用效率，實現(xiàn)裝置能耗合理，降低企業(yè)的競爭壓力。本文探究了循環(huán)水系統(tǒng)的節(jié)能優(yōu)化技術在石化行業(yè)的應用，以為石化企業(yè)循環(huán)水系統(tǒng)優(yōu)化提供改進參考。

石油化工；循環(huán)水系統(tǒng)；節(jié)能；優(yōu)化

0 引言

現(xiàn)在企業(yè)將降低裝置能耗作為重點工作，投入大量人力物力進行節(jié)能降耗工作，以此提升產(chǎn)品利潤進而提高企業(yè)綜合競爭力。高能耗是化工生產(chǎn)企業(yè)的主要特征之一，循環(huán)水系統(tǒng)能耗占化工生產(chǎn)中整體能耗中的大部分。循環(huán)水系統(tǒng)是公共系統(tǒng)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(huán)水系統(tǒng)能耗，以提高生產(chǎn)經(jīng)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(chǎn)生的機械能來驅動葉輪轉動的風機[1]。某循環(huán)水系統(tǒng)，抽風式逆流冷卻塔兩座，循環(huán)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(huán)水系統(tǒng)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(shù)5，額定電壓10000V)改為用水輪機進行驅動。經(jīng)過實際運行水輪機效率可達到90%，循環(huán)水系統(tǒng)年運行時間按照8000h計算，電費0.73元/kW，每年可節(jié)約能耗：180×8000×0.73元=1051200元。水輪機存在以下優(yōu)點：將回水能量進行充分利用，節(jié)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(huán)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(tǒng)內部結構的情況下實現(xiàn)了電發(fā)動機所具有的相同的功能，并節(jié)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(xiàn)在循環(huán)水系統(tǒng)通過合理的設計往往回水壓力達不到0.2MPa，當循環(huán)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(huán)水泵，泵自身也有功率損耗存在，且循環(huán)水在整個系統(tǒng)壓損較大。

2 循環(huán)水泵葉輪切削優(yōu)化及應用

葉輪切削指的是對循環(huán)水系統(tǒng)的水泵葉輪邊緣進行切削，降低水泵出力，實現(xiàn)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(xiàn)節(jié)能效果[3]。如某循環(huán)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(huán)水泵葉輪進行切割，使循環(huán)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(jié)能約60萬元。對循環(huán)水泵葉輪進行切割，原因往往是企業(yè)初期選擇水泵不合理，實際用水量往往達不到循環(huán)水泵的出水量，需要用通過調節(jié)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(jié)能的目的[4]。葉輪切割的優(yōu)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(huán)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(huán)水系統(tǒng)中的應用

循環(huán)水系統(tǒng)再設計之初就可能存在循環(huán)水量大于實際用量，某延遲焦化裝置兩臺循環(huán)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(yōu)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(jié)，變更設備的傳統(tǒng)控制方式[5]，實際運行中轉速調至885轉/分運行，則節(jié)電效益可作如下計算：電機輸入功率減少系數(shù)為1-(885/985)3=1-0.725=0.275，則輸入功率節(jié)省0.275×450=123.75kW，每年按照運行8000h，則節(jié)省電能為：123.75×8000=990000kW/h，電費0.73元/kW，則每年節(jié)能：990000×0.73元=722700(元)。

然而高壓變頻系統(tǒng)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(huán)水系統(tǒng)中的廣泛應用。

4 閉路循環(huán)水系統(tǒng)應用

閉路循環(huán)水系統(tǒng)最大的優(yōu)勢循環(huán)水系統(tǒng)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(tǒng)。循環(huán)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(tǒng)的換熱效率，同時能夠節(jié)省大量的助劑投入。通過對國內外蒸發(fā)式冷卻研究情況來看，美國對蒸發(fā)式冷卻研究較為深入，通過蒸發(fā)式冷卻技術的大量研究，推動了蒸發(fā)式冷卻理論體系的建立，推動該技術轉向閉式冷卻塔的優(yōu)化設計、傳熱傳質強化以及工業(yè)應用等領域[6，7]。對某循環(huán)水場進行閉路循環(huán)改造，原有開式?jīng)鏊幚砹繛?000m3/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(xiàn)有開式?jīng)鏊谑褂眠^程中，由于水質較差，工藝設備循環(huán)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?jīng)鏊脑鞛殚]式空冷塔系統(tǒng)。閉式空冷循環(huán)冷卻水系統(tǒng)分為內循環(huán)部分和外循環(huán)部分組成。內循環(huán)部分包括：空冷器，循環(huán)水泵，循環(huán)水旁濾器，膨脹水箱，加藥裝置；外循環(huán)部分包括：噴淋水泵，噴淋水旁濾器，外循環(huán)加藥等。

閉式空冷循環(huán)冷卻水系統(tǒng)原理如圖2所示。

閉式空冷循環(huán)冷卻水系統(tǒng)與開式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)相比較，其主要優(yōu)點如表1所示。

表1 閉式、開式系統(tǒng)比較

工業(yè)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(yè)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(huán)系統(tǒng)具有以下優(yōu)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(yè)的推廣應用。

圖2 閉式空冷循環(huán)冷卻水系統(tǒng)原理

表2 運行費用對照

6 節(jié)能水泵的應用

某循環(huán)水場，三臺450kW電動機兩開一備。現(xiàn)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(chǎn)生較大的能耗。將兩臺循環(huán)水泵更換為高效節(jié)能水泵，通過連續(xù)監(jiān)測單臺泵每天用電量6400kWh。該循環(huán)水場年運行時長為300天，電價0.73元，通過計算該循環(huán)水場每年可節(jié)省：(10500-6400)×2×300×0.73元=1795800元。

流體輸送高效節(jié)能水泵的應用適合循環(huán)水系統(tǒng)節(jié)能，且節(jié)能效果顯著[8]。節(jié)能水泵相對普通水泵將揚程大大降低，原系統(tǒng)泵出口壓力為0.67MPa，改為節(jié)能泵后泵出口壓力降為0.3MPa。如循環(huán)水系統(tǒng)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(jié)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(yè)循環(huán)水系統(tǒng)進行改造，配合高效節(jié)能泵技術，可有效解決循環(huán)水系統(tǒng)普遍的動態(tài)熱力失調和水力失調問題，節(jié)能效果明顯[9]。

8 亞音頻波處理工業(yè)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(huán)水中心的氧原子可與冷卻水系統(tǒng)中的銅材以Cu2O形式存在，或與鋼材氧化產(chǎn)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(huán)水補水的絕大部分都用于蒸發(fā)消耗，通過對冷卻塔蒸發(fā)水回收，降低新鮮水的用量。利用CRECT冷卻塔蒸發(fā)水汽回收裝置進行蒸發(fā)水汽回收，技術可行，且已有工業(yè)應用。但是該技術在缺水或工業(yè)水價格較高地區(qū)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(jié)能水泵在化工行業(yè)應用案例進行介紹，同時對其它的循環(huán)水優(yōu)化技術進行簡要介紹，旨在為石油化工行業(yè)循環(huán)水系統(tǒng)的節(jié)能優(yōu)化提供參考。

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[4]王杰，張生安，燕增偉．論循環(huán)水系統(tǒng)節(jié)能技術的應用[J]．化工裝備技術：2011,32：54-58．

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

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