循環水冷卻塔的節能探究

王 磊 李 濤 張 霖 文科智

(西南油氣田江油輕烴廠)

循環水冷卻塔的節能探究

王 磊 李 濤 張 霖 文科智

(西南油氣田江油輕烴廠)

通過對江油輕烴廠循環水系統現場數據的統計分析，探究循環水冷卻塔的節能潛力和熱力性能偏低的原因。根據分析結果并結合現場實際，提出3點節能措施，以達到優化循環水系統生產運行、降低循環水冷卻塔能耗和提高熱力性能的目的。

冷卻塔 循環水系統 熱力性能 水損失量 節能措施

隨著工業與經濟的快速發展，節能降耗在生產中的重要性日益凸顯，尤其是冷卻系統在節能、環保、高效方面的研究，已然成為一項專題。西南油氣田江油輕烴廠45×104m3/d輕烴回收裝置，主要用于回收中壩氣田須二氣藏不含硫天然氣中的C3H8、C4H10及C5H12等以上輕烴組分[1]。在裝置生產運行過程中，壓縮機、再生器及重沸器等設備產生大量的廢熱通過冷卻水帶走，升溫后的冷卻水再經過布水系統變成水霧狀，在逆流式風機的作用下快速冷卻降溫，最后流入循環水池，由循環水泵再輸送到工藝裝置形成閉路循環。

然而一直以來，技術人員對循環水冷卻塔的節能降耗未給予足夠的重視，忽略了冷卻塔的節能探索和性能維護，導致裝置冷卻塔的冷卻能力降低，日均水損失嚴重。

1 循環水冷卻塔性能影響因素分析

循環水冷卻塔的性能優劣是以冷卻后的水溫與周圍空氣濕球之間的溫差來判斷的，這與冷卻塔的設計密不可分。西南油氣田江油輕烴廠循環水冷卻塔的冷卻介質主要是塔周圍的冷空氣，冷空氣在塔內完成與循環水、返回水的熱量交換，大部分返回水熱量為汽化水蒸發所消耗，汽化水隨濕熱空氣一同被逆流式風機抽出排放到大氣中，降溫后的循環水則返回循環水池被繼續使用。

相關資料表明，影響冷卻塔熱力性能的主要因素有：氣水接觸時間、淋水填料面積、淋水分布密度、水滴直徑和數量。返回水冷卻是一個傳質、傳熱共同進行的過程，分布在塔內淋水填料表面上的水與空氣氣膜接觸，依靠氣膜與周圍空氣之間的焓值差來推動熱量傳遞。在整個循環水冷卻過程中，利用了擴散和對流兩種傳熱原理，其傳熱速度的大小與氣水相對流速、接觸時間、接觸面積及淋水密度等因素密切相關[2]。

2 冷卻塔水損失量估算

西南油氣田江油輕烴廠循環水冷卻塔的水損失量主要表現在蒸發損失LE、飄逸損失LC和排污損失LB共3個方面，現根據現場實際生產數據進行估算。

2.1 蒸發損失估算

4月1日～4月7日，西南油氣田江油輕烴廠循環水冷卻塔的進出水溫度統計如圖1所示。冷卻塔出水平均溫度T1=23.35℃，進水平均溫度T2=27.61℃，循環水平均流量L=218.65m3/h。

a. 進水溫度

b. 出水溫度

根據冷卻塔的傳熱原理，冷卻塔單位時間內的傳熱量q由對流傳熱量qC與擴散傳熱量qD構成，即[3]：

q=qC+qD

(1)

根據能量公式，對循環水進行能量恒算，可得：

q=Lcp(T2-T1)

(2)

式中cp——水的比熱容。

查詢《水的比熱容》表可得，當前溫度下的水比熱容cp=4.178kJ/(kg·℃)，代入相應數據得到：

q=Lcp(T2-T1)

=218.65×103×24×4.178×(27.61-23.35)

=93398.25MJ

查詢《不同溫度下水的汽化潛熱表》，得到水的蒸發潛熱λ=2427.9kJ/kg。在擴散傳熱和對流傳熱兩種熱量傳遞方式中，特別是環境氣溫較高時，引起冷卻水降溫的主要原因是水蒸發傳熱，其次是水、氣之間的溫差傳遞，二者所占比例由氣候條件和冷卻塔處理量決定。參考本裝置循環水冷卻塔的實際運行狀況，估算出擴散傳熱占總散熱量的75%～80%，對流傳熱占20%～25%。本裝置冷卻塔設計處理能力為400m3/h，而現冷卻塔實際處理量為218.65m3/h，故取擴散傳熱比例ζ=75%，代入數據得到：

qD=Lcp(T2-T1)ζ=70048.69MJ

其中，擴散傳熱量qD與水的蒸發損失量LE的關系為：

qD=LE·λ

(3)

根據式(3)，得到水的蒸發損失量LE為：

2.2 飄逸損失估算

由于本裝置冷卻塔采用的是逆流式機械通風，冷卻塔運行過程中一些小水滴會隨濕熱空氣一起被排到大氣中。查詢相關資料，得到冷卻塔飄逸損失水量占處理量的百分比見表1。

表1 冷卻塔飄逸損失率 %

鑒于西南油氣田江油輕烴廠循環水冷卻塔為逆流式機械通風冷卻塔，并使用塑料斜折波收水器，故取飄逸損失率C=0.1%，代入數據得到飄逸損失量LC為：

LC=LC=218.65×24×0.1%=5.25m3

2.3 排污損失估算

目前，西南油氣田江油輕烴廠循環水系統的排污清理主要依靠無閥過濾器的旁濾作用，它主要利用虹吸原理對過濾器進行定期反洗，達到除卻循環水系統中懸浮雜質的目的，通過進行二次沉淀過濾處理，保證循環水水質滿足生產運行要求。據統計，現裝置循環水系統無閥過濾器平均沖洗頻率為每月一次，每次排污量約4m3，故可以忽略不計。

2.4 冷卻塔水損失綜合

西南油氣田江油輕烴廠4月1日～4月7日循環水池補水量統計圖如圖2所示，得到一周平均補水量L0=34.28m3。

由于擴散傳熱過程中的蒸發損失不能夠進行回收，因此要想減小冷卻塔水損失，需要提高飄逸水回收率。估算現場實際飄逸損失量LC′為：

圖2 循環水池補水量統計圖

LC′與LC相差3.31%，這主要由飄逸損失率取值偏小導致，可以忽略不計。因此，通過上述計算結果分析得出：控制飄逸水損失率是當前循環水系統減小水損失、實現節能的主要途徑。

3 循環水系統節能措施

根據上述計算分析結果，提出3項具體改進措施來提高本裝置循環水冷卻塔的冷卻性能，優化其生產運行，達到節能降耗的目的。

3.1 更換收水器

收水器是為收集冷卻塔在排氣過程中被濕熱空氣帶出的細小水滴而設計的，這種飄逸水損失量與電機風速、淋水密度、水滴大小及淋水速度等密切相關。收水器的安裝能夠及時阻止這種細小水滴飄逸，避免水資源浪費。

目前，西南油氣田江油輕烴廠循環水冷卻塔使用的收水器是160mm×40mm(寬×間距)普通塑料斜折波收水器，當收水器平面與氣流方向不垂直時，細小水滴易穿透收水器平面層，存在斜通過的現象，致使收水器工作效果不佳。因此，建議將塑料斜折波收水器更換為175mm×35mm(寬×間距)的多維收水器。該收水器由許多平面折板和多維折板構成，組成了多個多維轉折的三角形氣流通道，構成了氣流通道的空間多維轉折立體結構，改變了傳統收水器的單向單維導流方式，達到了很好的收水與節能效果。多次現場測試表明：多維收水器的收水效率可達99.99%以上，極大地改善了冷卻塔對周邊環境的影響。應用多維收水器后，日均節水量為：

LC″=LC=218.65×24×0.01%=0.52m3

ΔLC=LC′-LC″=5.43-0.52=4.91m3

初步估算，每天節水4.91m3，月節水147.3m3，效益非常可觀。

3.2 清洗維護淋水填料

冷卻塔填料的作用是利用填料增加循環水的散熱量面積，延長冷卻水與冷空氣的接觸時間，增加換熱量和均勻布水。冷卻塔降溫性能的優劣與塔內氣水分布和填料性能密切相關，淋水填料的熱力性能和阻力特性的差異對冷卻塔的冷卻性能影響巨大，故加強淋水填料的運行維護是提高冷卻塔熱力性能的重要途徑[4]。

目前，西南油氣田江油輕烴廠循環水冷卻塔性能較低的主要原因為：冷卻塔部分淋水填料破損變形，填料上生長藻類或結垢，使淋水填料的換熱面積變小，淋水密度增大，循環水冷卻塔出口水溫偏高[5]。此外，填料表面上積聚水垢、油脂或藻類，會減小空氣流量，減弱汽水熱交換強度，使循環水冷卻塔的性能下降，設備利用率降低。

圖3為當冷卻塔淋水填料面積相對減少1%～25%時，對應的出塔水溫變化情況。可以看出，及時清理維護冷卻塔，增大冷卻塔淋水填料，對于提高冷卻塔的性能具有重大意義[6]。

圖3 淋水面積對出塔水溫的影響

3.3 控制電機能耗

目前，西南油氣田江油輕烴廠循環水冷卻塔配備的是一臺額定功率18.5kW、頻率50Hz的隔爆型變頻調速電機和一臺BZF200隔爆型軸流風機，以滿足整個冷卻塔運行過程的通風要求。但在冷卻塔的實際生產運行過程中存在季節溫度、水處理量及冷卻塔性能等多變因素，因此通過變頻調速是實現冷卻塔節能降耗的重要方法。

為估算出現場實際生產過程中循環水冷卻對通風量的需求，采用電子測濕儀分別就4月1日～4月7日冷卻塔進出口空氣的濕度和溫度進行統計，得出7天濕度平均值分別為61%和98%，溫度平均值分別為22.1℃和25.2℃。然后根據《不同溫度下的干空氣密度表》和《不同溫度下飽和濕空氣含水量表》得到相應數據，具體見表2[7]。

表2 進出口空氣參數

代入數據，得到進出冷卻塔空氣含濕量分別為：

h1=61%×1.197×16.899=12.34g/kg

h2=98%×1.185×20.356=23.41g/kg

干空氣的平均定壓比熱為1.01kJ/(kg·℃)，水蒸氣的平均定壓比熱為1.84kJ/(kg·℃)，0℃水的氣化潛熱為2 500kJ/kg，則不同溫度下的焓值計算式為：

H=1.01t+(2500+1.84t)h

(4)

式中h——空氣的含濕量，kg/kg；

t——空氣溫度，℃。

代入數據，得到進出口空氣焓值H1、H2分別為：

H1=1.01t1+(2500+1.84t1)h1

=1.01×22.1+(2500+1.84×22.1)×12.34×10-3=53.67kJ/kg

H2=1.01t2+(2500+1.84t2)h2

=1.01×24.8+(2500+1.84×24.8)×23.41×10-3=84.64kJ/kg

根據焓值變化，得到的風量需求計算式為：

G(H2-H1)=Lcp(T2-T1)η

(5)

(6)

式中G——單位時間內的空氣流量，kg/h。

式(6)中的主要變量為循環水冷卻塔進出口溫差Δt和循環水平均流量L，代入實際生產運行數據，估算出冷卻塔在對應工況下的所需風量，進而調整電機轉速，實現循環水冷卻塔的節能降耗。

冷卻塔滿負荷運行時的具體節能效果見表3。

4 結束語

筆者主要通過對循環水冷卻塔運行數據的統計計算，分析判斷西南油氣田江油輕烴廠冷卻塔目前水損失量大和熱力性能低的原因，并根據分析原因制定了更換收水器、清洗維護淋水填料、控制電機能耗3方面的具體改進措施，以提高循環水冷卻塔的熱力性能，降低冷卻塔能耗，為輕烴廠對循環水冷卻塔的運行優化和節能降耗提供一定的參考與借鑒。

表3 冷卻塔滿負荷運行時的節能效果 %

[1] 陳殿,張霖,胡東明.分子篩脫水裝置的節能探究[J].化工機械,2015,42(5):662～665.

[2] 俞接成,郭嬋,錢高.立式沉降冷卻塔內煙氣冷卻的數值模擬及冷卻方案改進[J].化工機械,2015,42(1):106～109.

[3] 葉明國.冷卻塔的設計[J].化工裝備技術,1999,20(3):34～40.

[4] 朱高來,張玉杰.冷卻塔的節能潛力分析[J].新疆電力技術,2011,(3):77～79.

[5] 李德興.冷卻塔與節能[J].工業用水與廢水,2006,37(z1):21～24.

[6] 付德報,李國林.中小型冷卻塔的節能改造[J].設備管理與維修,2008,(10):50.

[7] 劉迎云.利用冷卻塔節能的途徑與方法[J].節能,1999,(12):37～39.

DiscussionofEnergySavinginCirculatingWaterCoolingTower

WANG Lei, LI Tao, ZHANG Lin, WEN Ke-zhi
(JiangyouLightDydrocarbonPlant,PetroChinaSouthwestOil&GasFieldCompany)

Through statistically analyzing site data of the circulating water system in Jiangyou Light Dydrocarbon Plant, the circulating water cooling tower’s energy-saving potential and the causes of lower thermal performance there were discussed. According to the result of analysis and combining with actual production, the three energy-saving proposals were presented to optimize the production run of the circulating water system, reduce the energy consumption and improve the thermal performance of the cooling tower.

cooling tower, circulating cooling water system, thermal performance, water loss,energy-saving measures

王磊(1975-)，工程師，從事石油煉化生產工作。

聯系人張霖(1987-)，工程師，從事石油煉化生產工作，longtengjituann@163.com。

TQ051.5

A

0254-6094(2017)02-0175-04

2016-04-25，

2016-05-18)