煉油化工循環水節能降耗的可行性研究

史雪冬 (中海油惠州石化有限公司，廣東 惠州 516086)

0 引言

循環水作為煉油化工企業等大型工業企業之必不可少的公輔系統，在生產中發揮著至關重要的作用。然而，實際生產中因設備老舊、技術落后或其他管理問題，產生了嚴重的高耗能。在當前國家推進綠色發展、碳中和、碳達峰戰略的背景下，需要結合新技術和新方法對循環水的生產進行節能降耗研究，降低企業生產成本的同時實現綠色可持續發展。

1 背景

循環水系統是石油化工的能耗大戶，尤其是其電能消耗在全廠占比很大。惠州石化一期第一循環水場主要為加氫、重整裝置設備提供循環水，現場裝有5臺水泵、4臺水輪機，冬季循環水溫差6.2 ℃，夏季溫差6 ℃；在6～10 ℃控制范圍內，系統供水與回水壓差約0.2 MPa。目前循環水泵效率在80%左右，有較大提升空間。同時一循系統在夏季嚴酷氣候時，存在水溫偏高和降溫困難的問題。

循環水場在設計之初通常預留一定的富余能力；且根據開工以來的實際運行狀況，設計的確存在一定節能空間。在開展節能降耗的大趨勢下，有必要對循環水系統進行節能改造。

2 原因及解決方案

2.1 原因分析

通過對一循循環水系統進行調查、檢測，發現系統運行高耗能的原因主要包括：設備與系統運行效率較低、汽蝕現象嚴重、密封不嚴、部分管路配置不合理、系統阻力較大、換熱溫差較低、冷卻塔效果還需進一步優化等，有系統自身原因，也外部用戶原因。

2.2 解決方案

根據現場實際工況選取在線流體系統的節點，測量流體壓力、測量系統動力機械的功率、檢定系統管路的合理性、測算系統特性，從而分析判斷循環水系統用能中的不合理因素；模擬計算系統計算，改善動力機械與系統匹配問題，從而提出綜合節能方案，提高循環水系統運行的總效率。方案內容主要包括：換熱器單元運行狀況檢測、冷卻塔單元運行檢測、換熱工況、管網單元阻力檢測 (水力閥改微阻閥)、機泵單元運行工況檢測 (揚程、流量、效率)、風機葉片效率檢測以及整體優化設計、智慧能源管理平臺設計、高效節能設備的定制、安裝、調試、標定等。

2.3 改造主要內容

改造內容主要包括對5臺循環水泵(4臺大泵電機利舊，核算后不用換電機)、5臺泵出口水力閥和5臺風機葉片的更換改造。

(1)泵重新設計選型，型式不變 (仍為水平中開單級雙吸)，將原填料密封結構更換為機械密封結構的離心泵，同時提高制造標準至API610標準，電機保持不動；

(2)泵出口水力閥改為微阻管力閥，以降低泵出口的管阻損失；配套法蘭仍保持與現有閥門相同，以減少出口管線改造；

(3)風機葉片改造為新型材料制造的葉片，從而減輕葉片重量，增大風機風量，降低電機輸入功率。

2.4 考核要求

(1)一循改造實施后，分冬、夏兩種運行模式聯試考核。考核合格標準為達到工藝冷卻水要求和循環水工藝指標；

(2)3臺大泵并聯運行，總管流量≥17 000 m3/h，總管壓力≥0.44 MPa；

(3)4臺(3大1小) 泵并聯運行，總管流量≥1 900 m3/h，總管壓力≥0.46 Pa，同時冷卻塔水輪機進水管壓力≥0.12 MPa；

(4)改造后一循供水總能力達到原設計值的20 000 m3/h。

2.5 節能核算及能耗測定方法

核算依據：將改造前現有的循環水系統使用的5臺泵運行的電流表實際值作為計算改造前后電力消耗數據的依據。

改后能耗測定方法：當系統穩定運行后，在每臺水泵連續運行15天的基礎上，每5天取一次電流表數據，取均值，再以此電耗差值進行節能率計算。

3 主要技術要點及創新點

在本次改造中，循環水系統高效節能技術得到了很好的應用，主要技術要點和創新點如下：

(1)對在線流體系統糾偏。根據現場實際，建立水力模型，判斷引起高能耗的因素，找到系統最佳運行工況點，以達到節能降耗的目的。

(2)高位循環水系統糾偏。部分高低位設備存在于同一循環水系統中，為保證高位冷卻設備中一定的流量和壓力，需提高母管的揚程和流量，這對低位設備而言將是巨大浪費。通過優化高位大型冷換設備，采用高位循環水糾偏技術，降低其幾何揚程，從而在保證高低位設備均能正常運行的情況下降低循環水泵的揚程和流量，以提高運行效率。

(3)設備合理選型。根據CFD流場[1]理論，對改造前后雙吸離心泵流場三維流動的數值進行模擬，設計高效率水力模型，提高設備制造標準，更換密封型式、優化設備內部結構，從而使泵效率達到最優化。

(4)管路系統優化，結合系統局部管道阻力進行計算，按照經濟流速設計，采用新式的微阻管力閥替代泵出口水力閥，最大限度減少管阻損失，提高流體輸送效率。

(5)優化系統運行控制方案，平衡個換熱器的流量并合理控制供回水溫差，對流量、官網阻力、水泵運行效率等進行建模分析，確定最佳工況點，并充分考慮因熱負荷及環境溫度變化引起的變工況，從而根據系統運行特征，對泵站進行優化設計和管理。

(6)合同能源管理模式。在管理方式上，大膽嘗試合同能源管理模式(EMC)，提高了公司的能源利用效率，降低了公司成本，實現了項目節能效率高、能源消耗少、環境品質改善的目標，在推動企業的節能改造、減少能源消耗、建立綠色企業形象、增強市場競爭優勢過程中發揮了積極作用，獲得了穩定的節能收益和經濟效益，同時也改變了合同能源管理模式在國企、央企推廣難度大的固化印象，產生了積極的影響。此種管理模式對于中、小企業以及資金短缺的大型企業較為適用；對于大型石油化工且資金充裕的企業，從經濟角度直接投資則更加有利于企業的整體利益[2]。

4 結果對比

改造后分別對泵和風機的年運行的運行功耗進行了標定，結果如下：

(1)循環水泵電耗情況核算對比 (因運行模式不固定，故核算每年的總功耗) 如表1，表2，表3所示。

表1 改造后年運行能耗

表2 改造前年運行能耗

表3 改造前后循環水泵 (含微阻閥) 總節電率

(2)一循風機更換葉片后節能情況核算

一循風機更換葉片后節能情況核算如表4所示。

表4 一循風機更換葉片后節能情況核算表

5 結語

總而言之，煉油化工循環水系統的耗能高有多方面的原因，主要因循環水量較大、配用電機功率較高，生產中的設備、運行問題導致的高能耗會造成巨大浪費，無形中增加企業生產成本，因此需要結合生產實際，從系統內部和外部兩方面分析原因、對癥下藥，并結合合同能源管理或其他模式，降低企業自身風險和技術成本投入，實現快速回收投資，并達到節能降耗、降低經營成本和可持續化發展的目的。新技術、新管理模式的運用在循環水系統節能降耗方面定將會得到越來越多的推廣和應用。