煉廠循環(huán)水系統(tǒng)節(jié)水技術(shù)及應(yīng)用

韓會亮

（1.中國石化塔河煉化有限責(zé)任公司；2.韓會亮創(chuàng)新工作室）

我國水資源形勢十分嚴(yán)峻，人多水少，水資源時空分布不均，供需矛盾突出，全社會節(jié)水意識不強、用水粗放、浪費嚴(yán)重，水資源利用效率與國際先進(jìn)水平存在較大差距，水資源短缺已經(jīng)成為生態(tài)文明建設(shè)和經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展的瓶頸制約。我國工業(yè)取水量占全社會總?cè)∷康?/4 左右，其中石油化工、火電、鋼鐵、紡織、造紙等高用水行業(yè)取水量占工業(yè)取水量的50%左右。規(guī)范和加強各領(lǐng)域及各行業(yè)取水、用水和節(jié)水工作，提升水資源利用效率，提升全民節(jié)水意識，形成全社會節(jié)水的良好風(fēng)尚，意義重大。

石化企業(yè)在生產(chǎn)過程中需要使用大量的除鹽水（化學(xué)水）、循環(huán)水和工藝水等不同水質(zhì)的水。根據(jù)煉廠用水調(diào)查統(tǒng)計結(jié)果，循環(huán)水系統(tǒng)是煉化企業(yè)第二大耗水用戶。因此，在保障循環(huán)水系統(tǒng)長周期穩(wěn)定運行的同時，分析研究循環(huán)水系統(tǒng)節(jié)水技術(shù)并進(jìn)行優(yōu)化應(yīng)用，可有效降低循環(huán)水水耗，提高企業(yè)經(jīng)濟效益和社會效益。

1 循環(huán)水系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)概況

循環(huán)水系統(tǒng)是以水作為冷卻介質(zhì)并循環(huán)運行的一種給水系統(tǒng)，廣泛應(yīng)用于石油、化工、鋼鐵冶煉和熱力發(fā)電等領(lǐng)域。循環(huán)水系統(tǒng)分為封閉式和敞開式兩種，由換熱設(shè)備、冷卻設(shè)備、水泵、管道及其他有關(guān)設(shè)備設(shè)施組成。石油化工企業(yè)常用敞開式循環(huán)水系統(tǒng)，即循環(huán)水與冷卻介質(zhì)間接傳熱且與大氣直接接觸散熱的循環(huán)水系統(tǒng)。該系統(tǒng)中冷卻水在循環(huán)過程中與空氣接觸，部分水在通過冷卻塔時還會不斷被蒸發(fā)而損失，因而水中的各種礦物質(zhì)和離子含量也不斷被濃縮、增加。為了維持各種礦物質(zhì)和離子含量穩(wěn)定在某一定值上，必須對系統(tǒng)補充一定量的新水，并排出一定量的濃縮水[1]。

某煉油企業(yè)公用工程作業(yè)部有兩套循環(huán)水場，均采用敞開式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)。1 號循環(huán)水場設(shè)計規(guī)模為4 000 m3/h，保有水量為1 500 m3，實際運行循環(huán)量為3 600 m3/h，供水壓力為0.37 MPa；主要承擔(dān)為南廠區(qū)1#焦化、1#加制氫、1#硫磺、半再生重整、氣柜壓縮機和動力鍋爐等生產(chǎn)裝置提供循環(huán)冷卻水。2 號循環(huán)水場設(shè)計處理量為7 500 m3/h，保有水量為2 600 m3，實際運行循環(huán)量為7 450 m3/h，供水壓力為0.32 MPa；主要為2#加制氫、2#焦化裝置、2#硫磺、3#硫磺裝置、臨氫異構(gòu)化、連續(xù)重整、航煤加氫裝置、余熱回收站、空分空壓站、深冷制氮和3#凝結(jié)水站、西區(qū)儲運污油罐區(qū)、氣柜及3#中間罐區(qū)提供循環(huán)冷卻水。

1.2 系統(tǒng)補充水

1 號循環(huán)水系統(tǒng)補充水源由新鮮水、深度回用中水、鍋爐定連排水和凝結(jié)水組成。2 號循環(huán)水系統(tǒng)補充水源由新鮮水、深度回用中水、制氫凈化水和凝結(jié)水組成。補充水水質(zhì)應(yīng)滿足Q/SH 0628.2—2014《水務(wù)管理技術(shù)要求第2 部分：循環(huán)水》[2]中補充水水質(zhì)要求，補充水水質(zhì)狀況如表1 所示。

表1 補充水水質(zhì)狀況Tab.1 Supplementary water quality

經(jīng)統(tǒng)計，2022 年兩套循環(huán)水場總補水量為80.28×104m3，補水率為9.2‰，占全年全廠生產(chǎn)總用水量的42.1%。

2 水量損失原因

2.1 散熱損失

循環(huán)水的冷卻是通過水與空氣接觸，以蒸發(fā)散熱、接觸散熱和輻射散熱3 個過程共同作用將熱量帶走。

1）蒸發(fā)散熱是水在冷卻設(shè)備中形成大小水滴或極薄水膜，擴大其與空氣的接觸面積并延長接觸時間，使水蒸氣的蒸發(fā)速度加快，單位時間的水蒸發(fā)量大大提高，從而達(dá)到快速取走熱量和降低水溫的目的。

2）接觸散熱是借傳導(dǎo)和對流傳熱。根據(jù)熱力學(xué)第二定律可知，熱量總是自發(fā)地從高溫傳向低溫。水面與較低溫度的空氣接觸，由于溫差使熱水中的熱量傳到空氣中，水溫得到降低。溫差越大，傳熱效果越好。

3）輻射散熱不需要傳熱介質(zhì)的作用，而是由一種電磁波的形式來傳播熱能的現(xiàn)象。輻射散熱只是在大面積的冷卻池內(nèi)才起作用。

這3 種散熱過程在水冷卻中所起的作用，隨空氣的物理性質(zhì)不同而異。春、夏、秋三季內(nèi)，大氣溫度較高，表面蒸發(fā)冷卻起主要作用，最炎熱夏季的蒸發(fā)散熱量可達(dá)總散熱量的90%以上，故水的蒸發(fā)損失量最大，需要的補充水量也最多。在冬季，由于氣溫降低，接觸散熱的作用增大，從夏季的10%～20%增加到40%～50%，嚴(yán)寒天氣甚至可增加到70%左右，故在寒冷季節(jié)水的蒸發(fā)損失量減少，補充水量也就隨之降低。

2.2 循環(huán)水排污

1）冷卻水在循環(huán)系統(tǒng)中不斷循環(huán)使用，由于水的溫度升高，水流速度的變化，水的蒸發(fā)，各種無機離子和有機物質(zhì)的濃縮，冷卻塔和集水池在室外受到陽光照射、風(fēng)吹雨淋、灰塵雜物的進(jìn)入，以及設(shè)備結(jié)構(gòu)和材料等多種因素的綜合作用，會產(chǎn)生沉積物附著、設(shè)備金屬腐蝕和微生物滋生等問題。為了防止循環(huán)水系統(tǒng)產(chǎn)生結(jié)垢、腐蝕等現(xiàn)象，保證設(shè)備長周期運行，對循環(huán)水進(jìn)行水質(zhì)控制處理是非常必要的， 循環(huán)水水質(zhì)控制指標(biāo)應(yīng)滿足Q/SH 0628.2—2014 《水務(wù)管理技術(shù)要求第2 部分：循環(huán)水》中的要求，循環(huán)水水質(zhì)控制指標(biāo)見表2。

表2 循環(huán)水水質(zhì)控制指標(biāo)Tab.2 Indicators of circulating water quality control

通過對循環(huán)水進(jìn)行阻垢、緩釋和殺生處理，可有效減少污垢和微生物產(chǎn)生量，減緩腐蝕。即使在水質(zhì)處理較好、補充水濁度也較低的情況下，循環(huán)水系統(tǒng)中的濁度仍然會不斷升高，因此需要在系統(tǒng)中增設(shè)旁濾設(shè)備，通過旁濾控制系統(tǒng)濁度維持在指標(biāo)內(nèi)，從而減少污垢的生成。循環(huán)水水處理和旁濾運行過程均需要一定量排污水配合，才能保證循環(huán)水系統(tǒng)運行穩(wěn)定。

2）循環(huán)水系統(tǒng)在日常運行中常常會發(fā)生一些異常。這些異常若不能及時發(fā)現(xiàn)和妥善處理，常會迫使循環(huán)水系統(tǒng)停運，從而影響裝置運行，造成很大經(jīng)濟損失，故需要及時對異常進(jìn)行處理。常見的異常主要是介質(zhì)物料泄漏到循環(huán)水系統(tǒng)。當(dāng)發(fā)生物料泄漏時，會使循環(huán)水濁度、石油類、pH 值等指標(biāo)和水體顏色發(fā)生變化，增加循環(huán)水的腐蝕、結(jié)垢或微生物生長傾向，需要及時進(jìn)行排查，切斷泄漏源，并對循環(huán)水系統(tǒng)進(jìn)行加藥處理、排污置換等恢復(fù)水質(zhì)，整個處置過程不僅會消耗大量的藥劑，還會造成水資源浪費，增加工作量和運行成本。

3）裝置大檢修前后或循環(huán)水系統(tǒng)結(jié)垢嚴(yán)重影響運行時，均需要對循環(huán)水系統(tǒng)進(jìn)行化學(xué)清洗和預(yù)膜，過程中需要排出系統(tǒng)中的水，換入大量新水。

2.3 收水器效果差

在循環(huán)水冷卻塔中的配水系統(tǒng)上都設(shè)置收水器，其作用是為了減少冷卻塔中的水量損失[3]。由于收水器選型不合適、在塔內(nèi)布置不合理等，導(dǎo)致收水器效果不佳，塔體飄水現(xiàn)象嚴(yán)重，增加了補水量且影響周圍環(huán)境。

2.4 其他損失

循環(huán)水系統(tǒng)管網(wǎng)全部采用埋地敷設(shè)，管網(wǎng)投用運行至今，由于管道制造缺陷、施工不合格、腐蝕和地下管網(wǎng)閥門管理維護(hù)不到位等原因，造成地下管網(wǎng)泄漏損失。部分裝置在檢修時，閥門關(guān)閉不嚴(yán)密，導(dǎo)致水損。還有對部分裝置進(jìn)行現(xiàn)場打掃衛(wèi)生時，就地取用循環(huán)水沖洗地面，焦化裝置使用循環(huán)水作為焦池補水等，均造成水資源浪費。

3 節(jié)水技術(shù)與效果

3.1 提高濃縮倍數(shù)

循環(huán)水濃縮倍數(shù)指的是在運行循環(huán)冷卻水系統(tǒng)時，因為出現(xiàn)了風(fēng)吹損失、水分蒸發(fā)等問題，導(dǎo)致循環(huán)水不斷出現(xiàn)濃縮現(xiàn)象的倍數(shù)。其屬于綜合性的水質(zhì)控制好壞的衡量指標(biāo)[4]。設(shè)以K表示濃縮倍數(shù)，則K的含義就是指循環(huán)水中某物質(zhì)的濃度與補充水中某物質(zhì)濃度之比，即：

式中：cR為循環(huán)水中某物質(zhì)的濃度，mg/L；cM為補充水中某物質(zhì)的濃度，mg/L。

用來計算濃縮倍數(shù)的物質(zhì)，要求它們的濃度除了隨濃縮過程增加外，不受其他外界條件干擾。通常選用的物質(zhì)有Cl-、K+等物質(zhì)，試驗以K+濃度進(jìn)行計算。

循環(huán)水濃縮倍數(shù)越高，對節(jié)能降耗越有利，但水質(zhì)會越來越差，水處理的難度也就越大。在循環(huán)水系統(tǒng)的日常運行中，濃縮倍數(shù)是其中一項重要指標(biāo)，這就需要尋求兩者之間的最佳切合點[5]。

以現(xiàn)有生產(chǎn)條件為基礎(chǔ)，在不改變緩釋阻垢劑（ZH442） 配方和系統(tǒng)不加酸的前提下，通過調(diào)整補充水水質(zhì)開展試驗研究，在控制循環(huán)水鈣離子+總堿度小于或等于1 100 mg/L 的條件下控制系統(tǒng)產(chǎn)生結(jié)垢和腐蝕。根據(jù)Q/SH 0725.2—2018《循環(huán)水處理效果監(jiān)控方法第2 部分：水質(zhì)監(jiān)控法》，對于鈣離子+總堿度介于100～300 mg/L 之間的補水水質(zhì)，在滿足節(jié)水要求的前提下，可采用自然pH 值運行工藝，通過靜態(tài)阻垢試驗和動態(tài)模擬試驗考察阻垢效果，通過極限碳酸鹽試驗確定鈣離子+總堿度的控制指標(biāo)上限。對于鈣離子+總堿度小于100 mg/L 的補水水質(zhì)，采用自然pH 值運行工藝，通過旋轉(zhuǎn)掛片試驗和動態(tài)模擬試驗，確定鈣離子+總堿度的控制下限。

受季節(jié)因素影響，循環(huán)水系統(tǒng)補水量變化較大。冬季1 號循環(huán)水總補水量平均約為28 m3/h，2號循環(huán)水總補水量平均約為50 m3/h；夏季1 號循環(huán)水總補水量平均約為41 m3/h，2 號循環(huán)水總補水量平均約為85 m3/h。若循環(huán)水只補新鮮水，根據(jù)表1新鮮水鈣離子+總堿度為268.18 mg/L，循環(huán)水濃縮倍數(shù)只能控制在4.0 倍以內(nèi)，超出時系統(tǒng)就會產(chǎn)生結(jié)垢。然而，實際生產(chǎn)中循環(huán)水補充水由多股水組成，其中鍋爐定連排水量基本在5 m3/h，制氫凈化水量基本在7 m3/h，凝結(jié)水以回用除鹽水為主。試驗維持1 號循環(huán)水補鍋爐定連排水量為5 m3/h，2 號循環(huán)水補制氫凈化水量為7 m3/h不變，通過改變新鮮水和中水比例，在保證循環(huán)水水質(zhì)的前提下，提高循環(huán)水濃縮倍數(shù)[6]。每次試驗周期為期一個月，試驗期間各項加藥正常控制，補水比例不變，保證總量。試驗數(shù)據(jù)對比情況如表3所示，循環(huán)水試片狀況見圖1所示。

圖1 循環(huán)水試片狀況Fig.1 Test piece status of circulating water

表3 試驗數(shù)據(jù)對比情況Tab.3 Comparison situation of test data

通過表3 試驗數(shù)據(jù)對比情況可以看出，通過調(diào)整循環(huán)水補充水的新鮮水和中水比例在1∶1～3∶1之間，可以保證循環(huán)水水質(zhì)受控，腐蝕達(dá)標(biāo)，同時可以提高循環(huán)水濃縮倍數(shù)達(dá)5.7～6.5。

循環(huán)水濃縮倍數(shù)由4.0 提高到6.0 運行，提高濃縮倍數(shù)后，1 號循環(huán)水冬季節(jié)約補充新水為3.5 m3/h，節(jié)水率達(dá)到12.5%；2 號循環(huán)水冬季節(jié)約補充新水為6.5 m3/h，節(jié)水率達(dá)到13%。1 號循環(huán)水夏季節(jié)約補充新水為5 m3/h，節(jié)水率達(dá)到12.2%；2 號循環(huán)水冬季節(jié)約補充新水為9 m3/h，節(jié)水率達(dá)到11.1%。同時減少相應(yīng)數(shù)量的排污水量。

3.2 提高循環(huán)水供水溫度

循環(huán)水系統(tǒng)在運行中，其換熱網(wǎng)絡(luò)可以理解為是工藝熱物流和循環(huán)水之間形成的網(wǎng)絡(luò)[7]，即利用循環(huán)水將工藝過程熱量帶回到冷卻塔冷卻后重新到系統(tǒng)取熱。根據(jù)《工業(yè)水處理技術(shù)》和GB/T 12452—2008《企業(yè)水平衡測試通知》等文件，敞開式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)耗水量可用公式（2）計算：

式中：Vco冷為敞開式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)耗水量，m3/h；F為吹散水量，m3/h；G為蒸發(fā)損失水量，m3/h。

吹散水量計算公式為：

式中：R為循環(huán)冷卻水量，m3/h；K吹散損失系數(shù)，其中機械通風(fēng)式冷卻塔（有收水器） 數(shù)值為（0.002～0.003）。

蒸發(fā)水量計算公式為：

式中：S為蒸發(fā)損失系數(shù)（根據(jù)氣溫不同數(shù)值在0.08～0.16）； Δt為冷卻水進(jìn)出口溫度差，℃。

通過式（2）、（3）、（4）可以得出，循環(huán)水耗水量與循環(huán)水系統(tǒng)循環(huán)冷卻水量、進(jìn)出塔溫差等有直接關(guān)系，也就與裝置熱負(fù)荷有直接關(guān)系。針對2022 年5 月份2#裝置序列大檢修開工后，循環(huán)水耗水量同比大幅增加的問題，一方面對各水冷器進(jìn)行流速、溫差監(jiān)測，優(yōu)化水冷器運行并調(diào)整水冷器前工藝介質(zhì)間換熱，降低工藝熱物料進(jìn)水冷器溫度；另一方面重點開展循環(huán)水系統(tǒng)整體提溫試驗，在保證裝置平穩(wěn)運行的前提下，通過提高循環(huán)水供水溫度，減少循環(huán)水帶回?zé)崃浚_(dá)到循環(huán)水系統(tǒng)節(jié)水目的。

循環(huán)水系統(tǒng)提溫試驗分三個階段開展，在保證循環(huán)水循環(huán)量不變的前提下，通過調(diào)整循環(huán)水變頻風(fēng)機，逐步將循環(huán)水供水溫度提升。第一步由當(dāng)前最高32 ℃提高到33 ℃、第二步提高到34 ℃、第三步提高到35 ℃，每次提溫1 ℃，維持運行120 h。調(diào)整后，關(guān)注裝置的水冷器和機泵的運行狀態(tài)及工藝變化情況，并記錄循環(huán)水側(cè)進(jìn)出口溫度、工藝側(cè)進(jìn)出口溫度，以及調(diào)整過程中遇到的問題和解決措施，當(dāng)現(xiàn)有技術(shù)不能解決問題時，則由調(diào)度通知停止調(diào)整或恢復(fù)調(diào)整之前的運行狀態(tài)。通過開展循環(huán)水提溫試驗，最終確定夏季生產(chǎn)時循環(huán)水供水最高溫度為34 ℃，實際溫度控制在33.5～33.8 ℃。循環(huán)水供水溫度提高后：1 號循環(huán)水供回水溫度下降0.42 ℃，2 號循環(huán)水供回水溫度下降0.58 ℃；循環(huán)水補水量明顯下降，1 號循環(huán)水夏季降低補充水8.5 m3/h，降幅達(dá)到17.9%；2 號循環(huán)水夏季降低補水12.7 m3/h，節(jié)水率達(dá)到13.4%。循環(huán)水提溫前后補充水變化趨勢如圖2 所示。

圖2 循環(huán)水提溫前后補充水變化趨勢Fig.2 Change trend of make-up water before and after temperature increase of circulating water

3.3 減少循環(huán)水物料泄漏

水冷器是石化裝置的重要組成設(shè)備之一，水冷器物料泄漏一直是困擾煉化企業(yè)的難題[8]。水冷器泄漏后，介質(zhì)物料泄漏到循環(huán)水導(dǎo)致循環(huán)水水體顏色發(fā)生變化，石油類、濁度等指標(biāo)升高，每次泄漏都需要對逐臺設(shè)備進(jìn)行查漏，對循環(huán)水系統(tǒng)進(jìn)行剝離、除油，并適當(dāng)換水，改善水質(zhì)，不僅增加員工勞動強度，過程中還消耗大量藥劑和水，才能恢復(fù)水質(zhì)。通過加強水冷器管理，定期跟蹤裝置水冷器溫差、端差及流速情況，對不達(dá)標(biāo)的水冷器進(jìn)行調(diào)整，對以往泄漏頻率較高的水冷器進(jìn)行管束材質(zhì)升級[9]。同時不斷探索總結(jié)各種物料泄漏特點，快速判定泄漏物料范圍，再利用余氯檢測法、水中TOC分析檢測、濁度分析查漏法和全面加樣分析法等方法，在出現(xiàn)介質(zhì)泄漏時，第一時間查找出泄漏源迅速切除，減輕因泄漏物料對循環(huán)水系統(tǒng)的危害，快速恢復(fù)水質(zhì)，保證裝置平穩(wěn)運行。

3.4 降低冷卻塔飄水損失

收水器能夠排出濕熱空氣中所攜帶的水滴并與空氣分離，減少逸出水量損失和對周圍環(huán)境的影響，同時將熱空氣排至塔外。收水器由于結(jié)構(gòu)形式不同，其收水效率存在較大差異。1 號循環(huán)水涼水塔原收水器為普通“V”形，2021 年9 月進(jìn)行冷卻塔熱力性能測試，冷卻塔的飄水率為0.007 20%，高于GB/T 7190.2—2018《機械通風(fēng)冷卻塔第2 部分： 大型開式冷卻塔》（飄水率小于或等于0.005%）的要求。2022 年5 月份拆除原有收水器，更換為多維型高效收水器，提高收水效率，更換后，經(jīng)測試?yán)鋮s塔的飄水率為0.000 93%，不僅滿足國標(biāo)要求，且達(dá)到了《開式冷卻塔節(jié)能認(rèn)證技術(shù)規(guī)范》（CQC3136—2012）小于或等于0.001%水平。

3.5 降低其他損失

根據(jù)《工業(yè)企業(yè)用水管理導(dǎo)則》《節(jié)水型企業(yè)評價導(dǎo)則》等標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行全廠水平衡測試的要求，定期開展全廠水平衡和漏水檢測，可以確定公司用水現(xiàn)狀，查找用水的薄弱環(huán)節(jié)，評價用水水平，挖掘企業(yè)節(jié)水潛力，提高用水效率，降低生產(chǎn)成本。加強管網(wǎng)設(shè)備管理，杜絕滲漏損失[10]。2022 年進(jìn)行水平衡測試和漏水檢測，發(fā)現(xiàn)循環(huán)水地下管網(wǎng)泄漏點1 處，處理后減少漏損12 m3/h。同時，加強對各用水單位用水管理和監(jiān)督檢查，杜絕非常規(guī)和非必要用水。

4 結(jié)論

分析造成循環(huán)水系統(tǒng)水量損失的原因后，有針對性的開展試驗研究。在保證水質(zhì)穩(wěn)定和裝置平穩(wěn)生產(chǎn)的前提下，循環(huán)水濃縮倍數(shù)由4.0 提高到6.0后，節(jié)水率為11.1%～13%；循環(huán)水供水溫度由32 ℃逐步提升到34 ℃，節(jié)水率為13.4%～17.9%；更換新型多維高效收水器后飄水率降至0.000 93%。該試驗研成果不僅具有良好的經(jīng)濟效益和社會效益，還為其他煉廠循環(huán)水系統(tǒng)優(yōu)化提供了參考和借鑒。