循环水系统用于生产工艺过程冷(热)量交换和传送的单元操作中,涉及循环水泵组、管网、换热装置、制冷设备和冷却塔等,主要依靠水泵来推动循环水流动,电能消耗较大,约占石化生产过程中总用电量的8%~10%,我国工业循环水系统运行效率只有50%,与先进国家的系统运行效率相比要低20% 以上。这主要是由于新建项目时设计裕量过大、选配设备能力过剩造成的。装置运行后,实际的负荷又未能达到设计所期望的负荷,就造成“大马拉小车”的运行情况。这为设备投运后的节能改造提供了空间,科研工程技术人员也开发了一些节能新技术。但以往的节能改造大都从循环水动力机械着手,采用调速、改换水泵、车削叶轮等来提高循环水泵的运行效率,尽管取得了一定的效果,但终究未能从循环水整个运行系统来考虑能源的合理利用,因此国内大型的循环水系统的运行效率并未有较大的提高。本文通过对某石化系统循环水系统进行分区供水、局部增压、优化终端换热器排布、余压利用技术的开发应用,提出循环水系统的系统节能优化策略。

　　 根据对某厂现有工艺装置布置调查,循环水系统供应的终端换热器布置位置高低不一,系统中绝大部分换热器布置位置在20 m以下,少部分换热器布置较高,达到25 m以上。现有的循环冷却水系统通过循环水泵将冷却水输送至各换热器处,用以冷却生产工艺介质,吸热后的循环水经管路输送到冷却塔,散热冷却后进入冷水池,形成一套开式的循环冷却水系统。设计时按照用水终端最高位置换热器确定水泵额定扬程,按照系统最大热负荷和环境温度最高状态确定额定流量,并按1∶1比例配备备用泵。

　　 工程中常为了满足循环水最不利点(最高点)供水压力要求而大幅提高泵站整体供水压力,这直接导致泵站设计能耗大幅度地上升。同时也造成低区换热器换热供水压力明显浪费。此外由于终端换热器工艺介质要求冷却温度不一样,对循环水进入换热器要求的温度也不一样,这导致循环水的温度未能梯级利用,回水温度本身过低,整个循环水的冷热温差不超过5℃,这远未达到循环水系统温差10℃的要求。

　　 针对上述现有循环水技术中存在的缺陷,对循环水系统终端换热器进行分区控制,并采取局部加压技术实现循环冷却水系统水泵运行的总体能耗降低。统计循环水系统各水冷换热器布置高度及要求循环水流量,按照各水冷换热器布置高度,将终端循环水冷却的换热器分为两部分:一部分是处于20m(3楼以下,楼高6m)高度以下的绝大部分换热器;另外一部分是位置处于25m以上(4楼以上)高的局部换热器。

　　 根据上述换热器划分原则,计算处于位置比较高的局部换热器热负荷所对应的循环水量,对原有管路进行改造,断开原循环水系统供至4楼局部换热器支管道供水,增加阀门,在该处并联两支管用来安装1用1备的增压管道泵,出口并入局部换热器的原进水管道。原回水管路保持不变,只在回水入总管前增加阀门,同时在该处并联回水支路,通过新增的入水轮机驱动凉水塔风机而后进入高压回水管,其局部管道的更改如图1所示。

　　 以某化工厂第一循环水系统为例,改造前运行关键点参数如图2所示,最高位热交换设备水头最高位为25m,次高位为20m,总循环水量为12 500m³/h。

　　 原4泵并联运行(另有4台备用泵,本文改造不考虑备用泵)的实测工况为:流量Q=3×3 450+1×2 500=12 850(m³/h),扬程H=48m,运行功率N=2 560kW,效率η=67%。

　　 若保持原流量不变,设增压泵(考虑原泵出口单向阀闭阀水头损失2 m)后,循环泵的扬程为:H=48-(10+2)=36(m),采用3台技改泵运行,每台流量Q=4 300m³/h,扬程36m(泵出口后阀门全开)按上述参数重新选择的技改循环泵,其运行功率:N=3×530kW。

　　 对高位供水,采用管道泵供水,经生产现场考察,高位换热器要求的冷却水量约为3 000m³/h,根据装置实际位置增设管道泵,扬程10 m,流量根据装置位置所需水量进行计算。增设高压回水管汇入母管前的调节阀,控制单向阀闭阀水头损失2m,从而使回水母管压力降低10+2=12(m)。

　　 经上述对高位循环水系统优化处理后结果如图3所示。

　　 采用上述方法每小时节约电量为 ΔP_时=2 560-(3×530+98)=872(kW·h),节电率S=872/2 560=34.06%。按每年运行8 000h计,每年可节电 ΔP年=872×8 000=6 976 000(kW·h),电价0.603元/(kW·h),每年可节电420万元。

　　 本方案在系统高位热交换器和处于较低位热交换器连接处中设置泄压阀。确保循环水进入凉水塔前阀门全开。该化工厂整个4套循环水目前运行总水量41 450m³/h,采用同样方法,第二循环水系统由于凉水塔位置较高,采用分区控制时,主循环泵扬程降5m,增压泵扬程10m,增压水量1 000m³/h,按上述计算,每年可节电146.4万kW·h。同样,可算出第三循环水系统年节电量112万kW·h。第四循环水系统的年节电量为248万kW·h。经分区供水后,4套循环水节电1 204 万kW·h/a,获得经济效益达到726.05万元。

　　 由于有较多的企业在循环水节能上前期已采取了一些措施,如利用循环水的余压来驱动凉水塔风机,系统降压后,对凉水塔风机的驱动势必造成影响,对此可采用独立回水的方法可利用高位回水的剩余压头来驱动冷却塔风机,充分利用增压后高位换热器余压,节约能源,具体方案如图4所示。

　　 由于水轮机驱动凉水塔风机风叶,除要求塔底压力达到克服凉水塔高度所需的扬程外,还要有一定的压头来驱动水轮机工作,因此水轮机驱动风叶要单独实现高压回水。

　　 石化行业循环水系统凉水塔进出口温度的设计温差一般为10 ℃,但实际运行大多数温差不超过6 ℃,这一部分是凉水塔效率不高导致的,但其很大程度是因为回水温度本身较低,凉水塔难以发挥设计工况的出力率而造成的,许多装置的换热器循环水进出口温差不超过5 ℃,甚至只有2~3 ℃,但如果过多的关闭换热器阀门减少水量,又会引起换热器循环水流速降低,换热器容易结垢,传热效率低等一系列问题。 为解决这一问题,利用局部夹点技术,采用FLUENT软件模拟换热器的热量及物料变化对回水温度的影响,优化换热器的组合,既解决了回水温度问题,又不降低换热器循环水的流速。

　　 现以某装置改造为例来说明该技术的节水节能效果。某装置冷却器E15706、E15707 同处于装置的较高位4楼,其被冷却介质主要是烷塔气体,工艺要求其温度较低为好,E15408与E15001同处于装置的一楼,4个冷却器距离较近,从经济和产品质量控制的角度考虑,E15706、E15707并联回水合流作为E15408与E15001的进口水,经换热汇入某装置回流水总管。

　　 经计算机建模仿真,串联后循环水出口温度正常状态可达42 ℃ 以上。为稳妥起见,在改造时,保持原系统功能不变的情况下,利用夹点法和数学规划法,综合考虑生产的实际情况,构造出某装置关键换热器优化后的冷却器接管方式,如图5所示,虚线所示为需增加的管路和阀门,可见E15706 和E15707为并联关系与E15408、E15001 串级使用,且E15706、E15707、E15408、E15001原管线保持不变,以便于调节。对这4个换热器的管线如图5方案改造。

　　 表1显示了各冷却器优化后循环水侧进出口温度,并对比了优化前后使用来自冷却塔的循环水流量,该装置现行循环冷却水总管流量为3 100m³/h,采取提高各冷却器循环水侧温差以及循环水串级优化措施之后,回水温度能达到42 ℃,改造前后各冷却器使用来自三循冷却塔的循环冷却水,可节约来自冷却塔的循环冷却水流量883 m³/h,约占现行E15706、E15707、E15408、E15001 循环冷却水总量的45%。

　　 (1)采取分区供水,局部增压技术对循环水系统终端换热器供水,可大幅降低主循环水泵的扬程,循环水系统水泵节能效果非常明显。

　　 (2)利用局部高压供水的回水余压驱动水轮机带动凉水塔风机,充分利用余压,可达到凉水塔风机运行节能。

　　 (3)采取局部夹点技术,对高、低温介质换热器的温度、流量进行优化配置,可实现循环水系统节水节能。