閉式冷卻塔在石化行業(yè)循環(huán)水領域的開發(fā)與應用

馬和旭, 郭宏山, 張 鵬

（中國石化撫順石油化工研究院， 遼寧 撫順 113001）

閉式冷卻塔在石化行業(yè)循環(huán)水領域的開發(fā)與應用

馬和旭, 郭宏山, 張 鵬

（中國石化撫順石油化工研究院， 遼寧 撫順 113001）

石化行業(yè)現(xiàn)有的開式塔越來越不能滿足生產需要，而以閉式冷卻塔為核心的閉式循環(huán)水技術，其不僅可以保證循環(huán)水質，而且還具有節(jié)水節(jié)能、減少藥劑投加、減少二次污染等優(yōu)點。經過全年的運行成本分析，閉式塔較開式塔可節(jié)省水耗達40%以上，節(jié)省電耗達20%以上，在現(xiàn)有的石化行業(yè)循環(huán)水領域具有非常大的應用價值。

閉式冷卻塔；石化行業(yè)；節(jié)水；節(jié)能

中國是一個水資源短缺而且分布極不均勻的國家，地表水污染比較嚴重，且過度依賴地下水。我國工業(yè)用水的綜合重復率不到70%，而美國等發(fā)達國家的工業(yè)用水的循環(huán)率達92%～95%［1］，其中很大的一塊是由于我國普遍采用的開式冷卻塔循環(huán)水與空氣直接接觸，造成了污染，影響了循環(huán)利用，不得不消耗大量的新鮮水來補充。

石化行業(yè)是工業(yè)用水大戶，循環(huán)水用水占總用水比例大約為50%～95%，而目前我國石化行業(yè)都是采用的開式冷卻塔來冷卻循環(huán)水，循環(huán)水質得不到保證，非常容易結垢，需投加大量化學藥劑，工藝設備需經常清洗和維護，另外常年的濕式運行，也加大了水耗能耗［2］。隨著國務院頒布了“水十條”，企業(yè)用水受到越來越多的限制和約束，其也成為制約企業(yè)發(fā)展的一大“瓶頸”。

閉式冷卻塔源于蒸發(fā)式冷凝器，其最大的特點就是循環(huán)水不與外界環(huán)境接觸，保護了水質，節(jié)水節(jié)能效果突出。從國外蒸發(fā)式冷卻技術發(fā)展情況來看，美國對蒸發(fā)式冷卻技術研究最為深入，上世紀中期，美國供熱制冷空調工程師協(xié)會會議上發(fā)表了大量有關蒸發(fā)式冷卻技術的研究論文，推動了蒸發(fā)式冷卻理論體系的建立，后期一些學者將工作重點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［3,4］。

我國雖然對于閉式冷卻塔的研究開展比較晚，但通過研究者的不斷努力，也取得了非常明顯的進步［5-7］。尤其是進入21世紀以來，隨著需求的增長、環(huán)保節(jié)能技術要求的提高以及國外產品通過進口、合資等介入的帶動，閉式冷卻塔也有了長足的發(fā)展，近幾年在鋼鐵冶金、電力電子、機械加工、空調系統(tǒng)等行業(yè)得到了廣泛的應用。本文旨在開發(fā)石化企業(yè)閉式冷卻塔技術，以彌補開式冷卻塔的不足和解決石化企業(yè)用水困境。

1 閉式塔與開式塔對比

閉式塔與開式塔的工作原理在本質上是相同的，都是利用水的汽化潛熱帶走熱量，從而使被冷卻水降溫。不同點在于換熱方式不同，閉式冷卻塔采用盤管換熱，而開式冷卻塔依靠填料來換熱。在結構上，閉式塔采用冷卻水與噴淋水、空氣間接換熱，多采用風機強制通風，而開式塔采用冷卻水與空氣直接換熱，有自然通風，也有風機輔助通風，另外開式塔還有一個占地面積比較大的涼水池。

與開式塔相比，閉式塔的優(yōu)點為：采用閉式盤管換熱可以保證被冷卻水與外部環(huán)境隔絕，即外部環(huán)境中的風沙、灰塵、以及各種化學成分都不會進入被冷卻水系統(tǒng)中，從而保證了循環(huán)水質的穩(wěn)定、不受污染，大幅度的降低了循環(huán)水管道與設備的結垢與腐蝕現(xiàn)象；閉式冷卻塔的金屬換熱盤管可以承受較高的換熱溫差，尤其是較高的進水溫度；采用盤管換熱，相對填料而言不易集聚污垢和水垢，即使產生了，清理外表面也比較容易；冬季運行時,閉式冷卻塔可以采用在被冷卻水中添加乙二醇的方式，保證在極低的室外氣溫運行，并且可以“干式運行”，即停掉水泵，不需要損耗冷卻水。

2 閉式循環(huán)水系統(tǒng)

2.1 簡介

有別于開式循環(huán)水系統(tǒng)，擬開發(fā)的石化企業(yè)閉式循環(huán)水系統(tǒng)，其不僅包括閉式冷卻塔，還包括相應的配套系統(tǒng)，比如智能控制系統(tǒng)、水質軟化系統(tǒng)、定壓補水泵、真空脫氣機等，其流程可以分為內循環(huán)系統(tǒng)和外部噴淋水系統(tǒng)。內循環(huán)是一個封閉的系統(tǒng)，閉式塔處理后的低溫水經過水泵提升位能后運送到各個換熱裝置，其中在換熱裝置循環(huán)水管線的最高點設真空脫氣機，換熱后的高溫水再通過管道運輸?shù)介]式冷卻塔，另外在管網(wǎng)的一切口處設定壓補水裝置。除此之外，內循環(huán)應采用水質較好的除鹽水，外部噴淋水采用脫除硬度的軟化水。

2.2 智能控制系統(tǒng)

系統(tǒng)可采用DCS控制，實時監(jiān)測循環(huán)水流量、循環(huán)水進出水溫度、環(huán)境干濕球溫度等，將分散于現(xiàn)場的各個控制點集中在中央控制室進行控制及反饋，以實現(xiàn)風機和水泵的變頻調節(jié)，達到節(jié)水節(jié)能最優(yōu)化。通過DCS控制，操作人員能很方便地通過操作畫面進行實時監(jiān)測、檢測、控制等現(xiàn)場各個可控設備，并根據(jù)需要及時調出各個檢控點的實時數(shù)據(jù)及其趨勢、歷史數(shù)據(jù)趨勢、報警一覽表及班報、日報等數(shù)據(jù)；同時可通過以太網(wǎng)及時向生產管理、調度等部門傳送數(shù)據(jù)，便于生產部門管理。

2.3 水質軟化系統(tǒng)

水質軟化脫硬的方法有很多種，最常見的為離子交換樹脂法。其中，可采用Na離子交換樹脂，其軟化原理是將原水通過Na型陽離子交換樹脂，使水中的硬度Ca2+、Mg2+與樹脂中的Na+相交換，從而吸附水中的 Ca2+、Mg2+，使水得到軟化，即水通過Na離子交換器后，水中的Ca2+、Mg2+置換為Na+。當 Na離子交換樹脂失效后，為恢復其交換能力，使用價廉貨廣的食鹽溶液進行再生處理。

2.4 定壓補水泵

循環(huán)管網(wǎng)的水由于是閉式回路，為了維持回路內的壓力恒定、水量恒定，需要添加定壓補水泵。即當系統(tǒng)內的水受熱膨脹使系統(tǒng)壓力升高超過設計壓力時，多余的水通過安全閥排至補水箱循環(huán)使用，當系統(tǒng)中的水由于泄露或溫度下降而體積縮小，系統(tǒng)壓力降低時，膠囊中的水被不斷壓入管網(wǎng)補充系統(tǒng)的壓降損失，當系統(tǒng)壓力至設計允許的最低壓力時，通過壓力控制器使補水泵重新啟動向管網(wǎng)及氣壓罐內補水，如此周而復始。

2.5 真空脫氣機

閉式循環(huán)水系統(tǒng)的內循環(huán)管網(wǎng)中如果存在氣體，系統(tǒng)容易產生氣阻，從而造成局部或整個系統(tǒng)的循環(huán)不暢。同時由于水中含有氧氣而使得循環(huán)水管道和鋼制散熱器腐蝕、穿孔、漏水，會直接影響到整個系統(tǒng)的安全。再者，系統(tǒng)中存有的氣體還會造成水泵的氣蝕，并在系統(tǒng)管網(wǎng)中產生噪音，影響換熱元件的換熱效果。真空脫氣裝置則可解決上述問題，保證安全快捷的脫除系統(tǒng)內的游離氣體及溶解性氣體，使得系統(tǒng)能夠安全可靠運行。

3 運行成本分析

為考察閉式冷卻塔的運行成本，特選取某一石化企業(yè)為研究對象，記錄了6月份某一天某一時刻的現(xiàn)場數(shù)據(jù)，并結合專業(yè)模擬軟件的數(shù)據(jù)分析，進行了開式塔與閉式塔水電核算，具體見表1。其中，裝置的處理規(guī)模為1 400 m3/h，處理溫度為35 ℃到29 ℃，環(huán)境溫度為29 ℃，相對濕度50%，濕球溫度23 ℃。

表1 水電核算表Table 1 Water and power accounting table

由表2可以看出，處理規(guī)模為1 400 m3/h，閉式塔全年直接運行費用較開式塔節(jié)省155萬元，其中節(jié)水可達46.6%，節(jié)省電耗為26.3%。如果考慮到采用閉式塔，正常情況下不需要停工檢修，裝置運行周期長，可多出一部分經濟效益。

表2 全年運行成本分析Table 2 Annual operating cost analysis

另外，閉式塔有別于開式塔的磚混結構，其折舊率相對較低。除此之外，上述非最佳節(jié)省運行費用方案，而是節(jié)水效果突出，如果放在用水成本高的地方，其運行費用節(jié)省更加明顯。

綜上所述，閉式冷卻塔較開式冷卻塔節(jié)省運行費用（直接和間接運行費用）可達200～300萬元以上，具有非常顯著的經濟效益，而且閉式冷卻塔還具有減少藥劑投加、減少二次污染等環(huán)境效益。

4 結 論

石化企業(yè)循環(huán)水領域屬于低溫制冷領域，很少有閉式冷卻塔的應用。本文通過與傳統(tǒng)開式塔的對比分析，尤其是選取某一石化企業(yè)進行全年運行成本核算，驗證了閉式塔在節(jié)水降耗方面上的優(yōu)勢，其全年綜合考慮，可節(jié)省水耗40%以上，節(jié)省電耗20%以上，且具有水質穩(wěn)定、減少藥劑投加、減少二次污染等優(yōu)點。另外，閉式冷卻塔安裝地點靈活，節(jié)省占地面積，可以裝置一體化，即取消石化企業(yè)原有的循環(huán)水廠，取消龐大、復雜的循環(huán)管道，與所服務的裝置實現(xiàn)裝置一體化，其水耗、能耗以及其它成本又可進一步降低。因此，閉式塔在現(xiàn)有的石化行業(yè)循環(huán)水領域具有非常大的應用價值。

［1］ 王桂延，王樹蓮．我國水資源的主要問題及對策[J]. 環(huán)保與安全,2006(1)：24．

［2］ 郭宏山. 煉油企業(yè)循環(huán)水系統(tǒng)理論分析[J]. 當代化工，2010，39(6)：686-688

［3］ Parker R O, Treybal R E. The heat and mass transfer characteristics of evaporative coolers [J]. Chemical Engineering and Processing Symposium Series，1962，57(32)：138-147．

［4］ Erens P J. Comparison of some design choices for evaporative cooler cores [J].Heat Transfer Engineering，1988(9)：29-35．

［5］ 朱冬生，蔣翔. 蒸發(fā)式冷凝器的研究與應用[J].化學工程，2002，30：129-134．

［6］ 王鐵軍. 噴淋蒸發(fā)翅管式冷凝器傳熱傳質研究[J].制冷技術，2006，34(4)：299-302．

［7］ 鄭偉業(yè). 新型閉式冷卻塔傳熱傳質的實驗研究[J]. 化學工程，2011，39(9)：34-37．

Development and Application of Closed Cooling Towers in the Circulating Water System of Petrochemical Industry

MA He-xv，GUO Hong-shan，ZHANG Peng
（Sinopec Fushun Research Institute of Petroleum and Petrochemicals, Liaoning Fushun 113001，China）

The existing opened towers in petrochemical industry can not meet the needs of production, and the closed circulating water technology based on the closed cooling towers, not only can ensure the circulating water quality, but also has the advantages of saving water, saving energy, reducing the dosage and reducing the second pollution. After analysis of the annual operating cost, compared to the opened towers, the closed cooling towers can save water consumption more than 40%, save power consumption more than 20%，so it has very large application value in existing circulating water system of petrochemical industry.

Closed cooling towers; Petrochemical industry; Saving water; Saving energy

TQ 052

A

1671-0460（2015）09-2204-03

中國石化集團公司資助項目, 項目號:CLY14043

2015-07-24

馬和旭（1988-），男，山東濟寧人，工程師，碩士，2012年畢業(yè)于天津大學化學工程專業(yè)，研究方向：水處理及研發(fā)。E-mail：mahexu.fshy@sinopec.com。