大型循環(huán)水系統(tǒng)節(jié)水方案的對(duì)比分析

楊麗娜 范一丁

（北京石油化工工程有限公司西安分公司，陜西 西安 710075）

我國(guó)是全球人均水資源最貧乏的國(guó)家之一，尤其是西北地區(qū)氣候干旱、缺水嚴(yán)重，而同時(shí)我國(guó)西北部煤炭資源豐富，能源化工基地迅速增長(zhǎng)，水資源已經(jīng)成為制約煤化工發(fā)展的瓶頸[1]。2013 年起，陜西省實(shí)行最嚴(yán)格的水資源管理制度納入官員考核體系，明確“三條紅線”來(lái)約束水資源的開(kāi)發(fā)和利用。一面是水資源接近極限，另一面是蓄勢(shì)待發(fā)的大規(guī)模能源工業(yè)，工業(yè)冷卻水的循環(huán)使用是能源化工企業(yè)節(jié)水的重要措施。同時(shí)，循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的補(bǔ)充水又是能源化工企業(yè)用水需求的最大環(huán)節(jié)之一，其用水量占總用水量的60%以上[2]。因此，突破瓶頸，節(jié)水減排設(shè)計(jì)顯得尤為重要。

該文從設(shè)計(jì)理念、以陜西北部某地為例，在確定規(guī)模前提下，從初期投資、新鮮水消耗等方面對(duì)傳統(tǒng)開(kāi)式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)、消霧節(jié)水型循環(huán)水系統(tǒng)和密閉式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)進(jìn)行比較，并闡述消霧節(jié)水型循環(huán)水系統(tǒng)的應(yīng)用前景。

1 設(shè)計(jì)參數(shù)

系統(tǒng)規(guī)模30 000 m3/h，循環(huán)給水溫度32℃，循環(huán)回水42℃，給水壓力≥0.45 MPa（裝置界區(qū)），回水壓力≥0.25 MPa（裝置界區(qū)）。

2 氣象參數(shù)

近期不少于五年的夏季超過(guò)5 d日均干球溫度：θ=28.5℃，濕球溫度：τ=22.0 ℃，多年平均氣壓682.5 mmHg。

3 系統(tǒng)的工作原理、工藝流程

3.1 傳統(tǒng)開(kāi)式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)

傳統(tǒng)開(kāi)式循環(huán)水系統(tǒng)的應(yīng)用很廣且技術(shù)非常成熟。適用于大中小各種類(lèi)型循環(huán)冷卻水系統(tǒng)。

傳統(tǒng)開(kāi)式循環(huán)水系統(tǒng)的工作原理：循環(huán)冷卻水在塔內(nèi)噴淋，通過(guò)塔頂風(fēng)機(jī)的強(qiáng)制通風(fēng)，使之在填料區(qū)域內(nèi)與空氣直接接觸，實(shí)現(xiàn)蒸發(fā)與對(duì)流傳熱，把循環(huán)水所攜帶的熱量以顯熱和潛熱的形式散發(fā)到大氣中去，從而實(shí)現(xiàn)降溫的過(guò)程。

傳統(tǒng)開(kāi)式循環(huán)水系統(tǒng)一般由冷換設(shè)備、冷卻塔、集水池、循環(huán)水泵、循環(huán)水處理裝置（加藥、過(guò)濾等）、監(jiān)測(cè)換熱器等組成。

主要設(shè)備及構(gòu)筑物如下。1）傳統(tǒng)開(kāi)式冷卻塔：處理水量5 000 m3/h，共6 臺(tái)。2）循環(huán)水泵：Q=10 800 m3/h，H=55 m ，共4 臺(tái)。3）塔下水池：122.4 m×24 m×2.5 m（h） ，共1 座。4）吸水池： 38 m×12 m×8.0 m（h），共1 座。5）旁濾器：Q=200 m3/h ，共8 臺(tái)。6）循環(huán)水處理裝置（加酸、加藥等）：共1 套。

傳統(tǒng)開(kāi)式循環(huán)水系統(tǒng)的工藝流程如圖1 所示。

3.2 消霧節(jié)水型循環(huán)冷卻水系統(tǒng)

近幾年，消霧節(jié)水型循環(huán)水系統(tǒng)在西北地區(qū)應(yīng)用較多。該系統(tǒng)的工藝流程與傳統(tǒng)開(kāi)式循環(huán)水系統(tǒng)基本相同，區(qū)別在于冷卻塔采用消霧節(jié)水型冷卻塔（即在傳統(tǒng)開(kāi)式冷卻塔頂端增加冷凝裝置）。

消霧節(jié)水型循環(huán)水系統(tǒng)的工作原理：循環(huán)冷卻水在塔內(nèi)噴淋，通過(guò)塔頂風(fēng)機(jī)的強(qiáng)制通風(fēng)，濕熱空氣與干冷空氣，在經(jīng)過(guò)冷凝換熱后，在裝置上部進(jìn)行了混合，使的空氣溫度及含濕量明顯降低，達(dá)到了消霧的目的。

裝置一側(cè)為濕熱空氣，進(jìn)入冷凝裝置后，首先濕熱空氣與換熱板另側(cè)的干冷空氣進(jìn)行對(duì)流傳熱，此時(shí)濕熱空氣溫度降低，使水蒸汽從濕空氣中凝結(jié)析出，附著于換熱板上，集結(jié)到一定程度滴落到集水池中，從而達(dá)到節(jié)水的目的。

圖1 傳統(tǒng)開(kāi)式循環(huán)水系統(tǒng)流程圖

消霧節(jié)水型循環(huán)水系統(tǒng)一般由冷換設(shè)備、消霧節(jié)水型冷卻塔、集水池、循環(huán)水泵、循環(huán)水處理裝置（加藥、過(guò)濾等）、監(jiān)測(cè)換熱器等組成。

主要設(shè)備及構(gòu)筑物如下。1）消霧節(jié)水型冷卻塔：處理水量5 000 m3/h，共6 臺(tái)。2）循環(huán)水泵：Q=10 800 m3/h，H=55 m ，共4 臺(tái)。3）塔下水池：122.4 m×24 m×2.5 m（h） ，共1 座。4）吸水池： 38 m×12 m×8.0 m（h），共1 座。5）旁濾器：Q=200 m3/h ，共8 臺(tái)。6）循環(huán)水處理裝置（加酸、加藥等）：共1 套。消霧節(jié)水型循環(huán)水系統(tǒng)的工藝流程如圖1 所示。

3.3 密閉式（噴淋式）循環(huán)水系統(tǒng)

由于水耗控制嚴(yán)格，近年來(lái)中小型冷卻塔開(kāi)始陸續(xù)使用密閉式循環(huán)水系統(tǒng)，受單塔處理水量、占地面積及初期投資影響，在大型的循環(huán)水系統(tǒng)中應(yīng)用較少。

密閉式循環(huán)水系統(tǒng)的工作原理：密閉式循環(huán)水系統(tǒng)是以水和空氣為冷卻介質(zhì)，利用循環(huán)冷卻水的蒸發(fā)潛熱和含水蒸汽的空氣帶走被冷卻介質(zhì)中的熱量。循環(huán)冷卻水由水泵送至冷卻盤(pán)管部件上部的噴淋水管中，經(jīng)噴嘴均勻地噴淋在冷卻盤(pán)管的外表面，形成一層很薄的水膜。在冬季的時(shí)候由于環(huán)境溫度比較低，為了降低水的消耗并為了設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行，可以把部分或全部噴淋水停下來(lái)，靠空氣的溫升來(lái)進(jìn)行換熱，進(jìn)行全部或部分的干運(yùn)行，既能滿(mǎn)足工藝要求，又能做到節(jié)水的效果。

密閉式（噴淋式）循環(huán)水系統(tǒng)一般由冷換設(shè)備、空冷塔、集水設(shè)施、循環(huán)水泵、定壓補(bǔ)水裝置、循環(huán)水處理裝置（加藥、過(guò)濾等僅對(duì)外循環(huán)噴淋水使用）等組成。

主要設(shè)備及構(gòu)筑物。1）密閉式冷卻塔：處理水量700 m3/h，共43 臺(tái)。2）噴淋水泵：Q=5 500 m3/h，H=35m ，共5 臺(tái)。3）噴淋水池：45 m×11 m×2.5 m（h） ，共1 座。4）定壓補(bǔ)水裝置：共1 套。5）旁濾器：Q=200 m3/h ，共5 臺(tái)。6）循環(huán)水處理裝置（加酸、加藥等）：共1 套。工藝流程如圖2 所示。

圖2 密閉式（噴淋式）循環(huán)水系統(tǒng)流程圖

4 對(duì)比分析

從初期投資、占地面積、補(bǔ)充水量、應(yīng)用前景等方面綜合比較。

傳統(tǒng)開(kāi)式循環(huán)水系統(tǒng)初期投資約為6 000 萬(wàn)元，循環(huán)水場(chǎng)占地面積為140 m×80 m，補(bǔ)充水量560 m3/h，排污水量85 m3/h。該系統(tǒng)初期投資最少，但水量蒸發(fā)大，小氣候現(xiàn)象嚴(yán)重。影響周邊交通的可見(jiàn)度；冷卻塔周?chē)孛鏉窕?，給工作人員的正常巡檢、檢修帶來(lái)一定的安全隱患。技術(shù)成熟、適用于各種工況的循環(huán)水系統(tǒng)。

消霧節(jié)水型循環(huán)水系統(tǒng)初期投資約為9 000 萬(wàn)元，循環(huán)水場(chǎng)占地面積為140m×80m，補(bǔ)充水量480 m3/h，排污水量65 m3/h。該系統(tǒng)避免了傳統(tǒng)的開(kāi)式循環(huán)水系統(tǒng)的上述問(wèn)題，補(bǔ)充水量比傳統(tǒng)開(kāi)式循環(huán)水系統(tǒng)節(jié)約15%，排污水量減少23%。但投資略高，塔體高度約為25 m，土建施工成本較高。目前，已有多個(gè)大型循環(huán)水系統(tǒng)的成功應(yīng)用案例。

密閉式循環(huán)水系統(tǒng)初期投資約為15 000 萬(wàn)元，循環(huán)水場(chǎng)占地面積為210 m×60 m，補(bǔ)充水量255 m3h，排污水量40 m3/h。該系統(tǒng)節(jié)水方面較可觀，但初期投資偏高，需要設(shè)置噴淋水回收裝置，類(lèi)似小的傳統(tǒng)開(kāi)式循環(huán)水系統(tǒng)，比較復(fù)雜；翅片表面容易結(jié)垢，嚴(yán)重影響換熱器的使用壽命，清洗難度較大；占地面積大，設(shè)備多，不容易管理；受周?chē)h(huán)境溫度影響大，夏季給水溫度偏高。適用于中小型循環(huán)水系統(tǒng)。

5 結(jié)論

目前，密閉式循環(huán)水系統(tǒng)單臺(tái)塔最大處理水量較小，對(duì)于30 000 m3/h 這種大型循環(huán)冷卻水系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，占地面積大、冷卻塔臺(tái)數(shù)多、初期投資大及檢修困難等，閉式循環(huán)水系統(tǒng)顯然不是最好的選擇。

而消霧節(jié)水型循環(huán)冷卻水系統(tǒng)與傳統(tǒng)開(kāi)式循環(huán)水系統(tǒng)相比，單塔處理水量基本相同，節(jié)約補(bǔ)充水、減少排污量、降低了工廠周?chē)臒熿F、改變了周邊的生產(chǎn)、生活環(huán)境，初期投資比傳統(tǒng)開(kāi)式循環(huán)水系統(tǒng)稍高，但相對(duì)于產(chǎn)生的社會(huì)效益及節(jié)水產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益利大于弊。在西北缺水嚴(yán)重地區(qū)且有眾多大型工業(yè)的園區(qū)中，消霧節(jié)水型循環(huán)水系統(tǒng)的實(shí)施將是大勢(shì)所趨。