煉廠循環(huán)水系統(tǒng)節(jié)能優(yōu)化研究與應用

韓會亮，衡永宏，袁亮

（中國石化塔河煉化有限責任公司，新疆庫車 842000）

循環(huán)水系統(tǒng)是由換熱設備、冷卻設備、水泵、管道及其他有關(guān)設備設施組成。循環(huán)冷卻水系統(tǒng)普遍存在著機泵效率低、節(jié)流損失大、控制水平低、耗水量大、能量浪費嚴重的現(xiàn)象[1]。因此，分析研究循環(huán)水系統(tǒng)運行瓶頸，進行節(jié)能優(yōu)化，可有效降低能耗，提高企業(yè)經(jīng)濟效益。

1 循環(huán)水工藝流程

中國石化塔河煉化有限責任公司（簡稱塔河煉化）1#循環(huán)水系統(tǒng)是塔河煉化120萬噸/年稠油技改項目的配套公用工程，工藝流程見圖1。主要為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。為敞開式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)，設計規(guī)模4 000 m3/h，保有水量1 500 m3，配置了4臺循環(huán)冷卻水給水泵、2臺真空泵；一座2間逆流式機械通風冷卻塔（單間塔設計處理能力2 000 m3/h）和1間與塔底水池合建的吸水池；5臺全自動過濾罐、1套加藥及1臺監(jiān)測換熱器。裝置于2004年8月投用。

圖1 循環(huán)水系統(tǒng)工藝流程

自各生產(chǎn)裝置來的循環(huán)冷卻回水（水溫≤40℃）利用余壓經(jīng)循環(huán)冷卻回水管網(wǎng)直接進入逆流式機械通風冷卻塔，使≤40℃的熱水降溫到≤30℃，冷卻水經(jīng)塔底水池進入吸水池，由循環(huán)冷卻給水泵提升輸送至循環(huán)冷卻給水系統(tǒng)管網(wǎng)供裝置循環(huán)使用。

循環(huán)水在冷卻過程中因蒸發(fā)、風吹、排污以及系統(tǒng)泄漏等造成水量損失，使循環(huán)水中含鹽量增加。為穩(wěn)定水質(zhì)，系統(tǒng)需要投加不同藥劑進行處理，同時采用新鮮水作為循環(huán)水補充水，維持系統(tǒng)水平衡。

2 循環(huán)水系統(tǒng)運行存在的問題

2.1 循環(huán)水泵效率偏低

在實際生產(chǎn)時循環(huán)水場運行1臺大泵（設計揚程45 m，流量2 200 m3/h）和1臺小泵（設計揚程45 m，流量1 000 m3/h），總供水量3 100 m3/h，供水壓力0.40 MPa，兩臺泵運行電流分別是26 A、14 A，通過對機泵進行能效測試，大泵機組效率76%，小泵機組效率55%，循環(huán)水泵效率偏低，存在一定優(yōu)化空間。

2.2 管路損失較大

由于循環(huán)水系統(tǒng)供水的用戶較多，不同用戶所需的供水壓力不同，為了滿足最高供水壓力的要求，循環(huán)水場中配備的循環(huán)水泵出口壓力明顯高于循環(huán)水管網(wǎng)的系統(tǒng)壓力[2]。實際運行中循環(huán)水泵的揚程和流量與系統(tǒng)所需的壓力和流量不匹配，導致循環(huán)水泵偏離其高效運行區(qū)，循環(huán)水泵出口閥門未全開，通過關(guān)小出口閥截流控制流量而導致流阻增大；出口止回閥選型不當，止回閥壓降大，部分系統(tǒng)管路閥門等阻力較大[3]，再通過涼水塔返塔閥門節(jié)流，浪費能量。泵出口壓力和上水母管壓力統(tǒng)計見表1。

表1 泵出口壓力和上水母管壓力統(tǒng)計

2.3 系統(tǒng)溫差偏小

循環(huán)水冷卻塔供回水溫差設計為10℃，但根據(jù)對生產(chǎn)裝置的主要換熱設備進行調(diào)研后發(fā)現(xiàn)，目前循環(huán)水場整體供回水溫差僅為6℃，換熱器進出口溫差差別較大，部分裝置換熱器進出口溫差明顯偏小，詳見表2，存在較大調(diào)整空間。

表2 部分水冷器循環(huán)水進出口溫差統(tǒng)計

2.4 水力分配不均，飄溢損失較大

1）冷卻塔填料部分

由于原冷卻塔填料原材料采用再生聚氯乙烯材料制作，所以經(jīng)過一段時間的使用已嚴重熱變形（部分出現(xiàn)坍塌現(xiàn)象）、填料老化（填料高度不夠）及局部位置出現(xiàn)空洞現(xiàn)象，造成冷卻塔熱力性能明顯下降。

2）冷卻塔布水噴淋系統(tǒng)部分

冷卻塔布水器要求布水均勻和噴頭噴射形成霧化，這樣可以提高冷卻塔的熱工性能。由于原布水器噴頭噴淋面積小、效果不好，且冷卻塔的長期運行導致部分布水管內(nèi)結(jié)垢及腐蝕，并造成部分布水頭脫落，布水系統(tǒng)短路現(xiàn)象，布水嚴重不均勻。

3）冷卻塔本體結(jié)構(gòu)和化冰管

冷卻塔本體中部下隔墻原設計為通透框架且冷卻塔兩側(cè)設置有化冰管，在實際運行中，風吹、飄濺現(xiàn)象嚴重，影響周圍環(huán)境，而且造成冷卻塔周圍設備結(jié)垢、腐蝕。

3 節(jié)能改造

3.1 改造思路

通過對循環(huán)水系統(tǒng)的整體分析，首先對循環(huán)水用量進行優(yōu)化和局部糾偏，再通過對循環(huán)水系統(tǒng)的關(guān)鍵線路上各個壓力點的分析，減少非必要的阻力損失，適當調(diào)整整個循環(huán)水系統(tǒng)的壓力平衡。經(jīng)過壓力平衡調(diào)整試驗，測試循環(huán)水管網(wǎng)在合適壓力下運行的安全性及可操作性，同時校核該系統(tǒng)富余壓力。在此基礎上提出整個循環(huán)水系統(tǒng)需求的揚程，并對循環(huán)水泵改造，達到整個循環(huán)水系統(tǒng)的節(jié)能優(yōu)化[4]。提出循環(huán)水泵新的設計參數(shù)，選取高效的機泵進行改造。

3.2 循環(huán)水系統(tǒng)降壓試驗

此次1#循環(huán)水系統(tǒng)整體運行降壓優(yōu)化試驗在模擬夏季高溫工況下進行。試驗前檢查各裝置關(guān)鍵水冷器入口壓力表準確性；入口無壓力表的，可參考同水平線或旁邊運行水冷器的入口壓力表，或創(chuàng)造條件安裝壓力表。要求所有在用水冷器入口閥全開，調(diào)整出口閥控制流速[5]。1#裝置現(xiàn)場水冷器與地面最大標高約17 m，水冷器出水管口位高約19 m， 循環(huán)水泵設計揚程45 m，運行揚程40 m，循環(huán)水泵設計揚程存在較大余量。根據(jù)循環(huán)水系統(tǒng)管網(wǎng)和水冷器布局，確保系統(tǒng)末端最高處水冷器（1#焦化分餾塔頂冷卻器E1113A/B和常壓塔頂后冷器E1005A/B） 運行流速和溫差，同時結(jié)合2#循環(huán)水降壓優(yōu)化實際效果，1#循環(huán)水系統(tǒng)整個降壓試驗分0.40 MPa降至0.38 MPa、0.38 MPa降至0.36 MPa、0.36 MPa降至0.34 MPa、0.34 MPa降至0.32 MPa四個階段，每個階段觀察運行不少于24小時。試驗過程在維持總循環(huán)量基本不變的前提下，逐步關(guān)小循環(huán)水泵出口閥門，適當開大涼水塔返塔閥門。每次調(diào)整時，各裝置崗位人員關(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)進出口溫度、 閥門開度、工藝側(cè)進出口溫度，在調(diào)整過程中遇到的問題和解決的措施，當裝置現(xiàn)有手段不能解決問題時，則由調(diào)度通知停止調(diào)整或恢復調(diào)整之前的運行狀態(tài)。

3.3 機泵改造

經(jīng)過對1#循環(huán)水場降壓試驗，壓力降至0.32 MPa時，觀察1#焦化分餾塔頂冷卻器E1113A/B和常壓塔頂后冷器E1005A/B運行狀況，水側(cè)溫差明顯升高，工藝側(cè)溫度接近允許上限。根據(jù)降壓試驗結(jié)果，詳見表3，以及系統(tǒng)最佳工況核算，循環(huán)水泵揚程由 45 m改造為38 m，運行揚程35 m，可以滿足系統(tǒng)實際運行的需要。具體改造為：循環(huán)水泵P-8202A設計流量2 500 m3/h，揚程45 m，對該泵葉輪進行更換，保持2 500 m3/h流量不變，揚程降至38 m；其余3臺泵整體更換為低揚程高效泵，保持流量不變，揚程降至38 m，實際運行中泵進出口閥門全開，提高整個循環(huán)水系統(tǒng)運行效率，實現(xiàn)整體節(jié)能。改造前后循環(huán)水泵參數(shù)見表4。

表3 降壓前后水冷器運行參數(shù)

表4 改造前后循環(huán)水泵參數(shù)

3.4 泵出口止回閥改造

循環(huán)水泵出口止回閥選型不當，導致過大的局部阻力。將循環(huán)水泵出口止回閥更換為高效管力閥，形成直線型流道，能耗低、運行穩(wěn)，密封效果好，其兼具止回閥的功能，通過提高快關(guān)時間，能更好地消除水錘危害，保護水泵及管網(wǎng)系統(tǒng)安全。

4 其他優(yōu)化措施

4.1 涼水塔內(nèi)部填料、布水管優(yōu)化

全部更換2間涼水塔內(nèi)填料、布水水帽，對腐蝕和堵塞的布水管進行維修。原填料老化破碎嚴重，流道發(fā)生了堵塞現(xiàn)象，更換新填料使流道更均勻，擴大冷卻面積，提高換熱效率。填料更換前后布水情況見圖2。原布水水帽存在缺陷，覆蓋面積小，同時存在短路現(xiàn)象，布水不夠均勻，更換新水帽及疏通布水管，布水面積增大，實現(xiàn)均勻覆蓋。

圖2 填料更換前后布水情況

4.2 涼水塔中間隔墻、化冰管優(yōu)化

根據(jù)當?shù)貧夂驐l件，對涼水塔下隔墻封堵后涼水塔冷卻效果進行核算后，將涼水塔下隔墻進行封堵；拆除涼水塔原東西兩側(cè)化冰管，增設收水檐，以減少飄散損失。

4.3 水處理方案優(yōu)化

循環(huán)水補水以新鮮水為主，新鮮水屬于中等硬度、中等堿度水質(zhì)，采用自然pH值運行工藝，濃縮倍數(shù)高時易引起循環(huán)水系統(tǒng)結(jié)垢。系統(tǒng)結(jié)垢直接影響裝置冷換設備和涼水塔的冷卻效果，為消除結(jié)垢，需要增加循環(huán)水系統(tǒng)不停車清洗預膜工作，消耗大量藥劑和補水。因此，要根據(jù)水質(zhì)特點優(yōu)化緩蝕阻垢劑配方，降低配方中的鋅離子含量并增加共聚物分散劑的用量，增強碳酸鈣阻垢效果。2018年委托北化院根據(jù)循環(huán)水補水水質(zhì)開發(fā)出適應塔河煉化水質(zhì)的低磷配方，運行至今，循環(huán)水結(jié)垢現(xiàn)象較之前明顯改善。調(diào)整循環(huán)水水處理方案，循環(huán)水濃縮倍數(shù)由2019年的平均3.93倍提高至5.2倍，減少了循環(huán)水補水量10.02 m3/h，年直接經(jīng)濟效益18.87萬元。

4.4 加強水冷器管理，減少介質(zhì)泄漏

水冷器泄漏后，物料介質(zhì)泄漏到循環(huán)水系統(tǒng)，導致循環(huán)水水體顏色、濁度等指標升高，每次泄漏 都需要對設備進行逐臺查漏，對循環(huán)水系統(tǒng)進行剝離、除油，并適當換水，改善水質(zhì)，不僅增加人員勞動強度，過程中消耗大量藥劑和水，才能恢復水質(zhì)。

通過每月定期跟蹤裝置水冷器溫差、端差及流速情況，對不達標的水冷器進行調(diào)整，對以往泄漏頻次較高的水冷器進行管束材質(zhì)升級，根據(jù)掛片腐蝕速率調(diào)整緩蝕阻垢劑的投放量，在出現(xiàn)介質(zhì)泄漏時，第一時間查找出泄漏源并迅速切除，減輕因泄漏造成的水質(zhì)惡化[6]。

5 節(jié)能效果

1）2020年4月循環(huán)水泵和止回閥改造投用后，在保證裝置安全運行的基礎上，循環(huán)水系統(tǒng)供水壓力由改造前的0.40 MPa降至0.35 MPa，循環(huán)水總供水量保持基本不變，裝置年運行電耗同比下降71 萬kW·h，降幅達12.1%，按照電價0.34元/kW·h計算，年節(jié)省電費24.14萬元。改造前后循環(huán)水機泵電耗對比見圖3。

圖3 優(yōu)化改造前后循環(huán)水機泵運行電耗對比

2）循環(huán)水涼水塔更換填料、布水器和水帽，提高了冷卻塔性能。將涼水塔下隔墻進行封堵，拆除涼水塔原東西兩側(cè)化冰管，增設收水檐，減少風吹損失，循環(huán)水現(xiàn)場飄溢現(xiàn)象消除，現(xiàn)場環(huán)境得到明顯改善，規(guī)格化、標準化水平明顯提升。

6 結(jié)論

通過對1#循環(huán)水系統(tǒng)實際情況進行分析研究確定改造方案，將循環(huán)水泵改造更換為低揚程高效泵，更換泵出口止回閥和涼水塔內(nèi)部件等，多種改造方式并行，并優(yōu)化循環(huán)水系統(tǒng)運行，優(yōu)化改造后循環(huán)水系統(tǒng)年運行電耗同比下降71萬kW·h，節(jié)電率達12.1%，現(xiàn)場飄濺現(xiàn)象消除，現(xiàn)場環(huán)境得到明顯改善，取得了良好的節(jié)能效果和環(huán)境效益。