工業(yè)循環(huán)冷卻水系統(tǒng)節(jié)水方法研究及應(yīng)用

趙曉娟(中石油昆侖燃?xì)庥邢薰舅拇ǚ止?，四?成都 610100)

0 引言

在循環(huán)冷卻水系統(tǒng)中，冷卻水被反復(fù)循環(huán)多次使用。水經(jīng)換熱器換熱后溫度升高，由冷卻塔或其他冷卻設(shè)備將水溫降低，再由循環(huán)水泵將水送至換熱設(shè)備中重復(fù)使用，這樣大大提高了水的重復(fù)利用率，節(jié)約了大量工業(yè)用水[1]。循環(huán)冷卻水系統(tǒng)又分為封閉式和敞開式兩種。封閉式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)中，冷卻水一般使用含鹽量很低的軟水或純水，且冷卻水不直接暴露于空氣中，因此封閉式冷卻水系統(tǒng)的結(jié)垢和腐蝕較少發(fā)生，排污量也很小。封閉式冷卻水系統(tǒng)中冷卻水的降溫不存在蒸發(fā)冷卻過程，是靠冷卻塔中的噴淋水熱傳導(dǎo)散熱，冷卻效率較低，造價較高，一般系統(tǒng)較小，適用于占地空間小、安裝移動方便、熱負(fù)荷不高的場所。在敞開式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)中，冷卻水的降溫是通過冷卻塔來進行的，冷卻水在冷卻塔中與空氣接觸，通過冷卻水的蒸發(fā)過程實現(xiàn)降溫，可以實現(xiàn)高效率降溫，因此，冷卻水存在蒸發(fā)損失，從而冷卻水中各種離子含量也會不斷濃縮增大。當(dāng)冷卻水中礦物質(zhì)和離子含量增大到一定值后，為防止現(xiàn)場換熱設(shè)備結(jié)垢和腐蝕，需要通過排污、補充新鮮水、冷卻水加藥等方式對冷卻水的水質(zhì)進行控制。本文以某LNG工廠敞開式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)為例，闡述了循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的節(jié)水方法。

1 敞開式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)組成

敞開式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)一般由冷卻塔、補水設(shè)備、冷卻水池、循環(huán)水泵、工藝換熱器、水質(zhì)監(jiān)測及自動加藥排污設(shè)備、旁濾設(shè)備等組成。冷卻塔是敞開式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)核心設(shè)備，用來冷卻經(jīng)換熱器換熱后排出的高溫?zé)崴?。在冷卻塔中，水在填料表面上以薄膜形式與空氣接觸，在接觸過程中進行熱量交換，從而使水溫降低。補水設(shè)備用于給循環(huán)冷卻水系統(tǒng)補充新鮮水，以平衡冷卻水損失，維持循環(huán)水系統(tǒng)冷卻水量。冷卻水池是冷卻水的收集和緩沖場所，冷卻塔是冷卻水蒸發(fā)降溫的設(shè)備。循環(huán)水泵為工藝換熱器輸送一定壓力和流量的冷卻水。工藝換熱器是生產(chǎn)裝置工藝介質(zhì)進行降溫的設(shè)備。水質(zhì)監(jiān)測及自動加藥排污設(shè)備對循環(huán)冷卻水水質(zhì)進行實時監(jiān)測，自動控制加藥和排污，控制循環(huán)冷卻水水質(zhì)指標(biāo)滿足系統(tǒng)正常生產(chǎn)運行要求。旁濾設(shè)備用于對循環(huán)冷卻水中的固體雜質(zhì)進行過濾，保證循環(huán)冷卻水濁度滿足工藝要求。

2 敞開式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)中水量和鹽分的平衡

敞開式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)中，水的損失主要包括蒸發(fā)損失、風(fēng)吹損失、排污損失[1]。要使循環(huán)冷卻水系統(tǒng)維持正常運行，需要對這些損失水量進行補充，水量平衡式如式(1)所示：

式中：AB為補水量 (t)；AZ為蒸發(fā)量 (t)；AF為風(fēng)吹損失量(t)；AP為排污量(t)。

循環(huán)冷卻水在冷卻塔中蒸發(fā)降溫的過程存在蒸發(fā)損失，由于蒸發(fā)損失不帶走冷卻水中鹽分，循環(huán)冷卻水中鹽分濃度會逐漸增大。為防止工藝換熱器結(jié)垢和腐蝕，必須要通過排污和補充新鮮水的方式控制循環(huán)冷卻水當(dāng)中鹽分的濃度穩(wěn)定。因此，敞開式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)鹽分平衡式如式(2)所示：

式中：φB為補水中鹽的濃度(mg/L)；φX為循環(huán)水中鹽的濃度(mg/L)。

在敞開式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)中，隨著冷卻水的蒸發(fā)，水中各種礦物質(zhì)和離子含量就會不斷增加。通常在操作時，用濃縮倍數(shù)來控制水中含鹽的濃度。設(shè)以Θ表示濃縮倍數(shù)，由式(1)和式(2)可以得到式(3)：

式中：Θ為敞開式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的濃縮倍數(shù)。

通過式(3)可知，濃縮倍數(shù)Θ就是指循環(huán)水中鹽的濃度與補充水中鹽的濃度之比。

3 敞開式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)節(jié)水措施

對于正常運行的循環(huán)冷卻水系統(tǒng)，其蒸發(fā)損失在一定的條件下為定值，其值大小主要由環(huán)境濕度、環(huán)境溫度、冷卻水設(shè)計循環(huán)量、冷卻水設(shè)計溫差和工廠生產(chǎn)負(fù)荷決定。而風(fēng)吹損失一般小于冷卻水設(shè)計循環(huán)量的0.2%，也可以認(rèn)為是定值。排污損失主要由需要控制的循環(huán)冷卻水水質(zhì)決定，減少排污損失是循環(huán)冷卻水系統(tǒng)節(jié)水的主要方向。

(1)在補水中鹽分濃度不變的情況下，可以適當(dāng)提高循環(huán)冷卻水中鹽分濃度，即提高循環(huán)冷卻水的濃縮倍數(shù)，減少排污水量和補水量，通過循環(huán)冷卻水加藥的方式控制工藝換熱器結(jié)垢和腐蝕的風(fēng)險。提高冷卻水的濃縮倍數(shù)可以達到節(jié)水的目的，但同樣增加了循環(huán)冷卻水水質(zhì)的管理難度，工藝換熱器結(jié)垢和腐蝕的風(fēng)險也相應(yīng)增加，因此需要根據(jù)實際情況選擇合適的冷卻水濃縮倍數(shù)。

(2)在控制循環(huán)冷卻水中鹽分濃度穩(wěn)定的情況下，可以通過適當(dāng)降低補水中鹽分濃度的方式，減少循環(huán)冷卻水系統(tǒng)排污水量，從而達到減少補水的目的。

4 某LNG工廠循環(huán)冷卻水系統(tǒng)設(shè)計運行情況

LNG工廠循環(huán)冷卻水系統(tǒng)主要工作流程為冷卻水流入換熱器與工藝介質(zhì)換熱后，冷卻水水溫升高，利用其余壓流入冷卻塔進行冷卻，冷卻后的水再通過水泵送入換熱器循環(huán)使用。簡易流程圖如圖1所示。

圖1 LNG工廠循環(huán)冷卻水系統(tǒng)簡易流程圖

LNG工廠全年平均生產(chǎn)負(fù)荷為80%時循環(huán)冷卻水系統(tǒng)設(shè)計運行參數(shù)如表1所示。

在工廠實際生產(chǎn)運行過程中，會面對生產(chǎn)負(fù)荷、季節(jié)、環(huán)境溫度、天氣情況的不同，蒸發(fā)損失系數(shù)和風(fēng)吹損失系數(shù)是一個變量。為方便循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的運行管理，經(jīng)過熱力核算，給出了蒸發(fā)損失和風(fēng)吹損失的一個平均系數(shù)，同時，用總硬度指標(biāo)代替鹽分濃度作為計算依據(jù)。循環(huán)冷卻水蒸發(fā)損失量計算公式(4)為[2]：

由式(4)，可以計算出LNG工廠循環(huán)冷卻水蒸發(fā)損失量AZ=3 500×8.5×0.001 1=32.7 t/h。

循環(huán)冷卻水風(fēng)吹損失量計算公式(5)為：

由式(5)，可以計算出LNG工廠循環(huán)冷卻水風(fēng)吹損失量AF=3 500×0.001 2=4.2 t/h。

根據(jù)表1運行參數(shù)，由式3可以計算出LNG工廠循環(huán)冷卻水排污量AP=14 t/h。

表1 LNG工廠循環(huán)冷卻水系統(tǒng)運行參數(shù)

再由式(1)水量平衡式可以計算出該LNG工廠循環(huán)冷卻水補水量AB=AZ+AF+AP=50.9 t/h。

綜上，該LNG工廠循環(huán)冷卻水系統(tǒng)平均每天的補水量約為1 200 t。

5 LNG工廠循環(huán)冷卻水系統(tǒng)節(jié)水方法

(1)通過技改，該LNG工廠增加了一套冷卻水水質(zhì)在線監(jiān)測和自動加藥排污系統(tǒng)，如圖2所示。將循環(huán)冷卻水硬度控制在800 mg/L，冷卻水濃縮倍數(shù)控制為3.2，并通過調(diào)整冷卻水藥劑配方，控制工藝換熱器結(jié)垢和腐蝕風(fēng)險。在線監(jiān)測和自動加藥排污系統(tǒng)能夠及時監(jiān)測到水質(zhì)變化，更容易控制冷卻水水質(zhì)指標(biāo)穩(wěn)定，可以實現(xiàn)水質(zhì)的微量調(diào)整，避免了手動排污不及時造成的水質(zhì)指標(biāo)的波動，降低了工藝換熱器結(jié)垢和腐蝕風(fēng)險。

圖2 在線監(jiān)測和自動加藥排污系統(tǒng)

LNG工廠循環(huán)冷卻水硬度控制指標(biāo)提高后，通過式(3)可以計算出冷卻水排污量AP=10.6 t/h，比調(diào)整前減少排污量3.4 t/h，平均每天節(jié)水約80 t。

(2)由于該LNG工廠自來水硬度較高，如果繼續(xù)提高冷卻水濃縮倍數(shù)，冷卻水藥劑費用會大幅增加，同時，循環(huán)冷卻水水質(zhì)控制難度和工藝換熱器結(jié)垢和腐蝕風(fēng)險也會增大。如果增加部分軟化水補水，將冷卻水補水的總硬度降至150 mg/L，冷卻水總硬度控制為800 mg/L，由式(3)可以計算出冷卻水排污量AP=3.3 t/h，加上蒸發(fā)損失和風(fēng)吹損失，補水量約為40.2 t/h。由于軟化水總硬度約為10 mg/L，通過計算，需要軟化水補水流量為16.75 t/h，自來水補水流量為23.45 t/h。因此，LNG工廠通過軟化水補水技改增加了一套20 t/h的軟化水設(shè)備，如圖3所示。

圖3 軟化水補水技改示意圖

LNG工廠通過軟化水補水技改后，軟化水產(chǎn)出率為90%，每天可節(jié)水約1 200×(1-90%)=120 t。

綜上，該LNG工廠每天自來水補水量由原1 200 t降低到每天1 000 t，每天節(jié)約用水約200 t，每年可實現(xiàn)節(jié)水約73 000 t。

6 結(jié)語

循環(huán)冷卻水系統(tǒng)是工業(yè)生產(chǎn)裝置中非常重要的系統(tǒng)，一方面，它的正常運行直接關(guān)系著工業(yè)生產(chǎn)企業(yè)其他裝置設(shè)備的正常運行；另一方面，選擇適合的節(jié)水方法，使循環(huán)冷卻水系統(tǒng)經(jīng)濟高效運行，也在一定程度上降低了企業(yè)的生產(chǎn)成本。循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的節(jié)水技改要在不影響工藝換熱器正常運行的前提下進行，要綜合考慮投資成本和節(jié)水創(chuàng)效收益，選擇最佳的節(jié)水方法。