煤化工企業(yè)循環(huán)水系統(tǒng)低碳節(jié)能優(yōu)化研究

穆彥懷，安 磊，秦國英，龐秀錦

（晉能控股裝置備制造集團(tuán)天源山西化工有限公司，山西 高平 048400）

1 概述

天源山西化工有限責(zé)任公司4060 項(xiàng)目，設(shè)計(jì)產(chǎn)能為年產(chǎn)成氨36 萬t、甲醇4 萬t、大顆粒尿素60 萬t，主要工藝流程為純氧氣化產(chǎn)半水煤氣，經(jīng)過脫硫、壓縮、變換、脫碳、合成氨，最后形成尿素；經(jīng)過近幾年生產(chǎn)系統(tǒng)節(jié)能挖潛、升級(jí)優(yōu)化，裝置產(chǎn)能不斷提升。配備有兩套16 000 m3/h 循環(huán)水系統(tǒng)，10 臺(tái)4 000 m3/h 循環(huán)水泵，8 臺(tái)冷卻塔風(fēng)機(jī)，主要對(duì)生產(chǎn)過程中，氣體壓縮產(chǎn)生的熱量進(jìn)行冷卻。

2 項(xiàng)目背景

晉能控股裝備制造集團(tuán)天源山西化工有限責(zé)任公司4060 項(xiàng)目，有兩套循環(huán)水系統(tǒng)，每套循環(huán)水量16 000 m3/h，各配備5 臺(tái)循環(huán)水泵，廠家為中國上海凱泉（集團(tuán)）有限公司，泵額定流量均為4 000 m3/h，8臺(tái)6 葉風(fēng)機(jī)；循環(huán)水泵額定功率710 kW，額定電流51.3 A，風(fēng)機(jī)132 kW，額定電流267 A。在實(shí)際運(yùn)行中循環(huán)水泵功率750 kW，超出了額定功率，只能將循環(huán)水泵出口閥關(guān)到25%以下，功率才能回到700 kW 以下，確保正常運(yùn)行，但是將閥門關(guān)小后，循環(huán)水泵葉輪經(jīng)過會(huì)出現(xiàn)氣蝕現(xiàn)象[1]。每套循環(huán)水各配套4 臺(tái)冷卻塔風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行電流197、180、201、216 A 左右，將風(fēng)葉角度調(diào)整到最大16°時(shí)，電機(jī)電流到216 A左右，還有余量。到夏季循環(huán)水上水溫度37 ℃，回水溫度42.5 ℃左右，嚴(yán)重影響公司生產(chǎn)，必須對(duì)循環(huán)水系統(tǒng)進(jìn)行整體優(yōu)化改造。

3 循環(huán)水系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行情況

3.1 設(shè)備基本情況

循環(huán)水泵運(yùn)行情況：循環(huán)水泵實(shí)際功率690 kW，泵出口閥開度25%，冷卻塔風(fēng)機(jī)運(yùn)行電流205 A 左右，額定電流289 A，還有改造提升空間。表1、表2 為水泵和風(fēng)機(jī)的配置。

表1 循環(huán)水泵基本配置

表2 冷卻塔基本配置

3.2 系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)情況

循環(huán)水泵和冷卻塔風(fēng)機(jī)的實(shí)際運(yùn)行檢測(cè)數(shù)據(jù)見表3、表4。

表3 循環(huán)水泵運(yùn)行情況

表4 冷卻塔風(fēng)機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)

4 系統(tǒng)存在的問題

1）循環(huán)水泵實(shí)際運(yùn)行效率為65%，循環(huán)水泵實(shí)際運(yùn)行效率為64%，水泵效率存在優(yōu)化空間。

2）循環(huán)水系統(tǒng)供水夏季最熱天氣時(shí)可達(dá)43 ℃，對(duì)生產(chǎn)造成不利影響，總體散熱能力偏低。

3）合成循環(huán)水系統(tǒng)上回水溫差在5 ℃，電站循環(huán)水系統(tǒng)上回水溫差均在4.4 ℃，通過對(duì)換熱器的運(yùn)行數(shù)據(jù)檢測(cè)，缺乏技術(shù)手段來對(duì)換熱器水量進(jìn)行量化控制，換熱器閥門普遍處于全開狀態(tài)，未對(duì)循環(huán)水進(jìn)行水平衡優(yōu)化調(diào)整。

4）循環(huán)水系統(tǒng)供水壓力偏低，部分月份為保證供水壓力，需開啟5 臺(tái)循環(huán)水泵，此時(shí)系統(tǒng)已無備用泵。

5）冷卻塔風(fēng)機(jī)開滿負(fù)荷，電機(jī)電流205 A 左右，還有余量；但循環(huán)水水溫偏高，上回水溫差只有5 ℃左右。

5 改造方案及思路

改造目標(biāo)：夏季要將循環(huán)水上水溫度控制在32 ℃以下，提高循環(huán)水上回水溫差，泵運(yùn)行功率控制在700 kW 以下。

5.1 循環(huán)水泵改造思路

天源公司選用的雙吸單級(jí)離心泵是常規(guī)合理的選擇，更換循環(huán)水泵的費(fèi)用較高，而且和電機(jī)還不匹配；討論先對(duì)其中一臺(tái)循環(huán)水泵進(jìn)行葉輪切割改造，來滿足生產(chǎn)需要，根據(jù)實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)，再對(duì)剩余的泵進(jìn)行改造。

5.2 冷卻塔風(fēng)機(jī)風(fēng)葉的分類及改造思路

循環(huán)水冷卻塔風(fēng)機(jī)風(fēng)葉分類：根據(jù)材質(zhì)可分為ABS（工程塑料）風(fēng)機(jī)、鋁合金風(fēng)機(jī)、玻璃鋼風(fēng)機(jī)、不銹鋼風(fēng)機(jī)、碳纖維風(fēng)葉。鋁合金和不銹鋼風(fēng)機(jī)一般用于特殊要求的地方或者中小型風(fēng)機(jī)上；主要考慮玻璃鋼風(fēng)葉和碳纖維風(fēng)葉為主[2]。

1）碳纖維風(fēng)機(jī)：?jiǎn)纹~片質(zhì)量50 kg、葉片寬度510 mm、輪轂質(zhì)量50 kg。碳纖維是以聚丙烯腈、粘膠纖維、瀝青纖維等原絲作為原料，經(jīng)過高溫碳化和石墨化制成的，是一種含碳量在90%以上的高強(qiáng)度纖維材料。碳纖維廣為人知的優(yōu)點(diǎn)就是質(zhì)輕高強(qiáng)，其密度僅有1.6 g/cm，而常用的結(jié)構(gòu)材料鋼材的密度為7.8 g/cm，即使是輕質(zhì)量金屬材料鋁密度也有2.7 g/cm，相比而言，碳纖維復(fù)合材料的輕量化更為明顯。

2）玻璃鋼風(fēng)機(jī)：?jiǎn)纹~片質(zhì)量50 kg、葉片寬度310 mm、輪轂質(zhì)量200 kg。玻璃纖維也是用得比較多的非金屬增強(qiáng)材料，主要是以石英砂、石灰石、白云石、硼鎂石等礦石為原料，經(jīng)過高溫熔斷、拉絲、絡(luò)紗、織布等工藝制造而成。常作為增強(qiáng)材料、絕緣材料、絕熱材料，其密度在2.5 g/cm 左右，其抗拉強(qiáng)度在2 800 MPa 左右。玻璃纖維為無機(jī)纖維，伸長(zhǎng)率在3%左右，絕緣性能好，也耐酸堿腐蝕[3]。

對(duì)以上兩種材質(zhì)相比較：在同等葉片質(zhì)量相同情況下碳纖維風(fēng)機(jī)葉片較玻璃鋼葉片寬200 mm，且輪轂材質(zhì)較輕。

6 改造過程

6.1 確定循環(huán)水泵葉輪切削量

葉輪切割前后的性能參數(shù)變化關(guān)系，可近似地由以下切割定律即式（1）～式（3）來表達(dá)。

式中：D 為葉輪切削前直徑，mm；D1為葉輪切削后直徑，mm；G 為葉輪切削前水泵流量，m3/h；G1為葉輪切削后水泵流量，m3/h；H 為葉輪切削前揚(yáng)程，m；H1為葉輪切削后揚(yáng)程，m；P 為葉輪切削前功率，kW；P1為葉輪切削后功率，kW。

根據(jù)上述公式，實(shí)測(cè)泵滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)功率為750 kW，要降到700 kW 以下，葉輪直徑需要縮小20 mm，為保證穩(wěn)定，同時(shí)考慮到循環(huán)水泵余量較大，討論決定縮小量增加2 mm，葉輪實(shí)際直徑縮小了22 mm。改造后：運(yùn)行電流48 A，功率680 kW，泵出口閥門開度100%，額定電流51.59 A，額定功率710 kW。

6.2 冷卻塔風(fēng)機(jī)風(fēng)葉改造

冷卻塔風(fēng)機(jī)電機(jī)和減速機(jī)利用原配套設(shè)備，減速機(jī)上安裝的六葉輪轂拆除，更換成八葉輪轂，在八葉輪轂上安裝八片碳纖維風(fēng)葉，調(diào)整風(fēng)葉角度13°。4臺(tái)風(fēng)機(jī)改造后，電流從197、180、201、216 A 增大至257、250、258、244 A，風(fēng)速從6.7 m/s 增大至7.8 m/s，風(fēng)速同比增加11.6%。

7 改造后循環(huán)水泵和冷卻塔風(fēng)機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)

經(jīng)過對(duì)循環(huán)水泵和冷卻塔風(fēng)機(jī)的雙管齊下改造，循環(huán)水泵功率從750 kW 降低到680 kW，泵出口閥開度從25%調(diào)整到100%，系統(tǒng)管網(wǎng)壓力從0.389 MPa提高到0.43 MPa；冷卻塔風(fēng)機(jī)風(fēng)速從6.7 m/s 增大至7.8 m/s，風(fēng)速同比增加11.6%。循環(huán)水系統(tǒng)給水溫度從28～29 ℃至25～26 ℃下降2～3 ℃，回水溫度從33 ℃至32 ℃下降1 ℃，給回水溫差從4～5 ℃增加至6～7 ℃，降溫效果明顯，目前運(yùn)行狀態(tài)正常。實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)見表5～表8。

表5 循環(huán)水泵實(shí)際運(yùn)行參數(shù)

表6 冷卻塔風(fēng)機(jī)單元運(yùn)行數(shù)據(jù)

表8 2021 年6 月系統(tǒng)九機(jī)負(fù)荷參數(shù)

8 結(jié)語

綜合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，結(jié)合成熟的先進(jìn)技術(shù)，系統(tǒng)性地對(duì)設(shè)備進(jìn)行升級(jí)改造，達(dá)到了預(yù)期的效果，為安全生產(chǎn)長(zhǎng)周期穩(wěn)定運(yùn)行，夯實(shí)基礎(chǔ)。