循環(huán)水串級利用節(jié)能方法研究

張高博，于秋海，李平華，張炳辰，樊栓獅

（1.上?；鄣霉?jié)能科技有限公司，上海 201206；2.中石化石家莊煉化分公司，河北 石家莊 050099；3.華南理工大學(xué)，廣東 廣州 510640）

循環(huán)水主要用在冷卻水系統(tǒng)中用于冷卻工藝介質(zhì)：作為冷卻介質(zhì)冷卻換熱器中的工藝介質(zhì)，作為機(jī)泵冷卻水對泵體進(jìn)行冷卻，作為冷卻介質(zhì)冷卻壓縮機(jī)的電機(jī)、壓縮機(jī)、汽輪機(jī)潤滑油系統(tǒng)的潤滑油等，帶走系統(tǒng)中多余的熱量。循環(huán)水系統(tǒng)的電耗占全廠總電耗的13.69%～15%[1]。隨著企業(yè)節(jié)能意識的逐步增強(qiáng)，循環(huán)水的使用管理逐步被重視，系統(tǒng)改造優(yōu)化比例持續(xù)增大。我國企業(yè)循環(huán)水系統(tǒng)普遍存在低效率、高能耗現(xiàn)象，循環(huán)水泵沒有處于最佳工況運(yùn)行。近年來企業(yè)通過對循環(huán)水泵、風(fēng)機(jī)、循環(huán)水系統(tǒng)管網(wǎng)的改造，降低循環(huán)水系統(tǒng)電耗20%以上[2-4]；張霖[5]通過對單個用戶增加節(jié)流孔板降低循循環(huán)水用量，節(jié)電效果顯著。汪家銘[6]采用智慧閥對單臺換熱器的用水量進(jìn)行及時調(diào)節(jié)，在多個石化企業(yè)取得明顯的節(jié)能效果。張高博[7]提出了一種列管式換熱器管程改造的方法，換熱器改造的投資大幅度降低，適合在循環(huán)水系統(tǒng)使用。劉發(fā)友等[8]對泵站超過工藝參數(shù)的水泵進(jìn)行技術(shù)改造，通過調(diào)換泵和電機(jī)實現(xiàn)泵組的電耗最小化?？梢娧h(huán)水系統(tǒng)節(jié)能優(yōu)化潛力巨大。降低循環(huán)水系統(tǒng)的能耗，除了通過改造循環(huán)水泵、風(fēng)機(jī)等措施降低系統(tǒng)能耗之外，在確保裝置平穩(wěn)運(yùn)行、產(chǎn)品質(zhì)量達(dá)到要求的情況下，核算用水設(shè)備的最小需要用水量，停用部分水冷器、將部分用水設(shè)備串級降低循環(huán)水消耗量，節(jié)約能耗。黃灝等[9]提出荊門石化糠醛車間通過降低水冷器的流速至水冷器運(yùn)行最低標(biāo)準(zhǔn)、將兩臺水冷器的循環(huán)水串級利用保證循環(huán)回水和循環(huán)水上水溫差大于10℃，減少循環(huán)水用量400t/h。王萌[10]提出中國石化洛陽分公司通過對循環(huán)水系統(tǒng)用水量的優(yōu)化，節(jié)約循環(huán)水1787萬t/a，取得了明顯的經(jīng)濟(jì)效益。因此，循環(huán)水系統(tǒng)的串級優(yōu)化也是企業(yè)節(jié)能降耗的重要舉措之一。

目前企業(yè)循環(huán)水系統(tǒng)的優(yōu)化一般只是針對循環(huán)場進(jìn)行優(yōu)化，雖然取得了一定的節(jié)能效果，但沒有解決源頭問題，不但無法充分挖掘出節(jié)能潛力，而且沒有解決化工裝置循環(huán)水換熱器存在的問題。這些存在的問題包括循環(huán)水上回水溫差小、換熱器腐蝕等問題。這些問題的存在不但造成化工企業(yè)能耗升高，而且影響安全生產(chǎn)。

張高博[11]提出的一種循環(huán)液系統(tǒng)優(yōu)化技術(shù)，包括流量優(yōu)化、壓力優(yōu)化和機(jī)泵節(jié)電優(yōu)化的漸進(jìn)式優(yōu)化方法，以三環(huán)節(jié)理論為指導(dǎo)，從源頭入手，對循環(huán)水系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)性優(yōu)化，可以解決循環(huán)水系統(tǒng)存在的根本問題。本文從串級利用方法的工業(yè)應(yīng)用出發(fā)進(jìn)行研究，提出循環(huán)水串級優(yōu)化的工程設(shè)計方法。

1 循環(huán)水串級原理和方法

1.1 三環(huán)節(jié)理論

華賁所提出的“三環(huán)節(jié)”法是一種具有代表性的過程能量分析方法，已被應(yīng)用于石油行業(yè)能量系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計及其改造中，可達(dá)到較好的節(jié)能降耗效果?；跓崃W(xué)第二定律，“三環(huán)節(jié)”法以全局優(yōu)化為目的，依據(jù)能量在全局系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)變，從能流的變化方向?qū)^程系統(tǒng)的用能狀況進(jìn)行本質(zhì)、定量的描述。該方法可與較多優(yōu)化技術(shù)配合使用，得到更好的能量分析效果，從而更為準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)用能瓶頸并進(jìn)行改進(jìn)。煉化公司的用能可以簡單歸納為能量的轉(zhuǎn)換和傳輸、能量的工藝?yán)煤湍芰康幕厥杖齻€環(huán)節(jié)，如圖1所示。

圖1 用能三環(huán)節(jié)分析模式

1.2 循環(huán)水系統(tǒng)優(yōu)化技術(shù)

循環(huán)水系統(tǒng)優(yōu)化技術(shù)（CWO）是一種系統(tǒng)化降低循環(huán)水系統(tǒng)能耗和水耗的技術(shù)，可用于石油化工、煤化工、多晶硅、天然氣等行業(yè)。其特點是以能量“三環(huán)節(jié)”為指導(dǎo)，依次對利用環(huán)節(jié)、輸送環(huán)節(jié)和轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)進(jìn)行優(yōu)化。首先對循環(huán)水利用環(huán)節(jié)—裝置區(qū)單臺冷卻器進(jìn)行優(yōu)化，降低水量和壓力；然后對輸送環(huán)節(jié)—管網(wǎng)進(jìn)行優(yōu)化，降低主管網(wǎng)的壓降；最后是對轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)—循環(huán)水場的涼水塔、風(fēng)機(jī)和泵進(jìn)行優(yōu)化。系統(tǒng)優(yōu)化的最終效益體現(xiàn)在循環(huán)水場的循環(huán)水泵電耗、風(fēng)機(jī)電耗和補(bǔ)水量的降低，節(jié)能效果可達(dá)30%，而傳統(tǒng)節(jié)能方式只能降低15%。

1.3 循環(huán)水串級優(yōu)化方法

循環(huán)水冷卻設(shè)備的循環(huán)水一般設(shè)計為一次通過式，每臺換熱器之間并聯(lián)，且循環(huán)水上水和回水的溫差≤10℃。但水冷器實際運(yùn)行過程中上回水溫差一般小于設(shè)計值。因此對于位置較近的水冷器在用水量匹配時，對循環(huán)水回水和上水溫差＜10℃的水冷器可以進(jìn)行水冷器之間的循環(huán)水串級優(yōu)化，節(jié)約循環(huán)水用量[9]。

以華賁教授提出的能量“三環(huán)節(jié)”理論為指導(dǎo)依據(jù)，分別從能量的利用環(huán)節(jié)和回收環(huán)節(jié)對循環(huán)水系統(tǒng)用水量進(jìn)行優(yōu)化，實現(xiàn)降低循環(huán)水耗的目的。能量利用環(huán)節(jié)的優(yōu)化即對單臺用水設(shè)備進(jìn)行循環(huán)水量的優(yōu)化，降低用水設(shè)備的循環(huán)水用量；能量回收環(huán)節(jié)的優(yōu)化即對兩臺或者多臺設(shè)備的循環(huán)水進(jìn)行串級優(yōu)化，提高循環(huán)水的溫升、降低循環(huán)水用量。

對兩組換熱器進(jìn)行循環(huán)水串級利用時，應(yīng)考慮由于壓降增大對第一級換熱器的影響，以及由于水溫升高對第二級換熱器的影響。根據(jù)需要對換熱器進(jìn)行相應(yīng)的改造，通常情況下改造的方法是更換換熱器。張高博[11]提出了一種改變管殼式換熱器管程數(shù)的方法，無需更換換熱器，只需對管束和管箱進(jìn)行改造即可改變換熱器的程數(shù)，使用該方法將大幅度降低改造費用。

1.4 水冷器節(jié)水的最低流量計算方法

循環(huán)水換熱器優(yōu)化循環(huán)水量同時應(yīng)該滿足四個因素：

（1）工藝側(cè)換后溫度≤工藝操作指標(biāo)；

（2）循環(huán)水側(cè)的管程流速≥0.8m/s。目的是防止循環(huán)水側(cè)結(jié)垢；

（3）循環(huán)水溫升≤10℃，循環(huán)水出口溫度≤45℃。目的是防止高溫結(jié)垢。

工藝側(cè)換后溫度根據(jù)換熱器的計算結(jié)果得到。計算公式如下：

其中：Δtm-平均溫差，℃；Q-熱流量，W；K-總傳熱系數(shù)，W/(m2·℃)；A-傳熱面積，m2。

換熱器最小流量按式（2）計算[15]：

其中：Q-水冷器節(jié)水的最低流量，t/h；V-防腐蝕及結(jié)垢最低流速，取0.8m/s；S-管束水側(cè)的流通面積，m2；ρ-循環(huán)水的密度，kg/m3。

2 改造實施方案

本文以中石化石家莊煉廠航煤加氫裝置的循環(huán)水改造為例，說明如何使用三環(huán)節(jié)理論對循環(huán)水系統(tǒng)進(jìn)行改造。

隨著石家莊煉廠對裝置擴(kuò)能和產(chǎn)品升級改造，多個裝置在夏季時出現(xiàn)供水不足的狀況，循環(huán)水廠好幾臺水泵出現(xiàn)超電流的現(xiàn)狀。為了使循環(huán)水廠滿足現(xiàn)有煉廠用水量需求，需要對循環(huán)水廠進(jìn)行優(yōu)化改造。除了對水泵、風(fēng)機(jī)的改造和循環(huán)水系統(tǒng)管網(wǎng)壓降優(yōu)化之外，在滿足生產(chǎn)操作要求的同時對用水設(shè)備分別進(jìn)行操作優(yōu)化和循環(huán)水串級優(yōu)化，盡可能降低循環(huán)水用量，在滿足企業(yè)正常運(yùn)轉(zhuǎn)的同時達(dá)到企業(yè)節(jié)能降耗的目的。

2.1 循環(huán)水利用現(xiàn)狀

石家莊煉化60萬t/a航煤加氫裝置循環(huán)水用量150t/h，循環(huán)水用水點主要包括機(jī)泵冷卻水和工藝補(bǔ)充水、壓縮機(jī)冷卻水及水冷器冷卻水（E-201汽提塔頂水冷器、E-203航煤產(chǎn)品水冷器）。其中兩臺水冷器E-201和E-203的用水量均為115t/h，占裝置用水量的77%。

水冷器的操作參數(shù)見表1，表中的溫度和流量均為夏季最熱月的測量值。

表1 水冷器操作參數(shù)

2.2 利用環(huán)節(jié)循環(huán)水量優(yōu)化

2.2.1 E-201操作優(yōu)化

由表1可知，汽提塔頂氣經(jīng)塔頂空冷器冷后進(jìn)入循環(huán)水冷卻器E-201?？绽淦骼浜鬁囟葹?9.9℃，已經(jīng)可以滿足工藝操作指標(biāo)40.0℃的要求。進(jìn)入E-201經(jīng)循環(huán)水冷卻后的溫度為28.3℃?？梢娖崴敋鈱儆谶^度冷卻，循環(huán)水過度使用，若停用水冷器E-201，可節(jié)約循環(huán)水66.6t/h。

但目前裝置在70%的負(fù)荷下運(yùn)行，考慮到滿負(fù)荷工況的需要，對水冷器E-201中循環(huán)水流量按照管程流速0.8m/s進(jìn)行優(yōu)化。測算結(jié)果表明，循環(huán)水量從66.6t/h減少至27.7t/h即可以滿足要求。優(yōu)化后工藝物料溫度僅上升0.3℃，完全能夠滿足工藝操作要求。優(yōu)化后循環(huán)水回水和上水溫差3.5℃，小于10℃的設(shè)計溫升，滿足循環(huán)水回水操作條件，但是循環(huán)水回水和上水溫差小，存在能量浪費現(xiàn)象。E-201水冷器操作優(yōu)化后，可節(jié)約循環(huán)水38.9t/h。

E-201水冷器當(dāng)前工況和操作優(yōu)化后工況操作參數(shù)見表2。

表2 E-201水冷器當(dāng)前工況和操作優(yōu)化后工況操作參數(shù)

2.2.2 E-203操作優(yōu)化

航煤產(chǎn)品進(jìn)E-203水冷器與循環(huán)水換熱后工藝物料溫度40.1℃，低于工藝操作指標(biāo)45.0℃，航煤產(chǎn)品屬于過度冷卻，循環(huán)水過度使用，見表1。

考慮到裝置后期擴(kuò)能改造和產(chǎn)品調(diào)整的需要，在裝置滿負(fù)荷操作工況下對水冷器E-203按照管程流速最低0.8m/s進(jìn)行操作優(yōu)化。優(yōu)化后循環(huán)水量從48.3t/h減少至44.5t/h，優(yōu)化后工藝物料42.1℃，仍能滿足工藝操作要求。E-203循環(huán)水操作優(yōu)化后循環(huán)水回水和上水溫差4.4℃，滿足循環(huán)水回水操作條件，但是循環(huán)水回水和上水溫差小，存在能量浪費現(xiàn)象。E-203水冷器循環(huán)水操作優(yōu)化后，可節(jié)約循環(huán)水3.8t/h。

E-203水冷器優(yōu)化前和優(yōu)化后操作參數(shù)見表3。

表3 E-203水冷器當(dāng)前工況和操作優(yōu)化后工況操作參數(shù)

2.3 回收環(huán)節(jié)循環(huán)水量優(yōu)化

2.3.1 循環(huán)水量串級優(yōu)化

分別對E-201和E-203水冷器操作優(yōu)化后，滿負(fù)荷工況下兩臺水冷器經(jīng)循環(huán)水冷卻后工藝物料溫度分別為30.2℃和42.1℃，仍然小于工藝操作要求，循環(huán)水與工藝物料換熱后循環(huán)水溫升分別為3.5℃和4.4℃，循環(huán)水溫升小，存在能量浪費。一般認(rèn)為循環(huán)水溫升10℃為較優(yōu)操作，經(jīng)濟(jì)性較好。這兩臺水冷器循環(huán)水溫升較小，將這兩臺水冷器進(jìn)行串級優(yōu)化，進(jìn)一步降低水冷器循環(huán)水用量。

兩臺水冷器的循環(huán)水串級后，在滿足工藝指標(biāo)的前提下，循環(huán)水的管程流速需要分別滿足最低0.8m/s的操作要求，因此水冷器循環(huán)水串級后循環(huán)水用量為44.5t/h。因為E-201水冷器要求將汽提塔頂氣冷卻至40℃，E-203水冷器要求將航煤產(chǎn)品冷卻至45℃，因此冷后溫度指標(biāo)較為苛刻的E-201水冷器作為循環(huán)水串級的第一級，冷后溫度指標(biāo)不太苛刻的E-203水冷器作為第二級。循環(huán)水上水先進(jìn)E-201管程與汽提塔頂氣換熱再進(jìn)E-203管程與航煤產(chǎn)品換熱，將E-201的循環(huán)回水作為E-203的循環(huán)上水，只有E-203的循環(huán)回水回循環(huán)水總管。

循環(huán)水串級后，裝置滿負(fù)荷操作時工藝物料溫度滿足工藝操作指標(biāo)，循環(huán)水的溫升由2.1℃提高至6.3℃，循環(huán)水串級節(jié)約循環(huán)水70.4t/h。與優(yōu)化前的用水量66.6+48.3=114.9t/h相比，降低循環(huán)水用量61.3%。整個裝置總用水量降低46.9%。循環(huán)水串級后，工藝物料出水冷器溫度滿足工藝操作要求，循環(huán)水回水溫度同時滿足循環(huán)水的操作要求。循環(huán)水串級優(yōu)化的結(jié)果見表4

表4 循環(huán)水串級優(yōu)化操作參數(shù)

圖2 循環(huán)水串級優(yōu)化的工藝管道及儀表流程圖

循環(huán)水串級優(yōu)化的管道設(shè)計考慮檢修和防凍防凝的需要，設(shè)置了必要的切斷閥，對于串級后停用的閥門也設(shè)置了小副線，防止冬季凍凝。具體的工藝管道及儀表流程圖（P&ID）見圖2。

2.3.2 循環(huán)水串級壓降的核算

對水冷器中循環(huán)水進(jìn)行操作優(yōu)化和串級優(yōu)化后，水冷器循環(huán)水量發(fā)生變化，循環(huán)水的流程也隨之改變。因此循環(huán)水串級改造后，水冷器管程壓降會發(fā)生變化，循環(huán)上水和循環(huán)回水之間的壓差也隨之變化，因此需要核算兩臺水冷器總的管程壓降，若水冷器管程壓降超過設(shè)計要求值，則需要對水冷器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造。循環(huán)水串級優(yōu)化前和優(yōu)化后兩臺水冷器管程壓降見表5。

由表5可知，循環(huán)水串級優(yōu)化前E-201和E-203的管程壓降分別為61kPa和14kPa后，兩臺水冷器循環(huán)水經(jīng)過操作優(yōu)化后管程壓降均降至12kPa。當(dāng)兩臺水冷器循環(huán)水串級優(yōu)化以后，管程壓降分別為28kPa和12kPa，總壓降為40kPa?？倝航敌∮趦?yōu)化前工況的最大一臺壓降的換熱器E-201，因此，對兩臺水冷器的循環(huán)水進(jìn)行串級優(yōu)化后不會導(dǎo)致循環(huán)水場水泵揚(yáng)程的需求增大，因而不需要對水冷器進(jìn)行改造。

表5 循環(huán)水串級優(yōu)化前和優(yōu)化后水冷器管程壓降

2.4 經(jīng)濟(jì)效益

表6 靜態(tài)投資回收期

對航煤加氫裝置水冷器的循環(huán)水串級利用后，裝置節(jié)約循環(huán)水70.4t/h，循環(huán)水價格按0.2元/t計算，則裝置循環(huán)水串級經(jīng)濟(jì)效益為11.8萬元/a。在不改造循環(huán)水廠設(shè)備的情況下，對水冷器實施循環(huán)水串級優(yōu)化，在滿足工藝操作要求的同時，僅通過新增5臺閥門和1條管道實現(xiàn)水冷器循環(huán)水的串級利用。改造費用初步估算1.5萬元，收益為11.8萬元/a。循環(huán)水串級優(yōu)化方案的靜態(tài)投資回收期為0.1年，投資回報率高。數(shù)據(jù)見表6。

2.5 小結(jié)

以能量“三環(huán)節(jié)”理論為指導(dǎo)，得出節(jié)約循環(huán)水量方法的循環(huán)水“三環(huán)節(jié)理論”。以循環(huán)水優(yōu)化“三環(huán)節(jié)”理論為研究方法對水冷器實施循環(huán)水的串級改造。改造方法是先求出最小用水量，以此為指導(dǎo)對每臺水冷器進(jìn)行操作優(yōu)化，降低循環(huán)水用量。然后進(jìn)行串級優(yōu)化，進(jìn)一步降低循環(huán)水用量，最后對串級后的總壓降進(jìn)行校核。

該方法在煉油行業(yè)的加氫裝置工業(yè)應(yīng)用的實例表明，在滿足工藝物料溫度、循環(huán)水回水溫度和總壓降不增加的前提下，循環(huán)水換熱器串級優(yōu)化后的水量可以降低61.3%，使整個裝置的總用水量降低46.9%，效益11.8萬元/a。改造投資1.5萬元，投資回收期0.1年，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。

煉油和化工行業(yè)的循環(huán)水系統(tǒng)相似，因此，循環(huán)水優(yōu)化“三環(huán)節(jié)”理論的串級方法可以推廣應(yīng)用至煉油、化工行業(yè)的多個方面。

3 結(jié)果分析和討論

本文提供的裝置內(nèi)循環(huán)水量的優(yōu)化方法，不限于本文討論的將裝置內(nèi)工藝物料水冷器的循環(huán)水進(jìn)行串級的場合，也可以拓展使用在同類設(shè)備或不同設(shè)備之間的循環(huán)水用戶的串級。例如，將壓縮機(jī)的主機(jī)和備機(jī)的中間冷卻器的循環(huán)水進(jìn)行串級，可以消除備機(jī)在停機(jī)狀態(tài)下不必要用水造成的能源浪費；將主泵和備泵的泵體冷卻水進(jìn)行串級；還可以將不同類型設(shè)備的循環(huán)水進(jìn)行串級，例如壓縮機(jī)的電機(jī)和潤滑油冷卻器的循環(huán)水串級；若壓縮機(jī)級間冷卻器循環(huán)水溫升不高，可以將級間冷卻器循環(huán)水的出水分為兩路，分別與電機(jī)和潤滑油冷卻器進(jìn)行串級優(yōu)化。

循環(huán)水的串級優(yōu)化是以“三環(huán)節(jié)”理論為指導(dǎo)的循環(huán)水系統(tǒng)優(yōu)化方法中的首要步驟，但是，需要指出的是，如果在此基礎(chǔ)上繼續(xù)從循環(huán)水的輸送和轉(zhuǎn)化環(huán)節(jié)進(jìn)行優(yōu)化，降低系統(tǒng)管網(wǎng)的壓降，對循環(huán)水廠的機(jī)泵、涼水塔、風(fēng)機(jī)的進(jìn)行節(jié)電優(yōu)化，將實現(xiàn)循環(huán)水系統(tǒng)的深度節(jié)能優(yōu)化，將取得更好的節(jié)能效果。

采用系統(tǒng)優(yōu)化技術(shù)對循環(huán)水系統(tǒng)的節(jié)能優(yōu)化，效果顯著，該技術(shù)的實施有助于降低企業(yè)能耗，實現(xiàn)化工企業(yè)節(jié)能減排目標(biāo)和效益最大化的目標(biāo)。

4 結(jié)論

針對化工企業(yè)循環(huán)水系統(tǒng)能耗高的問題，除了采用管網(wǎng)優(yōu)化和機(jī)泵節(jié)電優(yōu)化等方法外，還可以使用本文提出的循環(huán)水串級優(yōu)化的方法。該方法在加氫裝置中兩臺工藝物料換熱器的串級優(yōu)化應(yīng)用顯示，可以降低循環(huán)水用量61.3%，降低整個裝置的循環(huán)水用量46.9%。該方法同樣適用于大型工藝設(shè)備內(nèi)部用戶或設(shè)備之間的循環(huán)水用戶的串級。

將該方法應(yīng)用在循環(huán)水系統(tǒng)的每套裝置，可以有效降低整個循環(huán)水場的電耗。具有明顯的節(jié)電效果和經(jīng)濟(jì)效益。

該方法可以作為循環(huán)水系統(tǒng)優(yōu)化的措施之一，可以推廣應(yīng)用在所有的化工企業(yè)中。通過實施循環(huán)水系統(tǒng)的系統(tǒng)優(yōu)化改造措施，可以顯著降低化工企業(yè)的循環(huán)水電耗，有助于降低企業(yè)能耗，實現(xiàn)化工企業(yè)節(jié)能減排目標(biāo)和效益最大化的目標(biāo)。