化工企業(yè)循環(huán)水系統(tǒng)節(jié)水節(jié)能技術改造分析

宋偉剛

（大慶油田化工有限公司，黑龍江大慶 163000）

隨著中央提出了“綠水青山就是金山銀山”的發(fā)展理念，各地加大了對環(huán)境保護的重視程度，居民的環(huán)境保護意識越來越強，對水資源的保護也愈加重視?；て髽I(yè)屬于環(huán)境保護重點監(jiān)測對象，對環(huán)境保護的要求越來越高。在化工企業(yè)生產過程中，對水資源的需求量較大，循環(huán)冷卻水系統(tǒng)屬于化工企業(yè)重要的用水工程，其消耗的水資源量占企業(yè)工業(yè)用水的2/3以上[1]，循環(huán)水系統(tǒng)的能耗及水資源利用效率，不僅影響企業(yè)用水用電成本，還增加了企業(yè)環(huán)境保護壓力，特別是在一些水資源稀缺的地區(qū)，這種問題更加突出。因此，化工企業(yè)節(jié)約用水、降低循環(huán)水系統(tǒng)能耗、減排增效是一項重要的工作，做好企業(yè)循環(huán)水系統(tǒng)運行及管理，對于企業(yè)可持續(xù)發(fā)展意義重大。

1 石化企業(yè)循環(huán)冷卻水系統(tǒng)

石化企業(yè)循環(huán)冷卻水系統(tǒng)分為敞開式和封閉式兩種，敞開式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)應用較為普遍。

1.1 敞開式循環(huán)冷卻系統(tǒng)

敞開式循環(huán)冷卻系統(tǒng)使用冷卻塔來進行冷卻，能夠對冷卻水進行循環(huán)利用。冷卻塔組成部分主要有通風塔、淋水系統(tǒng)、配水系統(tǒng)、收水器、通風設備等，淋水塔是重要的組成部分，能夠將熱水濺散呈細小的水滴或薄水膜，以提高散熱效果。敞開式循環(huán)系統(tǒng)在冷卻過程中與空氣接觸，水分會被蒸發(fā)，導致?lián)p失一部分循環(huán)水，使得循環(huán)水濃度增加，為了保持循環(huán)水平衡，需要補充一定的循環(huán)水，并排出部分污水。敞開式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)冷卻過程分為蒸發(fā)冷卻、接觸冷卻和輻射冷卻三個過程。其中夏季室外溫度高，蒸發(fā)散熱效果最好，冬季室外溫度低，接觸散熱效果好。

1.2 封閉式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)

封閉式冷卻水循環(huán)系統(tǒng)處于封閉狀態(tài)，冷卻水使用后進行循環(huán)再利用，而不是立即排放出去。對循環(huán)水的冷卻需要借助其他換熱設備進行，由于采用全封閉模式，冷卻水在循環(huán)過程中消耗較少。封閉式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)在內燃機、發(fā)電機等設備冷卻中應用較多。

2 循環(huán)水系統(tǒng)節(jié)水技術分析

2.1 提高濃縮倍數(shù)

根據(jù)循環(huán)水系統(tǒng)水量消耗特點，循環(huán)水濃縮倍數(shù)直接影響水量的消耗及排污量大小。由圖1循環(huán)水系統(tǒng)濃縮倍數(shù)與補充水量/蒸發(fā)水量關系可知，當濃縮倍數(shù)較低時（小于4），隨著濃縮倍數(shù)變大，補充水量大幅度減少，隨之排污量也減少。當濃縮倍數(shù)變大時（大于4），二者關系曲線較為平直，隨著濃縮倍數(shù)變大，補充水量下降較慢，隨之排污水量也降低較慢。伴隨著濃縮倍數(shù)增大，循環(huán)水系統(tǒng)中含鹽量增加，循環(huán)水中鹽濃度增加，導致容易產生垢質，同時對管道腐蝕加劇。

圖1 循環(huán)水系統(tǒng)濃縮倍數(shù)與補充水量/蒸發(fā)水量關系

根據(jù)循環(huán)水系統(tǒng)濃縮倍數(shù)與補充水量/蒸發(fā)水量關系，為提高循環(huán)水系統(tǒng)節(jié)水效果，應精細管理，提高循環(huán)水濃縮倍數(shù)，實現(xiàn)節(jié)水目的。在具體操作過程中，可以通過兩種方式來提高循環(huán)水濃縮倍數(shù)：①使用高效水處理藥劑，通過合理控制處理劑用量，實現(xiàn)對循環(huán)水濃縮倍數(shù)的精準控制，達到節(jié)水效果，這種方式不需要對補充水進行預處理；②對補充水進行預處理，以提高循環(huán)水濃縮系數(shù)。這種方式在北方使用較多，北方水質較差，多屬于高硬度、高含堿水，這種水質很難通過處理藥劑來調節(jié)濃縮系數(shù)，處理劑的效果優(yōu)選，對補充水進行預處理效果更好，為最佳選擇。

2.2 污水回收利用

通過提高濃縮倍數(shù)實現(xiàn)節(jié)水及減少排污量的措施效果有限，主要是受到生產規(guī)模的影響，因此，需要考慮其他節(jié)水措施。通?；て髽I(yè)具有較為完備的工業(yè)用水生產系統(tǒng)及供排水系統(tǒng)，利用這些系統(tǒng)，能夠實現(xiàn)對生產廢水的回收利用，可作為循環(huán)水使用。目前，較多的化工企業(yè)開展污水回收利用技術研究，企業(yè)排放污水達到二級標準，在此基礎上再進行深度處理，可作為循環(huán)水來源。

目前對生產用水回收利用有兩種方式，一種是對回收污水只進行簡單處理，而對于循環(huán)水階段則加強控制，提高循環(huán)水水質，這種回收方式對回用水的處理成本相對較低，回收速度快、投資小，但這種污水回收處理方式也存在弊端，即對循環(huán)水系統(tǒng)控制技術要求較高，也會導致循環(huán)水控制成本上升，這種方式在南方使用較多，因為南方水質相對較好，且水資源充足、水價相對較低。另一種方式加強對達標污水的處理，實現(xiàn)對達標污水的深度處理，將重點放在污水深處理階段。這種污水處理方式能夠提高循環(huán)水水質，降低循環(huán)水控制難度，有效保護循環(huán)水系統(tǒng)，降低循環(huán)水系統(tǒng)運行風險。這種處理方式的弊端是回用水成本較高，適用于北方水資源緊缺、水質較差、水價較高的地區(qū)。對于回用污水處理，化工企業(yè)應根據(jù)自身特點，綜合考慮操作成本、技術難度等因素，選擇適合本企業(yè)的回用水標準及深度處理技術。

除了上述利用達標排放的污水外，一些化工企業(yè)建有采用混凝沉降工藝的凈水廠，能夠對一些廢水水源進行凈化使用，這部分水源含有大量泥沙和懸浮物，將懸浮物凈化后，可以回用至循環(huán)水系統(tǒng)中?；て髽I(yè)水處理過程中，化學處理大多采用離子交換技術，實現(xiàn)對污水中鹽類除去，在離子交換樹脂再生后期需要使用脫鹽水進行沖洗，沖洗過程中消耗大量脫鹽水，而這些脫鹽水含鹽量低于新鮮水含鹽量，水質接近新鮮水，可以將這部分水回用于循環(huán)水系統(tǒng)，這種污水補充方式適用于北方水質較硬的地區(qū)，回收利用這部分水能夠提高循環(huán)水系統(tǒng)濃縮倍數(shù)，達到節(jié)水目的。此外，循環(huán)水系統(tǒng)排出的污水也可以進行再利用，這部分污水可以進行脫鹽處理，處理后能夠再回用到循環(huán)水系統(tǒng)，也可以將這部分污水用于綠化用水或沖廁用水，這項技術應用需要注意兩個方面，一是要考慮污水回用的成本是否合理，二是要考慮這部分用水量不能過高，否則高于循環(huán)水系統(tǒng)排出的污水量，會導致循環(huán)水系統(tǒng)濃縮倍數(shù)降低，不利循環(huán)水系統(tǒng)節(jié)水運行。

2.3 提高循環(huán)水系統(tǒng)節(jié)水效果

除了上述提高循環(huán)水濃縮倍數(shù)、加強污水處理及回收利用外，還可以結合循環(huán)水系統(tǒng)特點，提升節(jié)水效果。首先，在循環(huán)水系統(tǒng)運行過程中，需要減少防滲漏及密封效果，特別是運行時間較長的循環(huán)水系統(tǒng)，由于系統(tǒng)老化腐蝕等，容易出現(xiàn)滲漏，需要做好防滲漏工作，定期檢修與維護，將滲漏降至最低，提高系統(tǒng)運行效率。還需要做好循環(huán)水系統(tǒng)防風吹工作。風吹會加速水分揮發(fā)，導致循環(huán)水損失，因此，需要做好防風吹工作，可以使用收水器或收水擋板，或者加裝填料，減少風吹造成的損失。此外，溫度差異也是造成循環(huán)水系統(tǒng)中水分蒸發(fā)的重要因素之一，因此，需要降低供回水溫度差異，以提高能源利用效率。例如，當介質溫度大于150℃時，需要先對熱量進行回收利用，然后進行循環(huán)冷卻，不僅提高了能量利用率，也降低了循環(huán)水的消耗量。

3 循環(huán)水系統(tǒng)節(jié)電技術分析

化工企業(yè)循環(huán)水系統(tǒng)中的水泵是循環(huán)水流動的重要驅動裝置，以往對于水泵流量控制多使用鼠籠式異步電機，電機恒速轉動拖動水泵，在進行流量控制時，通過節(jié)流閥或者擋板來實現(xiàn)流量調節(jié)，這種調節(jié)方式簡單直接，但節(jié)能效果差。目前變頻節(jié)能技術已廣泛應用于工業(yè)控制中，其調節(jié)效果好，智能化程度高，易于自動化控制，節(jié)能效果好，避免因設計庸余或流量變化控制效果差造成的電能損失。

3.1 循環(huán)水系統(tǒng)變頻節(jié)能技術原理

變頻控制技術能夠對水泵電機、風機的智能化控制，實現(xiàn)對循環(huán)水的精準調節(jié)，達到節(jié)能效果。其原理是實現(xiàn)對風機、水泵的智能化調節(jié)，取代傳統(tǒng)的節(jié)流閥或擋板的調節(jié)方式，達到節(jié)能效果。為了解變頻控制優(yōu)勢，分析了水泵的工作特性，如圖2所示。當水泵流量從QA降低到QB時，如果使用關小閥門的方式來進行調節(jié)，那么管阻曲線如③所示，此時揚程特性曲線如①所示，由于工作點從A點變到B點，水泵流量降低，揚程增加（由HTA增加到HTB），水泵軸功率與面積S0（FBEO）呈正比。如果閥門的開度保持不變，此時通過調節(jié)水泵轉速來控制流量，水泵轉速的變化會導致?lián)P程發(fā)生變化，但管阻特征無明顯變化。此時，如果轉速降低，揚程特性曲線也會隨之下移，如曲線④所示，但管阻特性曲線不變，如曲線②所示，此時工作點變?yōu)镃，水泵軸功率與面積S1（OECH）成正比，減少的能量消耗與面積S2（FBCH）成正比。綜合分析，水泵流量與轉速成正比，而水泵軸功率與轉速的立方成正比，調節(jié)水泵轉速比調節(jié)流量的方式節(jié)能效果更好。

圖2 水泵工作特性曲線

3.2 變頻調節(jié)技術措施

通過變頻技術來調節(jié)水泵轉速比傳統(tǒng)通過閥門或擋板來調節(jié)流量的方法具有明顯優(yōu)勢。在采用變頻控制技術時，具體控制方案可以在循環(huán)水出口處設置一個壓力傳感器和溫度傳感器，監(jiān)測循環(huán)水的溫度與壓力變化情況。當循環(huán)水溫度升高，高于設定的溫度上限時，通過變頻控制技術，調節(jié)電機功率至上限，提高循環(huán)水流量。當檢查到循環(huán)水溫度低于溫度下限時，通過變頻控制技術，調節(jié)電機功率至下限。當監(jiān)測到循環(huán)水溫度處于最高溫度與最低溫度之間時，變頻控制技術通過智能化控制實現(xiàn)無級調速，使水泵達到最近工作狀態(tài)，達到節(jié)能降耗的目的。

變頻控制技術自動化程度高、控制效果好、安全平穩(wěn)、噪音小，能夠有效較低水泵和風機的無效功率，提升節(jié)能效果，同時由于控制更加平穩(wěn)，水泵、風機及管道設備的損耗低，維修費用低、使用壽命得到延長。

4 結束語

為了踐行中央“綠水青山就是金山銀山”的發(fā)展理念，各地加大了環(huán)境保護力度，化工企業(yè)生產過程中用水量大、能耗高且易產生環(huán)境污染，屬于環(huán)境保護部門重點關注對象。為了貫徹中央環(huán)境保護政策，化工企業(yè)要不斷改進及創(chuàng)新生產工藝，優(yōu)化循環(huán)水系統(tǒng)流程，持續(xù)提升節(jié)水節(jié)電效果，降低企業(yè)生產成本，突出環(huán)境保護成效，為企業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供技術保障。