现在企业将降低装置能耗作为重点工作, 投入大量人力物力进行节能降耗工作, 以此提升产品利润进而提高企业综合竞争力。高能耗是化工生产企业的主要特征之一, 循环水系统能耗占化工生产中整体能耗中的大部分。循环水系统是公共系统的重要组成部分。本文在保证装置正常运行的前提下, 通过探索多种工艺技术改造降低循环水系统能耗, 以提高生产经营效益。
水轮机的功能是将水流的动能转化为机械能, 是用水轮机产生的机械能来驱动叶轮转动的风机[1]。某循环水系统, 抽风式逆流冷却塔两座, 循环水泵 (额定功率800k W, 额定流量4000m3/h, 额定电压10000V) 为两开一备。实际运行循环水系统中回水压力一直在0.2MPa以上, 为对回水能量进行利用。通过设计改造, 将原有的电动风机 (额定功率180k W, 直径9140mm, 叶片数5, 额定电压10000V) 改为用水轮机进行驱动。经过实际运行水轮机效率可达到90%, 循环水系统年运行时间按照8000h计算, 电费0.73元/k W, 每年可节约能耗:180×8000×0.73元=1051200元。水轮机存在以下优点:将回水能量进行充分利用, 节约大量电能;避免电动风机的漏电、漏油及电机、电控损坏等故障;降低了噪声, 飘水所带来的环境污染。
改造前后冷却塔进水对比如图1所示。
不改变原冷却塔系统内部结构的情况下实现了电发动机所具有的相同的功能, 并节约了电耗, 同时保证冷却效果保持一致[2]。水轮机的能量来源是回水压力, 但现在循环水系统通过合理的设计往往回水压力达不到0.2MPa, 当循环水回水压力低于0.2MPa时, 水轮机的应用限制较多。回水的压力较高, 但能量来自循环水泵, 泵自身也有功率损耗存在, 且循环水在整个系统压损较大。
叶轮切削指的是对循环水系统的水泵叶轮边缘进行切削, 降低水泵出力, 实现扬程和流量的降低, 水泵在运行过程中能耗会有所降低, 实现节能效果[3]。如某循环水场泵出口压力可达到0.75MPa, 电流为53A, 循化水回水的压力为0.19MPa。通过对循环水泵叶轮进行切割, 使循环水泵出水压力降低至0.6MPa, 电流降至47A。按照年运行周期300天, 电费0.73元/k W, 每年可节能约60万元。对循环水泵叶轮进行切割, 原因往往是企业初期选择水泵不合理, 实际用水量往往达不到循环水泵的出水量, 需要用通过调节阀门开度控制出水量, 从而导致泵出口压力较大, 能耗高。
通过切割叶轮的方法直接降低水泵的流量和扬程降低水泵的运行功率, 达到节能的目的[4]。叶轮切割的优化改造, 施工周期较短, 成效较快。切割叶轮也会导致效率降低。可以通过更换高效叶轮降低循环水能耗, 提高能源利用效率。
循环水系统再设计之初就可能存在循环水量大于实际用量, 某延迟焦化装置两台循环水泵编号CP101/CP102, 电动机额定功率450k W, 一台水泵出口全开, 一台出口开50%, 两台电动机全速运行能耗浪费严重。通过对其中一台电机进行变频改造优化, 通过降低电机转速大大降低电机能耗。以冷量“按需供应”的原则调整运行电动机的频率, 通过对供水量以及水温的合理调节, 变更设备的传统控制方式[5], 实际运行中转速调至885转/分运行, 则节电效益可作如下计算:电机输入功率减少系数为1- (885/985) 3=1-0.725=0.275, 则输入功率节省0.275×450=123.75k W, 每年按照运行8000h, 则节省电能为:123.75×8000=990000k W/h, 电费0.73元/k W, 则每年节能:990000×0.73元=722700 (元) 。
然而高压变频系统存在以下弊端, 高压变频技术成熟度低, 变频设备占地较大, 且高压变频投入较高等, 这些因素限制了高压变频在循环水系统中的广泛应用。
闭路循环水系统最大的优势循环水系统冷却水不与外界接触, 进而避免空气中的杂质进入到循化水系统。循环水使用除盐水或软化水, 降低换热器的结垢, 很大程度提高整个系统的换热效率, 同时能够节省大量的助剂投入。通过对国内外蒸发式冷却研究情况来看, 美国对蒸发式冷却研究较为深入, 通过蒸发式冷却技术的大量研究, 推动了蒸发式冷却理论体系的建立, 推动该技术转向闭式冷却塔的优化设计、传热传质强化以及工业应用等领域[6,7]。对某循环水场进行闭路循环改造, 原有开式凉水塔处理量为4000m3/h, 占地约为:30m×14m, 钢筋混凝土框架。风机直径8m, 风机功率90×2=180k W, 进塔水温:冬季16℃, 夏季40℃;出塔水温:冬季12℃, 夏季33℃。现有开式凉水塔在使用过程中, 由于水质较差, 工艺设备循环水侧结垢情况较为严重, 严重影响换热性能, 直接影响到装置的工艺操作, 难以保证装置长时间正常运行。将上述开式凉水塔改造为闭式空冷塔系统。闭式空冷循环冷却水系统分为内循环部分和外循环部分组成。内循环部分包括:空冷器, 循环水泵, 循环水旁滤器, 膨胀水箱, 加药装置;外循环部分包括:喷淋水泵, 喷淋水旁滤器, 外循环加药等。
闭式空冷循环冷却水系统原理如图2所示。
闭式空冷循环冷却水系统与开式循环冷却水系统相比较, 其主要优点如表1所示。
工业水费2.35元/t, 电费0.73元/k Wh, 污水处理费15元/t, 除盐水12元/t, 工业耗水29万吨, 除盐水水耗3万吨, 运行费用及比较如表2。
闭路循环系统具有以下优点:污水量大大降低, 运行费用低, 药剂量减少, 换热器结垢减缓。但投资费用较高, 回收期较长, 限制其在石油化工行业的推广应用。
某循环水场, 三台450k W电动机两开一备。现在运行方式为两台450k W电动机运行, 单台泵运行每天用电量10500k Wh, 两台水泵全开产生较大的能耗。将两台循环水泵更换为高效节能水泵, 通过连续监测单台泵每天用电量6400k Wh。该循环水场年运行时长为300天, 电价0.73元, 通过计算该循环水场每年可节省: (10500-6400) ×2×300×0.73元=1795800元。
流体输送高效节能水泵的应用适合循环水系统节能, 且节能效果显著[8]。节能水泵相对普通水泵将扬程大大降低, 原系统泵出口压力为0.67MPa, 改为节能泵后泵出口压力降为0.3MPa。如循环水系统能够接受扬程的大幅降低同时仍能保证装置的正常换热, 节能泵效果显著。
采用智慧阀门技术, 对石化企业循环水系统进行改造, 配合高效节能泵技术, 可有效解决循环水系统普遍的动态热力失调和水力失调问题, 节能效果明显[9]。
亚音频波传送给能量增进器, 水中能量增强, 而循环水中心的氧原子可与冷却水系统中的铜材以Cu2O形式存在, 或与钢材氧化产物以Fe3O4形式存在, 可以有效抑制装置的腐蚀。[10]。
循环水补水的绝大部分都用于蒸发消耗, 通过对冷却塔蒸发水回收, 降低新鲜水的用量。利用CRECT冷却塔蒸发水汽回收装置进行蒸发水汽回收, 技术可行, 且已有工业应用。但是该技术在缺水或工业水价格较高地区应用意义较大[11]。
综上, 本文主要对水轮机改造、叶轮切削技术、变频技术、闭路循化技术、节能水泵在化工行业应用案例进行介绍, 同时对其它的循环水优化技术进行简要介绍, 旨在为石油化工行业循环水系统的节能优化提供参考。
摘要：石油化工行业生产中, 循环水系统起到了至关重要的作用, 循环水系统运行能耗、水耗巨大。利用行之有效的优化节能技术能够提高循环水系统的能源利用效率, 实现装置能耗合理, 降低企业的竞争压力。本文探究了循环水系统的节能优化技术在石化行业的应用, 以为石化企业循环水系统优化提供改进参考。
关键词：石油化工,循环水系统,节能,优化
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