循环水系统的优化途径和方法

循环水系统的优化途径和方法
[摘要]介绍循环水系统的能量优化特点、优化思路、优化方法。

一、循环水系统的特点；
二、循环水系统的节能优化措施；
一、循环水系统的特点
炼厂公用工程系统中的循环冷却水系统是的重要组成部分，循环冷却水系统的能耗在炼厂能耗比例中较高，对循环水系统进行系统节能优化，是炼厂能量系统优化的重要内容。

1.循环水系统流程
循环冷却水由如下流程框图中各部分组成。

利用循环水泵将循环水升压送往生产装置中的各冷却器，用来冷却工艺介质，冷却水本身温度升高，设计温差一般是10℃，最经济的操作指标就是设计的进出口温差。

被升温后的冷却回水利用自身余压返回冷却塔顶部，在冷却塔中喷溅到填料上并形成水膜和水滴，通过塔体本身高度形成的自然拔风及塔顶风机的抽风，与落下的水滴和填料上的水膜进行热交换，通过蒸发、接触传热，水膜和水滴在下降的过程中逐渐变冷，冷却后落入塔底集水池。

而上升的空气在冷却塔内上升过程中逐渐变热，最后由塔顶逸出，同时带走水蒸气，这部分水的损失称作蒸发损失。

热水由塔顶向下喷溅时，由于外界风吹和风机抽吸的影响，循环水会有一定的飞溅损失和随空气带出的夹带损失，统称为风吹损失。

因蒸发和风吹损失原因，水中各种矿物质和离子含量也不断被浓缩增加，为了维持各种矿物质和离子含量在某一水平，必须排出一定量的浓缩水，通常称作排污水，同时向系统补充一定量的冷却水以维持水池水位，通常称作补充水。

收集在塔底集水池的冷却水经管道（渠）流入吸水井，由循环水泵加压送至各装置，使用后的水再回到冷却塔冷却后重复利用。

为降低循环水浊度，循环水设有旁滤系统，部分循环水通过旁滤泵和旁滤设施过滤后重新返回系统。

2.循环水系统能耗分析
循环水系统的能耗主要是电耗和水耗，其中电耗占总能耗的90%以上。

节电是循环水系统节能根本，重点是水泵和冷却塔风机。

耗电大户有循环水泵、旁滤水泵、冷却塔风机。

（1）循环水泵
收集在集水池内的冷却水，由循环水泵升压后送往生产装置中各冷却器，需要克服高差和摩擦阻力损失，对于炼厂内的用水点，扬程基本都差不多，主要是流量巨大，所以优化节能减少循环水用量是行之有效的方法。

（2）旁滤水泵
循环冷却水在使用过程中，不断受到来自空气的污染和微生物滋生的危害，导致水浊度的上升，设计中都是通过设置旁滤系统以控制浊度，旁滤水泵耗电量的大小与旁滤水量和要提升的扬程有关。

所以实际操作中，加强使用维护，尽量减少污染和微生物滋生非常重要。

（3）冷却塔风机
冷却塔顶风机运行中耗电量很大，主要与冷却水量、冷却水温差、减速机效率等有关。

运行维护中应该加强管理，减少跑冒滴漏，减少冷却水用量，严格控制回水温度，变频调速等都是有效控制手段。

（4）新鲜水消耗
运行过程中存在蒸发损失、风吹损失、排污损失、以及跑冒滴漏等损失水量，需对系统经常补充一定量的新鲜水。

补充水的大小与管理水平、循环水用量、循环水实际温差、浓缩倍数、季节等因素有关。

影响循环冷却水电耗与补水率的因素较多，如循环冷却水系统大小、供水压力高低、温差大小、浓缩倍数、季节因素、环境温度、输送距离等，因而在同一企业中的不同循环水系统其电耗与补水率的差值也相差很大。

二、循环水系统的节能优化措施
1.降低循环水用量的措施
只有通过装置的优化，才能降低循环水的需求量，实现循环水场的总循环水供水量的降低。

1.1.降低装置循环水需求量
通过装置的工艺过程优化，可以降低用水点的冷却负荷，从而减少循环水的需求量。

循环水系统运行要满足装置工艺要求，通过能量优化、装置间的直供料等措施，可以改变装置的循环水需求量，直接影响循环水系统优化的后续措施。

所以循环水的节水，首先应从工艺装置优化开始，降低了冷却负荷，就能降低循环水用量，降低泵的输送负荷，达到节水节电的效果。

对运行装置，通过热供料，可以会停用部分循环冷却水冷却器，降低循环水用量，从而降低循环水装置能耗。

另一方面，需要加强设备管理，杜绝跑冒滴漏，要经常核查工艺装置内的循环水冷却设备，严格控制循环水供回水温差符合工艺卡片要求，循环水进出温差过小意味着冷却设备的传热面积小或供水量过大，在经济核算基础上决定是否更换冷却设备或修改控制流量参数，如果经济上不合理，而循环水温升过小，可以考虑采用循环水串级利用。

1.2.调整供回水温差降低供水量
在工艺介质冷却负荷一定的情况下，循环水温差决定了整个循环冷却水系统的循环量。

循环水温差越高，循环冷却水的循环量越小，循环冷却水系统能耗也就越低。

导致循环水系统供、回水温差较大的原因包括：
（1）换热器的设计不是最佳。

这有两方面原因：一是流速低导致传热系数低，流速低，使污垢容易沉积，污垢热阻增加，导致传热更差，传热系数更低，形成恶性循环；二是换热面积不够，这种情况除了设计错误以外，主要是由于扩能改造后换热器利旧，导致冷却不够充分。

（2）工艺介质固有性质使得传热系数无法提高，循环冷却水出口温度难以提高。

如某些轻烃物料和气体介质的冷却由于传热系数低，换热器冷却水出入口温差不会太高。

（3）管理不到位，造成水质差。

盲目追求进、回水大温差，将循环冷却水冷却器出口阀关很小，导致换热器中循环冷却水侧流速过低（一般不能低于0.9 m/s），低流速条件下污垢更容易粘附在管层内表面，污垢热阻增加，使冷却器传热系数降低，循环水温差自然也就降低。

流速低严重时污泥沉积较多，还容易发生垢下腐蚀穿孔，使换热管破裂，工艺介质泄漏到循环冷却水中，污染水质，或循环水漏人工艺介质内，污染产品。

管理不到位主要体现在两个方面：一方面
是各个生产装置的循环冷却水冷却器管理不到位，另一方面是循环水水质管理不到位。

（4）采用循环水串级利用，降低循环水用量。

循环水串级使用是将循环水冷却器温差较小的循环水（比如塔顶油气冷却）串给冷却要求不高的循环水冷却器（比如最终产品的冷却），达到循环冷却水的二次利用。

通过循环水的重复利用、二次取热提高循环水温差、降低循环水的供水量。

循环冷却水的串级利用可以分两种情况。

一种情况是装置内部的流程优化，另一种是装置间串级利用。

装置内串级利用案例：
常减压装置有减顶循环水冷却器和减三冷却器温差较小，减三冷却器对冷却要求不高，具有串级利用的潜力。

减顶循环水冷却器使用后的循环冷却水串联给减三冷却器，优化后循环冷却水温差从4℃提高到8℃，节约循环冷却水量约130 t/h。

压降满足要求的前提下，改造费用很低，只是在C02出口增加一条跨接到C01入口的跨线，如下图所示。

装置间的循环冷却水大串联，就是将某些装置总的循环冷却水进回水温差小的总回水串给另外一个对冷却要求不高的装置，作为下游这个装置的总供水。

但串级利用必然会增加系统的压降，需要提高循环水泵的压头，因此实施串级利用时需要对水量和压头进行权衡计算，才能做出最终决策。

装置间串级利用案例：
气分装置的温位较低，绝大部分气分装置的总循环水回水温度都不高，总温差都小，某气分装置总循环冷却供回水温差仅仅2℃，循环冷却水量有860t/h。

而该炼厂的MTBE装置位于气分装置比邻，需要循环冷却水量490t/h。

经测算，降低供水量情况下，泵扬程可以满足串联供水要求，将气分车间循环冷却水回水总管加跨线到MTBE车间上水总管上。

优化后可节约循环冷却水量490t/h，按该厂循环冷却水内部价格0.37元/t，年效益为150万元，管线设备投资50万元。

2.降低循环水补水量
2.1.提高浓缩倍数
循环冷却水浓缩倍数是指循环冷却水的含盐量与其补充水含盐量之比。

提高浓缩倍数，可降低补充水量，节约用水；还可减少排污，从而减少对环境的污染和污水处理费用。

提高浓缩倍数还可节约水处理剂耗量，从而降低冷却水的处理成本。

但浓缩倍数也不能无限提高，过度提高会使循环冷却水中的硬度、碱度和浊度升得太高，水的结垢倾向增大，使控制结垢的难度增大；还会使循环冷却水中腐蚀性离子和腐蚀性物质浓度增加，水的腐蚀性增强，使腐蚀控制的难度增加，还会使药剂在冷却水系统内停留时间增长而水解。

所以冷却水的浓缩倍数需要优化权衡确定。

（1）减少系统的保有水量
根据生产实际情况，保证安全平稳生产前提下，可适当垫高集水池底部减少集水池有效深度、降低冷水池水位，降低冷却塔集水池、冷水池的容量。

（2）提高循环水系统利用率
调整冷却器进、出口阀门的开度，适当减少循环水量，提高冷却水回水温度；同时关注环境因素，根据季节、水温、水量及时调节冷却塔上塔阀门开度，使各塔布水均匀，使冷却塔进、出塔水温差接近设计值。

（3）提高旁滤池处理效率
在石英砾、砾石的基础上，增设新的滤料层，提高旁滤池截污能力，使循环水过滤后浊度降低，达到改善循环冷却水水质的目的。

还可对旁滤池进行改造，如采用纤维素过滤器等。

（4）加强日常维护管理、减少系统波动
加强水质监测频次，发现异常数据（如浊度、PH、含油量等），及时排查隐患，尽快找出并切断“泄漏源”，及时处理，把危害降低到最低。

严控生产装置向循环水系统回串水情况发生，加强对地下管线的巡查和探测，防止管线因腐蚀泄漏；对系统内的构筑物、管线、阀门等要定期检查、维护和保养。

（5）采用先进的清洗工艺技术清洗系统
系统清洗频次应合理，制定优化先进的清洗方案，确保系统长期稳定运行，确保清洗效果优良，减轻清洗对浓缩倍数的影响。

2.2.采用闭式冷却塔
在开式冷却塔内，循环水依靠蒸发带走热量达到降温目的，蒸发损失几乎占循环冷却水系统水消耗的绝大部分。

闭式冷却塔是将管式换热器置于塔内，通过流通的空气、喷淋水与循环水的热交换保证降温效果。

如下图：
闭式循环系统采用软水充当冷却水，升温后的冷却水回水进入闭式冷却塔的管式换热器内，在闭式冷却塔换热盘管内流过，空气在管外流过，使管内冷却水与管外空气进行热量交换。

当闭路循环冷却水系统出水温度高了，不能满足工艺要求的冷却水温度时，就需要开启闭式冷却塔内循环喷淋水系统，盘管上方的喷淋水沿排管均匀地喷洒在盘管的表面，在管壁外表面形成均匀的水膜，室外冷空气由塔体下方的进风口进入塔内，与喷淋水呈相反方向流经盘管外的水膜层；通过接触传热和一部分喷淋水蒸发散热而吸收盘管内水中的热量，吸收热量后的饱和热湿空气由冷却塔顶部的排风机排至大气中，通过流通的空气、喷淋水与循环冷却水的热交换以达到工艺换热所要求的冷却水温度指标。

2.3.充分利用处理后的回用污水作循环水补水
炼厂外排污水水质大多比较差，多数不满足循环水补水要求，不能直接回用，适度处理后可以达到回用循环水的水质要求。

这些外排污水处理后作为循环水系统补水可以降低炼厂新鲜水用量，达到节水、减排、环保目的。

3.优化降低循环水管系统阻力减小压降
优化循环水的供、回水管压力系统，包括管路、阀门、设备等。

针对管路系统的优化，涉及到设计和管理，设计优化就是水力学优化计算，基础设计和详细设计以及竣工图核算调整，装置考核后优化调整计算，都属于设计优化工作内容；操作管理优化主要是优化阀门开度、合理配水分布等。

3.1.增加管道泵
有高位（需要高压头）循环水冷却器的应用场合，为了满足高位供水压力要求，适当的处理方式是增加管道泵，满足局部高位供水压力要求，不要因一个点的需要而增大整个循环水系统的压力，维持母管供水压力在合理、低位运行，这种处理方式最经济。

提高整个系统的母管压力，不但投资大大增加，还会大大增加水泵能耗。

这种情况的循环水系统，就应优先采用局部独立设置管道泵的方式，单独为高位换热器供水，降低系统母管压力。

对于存在多个高位冷却器的循环水系统，可以建立泵压头、管网和管道泵的数学模型，以系统运行和投资总费用最低为目标函数优化求解设立管道泵的条件。

3.2.循环水系统的阀门及配水优化
利用阀门开关度调控压降和流量，实现各个用水装置的按需分配，并始终保持管网水力学的动态平衡。

多用户、多冷却塔的循环水系统，冷却水用户与冷却塔匹配方式直接影响循环水系统操作费用，可以通过建立数学模型寻找冷却塔组、水流量平衡的高效输配关系。

根据回水温度及环境温度，合理控制风机开停台数，实现冷却效率和经济效益最大化。

通过对用户供水系统的调查，针对不同运行方式下的供水参数，如水泵和电机的运行状态、阀门开度、关键点的压力值、流量、水位高度、冷却塔状态、沿程管路阻力及各种末端设备的型号和工艺参数等，按最佳工况运行的原则，建立适合各自炼厂的水力学的数学模型，解决循环水系统不匹配、低效率、过流量等引起的功率损耗问题，提高输送效率，实现能量的合理使用和系统的优化。

3.3.水冷器流速优化
对流传热系数与流体的流动状态有关，提高流速可改变流动状态，提高传热系数，进而提高传热效率，改善传热。

水冷器中循环水流速低于0.5 m/s时易结垢，不利于设备的长周期运行，同时也降低水冷器换热效率，必须进行调整。

但当流速提高到一定程度时，传热系数随着流速的提高而增速减慢，而换热器的压降增加幅度却很大，增加了循环水的动力消耗，泵的电耗增加。

所以在设计换热器时，可适当加大管内流速，以提高管内换热系数，强化管内传热，做到流速优化，设备设计优化，运行管理优化。

4.提高设备工作效率
针对设计不合理，或改造后造成设备不匹配的情况，需要采取诸如替换设备等措施，减少能耗。

4.1.切割水泵叶轮
当水泵严重过大情况下，可切割叶轮，切割后会减小流量、降低运行功率，但水泵效率也会随之降低，并且叶轮切割准确度差，效率也会有折扣。

4.2.不合理的水泵
不合理的水泵可考虑更换水泵，有以下三种措施：
①扬程过高而采取关小水泵出口阀门来节流的情况，会造成能量损耗。

循环水的管路系统由管道、阀门、冷却塔、泵等构成，管路中的每个元件的工作状态都影响系统的特性曲线（即流量和压头的关系曲线）；而循环水泵的流量和压头同样存在特定的关系曲线，即泵的特性曲线。

循环水系统的流量降低时，通常的调节措施是通过关小出口阀门的开度来实现，管路的流通阻力加大，阀门本身节流所造成的压头损失消耗水泵的功耗，严重时会造成管路系统振动，噪音增大，这种情况可以考虑更换循环水泵。

但是循环水泵出口阀还是应该保持一定的节流量是必要的，它是循环水系统特殊情况下增加系统操作弹性的裕量能力，因此更换水泵时，不宜将出口阀门完全打开作为设计条件。

②加强对水泵的维护管理，经常地校正水泵的运行工况，使其始终处于高效运行区。

水泵的运行效率与泵的供水量有密切关系，循环水系统原设计中往往根据最大需水量，选择处于高效运行区的水泵，但实际运行中的循环水量与设计水量会存在较大偏差，当改变出口阀门开度调节水量时，水泵流量变化，就会导致水泵的运行效率偏离高效运行区。

如果这种偏离很大，就要考虑换泵了。

更换适合的新泵，使水泵处于高效运行区间，就能降低供水泵的电耗。

有的时候，当原设计中是多台泵并联操作时，通过更换新泵、矫正水泵流量，可以减少并联泵台数，降低并联泵边际流量递减带来的效率损失，也是一种节能效果。

③水泵自身制造缺陷造成效率低，需要换泵。

影响水泵效率的因素主要包括密封、流体损失、摩擦、泄漏等因素，这些因素都是在水泵制造阶段的影响因素，影响水泵的容积效率、水力效率和机械效率，已经出厂的水泵，再对这些因素施加影响提高泵的效率，可能性很小。

水泵最高点效率往往在80%～90%，在相同水量和压头工况下，如果最高点效率由80%提高到90%，其节能率也只有约12.5%；同时水泵的运行不可能长期完全处于最高效率点，因此通过水泵本身效率提高带来的节能空间有限。

4.3.水泵的调速技术
水泵调速可以节能。

现阶段主要可有以下措施：
①变频技术。

通过温差、压差或负荷信号改变电机频率来调节流量，同时达到降低电耗的目的。

变频技术应用于末端流量精确配送，或变流量系统的流量微
调，作用非常明显。

对于水泵并联、串联等复杂系统情况，泵组的运行模式多变，变频器发挥的作用有限。

②液力藕合器技术。

以液体为工作介质的一种非刚性联轴器，又称液力联轴器。

液力藕合器的泵轮和涡轮组成一个可使液体循环流动的密闭工作腔，泵轮装在输入轴上，涡轮装在输出轴上。

电动机带动输入轴旋转时，液体被离心式泵轮甩出，这种高速液体进入涡轮后即推动涡轮旋转，将从泵轮获得的能量传递给输出轴。

最后液体返回泵轮，形成周而复始的流动。

液力耦合器的特点是：输入轴与输出轴间靠液体连通，工作构件间不存在刚性联接，能消除冲击和振动；输出转速低于输入转速，两轴的转速差随载荷的增大而增加。

4.4.风机运行优化
对风机增加变频措施，改变风机叶扇角度等措施都可以优化循环水供水温度。

采用新型风机叶片材料，降低转动功耗也是一种节能措施。

5.富裕压头的利用
优化了循环水系统压头之后，循环回水压力应该已经降低，但有时还会有富裕压头，主要原因包括：
（1）由于冷却设备一般都布置在框架上，冷却塔所处地势较低，形成的压差。

（2）在设计计算过程中，对设备和管路阻力、提升高度、输送距离等留有较多的余量;
（3）在计算总阻力基础上又再乘1.1~1.3倍的系数，以此作为水泵选型的依据，造成余量更加过剩；
（4）水泵选型时，因没有恰好与选定参数一致的扬程，又会留有余量；
（5）由于用水点的用量瞬时变化，设计时还留有富余流量。

设计时，从换热设备热负荷、换热面积到冷却水量、以及考虑到汽蚀、结垢等原因，均留有一定的余量，这些因素都造成扬程富余。

如果富余压头较高，能满足驱动水轮机并带动冷却塔风机，则可进行水轮风机替代电动风机的改造。

利用循环水的富余能量作为水轮机动力，将传统的冷却塔风机由电动机驱动改用水轮机驱动，或水轮机与电机双驱动，同时取消电动机和减速箱系统。

循环回水首先推动水轮机做功，再进入循环水配水系统。

水轮机结构简单，维修量减少，故障率降低。

在不改变循环水系统其他设计参数情况下，保证生产装置运行不受影响，同时还能达到节能目的。

对富裕压头的优化，首先应考虑降低循环水系统回水压力，然后对无法消除的富裕压力再考虑使用水力风机。

6.循环水回水热量利用
电厂的循环水系统已有利用循环水富裕热量的先例，采用热泵技术提高热量温位，用于用户端生活热水。

尤其在冬季，循环水回水温度为30～40℃，对于温度为5～8的冬季空气，循环水回水可以作为预热加热炉空气热源使用。