文/劉明哲 王欣榮 李 誠

（1.浙江晉巨化工有限公司；2.東華工程科技股份有限公司）

隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，國家對于能源消耗的控制愈發(fā)嚴(yán)格，作為各類工業(yè)裝置必備配套設(shè)施的循環(huán)水系統(tǒng)，其節(jié)能降耗設(shè)計(jì)從國家能源消耗控制的需求和業(yè)主追求經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的訴求兩方面都具有十分重要的意義。筆者以某項(xiàng)目循環(huán)水系統(tǒng)為例，探索循環(huán)水系統(tǒng)的節(jié)能設(shè)計(jì)。

一、工程概況

新建39000 Nm3/h 制氧量的空分裝置一套，采取蒸汽驅(qū)動，內(nèi)壓縮流程，產(chǎn)出氧、氮產(chǎn)品供給用戶。與工藝裝置配套的循環(huán)水系統(tǒng)采用開式系統(tǒng)，由冷卻部分、儲水系統(tǒng)、加壓輸送部分和配套的水處理部分組成。循環(huán)水量的正常值為9750 t/h，最大值為11000 t/h。項(xiàng)目所在地水源豐富、水質(zhì)偏軟，冬季最低氣溫-10.4 ℃，夏季最高氣溫40.5 ℃，全年平均濕度79%。

二、節(jié)能設(shè)計(jì)的思考

循環(huán)水系統(tǒng)主要的能源消耗是電，分別用于循環(huán)水冷卻部分（冷卻塔風(fēng)機(jī)）和水的加壓輸送環(huán)節(jié)（循環(huán)水泵）。合理規(guī)劃水泵流量，降低循環(huán)水系統(tǒng)工作壓力，減少循環(huán)水冷卻過程能源消耗，是節(jié)能設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

1.冷卻塔

冷卻塔按通風(fēng)方式分為自然通風(fēng)、機(jī)械通風(fēng)和混合通風(fēng)三種，按熱水和空氣的流動方向分為逆流式、橫流式兩種，按水和空氣的接觸方式分為濕式、干式和干濕混合式三種。

從介質(zhì)流動方向看，同等條件下逆流塔比橫流塔填料體積小20%左右，逆流塔熱交換過程更合理高效，一般首選逆流式；從介質(zhì)的接觸方式看，干式冷卻塔一般在缺水的地區(qū)采用，同等條件下，濕式冷卻具有塔體積小、效率高、價(jià)格便宜、冷卻水溫度低等優(yōu)點(diǎn)，一般首選濕式；從通風(fēng)方式看，機(jī)械通風(fēng)和自然通風(fēng)各有優(yōu)缺點(diǎn)。針對濕式逆流式冷卻塔的機(jī)械通風(fēng)與自然通風(fēng)方式的比較見表1。

表1 濕式逆流式機(jī)械通風(fēng)冷卻塔與自然通風(fēng)冷卻塔的比較

確定冷卻塔的選用方案需要綜合比較上述兩種冷卻塔型式的優(yōu)缺點(diǎn)并對比同類項(xiàng)目。項(xiàng)目所在區(qū)域水資源豐富、水質(zhì)好，從能耗角度考慮，濕式逆流式自然通風(fēng)冷卻塔無疑是更加節(jié)能的方案，這種冷卻塔不需要設(shè)置風(fēng)機(jī)。但濕式逆流式自然通風(fēng)冷卻塔占地大，受建設(shè)區(qū)域用地限制，本項(xiàng)目配套的空分裝置采用機(jī)械通風(fēng)冷卻塔更合適，綜合考慮最終選擇了濕式逆流式機(jī)械通風(fēng)冷卻塔。因此，循環(huán)水冷卻塔的節(jié)能設(shè)計(jì)僅能從風(fēng)機(jī)葉型、淋水密度等方面進(jìn)行優(yōu)化，通常由冷卻塔供貨廠家根據(jù)其成熟的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2.循環(huán)水泵

機(jī)械式通風(fēng)冷卻塔循環(huán)水泵的電耗約占整套循環(huán)水系統(tǒng)電耗的70%，而循環(huán)水泵的投資僅占循環(huán)水系統(tǒng)投資的15%，因此如果能有效降低循環(huán)水泵的電耗，對整套循環(huán)水裝置的節(jié)能意義重大。循環(huán)水泵的電機(jī)功率主要取決于流量、揚(yáng)程和電機(jī)的效率。雖然需求流量已經(jīng)確定，但采用水力效率高的水泵，科學(xué)地進(jìn)行換熱器和蓄水池等設(shè)備的布設(shè)，盡可能地降低水泵揚(yáng)程，同時(shí)考慮用水量季節(jié)變化進(jìn)行合理的泵型匹配，并配置高效能等級的電機(jī)，節(jié)能空間依然很大。

（1）水泵揚(yáng)程的選擇。影響循環(huán)水泵揚(yáng)程的因素有吸水池水靜壓、管路損失、用水設(shè)備布置高度[1]。通過提高吸水池高度、增大管道直徑、縮短管路以及降低高點(diǎn)換熱器和冷卻塔進(jìn)水管高度的方法，可減小水泵揚(yáng)程，達(dá)到節(jié)能的效果。從工藝角度來說，一旦工藝流程選定了，換熱器和冷卻塔的高度很難調(diào)整，因此可考慮將高用水點(diǎn)設(shè)備和低用水點(diǎn)設(shè)備分開供水，從而選擇不同揚(yáng)程的水泵以節(jié)約能耗，但隨之帶來備泵增加、管網(wǎng)復(fù)雜等問題，造成投資增加、運(yùn)管復(fù)雜，可謂有利有弊，需要充分對比評估后才能確定方案。

（2）水泵效率和高效電機(jī)的選擇。在需求功一定的情況下，水泵效率越高則驅(qū)動端需要提供的能源就越少，對節(jié)能降耗就越有利。例如，對于輸出功率要求為500 kW 的水泵而言，水泵效率為85%時(shí)的電機(jī)功率應(yīng)為588 kW，水泵效率為75%時(shí)的電機(jī)功率應(yīng)為667 kW，相差達(dá)79 kW，按照用電成本0.68 元/kWh 計(jì)算，一年的運(yùn)行費(fèi)用相差40 余萬元。電機(jī)的選擇方面，根據(jù)國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的要求選擇高效能電機(jī)。以500 kW 的電機(jī)為例，一級能效比二級能效省6%左右，二級能效比三級能效省6%左右，一年可以節(jié)約運(yùn)行費(fèi)用15 萬元左右。

（3）泵型匹配。由于項(xiàng)目所在地區(qū)冬、夏環(huán)境溫度和濕度差異較大，冷卻塔在冬季和夏季的換熱效果相差較大，從而導(dǎo)致冬季和夏季循環(huán)水冷卻系統(tǒng)的運(yùn)行效率存在較大差異，致使循環(huán)水出水溫度季節(jié)溫差較大。根據(jù)類似項(xiàng)目和裝置運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，循環(huán)水季節(jié)溫差預(yù)計(jì)可以達(dá)到10 ℃甚至更大，因此在夏季循環(huán)水溫度較高時(shí)，工藝設(shè)備所需的循環(huán)水量將遠(yuǎn)大于冬季循環(huán)水用量[2]?？紤]循環(huán)水量季節(jié)變化和工藝設(shè)備75%～105%的運(yùn)行負(fù)荷波動和調(diào)整，確定設(shè)置3 臺或4 臺不同流量的循環(huán)水泵，根據(jù)各種工況下用水量的要求合理調(diào)整水泵的運(yùn)行匹配，充分發(fā)揮水泵效率，降低能耗。

三、方案對比選擇

對水泵效率和高效電機(jī)的選擇可以直接在設(shè)備訂貨時(shí)提出要求，該措施無須討論。對于冷卻塔、水泵流量及揚(yáng)程等參數(shù)選擇，針對項(xiàng)目實(shí)際情況初步擬定了4 種優(yōu)化方案。

方案一：根據(jù)項(xiàng)目季節(jié)環(huán)境因素的影響，對循環(huán)水泵選型進(jìn)行優(yōu)化。配置3 臺4000 m3/h 的冷卻塔，3臺4500 m3/h 的循環(huán)水泵和1 臺2000 m3/h 的循環(huán)水泵（揚(yáng)程30 m）。其中，3 臺4500 m3/h 的循環(huán)水泵為兩開一備，1 臺2000 m3/h 的循環(huán)水泵根據(jù)水溫及空分運(yùn)行負(fù)荷，靈活調(diào)配開啟。

方案二：針對水泵揚(yáng)程進(jìn)行優(yōu)化，考慮提高計(jì)算起點(diǎn)（吸水池）的高度。因此方案二中冷卻塔能力不變，水池抬高3 m，循環(huán)水泵流量與方案一相同，揚(yáng)程相應(yīng)調(diào)整。

方案三：針對水泵揚(yáng)程進(jìn)行優(yōu)化，即優(yōu)化計(jì)算終點(diǎn)的高度。由于用水設(shè)備的高度受工藝要求限制無法調(diào)整，考慮為不同高度的用水設(shè)備獨(dú)立提供循環(huán)水。因此方案三中冷卻塔能力和水池高度與方案一相同，設(shè)置3 臺4500 m3/h 的循環(huán)水泵，揚(yáng)程27 m，供低位的工藝用水點(diǎn)使用；另設(shè)置3 臺750 m3/h的循環(huán)水泵，揚(yáng)程30 m，供高位的工藝用水點(diǎn)使用。

方案四：從優(yōu)化投資、精簡設(shè)備配置的角度出發(fā)，設(shè)置3 臺4500 m3/h、揚(yáng)程30 m 的循環(huán)水泵，冷卻塔能力和水池高度與方案一相同。

以方案一作為基準(zhǔn)，投資概算按0 計(jì)；水泵效率均要求85%以上，電機(jī)能效等級2 級以上，對4 種優(yōu)化方案進(jìn)行對比，對比結(jié)果見表2 ，表中的耗電成本按照0.68 元/kWh 計(jì)算。

綜合對比可知，方案二和方案三雖有一定的節(jié)能效果，但投資增加較多，在不考慮財(cái)務(wù)費(fèi)用和維護(hù)成本的情況下，成本回收期接近10 年，意義不大；方案四雖然節(jié)省了投資，但能耗增加過多。因此方案一總體經(jīng)濟(jì)效益更好。

四、結(jié)語

循環(huán)水系統(tǒng)作為工程必備系統(tǒng)，其節(jié)能降耗意義重大。決定循環(huán)水系統(tǒng)是否優(yōu)配的因素主要有以下幾個(gè)：循環(huán)水系統(tǒng)應(yīng)盡可能靠近用戶，減少不必要的管路損失；循環(huán)水系統(tǒng)管路流速選擇不應(yīng)過快，以減少管路損失，但也不宜過慢，以免積垢、沉泥等問題影響運(yùn)行，一般以1.5～2.0 m/s 為好；高點(diǎn)設(shè)備決定了循環(huán)水系統(tǒng)的揚(yáng)程，所以工藝流程選擇時(shí)要同步考慮換熱系統(tǒng)的布置和匹配，合理地匹配布置各換熱器。若有個(gè)別換熱器位置較高，且用水量較小，可以考慮單獨(dú)配泵，從而降低整套水系統(tǒng)的水泵揚(yáng)程；循環(huán)水泵選擇水力效率高的泵，一般以大于85%為宜；循環(huán)水泵電機(jī)應(yīng)按照最新的國家標(biāo)準(zhǔn)選擇二級以上能效產(chǎn)品；對于冬夏差異較大的區(qū)域，合理地進(jìn)行大小泵配置，更有利于長期的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。