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节能技术
化工企业循环冷却水系统的节能技术探讨

        在化工企业中,循环冷却水是一项常见且很重要的公用工程系统,其具有系统复杂、用户多、水量大等特点。相应的循环冷却水系统的能耗也非常高,其用水量约占企业总用水量的85%~92%,用电负荷约占企业总用电量的20%~30%。故对化工企业中循环水系统进行节能优化,其效果对企业的节能影响甚大。本文就从循环冷却水的系统选用、设备配置或选用、水质处理药剂或技术选用等方面的节能技术展开讨论,可作为实际工程的借鉴和参考。

1 循环冷却水系统选用

      一般情况下,工业循环冷却水系统分为两大类:敞开式和密闭式系统。

      敞开式系统是指循环冷却水与空气直接接触冷却的循环冷却水系统,循环回水在开式冷却塔内与空气直接接触来进行换热,降低温度。开式冷却塔的降温主要由水的蒸发冷却实现,故系统的水量损失较大,又因为与空气直接接触,导致系统水质较差,排污量增大,相应的补水量也较大。但相较于闭式系统,在相同的处理能力下,其电耗较小,冷却塔的总占地面积也远小于闭式系统。

       密闭式系统是指循环冷却水不与大气直接接触冷却的循环冷却水系统,循环回水在闭式冷却塔的换热管束内与空气、喷淋水间接接触换热,降低温度。闭式冷却的降温主要由水的传热冷却实现,故系统的水量损失较小,又因为其循环水介质一般为软水(或纯水),且不与空气接触,系统水质较好,基本不排污,故系统的补水量很小。因闭式系统要求的风量更大,且又配置了喷淋泵,故与开式相比电耗较大。由于换热效果的制约,闭式冷却塔一般单塔最大的处理能力约300m3/h,如果处理能力较大,就需要并联多台闭式塔,设备的占地面积也会相应增加。闭式系统内的循环水介质为软水,还需配置软水制备系统为闭式循环水系统补水。

        综合来说,敞开式系统的总能耗较闭式系统低,相对更节能。但如果工艺设备对水质要求较高,或受项目建设地条件的影响(如水资源较缺乏或空气中扬尘沙土较多),选用密闭式系统就比较合理。

2 设备选用或配置

      通常循环冷却水系统主要包括如下设备:冷却塔、循环水泵,开式系统还可能有旁滤设备、加药设备。根据项目的运行工况,选用合适的设备,可以达到节能的效果。

2.1 冷却塔

(1)水动风机(水轮机)冷却塔

      为了达到要求的换热效果,一般工业冷却塔都为电力驱动的机械通风式,通过安装在塔顶的电机带动风机旋转,在塔内强制使空气流动实现换热。随着节能环保的意识逐渐深化,水动风机冷却塔近年来开始得到推广,并在一些项目中实际运用。

       水动风机冷却塔的核心技术是以水轮机取代电机( 包括传动轴、减速机)作为风机动力源,使冷却塔的风机驱动方式由电力改为水力,水轮机的输出轴直接与风机相连而带动其旋转,用水力来推动冷却塔风叶,达到通风换热目的。目前,应用于工业循环冷却水系统的水动风机冷却塔的水轮机转动的原动力来源于循环冷却水系统的余压(循环水泵的富余扬程),充分利用了系统本身的富裕能量,减少电耗达到节能的目的。

       水动风机冷却塔若要正常运行,上冷却塔处的循环回水必须有足够的压力水头用于推动水轮机,一般为0.1~0.3MPa。在设计过程中,为了满足工艺换热设备的要求换热效果,循环给水压力会设计的偏大; 另外在管网水头损失计算时也较保守。这将会使系统实际工况点的压力低于额定压力,导致整个循环水系统长期处于超流量、低压力的工况下运行。此时采用水动风机冷却塔不仅可以节省传统冷却塔电机的电能,同时对于管网系统还有一定的压力调节作用。另外在某些工业项目中,可能会有易燃易爆的工艺介质进入循环冷却水系统,对冷却塔风机有防爆要求时,那选用水动风机替代防爆电机相对更合理经济。

      但是笔者认为在一般的新建工业项目中不宜立即采用水动风机冷却塔,新建项目中系统的能量富裕无法精确计算也不能通过稳定的运行参数来判断。如果在开始的设计中就考虑水轮机的压力要求,又将会使这部分动能要求转嫁到循环水泵上,增大水泵的扬程也就是增加了循环水泵的功率。

(2)喷雾冷却塔

        目前已在实际项目中运用的喷雾冷却塔主要为两大类,一类为高效喷雾通风冷却塔,另一类为H JP型喷雾冷却塔。高效喷雾通风冷却塔的核心部件是喷雾推进雾化器,其利用循环回水的余能,通过涡流室与收扩型特殊喷嘴释放能量,形成细小水粒、雾粒、水泡。喷头在水平方向存在倾角,雾流脱离喷嘴在塔体内上升的过程中,与空气之间有很大的作用面积,因而产生了反推动力,使喷头快速反方向运动。因此喷嘴流产生一个水平方向的相反的力,推动旋转机构及轻质风叶旋转,产生风力,形成空气在塔内的对流,在达到降低循环水温度的同时实现节电目标。当循环回水的水压在0.12~ 0.16MPa时,特殊喷嘴的流速可以达到18m/s左右,风筒内风速可以达到28m/s。

       根据实际项目运用表明,高效喷雾通风冷却塔的冷却效果与普通冷却塔效果相当,但是节省了风机电机运行的电耗,仅增加部分设备改造的一次性投资。

       HJP型喷雾冷却塔的冷却原理是利用从喷头喷出的高速旋转水流,在喷孔外的汽化室里形成真空,迫使一部分水汽化,并从其余的水中获得热量补偿其汽化潜热,即它是利用相变的原理将高温水进行大幅度的降温。同时,当水喷到喷雾塔内的空间时,又与空气进行热交换形成第二次小幅度的降温,该装置的降温差由上述两部分的降温差组成。通过喷孔汽化室汽化的水占总水量的比例,主要取决于喷头结构的特殊设计与进入喷头前水的温度。

       由于HJP型喷雾冷却塔采用蒸发为主的冷却方式,冷却效果好,还可以通过控制进入汽化室汽化水的比例,处理进水温度较高的循环水。H JP型喷雾冷却塔不但能确保降温效果,而且因装置结构内部无填料、无风机、无任何机械运动件,而节省了更换填料、定期保养风机的费用和工作量。在节水上亦因无风机的拔风作用而减少了水量的损失,且飘逸的雾汽不会对周围环境产生水淋现象。但由于其一次投资费用过高,目前在国内的工业循环水系统中运用还不多。

(3)冷却塔风机的变频

       一般工业冷却塔的处理能力是按照工艺最大能力及夏天最大热负荷的条件下选定的,但是在实际设备运行中,由于季节、温度、工作负载等诸多因素都将变化,偏离设计的最不利情况,使设备经常处于较低负荷的情况下运行,造成不必要的电耗。

      交流变频调速技术是近几年电气传动领域兴起的一项新技术,该装置通过改变电源频率来改变电机转速。在典型的冷却塔风机变频控制系统中,采用内置PID功能的变频器,以冷却塔出水温度为控制对象组成闭环控制。在循环冷却给水管道上安装一个温度传感器,将冷却给水温度信号传给变频器,经变频器自身的PID控制器后,给出适当的电压和频率给冷却塔电机,调节风机转速和输出功率或是调节风机开启的台数(多台运行的情况下)。这样形成一个闭环反馈系统,当冷却给水温度降低时,减小风机转速或减少风机运行数量,从而达到节能降耗的目的。

2.2 循环水泵的变频调速

       目前许多工业项目的循环水系统通过节流方式来改变循环水泵的压头和流量,这种方式虽然简单易行,但在调节过程中由于人为地增加了阻力,产生了大量的能量损失,而且实际负荷远离额定工况时,水泵常常偏离高效区运行,出现“大马拉小车”的现象。

       对于循环冷却水用水量变化较大的系统,若采用变频调速技术,改变水泵电机转速来调节水泵流量,既可以避免采取节流方式的能力损失,又可以保证水泵始终在高效区运行,因此可以大幅度的节约电能。

       当循环冷却水流量变化时,间接的会引起管网压力的变化。根据此特点,采用内置PID功能的变频器,以冷却水压力为控制对象组成闭环控制。在循环冷却给水管道上安装一个压力传感器,根据管网的压力信号经变频器自身的PID控制器后,给出适当的电压和频率给循环水泵电机,调节电机转速和输出功率或是调节循环水泵开启的台数(多台运行的情况下)。这样形成一个闭环反馈系统,维持冷却给水的压力,并使设备的启动运行得以改善,延长了设备的使用寿命,又降低了电耗。

3 水质处理药剂或技术选用

3.1 提高浓缩倍数

       循环水系统的补水量等于系统中各种蒸发、风吹、渗漏和排污损失之和,提高系统运行的浓缩倍数可以减少排污量,即减少系统的补水量,达到节水的目的。但是过高的提高浓缩倍数,会使循环冷却水的硬度、碱度、氯离子等的浓度过高,使水的结垢倾向、腐蚀性大大增加,就需要相应的提高循环水的水质稳定处理效果。

      这就需要有效的水质处理方法,在考虑环保的同时,采用高效的水处理药剂来提高浓缩倍数。以下几种水质稳定处理药剂已经在一些工业项目中的循环水系统应用,并且取得了明显的效益。

      硫酸-阻垢剂处理:是指在水体中先加入硫酸使补充水碱度降到一定程度后再加入阻垢剂如聚磷酸盐、有机阻垢剂等。从而达到阻垢和保证循环水稳定运行的目的。该法占地小、技术简单。但是需注意SO2-4浓度过高会侵蚀混凝土,同时用有机磷处理循环冷却水势必加强水生物的繁殖,加重腐蚀程度,所以药剂处理要同时考虑阻垢、缓蚀及杀菌等多方面的效果,一般可以考虑采用复合型阻垢剂。

      弱酸树脂交换处理:可降低水中的碳酸盐硬度及相应的碱度,再投加缓蚀剂可防止循环水系统的腐蚀,既可提高循环水浓缩倍率,又不会增加水中硫酸根离子。该法适用于处理碳酸盐硬度比例高的水,优点是系统简单、运行条件好、交换容量大、易再生、酸耗较低,从根本上解决了结垢问题。缺点是运行费用高、占地面积大、废水排放量大。

       石灰软化-加酸:补充水在预处理时就投加适当的石灰,除去水中的Ca2+、Mg2+,原水钙含量高而补水量又较大的循环冷却水系统常采用这种方法。经石灰处理的水,虽然碳酸盐碱度可以降低,但却有可能出现CaCO3 沉淀,为消除这种不稳定性,可添加少量H2SO4。此法优点是处理能力大,运行费用较低。缺点是投资大、对石灰粉纯度要求高、对环境影响大。

       反渗透脱盐处理技术:采用反渗透对循环冷却水进行软化、除盐处理。其脱盐率常在98%左右,一般95%。该处理法操作方便,易于实现自动化,并且脱盐效果好,有利于提高循环水水质。缺点是投资大、膜污染严重、清洗频繁。

       臭氧水处理技术:臭氧作为水处理剂,杀菌能力强、排污量少,既能节水节能,又不用调节水的pH,无二次污染,对循环水的缓蚀、阻垢、杀菌等均有良好的效果。

3.2 管道减阻节能剂

       减阻节能剂是用于降低流体流动阻力实现节能的化学添加剂。近年来国际环保节能机构启动了减阻节能专项研究项目,丹麦、荷兰、加拿大、美国、日本和新加坡等国家对表面活性减阻技术进行了大量的研究工作,取得了很大成效,管道摩擦阻力最高可减少70%以上,某些减阻节能剂品种已进入实用阶段。国内也开展了管道减阻节能的基础研究,并进行了减阻节能剂的应用研究。

       目前已开发了阳离子表面活性剂、两性离子表面活性剂和非离子表面活性剂为主剂的三类减阻节能剂配方。减阻节能剂应用于循环水系统中,不仅能够降低管网投资造价,而且能降低循环水泵日常运行的电耗。在循环水系统中加入管道减阻节能剂是简便易行的节能方法,现有循环水系统改造无需新增大笔设备投资,具有广阔的发展前景,经济和社会效益巨大。

 

注:该文转自《化工机械》2011年第39卷第07期,作者徐素芳,华东工程科技股份有限公司上海分公司

 

 

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