循环水系统环保节能技术研究与应用

2018-11-19唐志军

中国氯碱 2018年10期

关键词：水器永磁损失

唐志军

（唐山三友氯碱有限责任公司，河北唐山 063305）

探索一条节水、节能、环保的技术路线是各工业企业追求的方向，该文从循环水系统各单元进行环保节能分析，为企业降耗增效提供技术支持。

1 循环水系统工艺流程（见图1）

图1 循环水系统工艺流程

2 凉水塔环保节能技术

凉水塔是循环水系统主要的换热单元，在换热过程中，主要有3种换热方式，即蒸发潜热、接触传热和辐射散热，在换热过程中又存在着4种水量损失，即蒸发损失、飘散损失、泄漏损失和排污损失，其中，泄漏可以通过设备管道检修加强控制，排污水可以回用于工业生产得到有效利用；对于老式抽风式凉水塔，蒸发损失和飘散损失就需要新的技术改造完成。

2.1 高效收水器技术

飘散损失主要是由于抽风式凉水塔在风机作用下，细小雾滴随风逸出而产生的，是液态的小水滴。据统计，飘散损失占循环水总量的1‰～5‰，一般取3‰作为计算系数，对于循环量20 000 m3/h的循环水系统而言，水费按6．5元/t计算，年飘散损失费用约300万元，因此，降低凉水塔飘散损失，效益非常可观。

唐山三友氯碱公司对循环水站4台凉水塔进行收水器改造，使用由美国益美特公司生产的高效收水器，该高效收水器采用嵌套孔窝式立体三折向设计，其入风角度和出风角度的设计均按照实际气流方向而设计的，保证了冷却塔空气流场的均匀性，因此通风阻力极小。收水器是PVC片材经热塑成型，具有收水效率高、气流阻力小、强度高、不变形等特点。运行6个月，漂水率降低至≤0.000 5%，效果良好。

2.2 节水消雾冷却塔技术

蒸发损失是凉水塔在换热过程中，利用相变制冷原理，循环水气化产生水蒸气，带走系统热量从而达到降温的目的。这部分损失在敞开式凉水塔中是不可避免的，其水量损失也是非常巨大的。据统计，换热温差为10℃时，蒸发损失占系统循环水量的1.5%，对于循环量20 000 m3/h的循环水系统而言，年蒸发损失费用约为1 500万元。另外，气化产生的水蒸气，在凉水塔顶部产生可见羽雾，目前已成为环保关注的焦点。因此，消除白色羽雾既有经济效益也有环保效益。

2.2.1 翅片式节水消雾技术

江苏海鸥独立开发翅片式节水消雾技术，冷却塔湿热空气与被翅片加热的干热空气，在出口气室内地混合排出，实现消雾。在收水器上层的进风窗立面增设露点调节装置，调节风筒出口羽雾的露点。在塔内收水器上面的气室增设空气混合导流装置，提高露点调节装置换热后的干热空气与出填料的饱和湿热空气的混合效率，进而提高除雾效果。优化上塔进水管路，上塔热水既可以先通过露点调节装置后再进入主配水管，也可以直接进入主配水管，进水方式可根据不同季节工况通过阀门来进行调节，从而实现常规冷却塔与消雾节水冷却塔的切换运行。

2.2.2 模块式节水消雾技术

山东蓝想自主研发的节水消雾模块技术，是塔内的湿热空气与干冷空气进行间壁热交换，从而实现蒸发水回收及消雾。冷却单元采用列向通道和横向通道综合技术，将湿段排出的湿气热量传递给环境空气。在消雾冷却塔中，湿段排出的水蒸气通过干段的热交换器冷凝，离开热交换器的空气在较低的温度下饱和。干热空气冷却饱和热蒸汽除掉一部分水蒸气，降低了出塔空气的相对湿度，达到消雾的目的。湿热空气与环境空气经过冷凝箱的热交换，形成水滴流入塔内，循环再生了一部分水，冷凝水相当于纯水，回用不仅减少补水量还可以降低循环水浓缩倍数。

2.3 空冷塔技术

新式闭路空冷节能系统分为自然和机械通风两种，自然通风系统占地面积和自身体积大，一般采用机械通风形式。在闭式机械通风空冷系统中，经用户换热后的循环水进入空冷散热器，并将携带的热量传递至散热器的表面，通过与环境空气的间壁式对流传热直接传递给环境空气。环境中的冷空气被轴流风机加压后吹向空冷散热器，吸收了热量的冷空气变成热空气后经散热器散发到大气环境中。闭式机械通风空冷系统的原理是直接用空气冷却管内循环水，较湿式冷却系统节水约90%以上。

循环水空冷塔技术较为先进，目前成熟的制造厂家不多，行业内成功案例较少。

3 供给水系统节能技术

3.1 永磁电机节能技术

永磁电机转子本身产生固定方向的磁场，定子旋转磁场“拖着”转子磁场（转子）转动，因此转子的转速等于同步速，也叫做同步电机。由于不需要从电网吸收无功电流，转子上既无铜耗又无铁耗，所以同步电机在很宽的负载范围内能保持接近于1的功率因数，机器效率比同容量的异步电动机提高8%左右，永磁电机的功率密度比同容量的异步电动机提高25%左右。异步电机起动时，电流是额定电流的六七倍，对电动机寿命不利，为了达到需要的扭矩，甚至还有加大电机型号，而电机运行时处于低负荷工作，效率降低。而永磁电机启动时，电流是逐渐增加的，不会超过额定电流，扭矩也能达到额定扭矩，没有电流冲击，延长了使用寿命，电机处于合理的负荷工作。

唐山三友氯碱对两台循环水泵电机进行了永磁电机改造升级，运行8个月，节电效果显著。

3.2 永磁联轴器节能技术

永磁联轴器一般由磁体转子、导体转子和调节机构3部分组成，两转子直接暴露在空气中冷却，磁体转子和导体转子通过调节结构使轴向耦合面积可调，当主动机带动导体转子旋转，相对于安装在从动端的永磁体作切割磁力线的圆周运动时，使主动端的导体转子产生涡电流感应磁场，与从动端的永磁体磁场相互作用，从而实现主动端与从动端之间的无接触的转矩传递。主动转子与从动转子的耦合面积越大，切割磁力线产生的磁场越强，驱动负载的转矩就大，负载的转速也越高，实际输出功率就大；反之，主动转子与从动转子的耦合面积越小，切割磁力线产生的磁场越弱，驱动负载的转矩就小，负载的转速也低，实际输出功率就小。实际使用中根据负载的大小调节耦合面积，最终达到调速节能目的，同时也能达到负载端输出转速为零，产生的涡流为零，实现真正的离合功能。

唐山三友氯碱公司现对7台循环水泵中1台进行了永磁联轴器改造实验，运行6个月，节能效果明显。

3.3 高效节能泵节能技术

对循环水泵运行状况进行实时检测和数据采集，按实际运行参数，消除因泵体老化以及原设计不合理等因素导致的水泵效率下降，将各项参数输入数学计算模型，计算实际工况管路特性曲线，重新设计与管路特性曲线相匹配的高效节能泵，使用量身定制的高效节能泵替换低效运行的水泵，消除无效能耗，提高运行效率，达到最佳的节能效果。

高效节能泵采用三元理论对水力模型及流道进行变分有限元三元流动分析，水力部件全部采用精密铸造，提高表面质量和型线尺寸精度，中、大型叶轮采用焊接工艺，其中叶片为模锻或数控加工，过流部件表面喷涂特殊涂料提高表面光洁度。

唐山三友氯碱已完成1台高效节能泵改造，在生产工况不变的前提下，单泵千吨水耗电量由改造前 166．36 kW·h，降低到改造后 139．57 kW·h，节电明显。

4 水质控制环保节能新技术

循环冷却水在运行过程中，水垢的沉积、腐蚀的加剧、菌藻的滋生，如不进行有效治理，循环冷却水系统则很难正常运行[2]。传统的水处理措施为投加缓释阻垢剂、杀菌灭藻剂、氯气，然而，大部分的阻垢药剂为有机类或含磷类的药剂，有机类阻垢剂是微生物的营养源，促进微生物的繁殖。含磷类的阻垢剂易分解与钙离子形成的磷酸钙盐，比碳酸钙更难溶。氧化性的杀菌剂浓度过高易导致设备的腐蚀问题。非氧化性的杀菌剂长时间使用后易产生抗药性，产生失效的问题，并且都有一定的毒性，对水体产生二次污染，不利于环境[3]。因此必须有效控制循环水水质，提高循环水浓缩倍数，以达到节水、环保双赢。

4.1 电化学水处理技术

电化学水处理技术是利用水及水中矿物质的电化学特性，通过电解来调节水中矿物质的平衡，而实现阻垢、杀菌灭藻的目的，是一种清洁的循环冷却水处理技术。其原理为阴极产生强碱性环境（pH≥9．5），会变为和阴极电吸附的Ca2+进行化学反应，变成CaCO3沉淀，通过刮垢装置清除出水环境，降低循环水钙离子和碱度水平，从而达到软化水质的目的。刮垢一般1次/h，可以根据实际需要进行优化设定。阳极产生强的酸性环境（pH＜4），同时产生大量的羟基自由基、双氧水、臭氧等强氧化性物质，微生物对多种突然的环境变化很敏感，在强烈的酸碱性、强氧化性、直流电流环境下直接被杀死，不存在对药剂的耐药性。

4.2 亚音频波水处理技术

亚音频波阻垢是当阻垢系统运行时，亚音频波发生器产生的亚音频波传送给能量增进器，当水流经能量增进器时，水分子的氢键会得到极大的增强，从而水中溶解的Ca2+、Mg2+和的能力会不断地增强，即使当水温升高时也不会以CaCO3、MgCO3的硬垢形式析出，从而达到阻止硬垢的目的。并且，当能量增进器向水中增进的能量达到一定程度时，CaCO3的结晶形式发生改变，形成一种松软的水垢（文石），可以被水流冲走，在冷凝器管壁上不生成硬垢。亚音频波防腐是当亚音频波发生器产生的亚音频波传送给能量增进器时，水中的能量增强，水中的氧原子在获得一定能量的情况下，和冷却水系统的钢材或铜材氧化，以黑色的磁铁层（Fe3O4）或红色的氧化亚铜（Cu2O）的形式存在。这些Fe3O4和Cu2O氧化物都比较稳定，可以有效控制设备的进一步腐蚀。亚音频波杀菌灭藻是杀菌灭藻系统运行时，杀菌灭藻发生器传递给处理器准确的杀菌灭藻信号，杀菌灭藻处理器会向冷却水系统中释放一定量的纳米金属离子，通过将水中的氧化还原电位控制在一定的水平，来杀灭冷却水系统的细菌和抑制藻类的生长。