大型循环水系统节水方案的对比分析

杨丽娜 范一丁

（北京石油化工工程有限公司西安分公司，陕西 西安 710075）

我国是全球人均水资源最贫乏的国家之一，尤其是西北地区气候干旱、缺水严重，而同时我国西北部煤炭资源丰富，能源化工基地迅速增长，水资源已经成为制约煤化工发展的瓶颈[1]。2013 年起，陕西省实行最严格的水资源管理制度纳入官员考核体系，明确“三条红线”来约束水资源的开发和利用。一面是水资源接近极限，另一面是蓄势待发的大规模能源工业，工业冷却水的循环使用是能源化工企业节水的重要措施。同时，循环冷却水系统的补充水又是能源化工企业用水需求的最大环节之一，其用水量占总用水量的60%以上[2]。因此，突破瓶颈，节水减排设计显得尤为重要。

该文从设计理念、以陕西北部某地为例，在确定规模前提下，从初期投资、新鲜水消耗等方面对传统开式循环冷却水系统、消雾节水型循环水系统和密闭式循环冷却水系统进行比较，并阐述消雾节水型循环水系统的应用前景。

1 设计参数

系统规模30 000 m3/h，循环给水温度32℃，循环回水42℃，给水压力≥0.45 MPa（装置界区），回水压力≥0.25 MPa（装置界区）。

2 气象参数

近期不少于五年的夏季超过5 d日均干球温度：θ=28.5℃，湿球温度：τ=22.0 ℃，多年平均气压682.5 mmHg。

3 系统的工作原理、工艺流程

3.1 传统开式循环冷却水系统

传统开式循环水系统的应用很广且技术非常成熟。适用于大中小各种类型循环冷却水系统。

传统开式循环水系统的工作原理：循环冷却水在塔内喷淋，通过塔顶风机的强制通风，使之在填料区域内与空气直接接触，实现蒸发与对流传热，把循环水所携带的热量以显热和潜热的形式散发到大气中去，从而实现降温的过程。

传统开式循环水系统一般由冷换设备、冷却塔、集水池、循环水泵、循环水处理装置（加药、过滤等）、监测换热器等组成。

主要设备及构筑物如下。1）传统开式冷却塔：处理水量5 000 m3/h，共6 台。2）循环水泵：Q=10 800 m3/h，H=55 m ，共4 台。3）塔下水池：122.4 m×24 m×2.5 m（h） ，共1 座。4）吸水池： 38 m×12 m×8.0 m（h），共1 座。5）旁滤器：Q=200 m3/h ，共8 台。6）循环水处理装置（加酸、加药等）：共1 套。

传统开式循环水系统的工艺流程如图1 所示。

3.2 消雾节水型循环冷却水系统

近几年，消雾节水型循环水系统在西北地区应用较多。该系统的工艺流程与传统开式循环水系统基本相同，区别在于冷却塔采用消雾节水型冷却塔（即在传统开式冷却塔顶端增加冷凝装置）。

消雾节水型循环水系统的工作原理：循环冷却水在塔内喷淋，通过塔顶风机的强制通风，湿热空气与干冷空气，在经过冷凝换热后，在装置上部进行了混合，使的空气温度及含湿量明显降低，达到了消雾的目的。

装置一侧为湿热空气，进入冷凝装置后，首先湿热空气与换热板另侧的干冷空气进行对流传热，此时湿热空气温度降低，使水蒸汽从湿空气中凝结析出，附着于换热板上，集结到一定程度滴落到集水池中，从而达到节水的目的。

图1 传统开式循环水系统流程图

消雾节水型循环水系统一般由冷换设备、消雾节水型冷却塔、集水池、循环水泵、循环水处理装置（加药、过滤等）、监测换热器等组成。

主要设备及构筑物如下。1）消雾节水型冷却塔：处理水量5 000 m3/h，共6 台。2）循环水泵：Q=10 800 m3/h，H=55 m ，共4 台。3）塔下水池：122.4 m×24 m×2.5 m（h） ，共1 座。4）吸水池： 38 m×12 m×8.0 m（h），共1 座。5）旁滤器：Q=200 m3/h ，共8 台。6）循环水处理装置（加酸、加药等）：共1 套。消雾节水型循环水系统的工艺流程如图1 所示。

3.3 密闭式（喷淋式）循环水系统

由于水耗控制严格，近年来中小型冷却塔开始陆续使用密闭式循环水系统，受单塔处理水量、占地面积及初期投资影响，在大型的循环水系统中应用较少。

密闭式循环水系统的工作原理：密闭式循环水系统是以水和空气为冷却介质，利用循环冷却水的蒸发潜热和含水蒸汽的空气带走被冷却介质中的热量。循环冷却水由水泵送至冷却盘管部件上部的喷淋水管中，经喷嘴均匀地喷淋在冷却盘管的外表面，形成一层很薄的水膜。在冬季的时候由于环境温度比较低，为了降低水的消耗并为了设备长时间的运行，可以把部分或全部喷淋水停下来，靠空气的温升来进行换热，进行全部或部分的干运行，既能满足工艺要求，又能做到节水的效果。

密闭式（喷淋式）循环水系统一般由冷换设备、空冷塔、集水设施、循环水泵、定压补水装置、循环水处理装置（加药、过滤等仅对外循环喷淋水使用）等组成。

主要设备及构筑物。1）密闭式冷却塔：处理水量700 m3/h，共43 台。2）喷淋水泵：Q=5 500 m3/h，H=35m ，共5 台。3）喷淋水池：45 m×11 m×2.5 m（h） ，共1 座。4）定压补水装置：共1 套。5）旁滤器：Q=200 m3/h ，共5 台。6）循环水处理装置（加酸、加药等）：共1 套。工艺流程如图2 所示。

图2 密闭式（喷淋式）循环水系统流程图

4 对比分析

从初期投资、占地面积、补充水量、应用前景等方面综合比较。

传统开式循环水系统初期投资约为6 000 万元，循环水场占地面积为140 m×80 m，补充水量560 m3/h，排污水量85 m3/h。该系统初期投资最少，但水量蒸发大，小气候现象严重。影响周边交通的可见度；冷却塔周围地面湿滑，给工作人员的正常巡检、检修带来一定的安全隐患。技术成熟、适用于各种工况的循环水系统。

消雾节水型循环水系统初期投资约为9 000 万元，循环水场占地面积为140m×80m，补充水量480 m3/h，排污水量65 m3/h。该系统避免了传统的开式循环水系统的上述问题，补充水量比传统开式循环水系统节约15%，排污水量减少23%。但投资略高，塔体高度约为25 m，土建施工成本较高。目前，已有多个大型循环水系统的成功应用案例。

密闭式循环水系统初期投资约为15 000 万元，循环水场占地面积为210 m×60 m，补充水量255 m3h，排污水量40 m3/h。该系统节水方面较可观，但初期投资偏高，需要设置喷淋水回收装置，类似小的传统开式循环水系统，比较复杂；翅片表面容易结垢，严重影响换热器的使用寿命，清洗难度较大；占地面积大，设备多，不容易管理；受周围环境温度影响大，夏季给水温度偏高。适用于中小型循环水系统。

5 结论

目前，密闭式循环水系统单台塔最大处理水量较小，对于30 000 m3/h 这种大型循环冷却水系统来说，占地面积大、冷却塔台数多、初期投资大及检修困难等，闭式循环水系统显然不是最好的选择。

而消雾节水型循环冷却水系统与传统开式循环水系统相比，单塔处理水量基本相同，节约补充水、减少排污量、降低了工厂周围的烟雾、改变了周边的生产、生活环境，初期投资比传统开式循环水系统稍高，但相对于产生的社会效益及节水产生的经济效益利大于弊。在西北缺水严重地区且有众多大型工业的园区中，消雾节水型循环水系统的实施将是大势所趋。