炼油化工循环水节能降耗的可行性研究

史雪冬 (中海油惠州石化有限公司，广东 惠州 516086)

0 引言

循环水作为炼油化工企业等大型工业企业之必不可少的公辅系统，在生产中发挥着至关重要的作用。然而，实际生产中因设备老旧、技术落后或其他管理问题，产生了严重的高耗能。在当前国家推进绿色发展、碳中和、碳达峰战略的背景下，需要结合新技术和新方法对循环水的生产进行节能降耗研究，降低企业生产成本的同时实现绿色可持续发展。

1 背景

循环水系统是石油化工的能耗大户，尤其是其电能消耗在全厂占比很大。惠州石化一期第一循环水场主要为加氢、重整装置设备提供循环水，现场装有5台水泵、4台水轮机，冬季循环水温差6.2 ℃，夏季温差6 ℃；在6～10 ℃控制范围内，系统供水与回水压差约0.2 MPa。目前循环水泵效率在80%左右，有较大提升空间。同时一循系统在夏季严酷气候时，存在水温偏高和降温困难的问题。

循环水场在设计之初通常预留一定的富余能力；且根据开工以来的实际运行状况，设计的确存在一定节能空间。在开展节能降耗的大趋势下，有必要对循环水系统进行节能改造。

2 原因及解决方案

2.1 原因分析

通过对一循循环水系统进行调查、检测，发现系统运行高耗能的原因主要包括：设备与系统运行效率较低、汽蚀现象严重、密封不严、部分管路配置不合理、系统阻力较大、换热温差较低、冷却塔效果还需进一步优化等，有系统自身原因，也外部用户原因。

2.2 解决方案

根据现场实际工况选取在线流体系统的节点，测量流体压力、测量系统动力机械的功率、检定系统管路的合理性、测算系统特性，从而分析判断循环水系统用能中的不合理因素；模拟计算系统计算，改善动力机械与系统匹配问题，从而提出综合节能方案，提高循环水系统运行的总效率。方案内容主要包括：换热器单元运行状况检测、冷却塔单元运行检测、换热工况、管网单元阻力检测 (水力阀改微阻阀)、机泵单元运行工况检测 (扬程、流量、效率)、风机叶片效率检测以及整体优化设计、智慧能源管理平台设计、高效节能设备的定制、安装、调试、标定等。

2.3 改造主要内容

改造内容主要包括对5台循环水泵(4台大泵电机利旧，核算后不用换电机)、5台泵出口水力阀和5台风机叶片的更换改造。

(1)泵重新设计选型，型式不变 (仍为水平中开单级双吸)，将原填料密封结构更换为机械密封结构的离心泵，同时提高制造标准至API610标准，电机保持不动；

(2)泵出口水力阀改为微阻管力阀，以降低泵出口的管阻损失；配套法兰仍保持与现有阀门相同，以减少出口管线改造；

(3)风机叶片改造为新型材料制造的叶片，从而减轻叶片重量，增大风机风量，降低电机输入功率。

2.4 考核要求

(1)一循改造实施后，分冬、夏两种运行模式联试考核。考核合格标准为达到工艺冷却水要求和循环水工艺指标；

(2)3台大泵并联运行，总管流量≥17 000 m3/h，总管压力≥0.44 MPa；

(3)4台(3大1小) 泵并联运行，总管流量≥1 900 m3/h，总管压力≥0.46 Pa，同时冷却塔水轮机进水管压力≥0.12 MPa；

(4)改造后一循供水总能力达到原设计值的20 000 m3/h。

2.5 节能核算及能耗测定方法

核算依据：将改造前现有的循环水系统使用的5台泵运行的电流表实际值作为计算改造前后电力消耗数据的依据。

改后能耗测定方法：当系统稳定运行后，在每台水泵连续运行15天的基础上，每5天取一次电流表数据，取均值，再以此电耗差值进行节能率计算。

3 主要技术要点及创新点

在本次改造中，循环水系统高效节能技术得到了很好的应用，主要技术要点和创新点如下：

(1)对在线流体系统纠偏。根据现场实际，建立水力模型，判断引起高能耗的因素，找到系统最佳运行工况点，以达到节能降耗的目的。

(2)高位循环水系统纠偏。部分高低位设备存在于同一循环水系统中，为保证高位冷却设备中一定的流量和压力，需提高母管的扬程和流量，这对低位设备而言将是巨大浪费。通过优化高位大型冷换设备，采用高位循环水纠偏技术，降低其几何扬程，从而在保证高低位设备均能正常运行的情况下降低循环水泵的扬程和流量，以提高运行效率。

(3)设备合理选型。根据CFD流场[1]理论，对改造前后双吸离心泵流场三维流动的数值进行模拟，设计高效率水力模型，提高设备制造标准，更换密封型式、优化设备内部结构，从而使泵效率达到最优化。

(4)管路系统优化，结合系统局部管道阻力进行计算，按照经济流速设计，采用新式的微阻管力阀替代泵出口水力阀，最大限度减少管阻损失，提高流体输送效率。

(5)优化系统运行控制方案，平衡个换热器的流量并合理控制供回水温差，对流量、官网阻力、水泵运行效率等进行建模分析，确定最佳工况点，并充分考虑因热负荷及环境温度变化引起的变工况，从而根据系统运行特征，对泵站进行优化设计和管理。

(6)合同能源管理模式。在管理方式上，大胆尝试合同能源管理模式(EMC)，提高了公司的能源利用效率，降低了公司成本，实现了项目节能效率高、能源消耗少、环境品质改善的目标，在推动企业的节能改造、减少能源消耗、建立绿色企业形象、增强市场竞争优势过程中发挥了积极作用，获得了稳定的节能收益和经济效益，同时也改变了合同能源管理模式在国企、央企推广难度大的固化印象，产生了积极的影响。此种管理模式对于中、小企业以及资金短缺的大型企业较为适用；对于大型石油化工且资金充裕的企业，从经济角度直接投资则更加有利于企业的整体利益[2]。

4 结果对比

改造后分别对泵和风机的年运行的运行功耗进行了标定，结果如下：

(1)循环水泵电耗情况核算对比 (因运行模式不固定，故核算每年的总功耗) 如表1，表2，表3所示。

表1 改造后年运行能耗

表2 改造前年运行能耗

表3 改造前后循环水泵 (含微阻阀) 总节电率

(2)一循风机更换叶片后节能情况核算

一循风机更换叶片后节能情况核算如表4所示。

表4 一循风机更换叶片后节能情况核算表

5 结语

总而言之，炼油化工循环水系统的耗能高有多方面的原因，主要因循环水量较大、配用电机功率较高，生产中的设备、运行问题导致的高能耗会造成巨大浪费，无形中增加企业生产成本，因此需要结合生产实际，从系统内部和外部两方面分析原因、对症下药，并结合合同能源管理或其他模式，降低企业自身风险和技术成本投入，实现快速回收投资，并达到节能降耗、降低经营成本和可持续化发展的目的。新技术、新管理模式的运用在循环水系统节能降耗方面定将会得到越来越多的推广和应用。