循环水系统配置选择和节能设计探索

文/刘明哲 王欣荣 李 诚

（1.浙江晋巨化工有限公司；2.东华工程科技股份有限公司）

随着国民经济的发展，国家对于能源消耗的控制愈发严格，作为各类工业装置必备配套设施的循环水系统，其节能降耗设计从国家能源消耗控制的需求和业主追求经济运行的诉求两方面都具有十分重要的意义。笔者以某项目循环水系统为例，探索循环水系统的节能设计。

一、工程概况

新建39000 Nm3/h 制氧量的空分装置一套，采取蒸汽驱动，内压缩流程，产出氧、氮产品供给用户。与工艺装置配套的循环水系统采用开式系统，由冷却部分、储水系统、加压输送部分和配套的水处理部分组成。循环水量的正常值为9750 t/h，最大值为11000 t/h。项目所在地水源丰富、水质偏软，冬季最低气温-10.4 ℃，夏季最高气温40.5 ℃，全年平均湿度79%。

二、节能设计的思考

循环水系统主要的能源消耗是电，分别用于循环水冷却部分（冷却塔风机）和水的加压输送环节（循环水泵）。合理规划水泵流量，降低循环水系统工作压力，减少循环水冷却过程能源消耗，是节能设计的关键。

1.冷却塔

冷却塔按通风方式分为自然通风、机械通风和混合通风三种，按热水和空气的流动方向分为逆流式、横流式两种，按水和空气的接触方式分为湿式、干式和干湿混合式三种。

从介质流动方向看，同等条件下逆流塔比横流塔填料体积小20%左右，逆流塔热交换过程更合理高效，一般首选逆流式；从介质的接触方式看，干式冷却塔一般在缺水的地区采用，同等条件下，湿式冷却具有塔体积小、效率高、价格便宜、冷却水温度低等优点，一般首选湿式；从通风方式看，机械通风和自然通风各有优缺点。针对湿式逆流式冷却塔的机械通风与自然通风方式的比较见表1。

表1 湿式逆流式机械通风冷却塔与自然通风冷却塔的比较

确定冷却塔的选用方案需要综合比较上述两种冷却塔型式的优缺点并对比同类项目。项目所在区域水资源丰富、水质好，从能耗角度考虑，湿式逆流式自然通风冷却塔无疑是更加节能的方案，这种冷却塔不需要设置风机。但湿式逆流式自然通风冷却塔占地大，受建设区域用地限制，本项目配套的空分装置采用机械通风冷却塔更合适，综合考虑最终选择了湿式逆流式机械通风冷却塔。因此，循环水冷却塔的节能设计仅能从风机叶型、淋水密度等方面进行优化，通常由冷却塔供货厂家根据其成熟的运行经验进行优化设计。

2.循环水泵

机械式通风冷却塔循环水泵的电耗约占整套循环水系统电耗的70%，而循环水泵的投资仅占循环水系统投资的15%，因此如果能有效降低循环水泵的电耗，对整套循环水装置的节能意义重大。循环水泵的电机功率主要取决于流量、扬程和电机的效率。虽然需求流量已经确定，但采用水力效率高的水泵，科学地进行换热器和蓄水池等设备的布设，尽可能地降低水泵扬程，同时考虑用水量季节变化进行合理的泵型匹配，并配置高效能等级的电机，节能空间依然很大。

（1）水泵扬程的选择。影响循环水泵扬程的因素有吸水池水静压、管路损失、用水设备布置高度[1]。通过提高吸水池高度、增大管道直径、缩短管路以及降低高点换热器和冷却塔进水管高度的方法，可减小水泵扬程，达到节能的效果。从工艺角度来说，一旦工艺流程选定了，换热器和冷却塔的高度很难调整，因此可考虑将高用水点设备和低用水点设备分开供水，从而选择不同扬程的水泵以节约能耗，但随之带来备泵增加、管网复杂等问题，造成投资增加、运管复杂，可谓有利有弊，需要充分对比评估后才能确定方案。

（2）水泵效率和高效电机的选择。在需求功一定的情况下，水泵效率越高则驱动端需要提供的能源就越少，对节能降耗就越有利。例如，对于输出功率要求为500 kW 的水泵而言，水泵效率为85%时的电机功率应为588 kW，水泵效率为75%时的电机功率应为667 kW，相差达79 kW，按照用电成本0.68 元/kWh 计算，一年的运行费用相差40 余万元。电机的选择方面，根据国家相关标准规范的要求选择高效能电机。以500 kW 的电机为例，一级能效比二级能效省6%左右，二级能效比三级能效省6%左右，一年可以节约运行费用15 万元左右。

（3）泵型匹配。由于项目所在地区冬、夏环境温度和湿度差异较大，冷却塔在冬季和夏季的换热效果相差较大，从而导致冬季和夏季循环水冷却系统的运行效率存在较大差异，致使循环水出水温度季节温差较大。根据类似项目和装置运行经验，循环水季节温差预计可以达到10 ℃甚至更大，因此在夏季循环水温度较高时，工艺设备所需的循环水量将远大于冬季循环水用量[2]。考虑循环水量季节变化和工艺设备75%～105%的运行负荷波动和调整，确定设置3 台或4 台不同流量的循环水泵，根据各种工况下用水量的要求合理调整水泵的运行匹配，充分发挥水泵效率，降低能耗。

三、方案对比选择

对水泵效率和高效电机的选择可以直接在设备订货时提出要求，该措施无须讨论。对于冷却塔、水泵流量及扬程等参数选择，针对项目实际情况初步拟定了4 种优化方案。

方案一：根据项目季节环境因素的影响，对循环水泵选型进行优化。配置3 台4000 m3/h 的冷却塔，3台4500 m3/h 的循环水泵和1 台2000 m3/h 的循环水泵（扬程30 m）。其中，3 台4500 m3/h 的循环水泵为两开一备，1 台2000 m3/h 的循环水泵根据水温及空分运行负荷，灵活调配开启。

方案二：针对水泵扬程进行优化，考虑提高计算起点（吸水池）的高度。因此方案二中冷却塔能力不变，水池抬高3 m，循环水泵流量与方案一相同，扬程相应调整。

方案三：针对水泵扬程进行优化，即优化计算终点的高度。由于用水设备的高度受工艺要求限制无法调整，考虑为不同高度的用水设备独立提供循环水。因此方案三中冷却塔能力和水池高度与方案一相同，设置3 台4500 m3/h 的循环水泵，扬程27 m，供低位的工艺用水点使用；另设置3 台750 m3/h的循环水泵，扬程30 m，供高位的工艺用水点使用。

方案四：从优化投资、精简设备配置的角度出发，设置3 台4500 m3/h、扬程30 m 的循环水泵，冷却塔能力和水池高度与方案一相同。

以方案一作为基准，投资概算按0 计；水泵效率均要求85%以上，电机能效等级2 级以上，对4 种优化方案进行对比，对比结果见表2 ，表中的耗电成本按照0.68 元/kWh 计算。

综合对比可知，方案二和方案三虽有一定的节能效果，但投资增加较多，在不考虑财务费用和维护成本的情况下，成本回收期接近10 年，意义不大；方案四虽然节省了投资，但能耗增加过多。因此方案一总体经济效益更好。

四、结语

循环水系统作为工程必备系统，其节能降耗意义重大。决定循环水系统是否优配的因素主要有以下几个：循环水系统应尽可能靠近用户，减少不必要的管路损失；循环水系统管路流速选择不应过快，以减少管路损失，但也不宜过慢，以免积垢、沉泥等问题影响运行，一般以1.5～2.0 m/s 为好；高点设备决定了循环水系统的扬程，所以工艺流程选择时要同步考虑换热系统的布置和匹配，合理地匹配布置各换热器。若有个别换热器位置较高，且用水量较小，可以考虑单独配泵，从而降低整套水系统的水泵扬程；循环水泵选择水力效率高的泵，一般以大于85%为宜；循环水泵电机应按照最新的国家标准选择二级以上能效产品；对于冬夏差异较大的区域，合理地进行大小泵配置，更有利于长期的经济运行。