工业循环冷却水系统节水方法研究及应用

赵晓娟(中石油昆仑燃气有限公司四川分公司，四川 成都 610100)

0 引言

在循环冷却水系统中，冷却水被反复循环多次使用。水经换热器换热后温度升高，由冷却塔或其他冷却设备将水温降低，再由循环水泵将水送至换热设备中重复使用，这样大大提高了水的重复利用率，节约了大量工业用水[1]。循环冷却水系统又分为封闭式和敞开式两种。封闭式循环冷却水系统中，冷却水一般使用含盐量很低的软水或纯水，且冷却水不直接暴露于空气中，因此封闭式冷却水系统的结垢和腐蚀较少发生，排污量也很小。封闭式冷却水系统中冷却水的降温不存在蒸发冷却过程，是靠冷却塔中的喷淋水热传导散热，冷却效率较低，造价较高，一般系统较小，适用于占地空间小、安装移动方便、热负荷不高的场所。在敞开式循环冷却水系统中，冷却水的降温是通过冷却塔来进行的，冷却水在冷却塔中与空气接触，通过冷却水的蒸发过程实现降温，可以实现高效率降温，因此，冷却水存在蒸发损失，从而冷却水中各种离子含量也会不断浓缩增大。当冷却水中矿物质和离子含量增大到一定值后，为防止现场换热设备结垢和腐蚀，需要通过排污、补充新鲜水、冷却水加药等方式对冷却水的水质进行控制。本文以某LNG工厂敞开式循环冷却水系统为例，阐述了循环冷却水系统的节水方法。

1 敞开式循环冷却水系统组成

敞开式循环冷却水系统一般由冷却塔、补水设备、冷却水池、循环水泵、工艺换热器、水质监测及自动加药排污设备、旁滤设备等组成。冷却塔是敞开式循环冷却水系统核心设备，用来冷却经换热器换热后排出的高温热水。在冷却塔中，水在填料表面上以薄膜形式与空气接触，在接触过程中进行热量交换，从而使水温降低。补水设备用于给循环冷却水系统补充新鲜水，以平衡冷却水损失，维持循环水系统冷却水量。冷却水池是冷却水的收集和缓冲场所，冷却塔是冷却水蒸发降温的设备。循环水泵为工艺换热器输送一定压力和流量的冷却水。工艺换热器是生产装置工艺介质进行降温的设备。水质监测及自动加药排污设备对循环冷却水水质进行实时监测，自动控制加药和排污，控制循环冷却水水质指标满足系统正常生产运行要求。旁滤设备用于对循环冷却水中的固体杂质进行过滤，保证循环冷却水浊度满足工艺要求。

2 敞开式循环冷却水系统中水量和盐分的平衡

敞开式循环冷却水系统中，水的损失主要包括蒸发损失、风吹损失、排污损失[1]。要使循环冷却水系统维持正常运行，需要对这些损失水量进行补充，水量平衡式如式(1)所示：

式中：AB为补水量 (t)；AZ为蒸发量 (t)；AF为风吹损失量(t)；AP为排污量(t)。

循环冷却水在冷却塔中蒸发降温的过程存在蒸发损失，由于蒸发损失不带走冷却水中盐分，循环冷却水中盐分浓度会逐渐增大。为防止工艺换热器结垢和腐蚀，必须要通过排污和补充新鲜水的方式控制循环冷却水当中盐分的浓度稳定。因此，敞开式循环冷却水系统盐分平衡式如式(2)所示：

式中：φB为补水中盐的浓度(mg/L)；φX为循环水中盐的浓度(mg/L)。

在敞开式循环冷却水系统中，随着冷却水的蒸发，水中各种矿物质和离子含量就会不断增加。通常在操作时，用浓缩倍数来控制水中含盐的浓度。设以Θ表示浓缩倍数，由式(1)和式(2)可以得到式(3)：

式中：Θ为敞开式循环冷却水系统的浓缩倍数。

通过式(3)可知，浓缩倍数Θ就是指循环水中盐的浓度与补充水中盐的浓度之比。

3 敞开式循环冷却水系统节水措施

对于正常运行的循环冷却水系统，其蒸发损失在一定的条件下为定值，其值大小主要由环境湿度、环境温度、冷却水设计循环量、冷却水设计温差和工厂生产负荷决定。而风吹损失一般小于冷却水设计循环量的0.2%，也可以认为是定值。排污损失主要由需要控制的循环冷却水水质决定，减少排污损失是循环冷却水系统节水的主要方向。

(1)在补水中盐分浓度不变的情况下，可以适当提高循环冷却水中盐分浓度，即提高循环冷却水的浓缩倍数，减少排污水量和补水量，通过循环冷却水加药的方式控制工艺换热器结垢和腐蚀的风险。提高冷却水的浓缩倍数可以达到节水的目的，但同样增加了循环冷却水水质的管理难度，工艺换热器结垢和腐蚀的风险也相应增加，因此需要根据实际情况选择合适的冷却水浓缩倍数。

(2)在控制循环冷却水中盐分浓度稳定的情况下，可以通过适当降低补水中盐分浓度的方式，减少循环冷却水系统排污水量，从而达到减少补水的目的。

4 某LNG工厂循环冷却水系统设计运行情况

LNG工厂循环冷却水系统主要工作流程为冷却水流入换热器与工艺介质换热后，冷却水水温升高，利用其余压流入冷却塔进行冷却，冷却后的水再通过水泵送入换热器循环使用。简易流程图如图1所示。

图1 LNG工厂循环冷却水系统简易流程图

LNG工厂全年平均生产负荷为80%时循环冷却水系统设计运行参数如表1所示。

在工厂实际生产运行过程中，会面对生产负荷、季节、环境温度、天气情况的不同，蒸发损失系数和风吹损失系数是一个变量。为方便循环冷却水系统的运行管理，经过热力核算，给出了蒸发损失和风吹损失的一个平均系数，同时，用总硬度指标代替盐分浓度作为计算依据。循环冷却水蒸发损失量计算公式(4)为[2]：

由式(4)，可以计算出LNG工厂循环冷却水蒸发损失量AZ=3 500×8.5×0.001 1=32.7 t/h。

循环冷却水风吹损失量计算公式(5)为：

由式(5)，可以计算出LNG工厂循环冷却水风吹损失量AF=3 500×0.001 2=4.2 t/h。

根据表1运行参数，由式3可以计算出LNG工厂循环冷却水排污量AP=14 t/h。

表1 LNG工厂循环冷却水系统运行参数

再由式(1)水量平衡式可以计算出该LNG工厂循环冷却水补水量AB=AZ+AF+AP=50.9 t/h。

综上，该LNG工厂循环冷却水系统平均每天的补水量约为1 200 t。

5 LNG工厂循环冷却水系统节水方法

(1)通过技改，该LNG工厂增加了一套冷却水水质在线监测和自动加药排污系统，如图2所示。将循环冷却水硬度控制在800 mg/L，冷却水浓缩倍数控制为3.2，并通过调整冷却水药剂配方，控制工艺换热器结垢和腐蚀风险。在线监测和自动加药排污系统能够及时监测到水质变化，更容易控制冷却水水质指标稳定，可以实现水质的微量调整，避免了手动排污不及时造成的水质指标的波动，降低了工艺换热器结垢和腐蚀风险。

图2 在线监测和自动加药排污系统

LNG工厂循环冷却水硬度控制指标提高后，通过式(3)可以计算出冷却水排污量AP=10.6 t/h，比调整前减少排污量3.4 t/h，平均每天节水约80 t。

(2)由于该LNG工厂自来水硬度较高，如果继续提高冷却水浓缩倍数，冷却水药剂费用会大幅增加，同时，循环冷却水水质控制难度和工艺换热器结垢和腐蚀风险也会增大。如果增加部分软化水补水，将冷却水补水的总硬度降至150 mg/L，冷却水总硬度控制为800 mg/L，由式(3)可以计算出冷却水排污量AP=3.3 t/h，加上蒸发损失和风吹损失，补水量约为40.2 t/h。由于软化水总硬度约为10 mg/L，通过计算，需要软化水补水流量为16.75 t/h，自来水补水流量为23.45 t/h。因此，LNG工厂通过软化水补水技改增加了一套20 t/h的软化水设备，如图3所示。

图3 软化水补水技改示意图

LNG工厂通过软化水补水技改后，软化水产出率为90%，每天可节水约1 200×(1-90%)=120 t。

综上，该LNG工厂每天自来水补水量由原1 200 t降低到每天1 000 t，每天节约用水约200 t，每年可实现节水约73 000 t。

6 结语

循环冷却水系统是工业生产装置中非常重要的系统，一方面，它的正常运行直接关系着工业生产企业其他装置设备的正常运行；另一方面，选择适合的节水方法，使循环冷却水系统经济高效运行，也在一定程度上降低了企业的生产成本。循环冷却水系统的节水技改要在不影响工艺换热器正常运行的前提下进行，要综合考虑投资成本和节水创效收益，选择最佳的节水方法。