張高博，于秋海，李平華，張炳辰，樊栓獅

（1.上?；鄣霉?jié)能科技有限公司，上海 201206；2.中石化石家莊煉化分公司，河北 石家莊 050099；3.華南理工大學(xué)，廣東 廣州 510640）

循環(huán)水主要用在冷卻水系統(tǒng)中用于冷卻工藝介質(zhì)：作為冷卻介質(zhì)冷卻換熱器中的工藝介質(zhì)，作為機泵冷卻水對泵體進行冷卻，作為冷卻介質(zhì)冷卻壓縮機的電機、壓縮機、汽輪機潤滑油系統(tǒng)的潤滑油等，帶走系統(tǒng)中多余的熱量。循環(huán)水系統(tǒng)的電耗占全廠總電耗的13.69%～15%[1]。隨著企業(yè)節(jié)能意識的逐步增強，循環(huán)水的使用管理逐步被重視，系統(tǒng)改造優(yōu)化比例持續(xù)增大。我國企業(yè)循環(huán)水系統(tǒng)普遍存在低效率、高能耗現(xiàn)象，循環(huán)水泵沒有處于最佳工況運行。近年來企業(yè)通過對循環(huán)水泵、風(fēng)機、循環(huán)水系統(tǒng)管網(wǎng)的改造，降低循環(huán)水系統(tǒng)電耗20%以上[2-4]；張霖[5]通過對單個用戶增加節(jié)流孔板降低循循環(huán)水用量，節(jié)電效果顯著。汪家銘[6]采用智慧閥對單臺換熱器的用水量進行及時調(diào)節(jié)，在多個石化企業(yè)取得明顯的節(jié)能效果。張高博[7]提出了一種列管式換熱器管程改造的方法，換熱器改造的投資大幅度降低，適合在循環(huán)水系統(tǒng)使用。劉發(fā)友等[8]對泵站超過工藝參數(shù)的水泵進行技術(shù)改造，通過調(diào)換泵和電機實現(xiàn)泵組的電耗最小化。可見循環(huán)水系統(tǒng)節(jié)能優(yōu)化潛力巨大。降低循環(huán)水系統(tǒng)的能耗，除了通過改造循環(huán)水泵、風(fēng)機等措施降低系統(tǒng)能耗之外，在確保裝置平穩(wěn)運行、產(chǎn)品質(zhì)量達到要求的情況下，核算用水設(shè)備的最小需要用水量，停用部分水冷器、將部分用水設(shè)備串級降低循環(huán)水消耗量，節(jié)約能耗。黃灝等[9]提出荊門石化糠醛車間通過降低水冷器的流速至水冷器運行最低標準、將兩臺水冷器的循環(huán)水串級利用保證循環(huán)回水和循環(huán)水上水溫差大于10℃，減少循環(huán)水用量400t/h。王萌[10]提出中國石化洛陽分公司通過對循環(huán)水系統(tǒng)用水量的優(yōu)化，節(jié)約循環(huán)水1787萬t/a，取得了明顯的經(jīng)濟效益。因此，循環(huán)水系統(tǒng)的串級優(yōu)化也是企業(yè)節(jié)能降耗的重要舉措之一。

目前企業(yè)循環(huán)水系統(tǒng)的優(yōu)化一般只是針對循環(huán)場進行優(yōu)化，雖然取得了一定的節(jié)能效果，但沒有解決源頭問題，不但無法充分挖掘出節(jié)能潛力，而且沒有解決化工裝置循環(huán)水換熱器存在的問題。這些存在的問題包括循環(huán)水上回水溫差小、換熱器腐蝕等問題。這些問題的存在不但造成化工企業(yè)能耗升高，而且影響安全生產(chǎn)。

張高博[11]提出的一種循環(huán)液系統(tǒng)優(yōu)化技術(shù)，包括流量優(yōu)化、壓力優(yōu)化和機泵節(jié)電優(yōu)化的漸進式優(yōu)化方法，以三環(huán)節(jié)理論為指導(dǎo)，從源頭入手，對循環(huán)水系統(tǒng)進行系統(tǒng)性優(yōu)化，可以解決循環(huán)水系統(tǒng)存在的根本問題。本文從串級利用方法的工業(yè)應(yīng)用出發(fā)進行研究，提出循環(huán)水串級優(yōu)化的工程設(shè)計方法。

1 循環(huán)水串級原理和方法

1.1 三環(huán)節(jié)理論

華賁所提出的“三環(huán)節(jié)”法是一種具有代表性的過程能量分析方法，已被應(yīng)用于石油行業(yè)能量系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計及其改造中，可達到較好的節(jié)能降耗效果。基于熱力學(xué)第二定律，“三環(huán)節(jié)”法以全局優(yōu)化為目的，依據(jù)能量在全局系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)變，從能流的變化方向?qū)^程系統(tǒng)的用能狀況進行本質(zhì)、定量的描述。該方法可與較多優(yōu)化技術(shù)配合使用，得到更好的能量分析效果，從而更為準確地發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)用能瓶頸并進行改進。煉化公司的用能可以簡單歸納為能量的轉(zhuǎn)換和傳輸、能量的工藝利用和能量的回收三個環(huán)節(jié)，如圖1所示。

圖1 用能三環(huán)節(jié)分析模式

1.2 循環(huán)水系統(tǒng)優(yōu)化技術(shù)

循環(huán)水系統(tǒng)優(yōu)化技術(shù)（CWO）是一種系統(tǒng)化降低循環(huán)水系統(tǒng)能耗和水耗的技術(shù)，可用于石油化工、煤化工、多晶硅、天然氣等行業(yè)。其特點是以能量“三環(huán)節(jié)”為指導(dǎo)，依次對利用環(huán)節(jié)、輸送環(huán)節(jié)和轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)進行優(yōu)化。首先對循環(huán)水利用環(huán)節(jié)—裝置區(qū)單臺冷卻器進行優(yōu)化，降低水量和壓力；然后對輸送環(huán)節(jié)—管網(wǎng)進行優(yōu)化，降低主管網(wǎng)的壓降；最后是對轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)—循環(huán)水場的涼水塔、風(fēng)機和泵進行優(yōu)化。系統(tǒng)優(yōu)化的最終效益體現(xiàn)在循環(huán)水場的循環(huán)水泵電耗、風(fēng)機電耗和補水量的降低，節(jié)能效果可達30%，而傳統(tǒng)節(jié)能方式只能降低15%。

1.3 循環(huán)水串級優(yōu)化方法

循環(huán)水冷卻設(shè)備的循環(huán)水一般設(shè)計為一次通過式，每臺換熱器之間并聯(lián)，且循環(huán)水上水和回水的溫差≤10℃。但水冷器實際運行過程中上回水溫差一般小于設(shè)計值。因此對于位置較近的水冷器在用水量匹配時，對循環(huán)水回水和上水溫差＜10℃的水冷器可以進行水冷器之間的循環(huán)水串級優(yōu)化，節(jié)約循環(huán)水用量[9]。

以華賁教授提出的能量“三環(huán)節(jié)”理論為指導(dǎo)依據(jù)，分別從能量的利用環(huán)節(jié)和回收環(huán)節(jié)對循環(huán)水系統(tǒng)用水量進行優(yōu)化，實現(xiàn)降低循環(huán)水耗的目的。能量利用環(huán)節(jié)的優(yōu)化即對單臺用水設(shè)備進行循環(huán)水量的優(yōu)化，降低用水設(shè)備的循環(huán)水用量；能量回收環(huán)節(jié)的優(yōu)化即對兩臺或者多臺設(shè)備的循環(huán)水進行串級優(yōu)化，提高循環(huán)水的溫升、降低循環(huán)水用量。

對兩組換熱器進行循環(huán)水串級利用時，應(yīng)考慮由于壓降增大對第一級換熱器的影響，以及由于水溫升高對第二級換熱器的影響。根據(jù)需要對換熱器進行相應(yīng)的改造，通常情況下改造的方法是更換換熱器。張高博[11]提出了一種改變管殼式換熱器管程數(shù)的方法，無需更換換熱器，只需對管束和管箱進行改造即可改變換熱器的程數(shù)，使用該方法將大幅度降低改造費用。

1.4 水冷器節(jié)水的最低流量計算方法

循環(huán)水換熱器優(yōu)化循環(huán)水量同時應(yīng)該滿足四個因素：

（1）工藝側(cè)換后溫度≤工藝操作指標；

（2）循環(huán)水側(cè)的管程流速≥0.8m/s。目的是防止循環(huán)水側(cè)結(jié)垢；

（3）循環(huán)水溫升≤10℃，循環(huán)水出口溫度≤45℃。目的是防止高溫結(jié)垢。

工藝側(cè)換后溫度根據(jù)換熱器的計算結(jié)果得到。計算公式如下：

其中：Δtm-平均溫差，℃；Q-熱流量，W；K-總傳熱系數(shù)，W/(m2·℃)；A-傳熱面積，m2。

換熱器最小流量按式（2）計算[15]：

其中：Q-水冷器節(jié)水的最低流量，t/h；V-防腐蝕及結(jié)垢最低流速，取0.8m/s；S-管束水側(cè)的流通面積，m2；ρ-循環(huán)水的密度，kg/m3。

2 改造實施方案

本文以中石化石家莊煉廠航煤加氫裝置的循環(huán)水改造為例，說明如何使用三環(huán)節(jié)理論對循環(huán)水系統(tǒng)進行改造。

隨著石家莊煉廠對裝置擴能和產(chǎn)品升級改造，多個裝置在夏季時出現(xiàn)供水不足的狀況，循環(huán)水廠好幾臺水泵出現(xiàn)超電流的現(xiàn)狀。為了使循環(huán)水廠滿足現(xiàn)有煉廠用水量需求，需要對循環(huán)水廠進行優(yōu)化改造。除了對水泵、風(fēng)機的改造和循環(huán)水系統(tǒng)管網(wǎng)壓降優(yōu)化之外，在滿足生產(chǎn)操作要求的同時對用水設(shè)備分別進行操作優(yōu)化和循環(huán)水串級優(yōu)化，盡可能降低循環(huán)水用量，在滿足企業(yè)正常運轉(zhuǎn)的同時達到企業(yè)節(jié)能降耗的目的。

2.1 循環(huán)水利用現(xiàn)狀

石家莊煉化60萬t/a航煤加氫裝置循環(huán)水用量150t/h，循環(huán)水用水點主要包括機泵冷卻水和工藝補充水、壓縮機冷卻水及水冷器冷卻水（E-201汽提塔頂水冷器、E-203航煤產(chǎn)品水冷器）。其中兩臺水冷器E-201和E-203的用水量均為115t/h，占裝置用水量的77%。

水冷器的操作參數(shù)見表1，表中的溫度和流量均為夏季最熱月的測量值。

表1 水冷器操作參數(shù)

2.2 利用環(huán)節(jié)循環(huán)水量優(yōu)化

2.2.1 E-201操作優(yōu)化

由表1可知，汽提塔頂氣經(jīng)塔頂空冷器冷后進入循環(huán)水冷卻器E-201。空冷器冷后溫度為39.9℃，已經(jīng)可以滿足工藝操作指標40.0℃的要求。進入E-201經(jīng)循環(huán)水冷卻后的溫度為28.3℃?？梢娖崴敋鈱儆谶^度冷卻，循環(huán)水過度使用，若停用水冷器E-201，可節(jié)約循環(huán)水66.6t/h。

但目前裝置在70%的負荷下運行，考慮到滿負荷工況的需要，對水冷器E-201中循環(huán)水流量按照管程流速0.8m/s進行優(yōu)化。測算結(jié)果表明，循環(huán)水量從66.6t/h減少至27.7t/h即可以滿足要求。優(yōu)化后工藝物料溫度僅上升0.3℃，完全能夠滿足工藝操作要求。優(yōu)化后循環(huán)水回水和上水溫差3.5℃，小于10℃的設(shè)計溫升，滿足循環(huán)水回水操作條件，但是循環(huán)水回水和上水溫差小，存在能量浪費現(xiàn)象。E-201水冷器操作優(yōu)化后，可節(jié)約循環(huán)水38.9t/h。

E-201水冷器當(dāng)前工況和操作優(yōu)化后工況操作參數(shù)見表2。

表2 E-201水冷器當(dāng)前工況和操作優(yōu)化后工況操作參數(shù)

2.2.2 E-203操作優(yōu)化

航煤產(chǎn)品進E-203水冷器與循環(huán)水換熱后工藝物料溫度40.1℃，低于工藝操作指標45.0℃，航煤產(chǎn)品屬于過度冷卻，循環(huán)水過度使用，見表1。

考慮到裝置后期擴能改造和產(chǎn)品調(diào)整的需要，在裝置滿負荷操作工況下對水冷器E-203按照管程流速最低0.8m/s進行操作優(yōu)化。優(yōu)化后循環(huán)水量從48.3t/h減少至44.5t/h，優(yōu)化后工藝物料42.1℃，仍能滿足工藝操作要求。E-203循環(huán)水操作優(yōu)化后循環(huán)水回水和上水溫差4.4℃，滿足循環(huán)水回水操作條件，但是循環(huán)水回水和上水溫差小，存在能量浪費現(xiàn)象。E-203水冷器循環(huán)水操作優(yōu)化后，可節(jié)約循環(huán)水3.8t/h。

E-203水冷器優(yōu)化前和優(yōu)化后操作參數(shù)見表3。

表3 E-203水冷器當(dāng)前工況和操作優(yōu)化后工況操作參數(shù)

2.3 回收環(huán)節(jié)循環(huán)水量優(yōu)化

2.3.1 循環(huán)水量串級優(yōu)化

分別對E-201和E-203水冷器操作優(yōu)化后，滿負荷工況下兩臺水冷器經(jīng)循環(huán)水冷卻后工藝物料溫度分別為30.2℃和42.1℃，仍然小于工藝操作要求，循環(huán)水與工藝物料換熱后循環(huán)水溫升分別為3.5℃和4.4℃，循環(huán)水溫升小，存在能量浪費。一般認為循環(huán)水溫升10℃為較優(yōu)操作，經(jīng)濟性較好。這兩臺水冷器循環(huán)水溫升較小，將這兩臺水冷器進行串級優(yōu)化，進一步降低水冷器循環(huán)水用量。

兩臺水冷器的循環(huán)水串級后，在滿足工藝指標的前提下，循環(huán)水的管程流速需要分別滿足最低0.8m/s的操作要求，因此水冷器循環(huán)水串級后循環(huán)水用量為44.5t/h。因為E-201水冷器要求將汽提塔頂氣冷卻至40℃，E-203水冷器要求將航煤產(chǎn)品冷卻至45℃，因此冷后溫度指標較為苛刻的E-201水冷器作為循環(huán)水串級的第一級，冷后溫度指標不太苛刻的E-203水冷器作為第二級。循環(huán)水上水先進E-201管程與汽提塔頂氣換熱再進E-203管程與航煤產(chǎn)品換熱，將E-201的循環(huán)回水作為E-203的循環(huán)上水，只有E-203的循環(huán)回水回循環(huán)水總管。

循環(huán)水串級后，裝置滿負荷操作時工藝物料溫度滿足工藝操作指標，循環(huán)水的溫升由2.1℃提高至6.3℃，循環(huán)水串級節(jié)約循環(huán)水70.4t/h。與優(yōu)化前的用水量66.6+48.3=114.9t/h相比，降低循環(huán)水用量61.3%。整個裝置總用水量降低46.9%。循環(huán)水串級后，工藝物料出水冷器溫度滿足工藝操作要求，循環(huán)水回水溫度同時滿足循環(huán)水的操作要求。循環(huán)水串級優(yōu)化的結(jié)果見表4

表4 循環(huán)水串級優(yōu)化操作參數(shù)

圖2 循環(huán)水串級優(yōu)化的工藝管道及儀表流程圖

循環(huán)水串級優(yōu)化的管道設(shè)計考慮檢修和防凍防凝的需要，設(shè)置了必要的切斷閥，對于串級后停用的閥門也設(shè)置了小副線，防止冬季凍凝。具體的工藝管道及儀表流程圖（P&ID）見圖2。

2.3.2 循環(huán)水串級壓降的核算

對水冷器中循環(huán)水進行操作優(yōu)化和串級優(yōu)化后，水冷器循環(huán)水量發(fā)生變化，循環(huán)水的流程也隨之改變。因此循環(huán)水串級改造后，水冷器管程壓降會發(fā)生變化，循環(huán)上水和循環(huán)回水之間的壓差也隨之變化，因此需要核算兩臺水冷器總的管程壓降，若水冷器管程壓降超過設(shè)計要求值，則需要對水冷器的結(jié)構(gòu)進行改造。循環(huán)水串級優(yōu)化前和優(yōu)化后兩臺水冷器管程壓降見表5。

由表5可知，循環(huán)水串級優(yōu)化前E-201和E-203的管程壓降分別為61kPa和14kPa后，兩臺水冷器循環(huán)水經(jīng)過操作優(yōu)化后管程壓降均降至12kPa。當(dāng)兩臺水冷器循環(huán)水串級優(yōu)化以后，管程壓降分別為28kPa和12kPa，總壓降為40kPa?？倝航敌∮趦?yōu)化前工況的最大一臺壓降的換熱器E-201，因此，對兩臺水冷器的循環(huán)水進行串級優(yōu)化后不會導(dǎo)致循環(huán)水場水泵揚程的需求增大，因而不需要對水冷器進行改造。

表5 循環(huán)水串級優(yōu)化前和優(yōu)化后水冷器管程壓降

2.4 經(jīng)濟效益

表6 靜態(tài)投資回收期

對航煤加氫裝置水冷器的循環(huán)水串級利用后，裝置節(jié)約循環(huán)水70.4t/h，循環(huán)水價格按0.2元/t計算，則裝置循環(huán)水串級經(jīng)濟效益為11.8萬元/a。在不改造循環(huán)水廠設(shè)備的情況下，對水冷器實施循環(huán)水串級優(yōu)化，在滿足工藝操作要求的同時，僅通過新增5臺閥門和1條管道實現(xiàn)水冷器循環(huán)水的串級利用。改造費用初步估算1.5萬元，收益為11.8萬元/a。循環(huán)水串級優(yōu)化方案的靜態(tài)投資回收期為0.1年，投資回報率高。數(shù)據(jù)見表6。

2.5 小結(jié)

以能量“三環(huán)節(jié)”理論為指導(dǎo)，得出節(jié)約循環(huán)水量方法的循環(huán)水“三環(huán)節(jié)理論”。以循環(huán)水優(yōu)化“三環(huán)節(jié)”理論為研究方法對水冷器實施循環(huán)水的串級改造。改造方法是先求出最小用水量，以此為指導(dǎo)對每臺水冷器進行操作優(yōu)化，降低循環(huán)水用量。然后進行串級優(yōu)化，進一步降低循環(huán)水用量，最后對串級后的總壓降進行校核。

該方法在煉油行業(yè)的加氫裝置工業(yè)應(yīng)用的實例表明，在滿足工藝物料溫度、循環(huán)水回水溫度和總壓降不增加的前提下，循環(huán)水換熱器串級優(yōu)化后的水量可以降低61.3%，使整個裝置的總用水量降低46.9%，效益11.8萬元/a。改造投資1.5萬元，投資回收期0.1年，具有良好的經(jīng)濟效益。

煉油和化工行業(yè)的循環(huán)水系統(tǒng)相似，因此，循環(huán)水優(yōu)化“三環(huán)節(jié)”理論的串級方法可以推廣應(yīng)用至煉油、化工行業(yè)的多個方面。

3 結(jié)果分析和討論

本文提供的裝置內(nèi)循環(huán)水量的優(yōu)化方法，不限于本文討論的將裝置內(nèi)工藝物料水冷器的循環(huán)水進行串級的場合，也可以拓展使用在同類設(shè)備或不同設(shè)備之間的循環(huán)水用戶的串級。例如，將壓縮機的主機和備機的中間冷卻器的循環(huán)水進行串級，可以消除備機在停機狀態(tài)下不必要用水造成的能源浪費；將主泵和備泵的泵體冷卻水進行串級；還可以將不同類型設(shè)備的循環(huán)水進行串級，例如壓縮機的電機和潤滑油冷卻器的循環(huán)水串級；若壓縮機級間冷卻器循環(huán)水溫升不高，可以將級間冷卻器循環(huán)水的出水分為兩路，分別與電機和潤滑油冷卻器進行串級優(yōu)化。

循環(huán)水的串級優(yōu)化是以“三環(huán)節(jié)”理論為指導(dǎo)的循環(huán)水系統(tǒng)優(yōu)化方法中的首要步驟，但是，需要指出的是，如果在此基礎(chǔ)上繼續(xù)從循環(huán)水的輸送和轉(zhuǎn)化環(huán)節(jié)進行優(yōu)化，降低系統(tǒng)管網(wǎng)的壓降，對循環(huán)水廠的機泵、涼水塔、風(fēng)機的進行節(jié)電優(yōu)化，將實現(xiàn)循環(huán)水系統(tǒng)的深度節(jié)能優(yōu)化，將取得更好的節(jié)能效果。

采用系統(tǒng)優(yōu)化技術(shù)對循環(huán)水系統(tǒng)的節(jié)能優(yōu)化，效果顯著，該技術(shù)的實施有助于降低企業(yè)能耗，實現(xiàn)化工企業(yè)節(jié)能減排目標和效益最大化的目標。

4 結(jié)論

針對化工企業(yè)循環(huán)水系統(tǒng)能耗高的問題，除了采用管網(wǎng)優(yōu)化和機泵節(jié)電優(yōu)化等方法外，還可以使用本文提出的循環(huán)水串級優(yōu)化的方法。該方法在加氫裝置中兩臺工藝物料換熱器的串級優(yōu)化應(yīng)用顯示，可以降低循環(huán)水用量61.3%，降低整個裝置的循環(huán)水用量46.9%。該方法同樣適用于大型工藝設(shè)備內(nèi)部用戶或設(shè)備之間的循環(huán)水用戶的串級。

將該方法應(yīng)用在循環(huán)水系統(tǒng)的每套裝置，可以有效降低整個循環(huán)水場的電耗。具有明顯的節(jié)電效果和經(jīng)濟效益。

該方法可以作為循環(huán)水系統(tǒng)優(yōu)化的措施之一，可以推廣應(yīng)用在所有的化工企業(yè)中。通過實施循環(huán)水系統(tǒng)的系統(tǒng)優(yōu)化改造措施，可以顯著降低化工企業(yè)的循環(huán)水電耗，有助于降低企業(yè)能耗，實現(xiàn)化工企業(yè)節(jié)能減排目標和效益最大化的目標。