化工企业循环水系统节水节能技术改造分析

宋伟刚

（大庆油田化工有限公司，黑龙江大庆 163000）

随着中央提出了“绿水青山就是金山银山”的发展理念，各地加大了对环境保护的重视程度，居民的环境保护意识越来越强，对水资源的保护也愈加重视。化工企业属于环境保护重点监测对象，对环境保护的要求越来越高。在化工企业生产过程中，对水资源的需求量较大，循环冷却水系统属于化工企业重要的用水工程，其消耗的水资源量占企业工业用水的2/3以上[1]，循环水系统的能耗及水资源利用效率，不仅影响企业用水用电成本，还增加了企业环境保护压力，特别是在一些水资源稀缺的地区，这种问题更加突出。因此，化工企业节约用水、降低循环水系统能耗、减排增效是一项重要的工作，做好企业循环水系统运行及管理，对于企业可持续发展意义重大。

1 石化企业循环冷却水系统

石化企业循环冷却水系统分为敞开式和封闭式两种，敞开式循环冷却水系统应用较为普遍。

1.1 敞开式循环冷却系统

敞开式循环冷却系统使用冷却塔来进行冷却，能够对冷却水进行循环利用。冷却塔组成部分主要有通风塔、淋水系统、配水系统、收水器、通风设备等，淋水塔是重要的组成部分，能够将热水溅散呈细小的水滴或薄水膜，以提高散热效果。敞开式循环系统在冷却过程中与空气接触，水分会被蒸发，导致损失一部分循环水，使得循环水浓度增加，为了保持循环水平衡，需要补充一定的循环水，并排出部分污水。敞开式循环冷却水系统冷却过程分为蒸发冷却、接触冷却和辐射冷却三个过程。其中夏季室外温度高，蒸发散热效果最好，冬季室外温度低，接触散热效果好。

1.2 封闭式循环冷却水系统

封闭式冷却水循环系统处于封闭状态，冷却水使用后进行循环再利用，而不是立即排放出去。对循环水的冷却需要借助其他换热设备进行，由于采用全封闭模式，冷却水在循环过程中消耗较少。封闭式循环冷却水系统在内燃机、发电机等设备冷却中应用较多。

2 循环水系统节水技术分析

2.1 提高浓缩倍数

根据循环水系统水量消耗特点，循环水浓缩倍数直接影响水量的消耗及排污量大小。由图1循环水系统浓缩倍数与补充水量/蒸发水量关系可知，当浓缩倍数较低时（小于4），随着浓缩倍数变大，补充水量大幅度减少，随之排污量也减少。当浓缩倍数变大时（大于4），二者关系曲线较为平直，随着浓缩倍数变大，补充水量下降较慢，随之排污水量也降低较慢。伴随着浓缩倍数增大，循环水系统中含盐量增加，循环水中盐浓度增加，导致容易产生垢质，同时对管道腐蚀加剧。

图1 循环水系统浓缩倍数与补充水量/蒸发水量关系

根据循环水系统浓缩倍数与补充水量/蒸发水量关系，为提高循环水系统节水效果，应精细管理，提高循环水浓缩倍数，实现节水目的。在具体操作过程中，可以通过两种方式来提高循环水浓缩倍数：①使用高效水处理药剂，通过合理控制处理剂用量，实现对循环水浓缩倍数的精准控制，达到节水效果，这种方式不需要对补充水进行预处理；②对补充水进行预处理，以提高循环水浓缩系数。这种方式在北方使用较多，北方水质较差，多属于高硬度、高含碱水，这种水质很难通过处理药剂来调节浓缩系数，处理剂的效果优选，对补充水进行预处理效果更好，为最佳选择。

2.2 污水回收利用

通过提高浓缩倍数实现节水及减少排污量的措施效果有限，主要是受到生产规模的影响，因此，需要考虑其他节水措施。通常化工企业具有较为完备的工业用水生产系统及供排水系统，利用这些系统，能够实现对生产废水的回收利用，可作为循环水使用。目前，较多的化工企业开展污水回收利用技术研究，企业排放污水达到二级标准，在此基础上再进行深度处理，可作为循环水来源。

目前对生产用水回收利用有两种方式，一种是对回收污水只进行简单处理，而对于循环水阶段则加强控制，提高循环水水质，这种回收方式对回用水的处理成本相对较低，回收速度快、投资小，但这种污水回收处理方式也存在弊端，即对循环水系统控制技术要求较高，也会导致循环水控制成本上升，这种方式在南方使用较多，因为南方水质相对较好，且水资源充足、水价相对较低。另一种方式加强对达标污水的处理，实现对达标污水的深度处理，将重点放在污水深处理阶段。这种污水处理方式能够提高循环水水质，降低循环水控制难度，有效保护循环水系统，降低循环水系统运行风险。这种处理方式的弊端是回用水成本较高，适用于北方水资源紧缺、水质较差、水价较高的地区。对于回用污水处理，化工企业应根据自身特点，综合考虑操作成本、技术难度等因素，选择适合本企业的回用水标准及深度处理技术。

除了上述利用达标排放的污水外，一些化工企业建有采用混凝沉降工艺的净水厂，能够对一些废水水源进行净化使用，这部分水源含有大量泥沙和悬浮物，将悬浮物净化后，可以回用至循环水系统中。化工企业水处理过程中，化学处理大多采用离子交换技术，实现对污水中盐类除去，在离子交换树脂再生后期需要使用脱盐水进行冲洗，冲洗过程中消耗大量脱盐水，而这些脱盐水含盐量低于新鲜水含盐量，水质接近新鲜水，可以将这部分水回用于循环水系统，这种污水补充方式适用于北方水质较硬的地区，回收利用这部分水能够提高循环水系统浓缩倍数，达到节水目的。此外，循环水系统排出的污水也可以进行再利用，这部分污水可以进行脱盐处理，处理后能够再回用到循环水系统，也可以将这部分污水用于绿化用水或冲厕用水，这项技术应用需要注意两个方面，一是要考虑污水回用的成本是否合理，二是要考虑这部分用水量不能过高，否则高于循环水系统排出的污水量，会导致循环水系统浓缩倍数降低，不利循环水系统节水运行。

2.3 提高循环水系统节水效果

除了上述提高循环水浓缩倍数、加强污水处理及回收利用外，还可以结合循环水系统特点，提升节水效果。首先，在循环水系统运行过程中，需要减少防渗漏及密封效果，特别是运行时间较长的循环水系统，由于系统老化腐蚀等，容易出现渗漏，需要做好防渗漏工作，定期检修与维护，将渗漏降至最低，提高系统运行效率。还需要做好循环水系统防风吹工作。风吹会加速水分挥发，导致循环水损失，因此，需要做好防风吹工作，可以使用收水器或收水挡板，或者加装填料，减少风吹造成的损失。此外，温度差异也是造成循环水系统中水分蒸发的重要因素之一，因此，需要降低供回水温度差异，以提高能源利用效率。例如，当介质温度大于150℃时，需要先对热量进行回收利用，然后进行循环冷却，不仅提高了能量利用率，也降低了循环水的消耗量。

3 循环水系统节电技术分析

化工企业循环水系统中的水泵是循环水流动的重要驱动装置，以往对于水泵流量控制多使用鼠笼式异步电机，电机恒速转动拖动水泵，在进行流量控制时，通过节流阀或者挡板来实现流量调节，这种调节方式简单直接，但节能效果差。目前变频节能技术已广泛应用于工业控制中，其调节效果好，智能化程度高，易于自动化控制，节能效果好，避免因设计庸余或流量变化控制效果差造成的电能损失。

3.1 循环水系统变频节能技术原理

变频控制技术能够对水泵电机、风机的智能化控制，实现对循环水的精准调节，达到节能效果。其原理是实现对风机、水泵的智能化调节，取代传统的节流阀或挡板的调节方式，达到节能效果。为了解变频控制优势，分析了水泵的工作特性，如图2所示。当水泵流量从QA降低到QB时，如果使用关小阀门的方式来进行调节，那么管阻曲线如③所示，此时扬程特性曲线如①所示，由于工作点从A点变到B点，水泵流量降低，扬程增加（由HTA增加到HTB），水泵轴功率与面积S0（FBEO）呈正比。如果阀门的开度保持不变，此时通过调节水泵转速来控制流量，水泵转速的变化会导致扬程发生变化，但管阻特征无明显变化。此时，如果转速降低，扬程特性曲线也会随之下移，如曲线④所示，但管阻特性曲线不变，如曲线②所示，此时工作点变为C，水泵轴功率与面积S1（OECH）成正比，减少的能量消耗与面积S2（FBCH）成正比。综合分析，水泵流量与转速成正比，而水泵轴功率与转速的立方成正比，调节水泵转速比调节流量的方式节能效果更好。

图2 水泵工作特性曲线

3.2 变频调节技术措施

通过变频技术来调节水泵转速比传统通过阀门或挡板来调节流量的方法具有明显优势。在采用变频控制技术时，具体控制方案可以在循环水出口处设置一个压力传感器和温度传感器，监测循环水的温度与压力变化情况。当循环水温度升高，高于设定的温度上限时，通过变频控制技术，调节电机功率至上限，提高循环水流量。当检查到循环水温度低于温度下限时，通过变频控制技术，调节电机功率至下限。当监测到循环水温度处于最高温度与最低温度之间时，变频控制技术通过智能化控制实现无级调速，使水泵达到最近工作状态，达到节能降耗的目的。

变频控制技术自动化程度高、控制效果好、安全平稳、噪音小，能够有效较低水泵和风机的无效功率，提升节能效果，同时由于控制更加平稳，水泵、风机及管道设备的损耗低，维修费用低、使用寿命得到延长。

4 结束语

为了践行中央“绿水青山就是金山银山”的发展理念，各地加大了环境保护力度，化工企业生产过程中用水量大、能耗高且易产生环境污染，属于环境保护部门重点关注对象。为了贯彻中央环境保护政策，化工企业要不断改进及创新生产工艺，优化循环水系统流程，持续提升节水节电效果，降低企业生产成本，突出环境保护成效，为企业可持续发展提供技术保障。