煤化工企业循环水系统低碳节能优化研究

穆彦怀，安 磊，秦国英，庞秀锦

（晋能控股装置备制造集团天源山西化工有限公司，山西 高平 048400）

1 概述

天源山西化工有限责任公司4060 项目，设计产能为年产成氨36 万t、甲醇4 万t、大颗粒尿素60 万t，主要工艺流程为纯氧气化产半水煤气，经过脱硫、压缩、变换、脱碳、合成氨，最后形成尿素；经过近几年生产系统节能挖潜、升级优化，装置产能不断提升。配备有两套16 000 m3/h 循环水系统，10 台4 000 m3/h 循环水泵，8 台冷却塔风机，主要对生产过程中，气体压缩产生的热量进行冷却。

2 项目背景

晋能控股装备制造集团天源山西化工有限责任公司4060 项目，有两套循环水系统，每套循环水量16 000 m3/h，各配备5 台循环水泵，厂家为中国上海凯泉（集团）有限公司，泵额定流量均为4 000 m3/h，8台6 叶风机；循环水泵额定功率710 kW，额定电流51.3 A，风机132 kW，额定电流267 A。在实际运行中循环水泵功率750 kW，超出了额定功率，只能将循环水泵出口阀关到25%以下，功率才能回到700 kW 以下，确保正常运行，但是将阀门关小后，循环水泵叶轮经过会出现气蚀现象[1]。每套循环水各配套4 台冷却塔风机，风机实际运行电流197、180、201、216 A 左右，将风叶角度调整到最大16°时，电机电流到216 A左右，还有余量。到夏季循环水上水温度37 ℃，回水温度42.5 ℃左右，严重影响公司生产，必须对循环水系统进行整体优化改造。

3 循环水系统实际运行情况

3.1 设备基本情况

循环水泵运行情况：循环水泵实际功率690 kW，泵出口阀开度25%，冷却塔风机运行电流205 A 左右，额定电流289 A，还有改造提升空间。表1、表2 为水泵和风机的配置。

表1 循环水泵基本配置

表2 冷却塔基本配置

3.2 系统运行参数情况

循环水泵和冷却塔风机的实际运行检测数据见表3、表4。

表3 循环水泵运行情况

表4 冷却塔风机运行数据

4 系统存在的问题

1）循环水泵实际运行效率为65%，循环水泵实际运行效率为64%，水泵效率存在优化空间。

2）循环水系统供水夏季最热天气时可达43 ℃，对生产造成不利影响，总体散热能力偏低。

3）合成循环水系统上回水温差在5 ℃，电站循环水系统上回水温差均在4.4 ℃，通过对换热器的运行数据检测，缺乏技术手段来对换热器水量进行量化控制，换热器阀门普遍处于全开状态，未对循环水进行水平衡优化调整。

4）循环水系统供水压力偏低，部分月份为保证供水压力，需开启5 台循环水泵，此时系统已无备用泵。

5）冷却塔风机开满负荷，电机电流205 A 左右，还有余量；但循环水水温偏高，上回水温差只有5 ℃左右。

5 改造方案及思路

改造目标：夏季要将循环水上水温度控制在32 ℃以下，提高循环水上回水温差，泵运行功率控制在700 kW 以下。

5.1 循环水泵改造思路

天源公司选用的双吸单级离心泵是常规合理的选择，更换循环水泵的费用较高，而且和电机还不匹配；讨论先对其中一台循环水泵进行叶轮切割改造，来满足生产需要，根据实际运行数据，再对剩余的泵进行改造。

5.2 冷却塔风机风叶的分类及改造思路

循环水冷却塔风机风叶分类：根据材质可分为ABS（工程塑料）风机、铝合金风机、玻璃钢风机、不锈钢风机、碳纤维风叶。铝合金和不锈钢风机一般用于特殊要求的地方或者中小型风机上；主要考虑玻璃钢风叶和碳纤维风叶为主[2]。

1）碳纤维风机：单片叶片质量50 kg、叶片宽度510 mm、轮毂质量50 kg。碳纤维是以聚丙烯腈、粘胶纤维、沥青纤维等原丝作为原料，经过高温碳化和石墨化制成的，是一种含碳量在90%以上的高强度纤维材料。碳纤维广为人知的优点就是质轻高强，其密度仅有1.6 g/cm，而常用的结构材料钢材的密度为7.8 g/cm，即使是轻质量金属材料铝密度也有2.7 g/cm，相比而言，碳纤维复合材料的轻量化更为明显。

2）玻璃钢风机：单片叶片质量50 kg、叶片宽度310 mm、轮毂质量200 kg。玻璃纤维也是用得比较多的非金属增强材料，主要是以石英砂、石灰石、白云石、硼镁石等矿石为原料，经过高温熔断、拉丝、络纱、织布等工艺制造而成。常作为增强材料、绝缘材料、绝热材料，其密度在2.5 g/cm 左右，其抗拉强度在2 800 MPa 左右。玻璃纤维为无机纤维，伸长率在3%左右，绝缘性能好，也耐酸碱腐蚀[3]。

对以上两种材质相比较：在同等叶片质量相同情况下碳纤维风机叶片较玻璃钢叶片宽200 mm，且轮毂材质较轻。

6 改造过程

6.1 确定循环水泵叶轮切削量

叶轮切割前后的性能参数变化关系，可近似地由以下切割定律即式（1）～式（3）来表达。

式中：D 为叶轮切削前直径，mm；D1为叶轮切削后直径，mm；G 为叶轮切削前水泵流量，m3/h；G1为叶轮切削后水泵流量，m3/h；H 为叶轮切削前扬程，m；H1为叶轮切削后扬程，m；P 为叶轮切削前功率，kW；P1为叶轮切削后功率，kW。

根据上述公式，实测泵满负荷运行时功率为750 kW，要降到700 kW 以下，叶轮直径需要缩小20 mm，为保证稳定，同时考虑到循环水泵余量较大，讨论决定缩小量增加2 mm，叶轮实际直径缩小了22 mm。改造后：运行电流48 A，功率680 kW，泵出口阀门开度100%，额定电流51.59 A，额定功率710 kW。

6.2 冷却塔风机风叶改造

冷却塔风机电机和减速机利用原配套设备，减速机上安装的六叶轮毂拆除，更换成八叶轮毂，在八叶轮毂上安装八片碳纤维风叶，调整风叶角度13°。4台风机改造后，电流从197、180、201、216 A 增大至257、250、258、244 A，风速从6.7 m/s 增大至7.8 m/s，风速同比增加11.6%。

7 改造后循环水泵和冷却塔风机运行数据

经过对循环水泵和冷却塔风机的双管齐下改造，循环水泵功率从750 kW 降低到680 kW，泵出口阀开度从25%调整到100%，系统管网压力从0.389 MPa提高到0.43 MPa；冷却塔风机风速从6.7 m/s 增大至7.8 m/s，风速同比增加11.6%。循环水系统给水温度从28～29 ℃至25～26 ℃下降2～3 ℃，回水温度从33 ℃至32 ℃下降1 ℃，给回水温差从4～5 ℃增加至6～7 ℃，降温效果明显，目前运行状态正常。实际运行数据见表5～表8。

表5 循环水泵实际运行参数

表6 冷却塔风机单元运行数据

表8 2021 年6 月系统九机负荷参数

8 结语

综合现场实际情况，结合成熟的先进技术，系统性地对设备进行升级改造，达到了预期的效果，为安全生产长周期稳定运行，夯实基础。