韓會亮,衡永宏,袁亮
(中國石化塔河煉化有限責任公司,新疆庫車 842000)
循環(huán)水系統(tǒng)是由換熱設備、冷卻設備、水泵、管道及其他有關(guān)設備設施組成。循環(huán)冷卻水系統(tǒng)普遍存在著機泵效率低、節(jié)流損失大、控制水平低、耗水量大、能量浪費嚴重的現(xiàn)象[1]。因此,分析研究循環(huán)水系統(tǒng)運行瓶頸,進行節(jié)能優(yōu)化,可有效降低能耗,提高企業(yè)經(jīng)濟效益。
中國石化塔河煉化有限責任公司(簡稱塔河煉化)1#循環(huán)水系統(tǒng)是塔河煉化120萬噸/年稠油技改項目的配套公用工程,工藝流程見圖1。主要為1#焦化、1#加制氫、1#硫磺、半再生重整、氣柜壓縮機和動力鍋爐等生產(chǎn)裝置提供循環(huán)冷卻水。為敞開式循環(huán)冷卻水系統(tǒng),設計規(guī)模4 000 m3/h,保有水量1 500 m3,配置了4臺循環(huán)冷卻水給水泵、2臺真空泵;一座2間逆流式機械通風冷卻塔(單間塔設計處理能力2 000 m3/h)和1間與塔底水池合建的吸水池;5臺全自動過濾罐、1套加藥及1臺監(jiān)測換熱器。裝置于2004年8月投用。
圖1 循環(huán)水系統(tǒng)工藝流程
自各生產(chǎn)裝置來的循環(huán)冷卻回水(水溫≤40℃)利用余壓經(jīng)循環(huán)冷卻回水管網(wǎng)直接進入逆流式機械通風冷卻塔,使≤40℃的熱水降溫到≤30℃,冷卻水經(jīng)塔底水池進入吸水池,由循環(huán)冷卻給水泵提升輸送至循環(huán)冷卻給水系統(tǒng)管網(wǎng)供裝置循環(huán)使用。
循環(huán)水在冷卻過程中因蒸發(fā)、風吹、排污以及系統(tǒng)泄漏等造成水量損失,使循環(huán)水中含鹽量增加。為穩(wěn)定水質(zhì),系統(tǒng)需要投加不同藥劑進行處理,同時采用新鮮水作為循環(huán)水補充水,維持系統(tǒng)水平衡。
在實際生產(chǎn)時循環(huán)水場運行1臺大泵(設計揚程45 m,流量2 200 m3/h)和1臺小泵(設計揚程45 m,流量1 000 m3/h),總供水量3 100 m3/h,供水壓力0.40 MPa,兩臺泵運行電流分別是26 A、14 A,通過對機泵進行能效測試,大泵機組效率76%,小泵機組效率55%,循環(huán)水泵效率偏低,存在一定優(yōu)化空間。
由于循環(huán)水系統(tǒng)供水的用戶較多,不同用戶所需的供水壓力不同,為了滿足最高供水壓力的要求,循環(huán)水場中配備的循環(huán)水泵出口壓力明顯高于循環(huán)水管網(wǎng)的系統(tǒng)壓力[2]。實際運行中循環(huán)水泵的揚程和流量與系統(tǒng)所需的壓力和流量不匹配,導致循環(huán)水泵偏離其高效運行區(qū),循環(huán)水泵出口閥門未全開,通過關(guān)小出口閥截流控制流量而導致流阻增大;出口止回閥選型不當,止回閥壓降大,部分系統(tǒng)管路閥門等阻力較大[3],再通過涼水塔返塔閥門節(jié)流,浪費能量。泵出口壓力和上水母管壓力統(tǒng)計見表1。
表1 泵出口壓力和上水母管壓力統(tǒng)計
循環(huán)水冷卻塔供回水溫差設計為10℃,但根據(jù)對生產(chǎn)裝置的主要換熱設備進行調(diào)研后發(fā)現(xiàn),目前循環(huán)水場整體供回水溫差僅為6℃,換熱器進出口溫差差別較大,部分裝置換熱器進出口溫差明顯偏小,詳見表2,存在較大調(diào)整空間。
表2 部分水冷器循環(huán)水進出口溫差統(tǒng)計
1)冷卻塔填料部分
由于原冷卻塔填料原材料采用再生聚氯乙烯材料制作,所以經(jīng)過一段時間的使用已嚴重熱變形(部分出現(xiàn)坍塌現(xiàn)象)、填料老化(填料高度不夠)及局部位置出現(xiàn)空洞現(xiàn)象,造成冷卻塔熱力性能明顯下降。
2)冷卻塔布水噴淋系統(tǒng)部分
冷卻塔布水器要求布水均勻和噴頭噴射形成霧化,這樣可以提高冷卻塔的熱工性能。由于原布水器噴頭噴淋面積小、效果不好,且冷卻塔的長期運行導致部分布水管內(nèi)結(jié)垢及腐蝕,并造成部分布水頭脫落,布水系統(tǒng)短路現(xiàn)象,布水嚴重不均勻。
3)冷卻塔本體結(jié)構(gòu)和化冰管
冷卻塔本體中部下隔墻原設計為通透框架且冷卻塔兩側(cè)設置有化冰管,在實際運行中,風吹、飄濺現(xiàn)象嚴重,影響周圍環(huán)境,而且造成冷卻塔周圍設備結(jié)垢、腐蝕。
通過對循環(huán)水系統(tǒng)的整體分析,首先對循環(huán)水用量進行優(yōu)化和局部糾偏,再通過對循環(huán)水系統(tǒng)的關(guān)鍵線路上各個壓力點的分析,減少非必要的阻力損失,適當調(diào)整整個循環(huán)水系統(tǒng)的壓力平衡。經(jīng)過壓力平衡調(diào)整試驗,測試循環(huán)水管網(wǎng)在合適壓力下運行的安全性及可操作性,同時校核該系統(tǒng)富余壓力。在此基礎上提出整個循環(huán)水系統(tǒng)需求的揚程,并對循環(huán)水泵改造,達到整個循環(huán)水系統(tǒng)的節(jié)能優(yōu)化[4]。提出循環(huán)水泵新的設計參數(shù),選取高效的機泵進行改造。
此次1#循環(huán)水系統(tǒng)整體運行降壓優(yōu)化試驗在模擬夏季高溫工況下進行。試驗前檢查各裝置關(guān)鍵水冷器入口壓力表準確性;入口無壓力表的,可參考同水平線或旁邊運行水冷器的入口壓力表,或創(chuàng)造條件安裝壓力表。要求所有在用水冷器入口閥全開,調(diào)整出口閥控制流速[5]。1#裝置現(xiàn)場水冷器與地面最大標高約17 m,水冷器出水管口位高約19 m, 循環(huán)水泵設計揚程45 m,運行揚程40 m,循環(huán)水泵設計揚程存在較大余量。根據(jù)循環(huán)水系統(tǒng)管網(wǎng)和水冷器布局,確保系統(tǒng)末端最高處水冷器(1#焦化分餾塔頂冷卻器E1113A/B和常壓塔頂后冷器E1005A/B) 運行流速和溫差,同時結(jié)合2#循環(huán)水降壓優(yōu)化實際效果,1#循環(huán)水系統(tǒng)整個降壓試驗分0.40 MPa降至0.38 MPa、0.38 MPa降至0.36 MPa、0.36 MPa降至0.34 MPa、0.34 MPa降至0.32 MPa四個階段,每個階段觀察運行不少于24小時。試驗過程在維持總循環(huán)量基本不變的前提下,逐步關(guān)小循環(huán)水泵出口閥門,適當開大涼水塔返塔閥門。每次調(diào)整時,各裝置崗位人員關(guān)注裝置的水冷器和機泵的運行狀態(tài)及工藝變化情況,并記錄循環(huán)水側(cè)進出口溫度、 閥門開度、工藝側(cè)進出口溫度,在調(diào)整過程中遇到的問題和解決的措施,當裝置現(xiàn)有手段不能解決問題時,則由調(diào)度通知停止調(diào)整或恢復調(diào)整之前的運行狀態(tài)。
經(jīng)過對1#循環(huán)水場降壓試驗,壓力降至0.32 MPa時,觀察1#焦化分餾塔頂冷卻器E1113A/B和常壓塔頂后冷器E1005A/B運行狀況,水側(cè)溫差明顯升高,工藝側(cè)溫度接近允許上限。根據(jù)降壓試驗結(jié)果,詳見表3,以及系統(tǒng)最佳工況核算,循環(huán)水泵揚程由 45 m改造為38 m,運行揚程35 m,可以滿足系統(tǒng)實際運行的需要。具體改造為:循環(huán)水泵P-8202A設計流量2 500 m3/h,揚程45 m,對該泵葉輪進行更換,保持2 500 m3/h流量不變,揚程降至38 m;其余3臺泵整體更換為低揚程高效泵,保持流量不變,揚程降至38 m,實際運行中泵進出口閥門全開,提高整個循環(huán)水系統(tǒng)運行效率,實現(xiàn)整體節(jié)能。改造前后循環(huán)水泵參數(shù)見表4。
表3 降壓前后水冷器運行參數(shù)
表4 改造前后循環(huán)水泵參數(shù)
循環(huán)水泵出口止回閥選型不當,導致過大的局部阻力。將循環(huán)水泵出口止回閥更換為高效管力閥,形成直線型流道,能耗低、運行穩(wěn),密封效果好,其兼具止回閥的功能,通過提高快關(guān)時間,能更好地消除水錘危害,保護水泵及管網(wǎng)系統(tǒng)安全。
全部更換2間涼水塔內(nèi)填料、布水水帽,對腐蝕和堵塞的布水管進行維修。原填料老化破碎嚴重,流道發(fā)生了堵塞現(xiàn)象,更換新填料使流道更均勻,擴大冷卻面積,提高換熱效率。填料更換前后布水情況見圖2。原布水水帽存在缺陷,覆蓋面積小,同時存在短路現(xiàn)象,布水不夠均勻,更換新水帽及疏通布水管,布水面積增大,實現(xiàn)均勻覆蓋。
圖2 填料更換前后布水情況
根據(jù)當?shù)貧夂驐l件,對涼水塔下隔墻封堵后涼水塔冷卻效果進行核算后,將涼水塔下隔墻進行封堵;拆除涼水塔原東西兩側(cè)化冰管,增設收水檐,以減少飄散損失。
循環(huán)水補水以新鮮水為主,新鮮水屬于中等硬度、中等堿度水質(zhì),采用自然pH值運行工藝,濃縮倍數(shù)高時易引起循環(huán)水系統(tǒng)結(jié)垢。系統(tǒng)結(jié)垢直接影響裝置冷換設備和涼水塔的冷卻效果,為消除結(jié)垢,需要增加循環(huán)水系統(tǒng)不停車清洗預膜工作,消耗大量藥劑和補水。因此,要根據(jù)水質(zhì)特點優(yōu)化緩蝕阻垢劑配方,降低配方中的鋅離子含量并增加共聚物分散劑的用量,增強碳酸鈣阻垢效果。2018年委托北化院根據(jù)循環(huán)水補水水質(zhì)開發(fā)出適應塔河煉化水質(zhì)的低磷配方,運行至今,循環(huán)水結(jié)垢現(xiàn)象較之前明顯改善。調(diào)整循環(huán)水水處理方案,循環(huán)水濃縮倍數(shù)由2019年的平均3.93倍提高至5.2倍,減少了循環(huán)水補水量10.02 m3/h,年直接經(jīng)濟效益18.87萬元。
水冷器泄漏后,物料介質(zhì)泄漏到循環(huán)水系統(tǒng),導致循環(huán)水水體顏色、濁度等指標升高,每次泄漏 都需要對設備進行逐臺查漏,對循環(huán)水系統(tǒng)進行剝離、除油,并適當換水,改善水質(zhì),不僅增加人員勞動強度,過程中消耗大量藥劑和水,才能恢復水質(zhì)。
通過每月定期跟蹤裝置水冷器溫差、端差及流速情況,對不達標的水冷器進行調(diào)整,對以往泄漏頻次較高的水冷器進行管束材質(zhì)升級,根據(jù)掛片腐蝕速率調(diào)整緩蝕阻垢劑的投放量,在出現(xiàn)介質(zhì)泄漏時,第一時間查找出泄漏源并迅速切除,減輕因泄漏造成的水質(zhì)惡化[6]。
1)2020年4月循環(huán)水泵和止回閥改造投用后,在保證裝置安全運行的基礎上,循環(huán)水系統(tǒng)供水壓力由改造前的0.40 MPa降至0.35 MPa,循環(huán)水總供水量保持基本不變,裝置年運行電耗同比下降71 萬kW·h,降幅達12.1%,按照電價0.34元/kW·h計算,年節(jié)省電費24.14萬元。改造前后循環(huán)水機泵電耗對比見圖3。
圖3 優(yōu)化改造前后循環(huán)水機泵運行電耗對比
2)循環(huán)水涼水塔更換填料、布水器和水帽,提高了冷卻塔性能。將涼水塔下隔墻進行封堵,拆除涼水塔原東西兩側(cè)化冰管,增設收水檐,減少風吹損失,循環(huán)水現(xiàn)場飄溢現(xiàn)象消除,現(xiàn)場環(huán)境得到明顯改善,規(guī)格化、標準化水平明顯提升。
通過對1#循環(huán)水系統(tǒng)實際情況進行分析研究確定改造方案,將循環(huán)水泵改造更換為低揚程高效泵,更換泵出口止回閥和涼水塔內(nèi)部件等,多種改造方式并行,并優(yōu)化循環(huán)水系統(tǒng)運行,優(yōu)化改造后循環(huán)水系統(tǒng)年運行電耗同比下降71萬kW·h,節(jié)電率達12.1%,現(xiàn)場飄濺現(xiàn)象消除,現(xiàn)場環(huán)境得到明顯改善,取得了良好的節(jié)能效果和環(huán)境效益。