空分装置中循环冷却水系统的节能优化研究

雷超 王玉宾 刘学升

摘要：在循环冷却水系统中，离心泵与冷却塔作为主要的能耗设备消耗了大量电能。在设计阶段，这些设备的选型通常较为保守，使运行工况偏离设计点，同时当需要改变工况时，工作人员对这些设备的调节也较为粗放，这些现象都在一定程度上造成了浪费。

关键词：空分装置；循环冷却水；节能优化

1循环冷却水系统运行特点

电厂循环冷却水系统在运行过程中主要通过换热器交换热量或者直接接触换热方式，并经冷却塔冷却后对介质热量交换过程的循环使用，以节约水资源，实现循环冷却水节水和零排放要求。应用原理方面，循环水的冷却主要通过水与空气的相互作用，如从蒸发散热、接触散热和辐射散热3个过程实现循环水冷却过程。在运行过程中，现场作业人员可根据冷却循环水是否与大气进行直接接触将冷却循环系统细化分为敞开式循环系统与密闭式循环系统2种类型。

2系统概述

本文所研究的三万空分循环冷却水系统，主要由循环水泵组、冷却塔、换热网络三部分组成。

1）循环水泵是KPS系列的单级双吸中开式离心泵，共两台，设计流量稍小的泵称之为泵A，设计流量稍大的泵称之为泵B，两台泵并联配置运行。泵A的叶轮直径是508mm，泵B的叶轮直径是532mm。在本文中为了更精确的调节冷却水流量，重点研究了泵的变频调节方式。

2）冷却塔是钢筋混凝土形式的机械通风方形逆流抽风式冷却塔，总的设计冷却水流量是3480m³/h，共三格，单格处理的冷却水流量是1160m³/h，设计补水量为70t/h。根据当地的基本气象条件，冷却塔的主要设计参数如表2所示。

在冷却塔的顶部，每一格都配有一台轴流式LF系列风机。风机由电机直连驱动，配用的电机功率为55kW，叶片数为6，叶轮直径是6m。对于其它叶片安装角下的风机性能曲线，可以通过采用线性插值的方式来近似获得。本文将风机的叶片安装角作为重点因素进行研究，通过改变风机的叶片安装角来调节冷却塔内的风量。

3）循环冷却水的主要目的是带走工艺过程中产生的各种废热。空分流程中循环冷却水系统的换热网络主要包括：空压机、主增压机、膨胀机、辅增压机、氧压机、预留增压机和氧压机中的各种级间冷却器，以及预冷系统中的空冷塔。该循环水系统中冷却水的总设计流量是3073t/h，空压机、预冷系统和主增压机是换热网络中冷却水消耗量最多的三台设备，这三台设备所消耗的冷却水流量之和可占到系统总流量的80%。而这些冷却器的热负荷都来源于空压机和增压机两台设备，因此冷却水的需求量与空压机和增压机的运行工况密切相关。空压机内的工质为湿空气，总的设计流量是138000Nm³/h干空气，可以通过改变进口导叶的方式来调节流量，调节范围是75%～105%。该空压机为3级压缩，总压比是5.71，前两级出口设有级间冷却器，末级不设冷却器，末级出口空气在预冷系统中的空冷塔内进行冷却。增压机内的工质是干空气，总设计流量是132000Nm³/h干空气，该增压机为4级压缩，总压比是5.14，每一级的出口均设有级间冷却器。

3循环冷却水优化处理方案

3.1加浓硫酸设备

循环水的加酸处理通常采用硫酸，很少采用盐酸，因为硫酸比盐酸便宜，而且盐酸中的Cl-对系统有腐蚀性。

循环冷却水加硫酸的量可通过监测循环水的pH值来控制，一般控制循环水的pH值在7.4～7.8。加酸的流程为：用卸浓硫酸泵将浓硫酸从槽车送入浓硫酸贮罐，浓硫酸贮罐一般高位布置，利用浓硫酸计量泵将浓硫酸送入循环水泵吸水井或冷却塔水池，工艺简单，运行操作方便。加浓硫酸设备及管道阀门接触介质部分均需耐浓硫酸腐蚀，可采用碳钢或碳钢衬聚四氟材质。

3.2加阻垢剂处理

3.2.1阻垢剂的种类

聚磷酸盐和有机膦酸的缺点是增加了水体营养，促进了微生物繁殖；聚羧酸类如聚丙烯酸、聚马来酸酐等无磷聚合物，曾被认为是无毒、污染很小、环境友好型，而近年研究发现：尽管毒性较低，它们一般无法被生物降解或只有很弱的生物可降解性。

20世纪90年代，无磷、生物可降解的绿色缓蚀阻垢剂如聚环氧琥珀酸和聚天冬氨酸被广泛研究并得到一定的应用。聚环氧琥珀酸简称PESA，是一种无磷无氮、可生物降解的绿色阻垢剂，PESA对水中的碳酸钙、硫酸钙、硫酸钡、氟化钙和硅垢有良好的阻垢分散性能，具有一定的缓蚀作用。聚天冬氨酸简称PASP，是一种无磷无毒、无公害、可完全生物降解的绿色阻垢剂，能有效阻止碳酸钙、磷酸钙、硫酸钙、硫酸钡和氧化铁等结垢的发生。

3.2.2加阻垢剂设备

目前采用的阻垢剂，有固体粉末状，也有液体，液体的有效成分一般为30%～50%，投加阻垢剂时应先将其配制成5%～10%的水溶液，然后投加到水中。阻垢剂加药量一般为2～5mg/L。

3.3杀菌灭藻处理

3.3.1微生物的危害

循环冷却水中的微生物会产生黏泥和导致微生物腐蚀，生物体附着在设备上增加了水阻和热阻，因此微生物的主要危害是降低传热效率，阻塞水道和腐蚀设备。同时水中的细菌、微生物含量较高时，会加速管道及设备的腐蚀速率。

为了控制循环水微生物滋生，电厂采用氧化性杀菌剂及非氧化性杀菌剂相结合来控制循环水微生物。

3.3.2杀菌剂的投加方式

氧化型杀菌剂采用次氯酸钠，用量为2mg/L，每天添加2次，持续1h。循环冷却水中游离氯的最佳控制范围为0.2~0.4mg/L，采用冲击加药。

由于冷却水中生长的微生物种类繁多，同一种药剂对不同微生物的影响可能不同。一种特殊的杀菌剂常常使微生物逐渐产生耐药性。为了解决微生物的耐药性，可以交替使用不同的杀菌剂。因此，非氧化性杀菌剂每月添加一次，以确保更好的杀菌效果。

3.4自动加药控制技术

电厂循环冷却水系统在运行过程中，冷却水装置容易受到温度、湿度等外部因素的干扰。其中，在外界因素的干扰下，冷却水的浓度倍数和水质也会发生波动。当这种变化发生时，传统的手动控制方法很难达到预期的控制效果。为解决这一问题，工作人员可根据循环冷却水的实际需求，采用高浓度倍数循环冷却水处理技术，确定浓度倍数的增加量。然而，并不是说增加的倍数越多越好。随着浓度倍数的增加，循环水中的盐离子浓度也会增加，盐含量的增加会腐蚀整个凝汽器，增加其腐蚀程度。因此，应在增加浓度倍数之前对其进行称重。在实际生产加工中，通过添加酸、稳定剂和石灰，或采用弱酸性氢离子交换树脂处理技术，可有效改善腐蚀现象，提高循环冷却水的浓缩倍数，减少污水排放。本文提供了两种浓度比控制方式：手动控制和自动控制。用户可根据需要选择控制方式。手动控制，顾名思义，就是手动控制供水电动阀。自动控制通过PID算法实现供水电动阀和供水的自动启闭。现场操作员可以使用自动控制系统来控制冷却水的质量。

结论

电厂循环冷却水系统节水零排放是实现电厂节水减排目标的重要措施。根据实践反馈，严格按照节水、减排、零排放的要求，电厂循环冷却水系统运行中涉及的用水量和污染排放问题大大减少。因此，现场作业人员在采取节水减排、废水零排放技术措施的过程中，可以根据不同环节、不同工况的实际需要，采取科学合理的技术措施进行控制，从而实现我国发电厂的可持续发展。

参考文献：

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