在化工企業(yè)中，循環(huán)冷卻水是一項(xiàng)常見且很重要的公用工程系統(tǒng)，其具有系統(tǒng)復(fù)雜、用戶多、水量大等特點(diǎn)。相應(yīng)的循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的能耗也非常高，其用水量約占企業(yè)總用水量的85%~92%，用電負(fù)荷約占企業(yè)總用電量的20%~30%。故對(duì)化工企業(yè)中循環(huán)水系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能優(yōu)化，其效果對(duì)企業(yè)的節(jié)能影響甚大。本文就從循環(huán)冷卻水的系統(tǒng)選用、設(shè)備配置或選用、水質(zhì)處理藥劑或技術(shù)選用等方面的節(jié)能技術(shù)展開討論，可作為實(shí)際工程的借鑒和參考。

1 循環(huán)冷卻水系統(tǒng)選用

一般情況下，工業(yè)循環(huán)冷卻水系統(tǒng)分為兩大類：敞開式和密閉式系統(tǒng)。

敞開式系統(tǒng)是指循環(huán)冷卻水與空氣直接接觸冷卻的循環(huán)冷卻水系統(tǒng)，循環(huán)回水在開式冷卻塔內(nèi)與空氣直接接觸來(lái)進(jìn)行換熱，降低溫度。開式冷卻塔的降溫主要由水的蒸發(fā)冷卻實(shí)現(xiàn)，故系統(tǒng)的水量損失較大，又因?yàn)榕c空氣直接接觸，導(dǎo)致系統(tǒng)水質(zhì)較差，排污量增大，相應(yīng)的補(bǔ)水量也較大。但相較于閉式系統(tǒng)，在相同的處理能力下，其電耗較小，冷卻塔的總占地面積也遠(yuǎn)小于閉式系統(tǒng)。
   
密閉式系統(tǒng)是指循環(huán)冷卻水不與大氣直接接觸冷卻的循環(huán)冷卻水系統(tǒng)，循環(huán)回水在閉式冷卻塔的換熱管束內(nèi)與空氣、噴淋水間接接觸換熱，降低溫度。閉式冷卻的降溫主要由水的傳熱冷卻實(shí)現(xiàn)，故系統(tǒng)的水量損失較小，又因?yàn)槠溲h(huán)水介質(zhì)一般為軟水(或純水)，且不與空氣接觸，系統(tǒng)水質(zhì)較好，基本不排污,故系統(tǒng)的補(bǔ)水量很小。因閉式系統(tǒng)要求的風(fēng)量更大，且又配置了噴淋泵，故與開式相比電耗較大。由于換熱效果的制約，閉式冷卻塔一般單塔最大的處理能力約300m3/h，如果處理能力較大,就需要并聯(lián)多臺(tái)閉式塔，設(shè)備的占地面積也會(huì)相應(yīng)增加。閉式系統(tǒng)內(nèi)的循環(huán)水介質(zhì)為軟水，還需配置軟水制備系統(tǒng)為閉式循環(huán)水系統(tǒng)補(bǔ)水。

綜合來(lái)說(shuō)，敞開式系統(tǒng)的總能耗較閉式系統(tǒng)低，相對(duì)更節(jié)能。但如果工藝設(shè)備對(duì)水質(zhì)要求較高，或受項(xiàng)目建設(shè)地條件的影響(如水資源較缺乏或空氣中揚(yáng)塵沙土較多)，選用密閉式系統(tǒng)就比較合理。

2 設(shè)備選用或配置

通常循環(huán)冷卻水系統(tǒng)主要包括如下設(shè)備：冷卻塔、循環(huán)水泵，開式系統(tǒng)還可能有旁濾設(shè)備、加藥設(shè)備。根據(jù)項(xiàng)目的運(yùn)行工況，選用合適的設(shè)備，可以達(dá)到節(jié)能的效果。

2.1 冷卻塔

（1）水動(dòng)風(fēng)機(jī)(水輪機(jī))冷卻塔

為了達(dá)到要求的換熱效果，一般工業(yè)冷卻塔都為電力驅(qū)動(dòng)的機(jī)械通風(fēng)式，通過安裝在塔頂?shù)碾姍C(jī)帶動(dòng)風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)，在塔內(nèi)強(qiáng)制使空氣流動(dòng)實(shí)現(xiàn)換熱。隨著節(jié)能環(huán)保的意識(shí)逐漸深化，水動(dòng)風(fēng)機(jī)冷卻塔近年來(lái)開始得到推廣，并在一些項(xiàng)目中實(shí)際運(yùn)用。

水動(dòng)風(fēng)機(jī)冷卻塔的核心技術(shù)是以水輪機(jī)取代電機(jī)( 包括傳動(dòng)軸、減速機(jī))作為風(fēng)機(jī)動(dòng)力源，使冷卻塔的風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)方式由電力改為水力，水輪機(jī)的輸出軸直接與風(fēng)機(jī)相連而帶動(dòng)其旋轉(zhuǎn)，用水力來(lái)推動(dòng)冷卻塔風(fēng)葉，達(dá)到通風(fēng)換熱目的。目前，應(yīng)用于工業(yè)循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的水動(dòng)風(fēng)機(jī)冷卻塔的水輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的原動(dòng)力來(lái)源于循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的余壓(循環(huán)水泵的富余揚(yáng)程)，充分利用了系統(tǒng)本身的富裕能量，減少電耗達(dá)到節(jié)能的目的。

水動(dòng)風(fēng)機(jī)冷卻塔若要正常運(yùn)行，上冷卻塔處的循環(huán)回水必須有足夠的壓力水頭用于推動(dòng)水輪機(jī)，一般為0.1~0.3MPa。在設(shè)計(jì)過程中，為了滿足工藝換熱設(shè)備的要求換熱效果，循環(huán)給水壓力會(huì)設(shè)計(jì)的偏大; 另外在管網(wǎng)水頭損失計(jì)算時(shí)也較保守。這將會(huì)使系統(tǒng)實(shí)際工況點(diǎn)的壓力低于額定壓力，導(dǎo)致整個(gè)循環(huán)水系統(tǒng)長(zhǎng)期處于超流量、低壓力的工況下運(yùn)行。此時(shí)采用水動(dòng)風(fēng)機(jī)冷卻塔不僅可以節(jié)省傳統(tǒng)冷卻塔電機(jī)的電能，同時(shí)對(duì)于管網(wǎng)系統(tǒng)還有一定的壓力調(diào)節(jié)作用。另外在某些工業(yè)項(xiàng)目中，可能會(huì)有易燃易爆的工藝介質(zhì)進(jìn)入循環(huán)冷卻水系統(tǒng)，對(duì)冷卻塔風(fēng)機(jī)有防爆要求時(shí)，那選用水動(dòng)風(fēng)機(jī)替代防爆電機(jī)相對(duì)更合理經(jīng)濟(jì)。

但是筆者認(rèn)為在一般的新建工業(yè)項(xiàng)目中不宜立即采用水動(dòng)風(fēng)機(jī)冷卻塔，新建項(xiàng)目中系統(tǒng)的能量富裕無(wú)法精確計(jì)算也不能通過穩(wěn)定的運(yùn)行參數(shù)來(lái)判斷。如果在開始的設(shè)計(jì)中就考慮水輪機(jī)的壓力要求，又將會(huì)使這部分動(dòng)能要求轉(zhuǎn)嫁到循環(huán)水泵上，增大水泵的揚(yáng)程也就是增加了循環(huán)水泵的功率。

（2）噴霧冷卻塔

目前已在實(shí)際項(xiàng)目中運(yùn)用的噴霧冷卻塔主要為兩大類，一類為高效噴霧通風(fēng)冷卻塔，另一類為H JP型噴霧冷卻塔。高效噴霧通風(fēng)冷卻塔的核心部件是噴霧推進(jìn)霧化器，其利用循環(huán)回水的余能，通過渦流室與收擴(kuò)型特殊噴嘴釋放能量，形成細(xì)小水粒、霧粒、水泡。噴頭在水平方向存在傾角，霧流脫離噴嘴在塔體內(nèi)上升的過程中，與空氣之間有很大的作用面積，因而產(chǎn)生了反推動(dòng)力，使噴頭快速反方向運(yùn)動(dòng)。因此噴嘴流產(chǎn)生一個(gè)水平方向的相反的力，推動(dòng)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)及輕質(zhì)風(fēng)葉旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生風(fēng)力，形成空氣在塔內(nèi)的對(duì)流，在達(dá)到降低循環(huán)水溫度的同時(shí)實(shí)現(xiàn)節(jié)電目標(biāo)。當(dāng)循環(huán)回水的水壓在0.12~ 0.16MPa時(shí)，特殊噴嘴的流速可以達(dá)到18m/s左右，風(fēng)筒內(nèi)風(fēng)速可以達(dá)到28m/s。

根據(jù)實(shí)際項(xiàng)目運(yùn)用表明，高效噴霧通風(fēng)冷卻塔的冷卻效果與普通冷卻塔效果相當(dāng)，但是節(jié)省了風(fēng)機(jī)電機(jī)運(yùn)行的電耗，僅增加部分設(shè)備改造的一次性投資。

HJP型噴霧冷卻塔的冷卻原理是利用從噴頭噴出的高速旋轉(zhuǎn)水流，在噴孔外的汽化室里形成真空，迫使一部分水汽化，并從其余的水中獲得熱量補(bǔ)償其汽化潛熱，即它是利用相變的原理將高溫水進(jìn)行大幅度的降溫。同時(shí)，當(dāng)水噴到噴霧塔內(nèi)的空間時(shí)，又與空氣進(jìn)行熱交換形成第二次小幅度的降溫，該裝置的降溫差由上述兩部分的降溫差組成。通過噴孔汽化室汽化的水占總水量的比例，主要取決于噴頭結(jié)構(gòu)的特殊設(shè)計(jì)與進(jìn)入噴頭前水的溫度。

由于HJP型噴霧冷卻塔采用蒸發(fā)為主的冷卻方式，冷卻效果好，還可以通過控制進(jìn)入汽化室汽化水的比例，處理進(jìn)水溫度較高的循環(huán)水。H JP型噴霧冷卻塔不但能確保降溫效果，而且因裝置結(jié)構(gòu)內(nèi)部無(wú)填料、無(wú)風(fēng)機(jī)、無(wú)任何機(jī)械運(yùn)動(dòng)件，而節(jié)省了更換填料、定期保養(yǎng)風(fēng)機(jī)的費(fèi)用和工作量。在節(jié)水上亦因無(wú)風(fēng)機(jī)的拔風(fēng)作用而減少了水量的損失，且飄逸的霧汽不會(huì)對(duì)周圍環(huán)境產(chǎn)生水淋現(xiàn)象。但由于其一次投資費(fèi)用過高，目前在國(guó)內(nèi)的工業(yè)循環(huán)水系統(tǒng)中運(yùn)用還不多。

（3）冷卻塔風(fēng)機(jī)的變頻

一般工業(yè)冷卻塔的處理能力是按照工藝最大能力及夏天最大熱負(fù)荷的條件下選定的，但是在實(shí)際設(shè)備運(yùn)行中，由于季節(jié)、溫度、工作負(fù)載等諸多因素都將變化，偏離設(shè)計(jì)的最不利情況，使設(shè)備經(jīng)常處于較低負(fù)荷的情況下運(yùn)行，造成不必要的電耗。

交流變頻調(diào)速技術(shù)是近幾年電氣傳動(dòng)領(lǐng)域興起的一項(xiàng)新技術(shù)，該裝置通過改變電源頻率來(lái)改變電機(jī)轉(zhuǎn)速。在典型的冷卻塔風(fēng)機(jī)變頻控制系統(tǒng)中，采用內(nèi)置PID功能的變頻器，以冷卻塔出水溫度為控制對(duì)象組成閉環(huán)控制。在循環(huán)冷卻給水管道上安裝一個(gè)溫度傳感器，將冷卻給水溫度信號(hào)傳給變頻器，經(jīng)變頻器自身的PID控制器后，給出適當(dāng)?shù)碾妷汉皖l率給冷卻塔電機(jī)，調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速和輸出功率或是調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)開啟的臺(tái)數(shù)(多臺(tái)運(yùn)行的情況下)。這樣形成一個(gè)閉環(huán)反饋系統(tǒng)，當(dāng)冷卻給水溫度降低時(shí)，減小風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速或減少風(fēng)機(jī)運(yùn)行數(shù)量，從而達(dá)到節(jié)能降耗的目的。

2.2 循環(huán)水泵的變頻調(diào)速

目前許多工業(yè)項(xiàng)目的循環(huán)水系統(tǒng)通過節(jié)流方式來(lái)改變循環(huán)水泵的壓頭和流量，這種方式雖然簡(jiǎn)單易行，但在調(diào)節(jié)過程中由于人為地增加了阻力，產(chǎn)生了大量的能量損失，而且實(shí)際負(fù)荷遠(yuǎn)離額定工況時(shí)，水泵常常偏離高效區(qū)運(yùn)行，出現(xiàn)“大馬拉小車”的現(xiàn)象。
   
對(duì)于循環(huán)冷卻水用水量變化較大的系統(tǒng)，若采用變頻調(diào)速技術(shù)，改變水泵電機(jī)轉(zhuǎn)速來(lái)調(diào)節(jié)水泵流量，既可以避免采取節(jié)流方式的能力損失，又可以保證水泵始終在高效區(qū)運(yùn)行，因此可以大幅度的節(jié)約電能。

當(dāng)循環(huán)冷卻水流量變化時(shí)，間接的會(huì)引起管網(wǎng)壓力的變化。根據(jù)此特點(diǎn)，采用內(nèi)置PID功能的變頻器，以冷卻水壓力為控制對(duì)象組成閉環(huán)控制。在循環(huán)冷卻給水管道上安裝一個(gè)壓力傳感器，根據(jù)管網(wǎng)的壓力信號(hào)經(jīng)變頻器自身的PID控制器后，給出適當(dāng)?shù)碾妷汉皖l率給循環(huán)水泵電機(jī)，調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速和輸出功率或是調(diào)節(jié)循環(huán)水泵開啟的臺(tái)數(shù)(多臺(tái)運(yùn)行的情況下)。這樣形成一個(gè)閉環(huán)反饋系統(tǒng)，維持冷卻給水的壓力，并使設(shè)備的啟動(dòng)運(yùn)行得以改善，延長(zhǎng)了設(shè)備的使用壽命，又降低了電耗。

3 水質(zhì)處理藥劑或技術(shù)選用

3.1 提高濃縮倍數(shù)

循環(huán)水系統(tǒng)的補(bǔ)水量等于系統(tǒng)中各種蒸發(fā)、風(fēng)吹、滲漏和排污損失之和，提高系統(tǒng)運(yùn)行的濃縮倍數(shù)可以減少排污量，即減少系統(tǒng)的補(bǔ)水量，達(dá)到節(jié)水的目的。但是過高的提高濃縮倍數(shù)，會(huì)使循環(huán)冷卻水的硬度、堿度、氯離子等的濃度過高，使水的結(jié)垢傾向、腐蝕性大大增加，就需要相應(yīng)的提高循環(huán)水的水質(zhì)穩(wěn)定處理效果。
   
這就需要有效的水質(zhì)處理方法，在考慮環(huán)保的同時(shí)，采用高效的水處理藥劑來(lái)提高濃縮倍數(shù)。以下幾種水質(zhì)穩(wěn)定處理藥劑已經(jīng)在一些工業(yè)項(xiàng)目中的循環(huán)水系統(tǒng)應(yīng)用，并且取得了明顯的效益。

硫酸-阻垢劑處理：是指在水體中先加入硫酸使補(bǔ)充水堿度降到一定程度后再加入阻垢劑如聚磷酸鹽、有機(jī)阻垢劑等。從而達(dá)到阻垢和保證循環(huán)水穩(wěn)定運(yùn)行的目的。該法占地小、技術(shù)簡(jiǎn)單。但是需注意SO2-4濃度過高會(huì)侵蝕混凝土，同時(shí)用有機(jī)磷處理循環(huán)冷卻水勢(shì)必加強(qiáng)水生物的繁殖，加重腐蝕程度，所以藥劑處理要同時(shí)考慮阻垢、緩蝕及殺菌等多方面的效果，一般可以考慮采用復(fù)合型阻垢劑。

弱酸樹脂交換處理：可降低水中的碳酸鹽硬度及相應(yīng)的堿度，再投加緩蝕劑可防止循環(huán)水系統(tǒng)的腐蝕，既可提高循環(huán)水濃縮倍率，又不會(huì)增加水中硫酸根離子。該法適用于處理碳酸鹽硬度比例高的水，優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)簡(jiǎn)單、運(yùn)行條件好、交換容量大、易再生、酸耗較低，從根本上解決了結(jié)垢問題。缺點(diǎn)是運(yùn)行費(fèi)用高、占地面積大、廢水排放量大。

石灰軟化-加酸：補(bǔ)充水在預(yù)處理時(shí)就投加適當(dāng)?shù)氖?，除去水中的Ca2+、Mg2+，原水鈣含量高而補(bǔ)水量又較大的循環(huán)冷卻水系統(tǒng)常采用這種方法。經(jīng)石灰處理的水，雖然碳酸鹽堿度可以降低，但卻有可能出現(xiàn)CaCO3 沉淀，為消除這種不穩(wěn)定性,可添加少量H2SO4。此法優(yōu)點(diǎn)是處理能力大，運(yùn)行費(fèi)用較低。缺點(diǎn)是投資大、對(duì)石灰粉純度要求高、對(duì)環(huán)境影響大。

反滲透脫鹽處理技術(shù)：采用反滲透對(duì)循環(huán)冷卻水進(jìn)行軟化、除鹽處理。其脫鹽率常在98%左右，一般95%。該處理法操作方便，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，并且脫鹽效果好，有利于提高循環(huán)水水質(zhì)。缺點(diǎn)是投資大、膜污染嚴(yán)重、清洗頻繁。

臭氧水處理技術(shù)：臭氧作為水處理劑，殺菌能力強(qiáng)、排污量少，既能節(jié)水節(jié)能，又不用調(diào)節(jié)水的pH，無(wú)二次污染，對(duì)循環(huán)水的緩蝕、阻垢、殺菌等均有良好的效果。

3.2 管道減阻節(jié)能劑

減阻節(jié)能劑是用于降低流體流動(dòng)阻力實(shí)現(xiàn)節(jié)能的化學(xué)添加劑。近年來(lái)國(guó)際環(huán)保節(jié)能機(jī)構(gòu)啟動(dòng)了減阻節(jié)能專項(xiàng)研究項(xiàng)目，丹麥、荷蘭、加拿大、美國(guó)、日本和新加坡等國(guó)家對(duì)表面活性減阻技術(shù)進(jìn)行了大量的研究工作，取得了很大成效，管道摩擦阻力最高可減少70%以上，某些減阻節(jié)能劑品種已進(jìn)入實(shí)用階段。國(guó)內(nèi)也開展了管道減阻節(jié)能的基礎(chǔ)研究，并進(jìn)行了減阻節(jié)能劑的應(yīng)用研究。

目前已開發(fā)了陽(yáng)離子表面活性劑、兩性離子表面活性劑和非離子表面活性劑為主劑的三類減阻節(jié)能劑配方。減阻節(jié)能劑應(yīng)用于循環(huán)水系統(tǒng)中，不僅能夠降低管網(wǎng)投資造價(jià)，而且能降低循環(huán)水泵日常運(yùn)行的電耗。在循環(huán)水系統(tǒng)中加入管道減阻節(jié)能劑是簡(jiǎn)便易行的節(jié)能方法，現(xiàn)有循環(huán)水系統(tǒng)改造無(wú)需新增大筆設(shè)備投資，具有廣闊的發(fā)展前景，經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益巨大。