循环水系统是石化工厂的重要基础设施和组成部分，其主要功能是为各个工艺装置区提供热交换服务。有关数据表明，我国工业循环水系统用水量占工业总用水量的70%左右，而循环水泵的能耗占到工业总能耗的8%~10%〔1-2〕，运行能耗巨大。近几年来，使用PIPENET软件对工业循环水系统、工业消防水系统和市政供热系统等管路进行模拟分析的研究案例较多，但专门针对石化企业工艺装置冷却用循环水系统且基于模拟结果进行实际工程改造的案例报道较少〔3-5〕。目前，国内石化企业循环水系统存在的动力装置效率偏低〔6〕、水量分布不合理等问题亦具有一定的普遍性。笔者应用PIPENET软件对某石化厂循环水系统进行分析处理，提出了系统处理此类问题的解决措施，可供为其他类似问题的处理借鉴、参考。
1 循环水系统运行现状
某石化厂的循环水系统主要给油品精制、硫磺回收等若干个装置（分别用位号A至E代替）提供循环冷却用水，设计规模9 000 m3/h。循环水系统主要设备包括3台机械通风逆流冷却塔（位号分别为T-A/B/C），单塔处理能力3 000 m3/h、风机功率160 kW、风量2 400 000 m3/h、风机直径8 540 mm；4台循环水泵（位号分别为P-A/B/C/D，其中P-B/D为备用泵），流量3 200 m3/h、标定扬程58 m、电机功率720 kW。循环水泵常年以6 000 m3/h左右工况运行，冬夏季工况变化不大。
在长期运行过程中，该循环水系统存在的问题较多，其中矛盾较为突出的地方在于各装置水量分配不均匀、循环水泵扬程富余量较大；另外P-A及P-C循环水泵高、低压不同规格并联使用，使得两台泵均偏离各自的高效段运行，浪费情况相对严重。其中P-A泵流量约5 000 m3/h，出口压强400 kPa；而P-C泵流量仅为约1 000 m3/h，出口压强420 kPa。同时，三座冷却塔T-A/B/C流量均为约1 000 m3/h，上塔立管压强80 kPa。
厂区内主要用水工艺单元情况见表 1。
表1 主要用水单元
Table 1
| 装置序号 | 进水压强/MPa | 进水温度/℃ | 进水流量/（m3·h-1） | 回水压强/MPa | 回水温度/℃ |
| 装置A | 0.32 | 21.8 | 1 620 | 0.24 | 23.9 |
| 装置B | 0.30 | 56 | |||
| 装置C | 0.24 | 600 | |||
| 装置D | 370 | ||||
| 装置E | 680 |
2 循环水系统问题分析
针对本案例中循环水系统存在的问题，本次项目评价及优化方案主要从以下几个方面入手：（1）对系统管网、系统水量、系统设备、系统组成等运行状态进行评价；（2）采用PIPENET软件建模，分工况优化系统管网压强；（3）改造循环水泵及配套电机、优化研究循环水泵运行方式；（4）进一步优化控制系统及管网局部改造。
在现场收集资料的基础上应用PIPENET软件搭建了循环水系统模型，如图 1所示。
图1
图1
使用PIPENET软件搭建的循环水系统模型
Fig.1
Circulating water system model built with PIPENET software
通过模型计算，发现循环水系统各个组成的运行状态存在一些问题。
（1）循环水动力装置效率偏低。不同规格循环水泵并联运行，虽然两台泵运行后能够达到系统所需流量，维持运行，但是由于不同规格并联运行导致两台泵运行工况偏离各自高效段较多，即两台泵各自处于低效率运行模式，浪费电能，如图 2所示。另外，该装置实际供水扬程为40 m，而回塔扬程仅不到8 m，根据经验系统内应存在阀门憋压情况，浪费了较多扬程，使得回塔扬程较低。
图2
图2
循环水泵在PIPENET软件中的工况点模拟
Fig.2
Working point simulation of circulating water pump in PIPENET software
（2）管网设计不合理。原设计管网管径设置不甚合理，导致部分换热器流量偏大，温差较低，抢水现象严重。由表 3可知，个别装置进回水温差只有2.1 ℃，而某些装置温差近10 ℃。
（3）冷却水塔效率较低。该循环水场设置有3座3 000 m3/h逆流填料冷却塔。通过对冷却塔外观、进出水温度、风机功率等参数进行观察，可做出判断：冷却塔周围有大量水滴飘出，造成了较大的水损失；装置进水温度基本在13~16 ℃，回水温度为26 ℃左右，即系统设计温差基本达到了10 ℃，但结合冷却塔回塔立管温度33 ℃可推测，系统某些装置回水温度过高，即流量不足，导致整个系统温差过大。
（4）管理及操作能耗。泵站供水量的调节方式采用人工对阀门进行控制调节，自动化程度较低，盲目性、偶然性过大；大型换热设备未进行强化换热优化，换热效率有提升空间。
3 循环水系统优化建议
3.1 循环水管网单元
根据PIPENET软件模型分析，可由实际情况将循环水场供水方式改为采用分区分级供水，对于高点换热器采用接力泵加压，有效降低循环水系统工作压强。或通过改造某些管线，更换设计不合理的局部管道，来达到系统水量平衡。彻底解决依靠阀门调节流量的方式，将隐藏在系统内的潜在能量释放出来。
3.2 动力装置单元
经过PIPENET软件搭建模型的初步分析，循环水场在满负荷运行即流量为6 000 m3/h的情况下可采用将主泵扬程降低，流量维持不变（3 200 m3/h），通过更换水泵及电机的方式实现。改造后循环水主泵扬程由58 m降至40 m，同时电机功率由720 kW降至500 kW。
经过系统优化后，循环水系统可满足装置进出口压强要求，可保证全场生产安全运行。优化后系统正常循环水量Q1≥6 000 m3/h，最大供水量可达Qmax1=18 000 m3/h，有效地保障了循环水系统设计的正常用水量和最大用水量。
4 经济效益分析
根据PIPENET软件模拟结果对循环水系统优化前后进行节电、节能评估。循环水总流量按6 000 m3/h、运行时间按全年8 400 h计算，节电量按电机功率计算，电能折标准煤参考《综合能耗计算通则》（GB/T 2589—2020），电力折标准煤系数0.122 9 kg/（kW·h），电费按照0.70元/（kW·h）计算。电机电耗由改造前的1 200万kW·h/a降到840万kW·h/a，节电360万kW·h/a，节省电费247万元/a，折合标煤434 t。通过上述数据分析，维持现场循环水系统各用户实际用水量不变，系统评价优化后节能量（以循环水泵为主）平均可达30%。按技改投资额460万计算，约1.86 a可收回投资成本。
5 改造后运行效果
依据计算分析后的结果，包含循环水泵更换和局部管线改造的该循环水系统先期技改项目于2018年4月开始调试试运行，试运行期间主要对装置各项参数进行优化和设定。2018年10月，对电力消耗情况进行了统计，日均耗电量为2.51万kW·h，运行时间按全年8 400 h计算，折合年耗电量878.5万kW·h，节电率约26.80%，接近研究估算所得指标。
6 结论
（1）该循环水系统效率较低、水量分配不均的直接原因主要是循环水泵扬程选择较为保守，导致长期运行状态下偏离各自的高效运行区间，以及循环水管网设计的不合理。为达到节省投资、降低能耗的目的，建议先实施通过改造现有循环水泵的水力部件以降低扬程和变更循环水管网局部管道管径的方式解决。
（2）经研究估算以及改造后的运行效果验证，通过降低循环水泵的扬程的改造方案，可实现年节电300万kW·h以上的可观节能效益。
参考文献
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大型循环水系统的优化设计与软件应用结合的探讨
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基于动态水力平衡的集中供热系统二次管网节能优化调节方法研究
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PIPENET在新建糖厂废蜜罐区水力计算的研究
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津公网安备 12010602120337号
