作者：曲顺利 （中海油石化工程有限公司，山东济南 250100）

［摘要］ 为了解决某石化厂循环水系统存在的各装置水量分配不均、能耗过高等问题，通过使用 PIPENET 软件 对现场实际操作参数和运行数据的综合模拟分析，发现了引起上述问题的主要原因，即循环水泵扬程过高、管网设 计不合理等问题，并提出了降低循环水泵扬程、改造管网等解决方案。 同时就技术经济性方面进一步分析，最终确定 了技术方案，达到了整个循环水系统节能优化的目的。 项目改造完成后对实际运行情况进行评估，较改造前节约耗 电 26.80%，取得了良好的经济效益，可为石油化工企业其他类似问题的处理提供可供借鉴的参考。

［关键词］ PIPENET 软件；循环水系统；节能优化

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 TA/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。 2 循环水系统问题分析 PIPENET 软件可用于工程管网系统的稳态设 计与流场（压强、压损、流量、流速）分布计算，拥有广泛的工业用途〔7-8〕 。 利用 PIPENET 软件的水力计算 能够避免最不利点选取错误， 并且可以进行流场平 衡计算。 彻底改变了以往采用逆推法和顺推法来计 算管段流量和节点压强， 再计算出泵房管路水头损 失， 叠加后作为选择水泵依据的传统粗略手段进行 水力计算的路径〔9-10〕 ，同时方便进行工程设计优化与 技术改造方案研究， 提高了设计效率和计算的准确 性〔11-12〕 。 针对循环水管网中的设计不合理、 运行调节不 当及管网组件性能不良而造成的系统整体能耗的增 加， 同样可以采用精确检测、PIPENET 软件建模分 析的手段，纠偏局部流阻不合理现象，优化分配平衡 流量，避免不同装置或者不同换热器之间的抢流，增 强瓶颈换热器的换热能力〔13-14〕 。 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。 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。 （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。