王来彬， 魏江波
（神华工程技术有限公司， 北京 102200）
煤化工企业中， 循环冷却水系统绝大多数为开式系统， 冷却塔塔型选用传统的机械通风湿式冷却塔， 该类型循环冷却水系统水耗巨大， 补水量占全厂新鲜水量的60% 以上［1］。
现已投产的聚酯涤纶企业集中的江苏、 浙江、 福建等地区， 循环冷却水系统也多采用开式系统， 亦面临同样水资源消耗过高的问题。
近些年来， 节水技术的应用和冷却塔塔型结构的优化， 使循环冷却水系统的全年节水率有较大提高。
在西北地区， 湿式闭式冷却塔（光管）应用案例较多， 节水率可达到20%左右；
干湿结合闭式冷却塔在大型化工项目中逐步推广， 节水率在30%～60%， 全空冷闭式冷却塔（增湿型空冷器）节水率可达90%以上［2］。
针对西北地区某聚酯涤纶项目， 在满足新鲜水耗量指标、 技术可靠及经济合理的前提下， 在保证工艺冷却性能要求的基础上， 综合考虑节水效果、能耗、 运行费用、 冷却效果、 投资、 占地等因素，研究各常用冷却塔塔型的技术方案的可行性和适用性， 经技术经济比较分析后， 选择适合本项目的循环冷却水系统及设备， 为类似工程提供参考。
1.1 循环冷却水系统规模及气象条件
项目规模为12 355 m3／h， 供、 回水温度分别为33、 43 ℃， 供、 回 水 压 力 分 别 为0.25、 0.45 MPa， 主要为50 万t／a 聚酯、 25 万t／a 涤纶长丝、25 万t／a 涤纶短丝工艺装置， 综合动力站及其他公用工程提供循环冷却水， 年运行8 000 h。
项目地处我国西北， 属于典型的大陆性干旱气候， 特点是干燥少雨， 四季分明， 冬夏漫长， 春秋季短暂， 光照充足， 风沙较大。
多年平均气温为10 ℃， 历年最高气温为38.5 ℃， 历年最低气温为-30.1 ℃。
最热月5 ～10 d 的日平均湿球温度为21.6 ℃， 相对应的干球温度为27.8 ℃。
1.2 否决条件
根据水资源论证报告批复要求， 本项目新用水量指标为105.29 万m3／a， 生活用水为3.89 万m3／a， 生产用水为96.4 万m3／a， 用水未预见水量为5万m3／a。
其中用于循环冷却水系统水耗约79.0 万m3／a， 其他生产用水17.4 万m3／a。
2.1 水量计算方法
（1） 开式循环冷却水系统。
开式循环冷却水系统存在蒸发水量、 风吹损失水量以及排污水量， 其水量根据规范［3］按下列公式计算：
式中：
Qe闭为喷淋水蒸发水量， m3／h；
Δt闭为循环冷却水空冷后、 出冷却塔温差， ℃， 按6 ℃计 算；
Cp为 水 的 定 压 比 热 容， 取 值4.18 kJ／（kg·℃）；
L 为水的蒸发潜热， 取值2 450 kJ／kg。
（3） 干湿联合式冷却塔、 全空冷闭式冷却塔（增湿型空冷器）。
干湿联合式冷却塔空冷部分采用翅片管换热器， 湿冷部分采用光管。
环境温度达到干湿切换点温度， 启动喷淋水；
未达到切换点温度， 依靠空冷降温。
水耗计算方法与湿式闭式冷却塔（光管）算法一致。
喷淋水蒸发水量按式（4）计算。
干湿切换点温度按5 ℃考虑， 本项目地区环境温度11 月至次年3 月低于5 ℃， 5 个月几乎不启动喷淋水， 主要依靠空冷降温；
4 月～10 月， 需空冷与湿冷结合降温。
（4） 开闭式循环冷却水系统-节水消雾冷却塔。开闭式系统采用节水消雾冷却塔， 循环回水至塔内有两段换热， 分别为翅片管空冷换热、 冷却水与空气在填料换热。
水耗中风吹损失水量、 排污水量与开式循环冷却水系统计算方法相同。
消雾设计点通常以白昼时间发生可见雾的频率为15%～20%的气象条件设计基准［4］， 本项目可按最冷月3 个月的平均气温-8 ℃考虑。
2.2 水量计算结果和分析
各循环冷却水系统年耗水量计算结果见表1。
表1 各循环冷却水系统年耗水量Tab. 1 Annual water consumption of each circulating cooling water system
由表1 可见， 干湿联合式冷却塔、 全空冷闭式冷却塔（增湿型空冷器）年耗水量能够满足本项目用水指标要求， 其他塔型则超出用水指标。
但全空冷闭式冷却塔尚无大型规模应用业绩［2］， 本文不做详细分析， 故本文进一步分析重点为干湿结合式冷却塔的设计方案。
干湿联合式冷却塔分为联合型和分体型2 种塔型， 工艺流程分别见图1、 图2。
每种塔型空冷和湿冷切换点温度（为环境温度）选择2 个典型的工况点5 ℃和10 ℃， 对4 个代表性的供应商产品（分别标记为A、 B、 C、 D）进行综合比较分析。
干湿联合型和分体型4 种方案综合参数如表2、 表3 所示。
表2 干湿联合型闭式冷却塔的综合参数Tab. 2 Comprehensive parameters of dry-wet combined closed cooling towers
表3 干湿分体型闭式冷却塔的综合参数Tab. 3 Comprehensive parameters of dry-wet split closed cooling towers
图1 干湿联合型工艺流程Fig. 1 Process flow of dry-wet combined type equipment
图2 干湿分体型工艺流程Fig. 2 Process flow of dry-wet split type equipment
3.1 干湿联合型和分体型2 个工况点综合参数比对
从综合参数比对来看， 4 种方案各有优缺点。从平均值数据来看：
电耗方面， 干湿联合型（5 ℃）的耗电量最少， 其他三者的耗电量差异性不大；
水耗方面， 干湿联合型（5 ℃） ＞干湿分体型（5 ℃） ＞干湿联合型（10 ℃） ＞干湿分体型（10 ℃）， 在干湿切换点温度越高的工况下节水效果明显， 在相同干湿切换点的工况下， 塔型的选择对节水效果影响不大；
占地面积方面， 干湿联合型（5 ℃）＜干湿联合型（10 ℃） ＜干湿分体型（5 ℃） ＜干湿分体型（10℃）， 占地面积受塔型影响非常大， 分体型的占地面积约为联合型的1.6 倍。
3.2 投资、 运行成本及经济性分析
4 个厂家针对4 种方案对应的循环冷却水系统进行了一次性投资估算， 主要包括设备的购置费、主要材料费、 安装费和建筑工程费。
4 家投资估算存在一定差异， 为增加数据的客观性和可靠性，采用均价方式进行分析。
干湿联合型（5 ℃）投资为7 038.50 万元， 干湿分体型（5 ℃）投资为6 976.25万元， 干湿联合型（10 ℃）投资为8 064.75 万元，干湿分体型（10 ℃）投资为7 523.00 万元。
干湿切换点为5 ℃情况下， 干湿联合型稍高于干湿分体型。
干湿切换点为10 ℃情况下， 干湿联合型投资费用高出干湿分体型7.2%。
无论是干湿联合型还是干湿分体型， 干湿切换点为10 ℃工况均高于干湿切换点为5 ℃工况。
4 个厂家的公用工程消耗也存在一定差异， 为增加数据的客观性， 对每个工况公用工程消耗采用平均消耗方式进行比较。
运行成本费用包括水处理费用（污水处理费和零排放水处理费用）和燃料及动力费用（新鲜水和耗电）， 比较结果如表4 所示。
表4 运行成本费用比较Tab. 4 Comparison of operation costs
在干湿切换点为5 ℃工况下， 干湿分体型运行成本费用稍高于干湿联合型；
在干湿切换点为10 ℃工况下， 干湿联合型运行成本费用稍高于干湿分体型。
在干湿切换点为10 ℃或干湿切换点为5 ℃相同工况下， 干湿联合型和干湿分体型运行成本差距不大。
经济性分析比较结果如表5 所示。
从表5 来看， 干湿分体型（10 ℃）的静态增量投资回收期最短。
收益率随着干湿系统切换点温度的升高而增加。
表5 经济性分析比较Tab. 5 Comparison of economic analysis
3.3 技术可行性分析
干湿联合型闭式冷却塔广泛应用于钢铁、 电力行业， 供水温度一般高于55 ℃， 在化工行业循环冷却水系统的供、 回水温度分别为33、 43 ℃， 也有较多案例， 如中天合创、 潞安集团、 浙江广汇、中煤集团、 延长石油、 榆神集团等， 最大运行业绩为45 000 m3／h。
干湿分体型闭式冷却塔技术在国内应用案例较少， 但随着水资源利用政策的逐渐收紧， 应用前景广阔。
电石行业已有成功运行案例， 循环冷却水系统规模达到20 000 m3／h。
与干湿联合型相比， 干湿分体型工作环境好， 能够有效解决翅片管易脏污、 腐蚀等影响翅片管使用寿命问题［5］。
（1） 在满足政府对水资源论证报告批复指标的前提下， 从一次性投资、 运行成本、 经济性及技术可行性分析来看， 西北地区某聚酯涤纶项目的循环冷却水系统采用干湿分体型（10 ℃）方案优势明显。
（2） 根据4 个厂家的干湿分体型（10 ℃）方案，本项目循环冷却水系统全年新鲜水耗量约为62.70万m3／a， 如生活用水、 其他生产用水按批复水量指标考虑， 整个项目新鲜水用水总量约为84 万m3／a。
根据《关于印发钢铁等十八项工业用水定额的通知》， 结合本项目产品规模计算， 单位产品耗水量基本达到国内聚酯涤纶行业领跑值。
（3） 为解决“西部开发”的战略规划与西北地区“煤多水少”资源短缺矛盾问题， 循环冷却水系统节水技术仍需不断发展并逐步推广应用， 但从源头采取节水措施， 优化工艺装置流程更为关键。
此外，本文水耗指标要求、 干湿切换点的推荐温度是基于循环水量不超过可研水量的基础上进行分析， 应该在基础设计阶段详细地落实气象参数、 循环冷却水补水水质相关数据， 从而进一步确定适合的干湿切换点温度， 同时对国内成功的案例进行现场考察，从而进一步验证结论的科学性和可靠性。
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