棉纺织企业用水系统集成优化设计及应用研究

《棉纺织技术》 2023年10月（第51卷，总第624期）火热发售中，欢迎订阅。

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原文刊自：2023年7月

第51卷（总第621期）

摘 要

针对棉纺织企业夏季采用深井水降温，取水量大、水重复利用率低等问题，进行企业用水集成优化设计。通过对企业用水现状调查分析，调整优化各工序环境参数，统一调配各用水单元用水温度和用水量，并采用串联供水、梯级供水的方法，可有效降低深井水用量、提高水重复利用率。工程应用研究表明：用水系统集成优化后，夏季深井水量降低了1/3以上，水重复利用率由61.3%提高到75.2%，全年水重复利用率为86.2%。认为：科学的企业用水系统优化设计可有效降低棉纺织企业单位产品耗水量。

关键词

棉纺织企业; 用水系统集成优化; 水重复利用率; 纺织用水; 节水; 节能技术‍

节水、高效用水与工业废水循环利用是绿色低碳生产、碳达峰碳中和的重要内容之一。《工业领域碳达峰实施方案》（2022年）、《工业水效提升计划》（2021年）和《工业废水循环利用实施方案》（2021年）为工业企业制定了严格的用水指标和要求。文件特别提出，企业应开展绿色低碳生产升级改造行动和废水循环利用能力建设，到2025年，纺织、针织、印染行业主要产品单位取水量较2020年的95 m³/t下降10%，纺织行业规上工业用水重复利用率达78%以上。

我国棉纺织企业目前大多仍采用粗犷式的水资源使用和管理方法，作为工业企业耗水大户，完成上述目标，任重而道远。不少纺织企业仍采用地表水用于空调系统和生产生活用水，取水量大，回用设施不健全，重复利用率低，空调废水直接排放，造成水资源的极大浪费。随着水资源费、排污费收取制度的进一步健全，水费必将成为生产成本的重要组成部分。部分企业的节水改造行动往往着眼于单个或局部用水系统节约方法，采用直观定性分析，用水计量方法简单，企业水平衡测试工作开展严重滞后。本研究拟通过对棉纺织企业用水系统的全面分析和集成优化设计管理理念的实施，以工程实例为依托，采用多级串联、梯级用水、分质供水等方案，兼之改进企业用水制度，以期降低纺织企业单位产品耗水量，为纺织行业生产向绿色低碳转型、实现2025行业用水目标提供技术参考。

1 棉纺织企业用水现状

棉纺织企业用水系统一般包括空调冷却加湿用水、调浆冲洗等生产用水、生活饮用水和消防用水等。由于水质、水温、水压要求不同，以及管网敷设复杂等原因，大部分企业用水按水源又可分为深井水系统（空调冷却用水、调浆生产用水和消防用水等）和自来水系统（办公楼、宿舍、食堂、浴室和车间卫生间用水等），各系统分别独立运行，互不相连。各用水系统特点如下。一是生活饮用水系统对水质要求高，需要自来水单独供应，无法使用深井水或重复利用水。二是深井水主要用于空调室喷淋，对车间空气进行冷却加湿。由于新型棉纺织企业设计规模大、自动化程度高、车间装机功率大，因此冷负荷大，深井水在喷淋室喷淋后，温度升高，水中含有空气中的粉尘和杂质等，水质虽然没有较大的变化，但需要过滤设备处理后才能回用；多数企业没有空调废水处理设备或回水处理设备简陋，加之没有对各生产工序用水单元的水量、水温和水质等指标进行测试分析，回水利用方式不科学，回用效果不理想。三是消防用水平时没有用水量，补水量有限。这种互不关联、简单独立的用水模式，造成大量空调废水无法二次利用而直接排放，使得纺织行业目前整体用水重复利用率不足70%。

2 用水系统集成优化

用水系统集成优化是指将纺织企业全部用水系统视为一个有机整体，通过对生产、生活和消防等用水系统各用水单元及废水再生单元进行水源调查分析，绘制出用水网络图并进行全企业用水系统集成优化的过程。它是在充分调查企业用水来源、各工序用水单元用水参数（水流量、水质、水压和温度等）、用水流程及损耗、用水单元重复利用、用水计量和废水处理工艺及成本等因素的基础上，绘制出用水单元网络图，根据生产工艺对环境参数的基本要求，计算分析水资源利用合理性和回水利用充分性或可行性，由此确定采用串联供水、梯级用水和分质供水等方案的关键节点及方法。首先，根据分析结果确定优化对象，依据降低一次水资源消耗量、提高二次水使用率和废水资源再利用的方针，按照用水单元参数相同或相近，温差梯级利用的方法，合理配置用水单元用水系统，科学计算水耗量，规划设计管网及流向；其次，遵循优先在车间内进行水量匹配、减少用水单元水源数、水量水质相似水源优先匹配、满足预期节水目标和余热充分利用等原则，绘制出用水网络优化图，并根据实际情况进行调整；最后，对用水量、水重复利用率、废水回收率、凝结水回用率、冷却水循环率和用水综合效率等主要技术指标进行计算与评估。

棉纺织企业主要用水工序是空调冷却水，主要用水约束条件是用水单元的水温、水量、水质和回水重复使用率等问题，可通过同性质用水优化集成，并统一调配，提高水资源利用率。

3 工程案例

3.1　原设计运行状况

以某棉纺织企业为例，设计规模10万纱锭，喷气织机300台，分为纺部和织部两个车间。其中，纺部车间设清梳联空调2套、精并粗空调2套、细纱空调8套和络筒整理空调2套，车间设卫生间6个；织造车间设倍捻空调2套、准备整理空调1套和织机空调4套。用水系统包括生产用水系统、生活用水系统和消防用水系统共3部分。

夏季是棉纺织企业用水高峰期，因此本案例仅对夏季实际用水来源进行统计调查。为方便分析和表达，按照用水参数相同原则，将同车间同工序的空调用水简化为一个用水单元，将同一建筑物相同用水单元（如卫生间等）集中为一个用水单元。其中，因调浆、浆纱工序用蒸汽凝结水直接回用加热调浆用供水，用水量较小，不计算其回用水量；厂区浴室需常年使用自来水，也不计算在用水集成优化系统内。6月—9月夏季高温季节用水系统网络如图1所示（图中各数字单位为m3/h）。

由图1可知，原设计夏季高温季节厂区深井水直供至空调室对车间空气喷淋冷却后，经回水管至全厂回用水池，简单过滤处理后再经回用泵二次流向各空调室对车间空气进行加湿。回用水池保证消防供水必要的设计水位，由消防泵送入厂区消防和车间自喷管网；自来水送至办公楼、食堂、宿舍、车间卫生室等生活用水点；浆纱生产用水采用深井水循环使用。10月—次年5月的春、秋、冬季空调系统以对车间空气等焓加湿为主，用水量仅为补充喷淋室的蒸发和溢流排水，采用少量深井水直供细纱用水单元使用后回流至回用水池，水循环流程与夏季相同。

3.2　原设计运行存在的问题

该企业原水系统用水计划不详细，未根据各工序用水单元对水量、水温和水质的要求对水系统进行优化设计，未对建造成本、运行成本、废水处理和排放成本等约束条件进行统一的规划和有效控制，仅凭经验判断进行用水管理，致使耗水量大、能耗高，车间温湿度依然难以达到要求。由于没有对用水资源根据品质和使用参数进行合理调配，为保证车间温湿度，夏季各空调室争相使用深井水，特别是冷负荷较高的纺部细纱空调室，使用量达全厂50%以上。而且深井水通过细纱空调后，排水温度已达25.6 ℃以上，再回用至络筒、清梳联、并粗空调室，提高了喷淋室的机器露点，使得前纺车间温度过高、相对湿度偏大，影响生产，只能开启深井水降温，争抢有限的深井水量。其结果是细纱车间夏季温度依然高达36 ℃，相对湿度仅60%左右，形成恶性循环。清梳联、精并粗、络筒、织机、倍捻等工序均需采用回用水降温，而回用水需各空调室使用后全部回流至厂区回水池，再由回用泵加压供给，流量高达1 100 m³/h，功率消耗大。同时伴随着水质变差、输水距离长、系统复杂、不便于管理等问题，因此部分回水无论温度高低均由空调室直接排放，造成损失。织机空调夏季采用深井水，用量大，但温度降低不明显；附属生活设施的地面、卫生间冲洗等均采用自来水作为水源，而大量回水作为工业废水却直接排放，用水重复利用率低。鉴于此，对全厂用水系统进行详细的集成优化设计和分配，辅以精准的水温、流量控制和计量尤为必要。

3.3　用水系统集成优化设计

（1）调整工序环境参数，优化各工序用水单元水温、水量。针对夏季深井水用量大的问题，根据新型纺织工厂各工序温湿度要求和新型纺纱过程纤维综合回潮率控制技术的相关指标，以精确调节控制的设计理念为指导，在满足车间正常生产温湿度要求前提下，对夏季车间生产环境温湿度指标进行调整，对各空调室用水温度和用水量进行计算、整合，确定出各空调室需要的喷水初温、喷水量和排水温度；统一分配、调整深井水使用量，并以此作为各用水单元采用深井水直接供水、串联供水或梯级供水的设计依据；在夏季外其他季节，空调系统用水量小，统一计算各用水单元需要的补水量，采用深井水直供细纱空调使用后，流回厂区回水池过滤处理，再由回水泵加压后经回用水管网输送至各空调室补水和冲洗用水单元。

（2）采用串联供水、梯级供水。通过车间环境参数的科学调整并计算后分析可知，深井水经精并粗工序、络筒工序空调室喷淋使用后的空调排水，可分别通过管道串联直供清梳联、细纱工序喷淋室，由于满足其进水温度要求，因此可实现同车间水温梯级利用的串联供水，降低迂回循环输水量，节约能耗，并使系统控制简单化；织造车间倍捻、织造空调的特点是车间冷负荷小，环境相对湿度要求高，此时适当提高车间换气次数和喷水量、采用厂区纺部集中过滤的回用水进行喷淋处理即可满足要求。与原用水系统相比，不仅改善了回用水水质，而且实现了回用水梯级利用。

（3）深井水计量分配。在各空调室深井水接口处加装计量调节装置，严格按照计算和试验结果调整、分配各用水单元的深井水供水量，并在线检测各空调室深井水、喷淋水、空调排水水温，维持串联供水、梯级供水用水单元的水温在合理范围内，保证车间温湿度生产要求。

（4）提高回用水质和使用量。厂区纺部空调各用水单元排水，由于水质仅含有少量飞花和尘杂，统一回至厂区回用水池，经过滤后，回用至厂区各空调室循环和补水，另一部分供入包括办公楼、宿舍楼在内的卫生间冲洗系统；织造车间空调排水含有大量浆料等杂质，直接排入清洁排水处理系统，保证了回用水池水质；升级改造回用水管网和消防管网连接方法，使部分附属建筑物回用水系统和消防用水系统有机连接，在保证消防水存储量和消防泵随时启动的前提下，平时利用高位消防水箱液面高度、回用泵变频控制的方法维持消防系统的压力，实现厂区绿化喷水系统中水用水。以上措施不仅可以增加回水使用量，降低自来水消耗量，而且克服了消防水在管网内长期停滞导致水质变差的弊端，也节约了为保证消防系统工作压力消防泵不定期补水产生的能耗。

3.4　用水系统集成优化应用效果分析

根据以上对原用水系统集成优化设计，改造后的用水系统网络如图2所示（图中各数字单位为m³/h）。由图1和图2对比可知，改造实施后的深井水消耗量大幅度降低，回水泵流量和自来水消耗量均明显下降，达到了节水、提高循环利用率、降低污（废）水排放量和输水节能的效果。集成优化前后的各工序用水量如表1所示（表中括号内数据为集成优化前各工序用水量）。

由表1可知，用水系统集成优化前，夏季全厂深井水使用量为1 350 m³/h，需12口深井同时供水。优化前水重复利用率为（1 102.50+1 060）/（1 350+1 102.50+1 060+13.96）=61.3%。集成优化后，深井水使用量减少480 m³/h，自来水减少8.83 m³/h。由图2知，清梳联、细纱工序分别采用精并粗、络筒工序的串联供水，共计298 m³/h；织造车间梯级供水量为740 m³/h，回水泵总量减小至751.38 m³/h。高温季节优化后水重复利用率为（1 049.38+1 602）/（1 049.38+1 602+870+5.13）=75.2%。春、秋、冬季用水量，喷淋室喷水量按夏季75%计算，需深井水补水量为210 m³/h（约喷水量6%），经计算，水重复利用率为91.7%。折合全年企业用水重复利用率为86.2%。

4 结束语

（1）传统棉纺织企业采用深井水作为冷源对车间进行降温加湿，管理方法粗放、用水未合理规划，导致夏季深井水用量大、水重复利用率低，达不到行业碳达峰2025用水指标要求。

（2）用水系统集成优化设计研究表明：对全厂现有水源和用水单元进行调查分析，根据各用水单元进水温度、排水温度、水质等指标，找出采用串联供水、梯级供水节点，优化控制用水参数，可有效降低深井水用量、提高水重复利用率。

（3）纺织行业水系统集成优化设计重点是空调冷却用水使用温度和用水量。调整各工序温湿度参数，按照既定的喷水量和水温统一调配深井水量，并采用同车间串联供水、不同车间梯级供水的方案，简化回水系统，是降低深井水取水量、提高水源利用效率和水重复利用率的关键。

（4）本研究用水系统集成优化未考虑人工制冷，温湿度虽然满足工艺生产条件，但车间温度仍会偏高，工人劳动条件差。增加人工制冷后车间温度可控，深井水用量将大幅度下降，水重复利用率也会进一步提高；随着设备自动化、生产过程智能化的迅速发展，将实现人机分离型的无人车间管理，届时生产环境指标可进一步优化，空调系统需冷量和用水量会更少。

（5）用水系统集成优化设计运行只有在智能化控制、动态调节管理过程中才能发挥其高效优势，本研究得出的水系统重复利用率前提是夏季高温季节、正常季节各自的用水量保持不变。企业水系统计量控制设备、生产过程能源智能化管理水平的深度完善和提升，将实现用水量自动逐时调节，用水系统集成化管理效果会进一步提高，纺织企业单位产品取水量指标也会进一步降低。

资料来源：《棉纺织技术》