冷凍水管線小溫差下冷水機組的選型探討

孫磊磊

(杭州杭氧股份有限公司，浙江杭州 310014)

節(jié)能、環(huán)保是我國工業(yè)發(fā)展的重要要求，我們進行產(chǎn)品設(shè)計時，在保證設(shè)備正常運行的情況下，要盡可能的減少不必要的浪費，特別是設(shè)備長期運行的能耗問題。要實現(xiàn)節(jié)能目標的突破還必須從細節(jié)上把握。

空分行業(yè)中，由于用戶氮氣產(chǎn)品需求量大，或者剩余污氮氣量較少，通入水冷卻塔的氮氣量較少，導(dǎo)致無法將循環(huán)水冷卻至滿足空冷塔進水需求的溫度，這時需要配置冷水機組來進一步降低冷凍水的溫度?？諝忸A(yù)冷系統(tǒng)中大都使用螺桿式冷水機組，但一般情況下，螺桿式冷水機組所能處理的溫差是有限的，常規(guī)的螺桿式冷水機組一般冷凍水進出口溫差在5℃左右，如果溫差過大或者過小都會引起機組效率的降低，甚至導(dǎo)致機組無法正常運行。通常解決這種非標溫差的辦法是改變水量或者設(shè)置冷凍水回路來達到工藝的要求。但是如果流程型式選用不當就可能增加能耗，導(dǎo)致不必要的浪費。

1 空分裝置冷水機組小溫差流程設(shè)置

空氣預(yù)冷系統(tǒng)中，受氮氣量和水冷塔處理能力的制約，常出現(xiàn)冷凍水小溫差的情況(即冷凍水從水冷塔排水到空冷塔入口所需溫差較小的情況)。一般來說，對于常規(guī)螺桿式冷水機組，其溫差若小于3℃將無法正常啟動。為了滿足工藝需求通?？稍O(shè)置以下兩種流程型式:

1.常規(guī)流程:冷凍水由水冷塔底部排出，經(jīng)冷凍水泵增壓，再通過冷水機組進一步降溫后達到要求，通入空冷塔上段。此流程型式從水冷塔到空冷塔的冷凍水管路只設(shè)置一條管線(見圖1)。

2.旁通分流流程:冷凍水由水冷塔底部排出，經(jīng)冷凍水泵增壓后，分兩股，一股通過冷水機組進一步降溫，另一股走分流管線，兩者最終在冷水機組出口處混合，最終通入空冷塔上段。此流程型式從水冷塔到空 冷塔的冷凍水管路需另設(shè)置一條分流管線(見圖2)。

圖1 常規(guī)流程Fig.1 The conventional flowchart

圖2 旁通分流流程Fig.2 The by-pass flowchart

2 兩種流程型式選型示例

某空分項目，在設(shè)計工況下，因氮氣量不足，水冷卻塔排水溫度只能達到t水=12℃，空氣冷卻塔需求水溫t空=10℃，需降低冷凍水溫差:

空氣冷卻塔所需冷凍水量為m=100 t/h。實際所需冷水機組制冷量為:

以下是兩種流程型式的選型計算:

1.常規(guī)流程設(shè)計方案(圖1):

因該項目冷凍水溫差只要2℃，但考慮標準冷水機組溫差Δt1=5℃左右，為保證冷水機組的正常運行，需增大冷水機組制冷量，見圖3。

圖3 常規(guī)流程參數(shù)Fig.3 The conventional flow chart parameters

2.旁通分流流程設(shè)計方案(圖2):

設(shè)置分流管線，經(jīng)冷水機組管路的水流量設(shè)為m1=40 t/h，旁通管線水流量為m2=60 t/h，選用標準5℃溫差冷水機組，即:

其中冷水機組管路降溫后水溫為t1=7℃，分流管路水溫仍為t2=12℃，選用冷水機組制冷量為:

兩股管線的冷凍水混合后溫度為:

滿足空冷塔所需的水溫要求，見圖4。

圖4 旁通分流流程參數(shù)Fig.4 The by-pass flowchart parameters

3.兩套流程參數(shù)對比(表1)

表1 流程參數(shù)對比Table 1 The parameter comparison between two flowcharts

由表1可看出，以本套項目為例，在流程配置上(見圖1和圖2)，旁通分流流程相對復(fù)雜，須多設(shè)置一個流量計和一條分流管線，配套投資成本略有增加，但常規(guī)流程因機組選型較大，機組自身成本卻增加了1.5倍;常規(guī)流程相對于旁通分流流程有30%的余量，但是卻多出后者120%的能耗，極大的增加了機組的運行成本。

3 兩種流程型式特點

常規(guī)流程型式(圖1)的特點:既要保證通過冷水機組的水量不變，又要保證冷水機組正常運行所需的溫差，因所需溫差較小，必然導(dǎo)致實際所需制冷量偏大，實際出口水溫要低于所需水溫。該流程的優(yōu)點是:可進一步降低空冷塔出口空氣溫度，保留一定的余量。缺點是:機組選型要偏大，輸入功率也更大，能耗高。

旁通分流流程型式(圖2)的特點:需求多少冷量就選取多大制冷量的冷水機組，因受溫差限制該冷水機組處理不掉的水量可走分流管線，最終兩條線路在冷水機組出口處混合后達到工藝所需水溫的要求。該流程的優(yōu)點是:機組選型合理，機組制冷量和輸入功率均為工藝需求量，無較大成本和能耗的浪費。缺點是:流程設(shè)計稍復(fù)雜，配套設(shè)備略有增加。

殊途同歸，兩種流程型式(圖1和圖2)均為了實現(xiàn)共同的目標，即:1.滿足空分所需冷凍水溫度的要求;2.選取合適的冷凍水溫差，保證冷水機組的正常運行;3.滿足空分正常所需的冷凍水量的要求。

兩套設(shè)計流程的特點總結(jié)如表2。

表2 流程特點對比Table 2 The feature comparison between two flowchart

4 小結(jié)

對于空氣預(yù)冷系統(tǒng)冷凍水小溫差的選型，由表2發(fā)現(xiàn)，常規(guī)流程為了保證冷水機組的正常運行，刻意增大了冷水機組的制冷量，產(chǎn)生一定的冷量浪費，并增大了機組的投資和運行成本，但其余量更足，應(yīng)對不穩(wěn)定工況的能力強;旁通分流流程因選用工藝所需的制冷量機組，分流了一部分冷凍水，一方面保證了機組的正常運行，另一方面大大降低了機組的運行成本，安全節(jié)能。

但是，既然冷凍水的溫度已經(jīng)滿足工藝需求，就無需繼續(xù)降低溫度，儲備過多的余量，運行能耗才是我們關(guān)注的重點。從表2流程特點對比來看，旁通分流流程不僅節(jié)省了一定投資成本，更是大大減少了運行成本。所以，在水冷塔氮氣量供應(yīng)穩(wěn)定且運行工況正常的情況下，遇到冷凍水小溫差機組選型的情況，更推薦選用旁通分流流程型式。

［1］毛紹融，朱朔元，周智勇.現(xiàn)代空分設(shè)備技術(shù)與操作原理［M］.杭州:杭州出版社，2005.