淺議空分氣體公司循環(huán)冷卻水系統(tǒng)

左春梅，徐 慶，郭 媛，顧燕新

(杭州杭氧股份有限公司設(shè)計(jì)院，浙江杭州中山北路592號(hào)弘元大廈 310014)

0 引言

循環(huán)冷卻水系統(tǒng)是空分氣體公司處理工藝裝置廢熱負(fù)荷不可或缺的重要公用工程系統(tǒng)，能耗占總能耗的2% ～3%，雖然能耗占總能耗比例不大但絕對(duì)值不小，如一套4萬(wàn)內(nèi)壓縮空分設(shè)備能耗28 000 kW，配套循環(huán)冷卻水功率為780 kW(包括空冷系統(tǒng)大小水泵能耗)，如降低循環(huán)冷卻水能耗10%，對(duì)應(yīng)功率為78 kW，一年降低65.5×104kW·h電耗。

1 循環(huán)冷卻水系統(tǒng)簡(jiǎn)述

空分氣體公司循環(huán)冷卻水系統(tǒng)常規(guī)都采用敞開式系統(tǒng)，當(dāng)前例外的只有LNG冷能空分氣體公司采用閉式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，閉式系統(tǒng)在本文中不進(jìn)行討論。敞開式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)中大氣和循環(huán)水接觸，大氣中的灰塵等雜質(zhì)會(huì)進(jìn)入循環(huán)水，部分循環(huán)水被大氣吸濕蒸發(fā)造成消耗，但冷卻效果好，適合需要大量循環(huán)冷卻水的場(chǎng)合。

空分氣體公司敞開式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的特點(diǎn):循環(huán)冷卻水供應(yīng)區(qū)域相對(duì)集中、循環(huán)水耗穩(wěn)定連續(xù)(空分經(jīng)常變負(fù)荷遠(yuǎn)離滿負(fù)荷操作是一個(gè)項(xiàng)目缺陷，循環(huán)水耗量變化另外會(huì)隨季節(jié)溫度適當(dāng)變化)、冷卻器數(shù)量相對(duì)少。一家擁有2套4萬(wàn)空分的氣體公司，循環(huán)冷卻水的供水總管長(zhǎng)度為～260 m，回水總管長(zhǎng)度～230 m，冷卻器都布置在一個(gè)長(zhǎng)120 m寬33 m的矩形區(qū)域內(nèi)，循環(huán)冷卻水耗量基本控制在8500 m3/h左右，冷卻器的數(shù)量～60個(gè)，這些冷卻器分布在原料空壓機(jī)系統(tǒng)、空冷系統(tǒng)、氧壓機(jī)和氮壓機(jī)系統(tǒng)、膨脹機(jī)系統(tǒng)。循環(huán)冷卻水系統(tǒng)供水總管公稱直徑為DN1200，回水總管分為兩段，一段公稱直徑為DN1000一段為DN1200。該氣體公司循環(huán)冷卻水系統(tǒng)流程簡(jiǎn)圖見圖1。

圖1 空分氣體公司循環(huán)冷卻水系統(tǒng)流程簡(jiǎn)圖Fig.1 The flow process chart of circulating cooling water system in air separation gas company

2 循環(huán)冷卻水系統(tǒng)部分設(shè)計(jì)參數(shù)說(shuō)明

循環(huán)冷卻水供水溫度和回水溫度的確定:根據(jù)公司所在地連續(xù)不少于5 a的每年最熱時(shí)期三個(gè)月(一般為6、7、8三個(gè)月)的日平均氣溫、空氣的相對(duì)濕度、采用涼水塔的形式、冷卻器對(duì)循環(huán)冷卻水的溫度要求等一系列參數(shù)確定。空分設(shè)備在江南一般供水32℃回水40℃，在西北一般供水30℃回水40℃。

循環(huán)冷卻水供水回水壓力的確定:回水壓力根據(jù)涼水塔中布水器相對(duì)回水總管標(biāo)高、布水器阻力損失、回水總管最遠(yuǎn)端到布水器進(jìn)口管的循環(huán)水阻力損失來(lái)確定。供水壓力根據(jù)回水壓力、冷卻器阻力、冷卻器出口到回水總管阻力和供水總管到冷卻器進(jìn)口阻力來(lái)確定。

循環(huán)冷卻水總量的確定:根據(jù)所有冷卻器所需要循環(huán)冷卻水量統(tǒng)計(jì)。

3 冷卻器特點(diǎn)

空分設(shè)備冷卻器按照是否同冷卻介質(zhì)接觸可分為兩類，一類為直接接觸式冷卻器，另一類為間壁式冷卻器。直接接觸式冷卻器是循環(huán)冷卻水直接同被冷卻介質(zhì)接觸，空冷系統(tǒng)中的空冷塔和水冷塔是這類型。空冷塔為壓力塔，塔中壓力一般在0.45 MPa以上，中部進(jìn)水管口離設(shè)備底部有～11 m，所以利用循環(huán)冷卻水自身壓力不能夠直接進(jìn)空冷塔中部，而是需要再設(shè)置增壓泵，也就是空冷系統(tǒng)的大水泵。水冷塔為常壓塔，雙段填料進(jìn)水口高度離設(shè)備底部20 m左右，單段填料為14 m左右，循環(huán)冷卻水供水壓力要克服進(jìn)水高度差產(chǎn)生的靜液柱壓力和供水總管到進(jìn)水口的流動(dòng)阻力才可直接進(jìn)入水冷塔，一般供水總管到進(jìn)水口的阻力在0.1 MPa以下，如供水壓力特別低的情況下可把壓降控制在0.05 MPa左右以便循環(huán)水利用自身壓力直接進(jìn)水冷塔。間壁式冷卻器是循環(huán)冷卻水不直接同被冷卻介質(zhì)接觸，空分中除上述空冷塔和水冷塔外都屬于該類型，該類型冷卻器設(shè)計(jì)時(shí)更關(guān)注循環(huán)冷卻水供水壓力和回水壓力的差值，而冷卻器的設(shè)計(jì)壓力一般都遠(yuǎn)大于循環(huán)冷卻水供水壓力。

空分設(shè)備冷卻器按照循環(huán)冷卻水的合理允許溫升可分為三類，第一類是采用循環(huán)冷卻水允許溫升的冷卻器，第二類是溫升希望小于循環(huán)冷卻水允許溫升的冷卻器，第三類是溫升希望大于循環(huán)冷卻水允許溫升的冷卻器。第一類是原料空壓機(jī)、氧氣壓縮機(jī)、氮?dú)鈮嚎s機(jī)、膨脹機(jī)配套的冷卻器，第二類是空冷系統(tǒng)中配套冷水機(jī)組的冷凝器，第三類是空冷系統(tǒng)的空冷塔和水冷塔。冷水機(jī)組冷凝器希望的循環(huán)冷卻水溫升為5℃，而空冷系統(tǒng)的空冷塔用循環(huán)冷卻水溫升在12～15℃。冷水機(jī)組循環(huán)冷卻水溫升一般為5℃，主要是冷水機(jī)組市場(chǎng)上采購(gòu)的一般是民用機(jī)組，不是真正為工業(yè)設(shè)計(jì)的工業(yè)機(jī)組，民用循環(huán)冷卻水的溫升一般只有5～6℃，所以相應(yīng)的冷凝器冷卻水溫升都按5℃設(shè)計(jì)?？绽渌醒h(huán)冷卻水同冷卻介質(zhì)直接接觸換熱效果好，另外空冷塔下段供水需要使用大水泵增壓額外耗功，所以冷卻水的合理溫升會(huì)高很多。

4 循環(huán)冷卻水系統(tǒng)設(shè)計(jì)的注意點(diǎn)

循環(huán)冷卻水供水總管上不同取水點(diǎn)的供水壓力差，回水總管上不同回水點(diǎn)的壓力差。根據(jù)圖1所示的循環(huán)冷卻水系統(tǒng)，有取水點(diǎn)的供水總管管道長(zhǎng)120 m，沒(méi)有一個(gè)彎頭，管道公稱直徑DN1200內(nèi)徑1200 mm，最大流量8 500 m3/h，管道最大流速2.09 m/s，如簡(jiǎn)單按照8 500 m3/h流量流過(guò)長(zhǎng)度為120 m內(nèi)徑1 200 mm直管阻力計(jì)算，摩擦系數(shù)根據(jù)相對(duì)粗糙度和雷諾數(shù)查得為0.026，阻力0.0057 MPa?；厮偣馨垂艿拦Q直徑DN1000內(nèi)徑1000 mm，流量7500 m3/h的直管120 m計(jì)算，阻力0.011 MPa。從上面兩個(gè)阻力值可看出不同供水點(diǎn)和不同回水點(diǎn)的壓力差值都很小，這是循環(huán)冷卻水供應(yīng)區(qū)域相對(duì)集中的特點(diǎn)，管道彎頭少、長(zhǎng)度短、阻力小。

冷卻器設(shè)計(jì)參數(shù)提出須控制阻力值。常規(guī)項(xiàng)目工程人員提出給冷卻器廠家設(shè)計(jì)參數(shù)只有循環(huán)冷卻水供水壓力和回水壓力而沒(méi)有冷卻器阻力值，冷卻器廠家不知道供水總管和回水總管到冷卻器的管道布置和阻力值，就認(rèn)為冷卻器阻力值適當(dāng)小于供水壓力和回水壓力差值就可。表1為圖1所示循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的部分冷卻器的流量和阻力統(tǒng)計(jì)。

表1 部分冷卻器流量和阻力統(tǒng)計(jì)Table 1 Flow and resistance statistical for part of cooler

在表1的統(tǒng)計(jì)中，阻力最大的冷卻器是35000低壓氧透二級(jí)冷卻器118 kPa，其次是該機(jī)組的一級(jí)冷卻器90 kPa，其余冷卻器阻力都小于84 kPa。提給冷卻器廠家的循環(huán)水參數(shù)是供水壓力0.35 MPa(G)回水壓力 0.15 MPa(G)，允許壓差為 0.2 MPa，冷卻器阻力符合提出參數(shù)要求。如圖1所示冷卻器集中布置，供水總管和回水總管到各個(gè)冷卻器的距離相差不多，假設(shè)供水總管到各個(gè)冷卻器阻力值基本相等，回水阻力也基本相等，這樣為滿足個(gè)別阻力大的冷卻器循環(huán)冷卻水要求，需提高循環(huán)冷卻水供水壓力，增加供水和回水的壓差。如上述第二換熱器阻力從118 kPa降低到90 kPa，則提供8500 m3/h流量的循環(huán)冷卻水泵揚(yáng)程可降低2.7 m，對(duì)應(yīng)泵能耗～71 kW，所以控制冷卻器的阻力會(huì)有不小的節(jié)能空間。如遇上冷卻器阻力很難調(diào)整的情況，則調(diào)整該冷卻器對(duì)應(yīng)進(jìn)出口管尺寸，降低進(jìn)出冷卻器管道的阻力。

循環(huán)冷卻水供水和回水溫差控制。空冷系統(tǒng)中空冷塔的用水溫差由空冷系統(tǒng)定，空冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員從節(jié)能和降低設(shè)備投資的角度盡量提高空冷塔回水溫度，增大用水溫差，減小空冷塔下段水耗?？绽湎到y(tǒng)冷水機(jī)組用水溫差按5℃取?？辗猪?xiàng)目工程師要統(tǒng)計(jì)所有冷卻器的回水溫度，回水溫度是控制整個(gè)循環(huán)水系統(tǒng)回水的溫度，而不是每個(gè)冷卻器排水溫度，只要匯總后溫度滿足要求就可，匯總后如循環(huán)水溫度過(guò)高可通過(guò)供水總管和回水總管跨接的管道直接排放部分循環(huán)冷卻水到回水管線上。

冷卻器出口必須設(shè)置溫度計(jì)。冷卻器一般不在進(jìn)出管道上設(shè)置流量計(jì)直接反映流量，而是通過(guò)進(jìn)出水溫度差反映流量，因?yàn)槔鋮s器對(duì)流量的控制精度不高，另外是流量計(jì)價(jià)格貴且增加管道阻力而溫度計(jì)價(jià)格便宜且不增加阻力。對(duì)冷卻器流量很小，管道尺寸也較小的情況，可不考慮安裝溫度計(jì)，因?yàn)榱髁亢苌倬退懔髁靠刂普`差很大也不會(huì)影響循環(huán)冷卻水系統(tǒng)，管道尺寸小則安裝溫度計(jì)麻煩。

循環(huán)冷卻水系統(tǒng)配管人員要閱讀各個(gè)冷卻器的流量和阻力，優(yōu)化配管，進(jìn)而降低供水壓力，降低循環(huán)冷卻水泵揚(yáng)程。如出現(xiàn)供水壓力有可能不夠供水到水冷塔，則要求水冷塔降低高度、或減小供水總管到水冷塔進(jìn)水口的阻力損失，如還是壓力不夠，則要配置管道泵或從空冷系統(tǒng)大水泵后抽水去水冷塔，上述這種情況在空分氣體公司還沒(méi)有出現(xiàn)過(guò)，現(xiàn)在空分氣體公司的供水壓力足夠進(jìn)水冷塔。

循環(huán)冷卻水泵和空冷系統(tǒng)大小水泵是否需要采用變頻調(diào)速或永磁調(diào)速?？辗衷O(shè)備循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的循環(huán)冷卻水特點(diǎn)是連續(xù)穩(wěn)定就意味著變頻和調(diào)速的優(yōu)勢(shì)不大，很多資料上數(shù)據(jù)顯示有節(jié)能優(yōu)勢(shì)，這主要是因?yàn)樵h(huán)冷卻水系統(tǒng)設(shè)計(jì)精度不夠余量過(guò)大，裝調(diào)速主要是節(jié)省了余量這塊能耗，如設(shè)計(jì)精度提高，余量縮小，是否有節(jié)能優(yōu)勢(shì)就不一定。循環(huán)冷卻水系統(tǒng)節(jié)能當(dāng)前首先應(yīng)該進(jìn)行的工作是提高設(shè)計(jì)精度減少設(shè)計(jì)余量、優(yōu)化冷卻器阻力和優(yōu)化管道配置。

5 循環(huán)冷卻水系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)操作管理的注意點(diǎn)

管理分兩個(gè)方面:一方面是各冷卻器的管理，另一方面是水質(zhì)管理。各冷卻器的冷卻水溫差要有記錄，相應(yīng)的循環(huán)冷卻水循環(huán)水溫差的考核和獎(jiǎng)勵(lì)機(jī)制也需要制定。不進(jìn)行調(diào)節(jié)冷卻器循環(huán)冷卻水量，任由循環(huán)冷卻水溫差小，將導(dǎo)致循環(huán)冷卻水系統(tǒng)能耗增大。水質(zhì)管理，如循環(huán)冷卻水水質(zhì)差，濁度和粘附速率超標(biāo)，將導(dǎo)致?lián)Q熱器污垢熱阻增加，換熱效果變差，不能滿足工藝介質(zhì)的冷卻負(fù)荷，進(jìn)而只有加大循環(huán)冷卻水量，使循環(huán)水溫差也就無(wú)法提高，能耗增加。

現(xiàn)場(chǎng)冷卻器循環(huán)水量的調(diào)整。首先調(diào)整對(duì)循環(huán)水總量影響比較大的冷卻器，再調(diào)對(duì)循環(huán)水總量影響比較小的冷卻器，調(diào)整一般需要2～3個(gè)循環(huán)，因?yàn)樵谡{(diào)整一個(gè)對(duì)循環(huán)水總量影響比較大的冷卻器時(shí)，會(huì)引起供水壓力和回水壓力變化，從而影響其它冷卻器流量。調(diào)整完畢后在相應(yīng)調(diào)節(jié)閥門上做好開度記號(hào)或圈數(shù)記號(hào)，以便關(guān)閉閥門后下次打開可快速調(diào)整到需要位置。設(shè)計(jì)時(shí)有部分循環(huán)冷卻水供水直接跨接到回水管線上(循環(huán)冷卻水系統(tǒng)一般都設(shè)有這樣一根管線)，開車時(shí)把這部分跨接的循環(huán)水通入能加大循環(huán)水量的間壁式冷卻器，提高冷卻效果，降低能耗。

6 對(duì)已經(jīng)設(shè)計(jì)完成的循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的建議

如發(fā)現(xiàn)循環(huán)冷卻水泵和空冷系統(tǒng)大小水泵揚(yáng)程過(guò)高，可首先采用切割葉輪的方式，氣體公司可把揚(yáng)程要求提給泵廠家，要求泵廠家對(duì)備件或備泵葉輪進(jìn)行直徑切割，從而降低泵揚(yáng)程節(jié)省能耗，該方法投資少，效果明顯，不帶入任何附加裝置。如多臺(tái)泵并聯(lián)，循環(huán)冷卻水耗量冬天、夏天變化大，則可考慮同一類型的泵配用不同葉輪直徑，夏天可開葉輪大的泵，冬天開葉輪小的泵，夏天緊急情況下開小直徑葉輪泵也可臨時(shí)備用，泵葉輪直徑也可隨季節(jié)更換。

7 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，空分氣體公司循環(huán)冷卻水系統(tǒng)還有很多工作可作，廣大設(shè)計(jì)人員、管理人員和操作人員需共同努力節(jié)省投資降低能耗。