油氣終端處理廠冷卻水系統(tǒng)優(yōu)化方案的設(shè)計(jì)

黃靖凌

（中海油能源發(fā)展裝備技術(shù)有限公司 南海工程分公司，廣東 湛江 524057）

0 引言

油氣處理終端目前采用的循環(huán)水是敞開(kāi)式冷卻水系統(tǒng)，經(jīng)熱設(shè)備換熱之后的熱冷卻水通過(guò)現(xiàn)有的3臺(tái)冷卻水塔進(jìn)行降溫后循環(huán)利用，但是該方式會(huì)造成大量的循環(huán)水蒸發(fā)。因此，每天都需要補(bǔ)充大量的淡水進(jìn)入循環(huán)水系統(tǒng)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，該島上的淡水主要來(lái)源于地下水，每天的開(kāi)采量近4000 m3，島上居民用水和工業(yè)用水量就達(dá)到了3700 m3/天，地下水資源日趨緊張，且該冷卻系統(tǒng)已無(wú)法滿足擴(kuò)大的油氣處理量，所以必須對(duì)冷卻水系統(tǒng)進(jìn)行改造，降低由于揮發(fā)而導(dǎo)致的損耗[1]。本設(shè)計(jì)主要是對(duì)該終端整個(gè)循環(huán)水系統(tǒng)進(jìn)行改造，通過(guò)多方案的優(yōu)化設(shè)設(shè)計(jì)，包括利用海水作為換熱介質(zhì)，達(dá)到降低循環(huán)水消耗量的目的，最終實(shí)現(xiàn)降低地下水的工業(yè)使用量，提高企業(yè)生產(chǎn)的社會(huì)效益。

1 環(huán)境條件

終端所在區(qū)域的極端最高溫度35.0℃，最低溫度3.7℃，年平均22.9℃，年平均月最高（7月）28.9℃，年平均月最低（1月）15.5℃。每年5月—11月易受臺(tái)風(fēng)影響，尤其是7月—10月臺(tái)風(fēng)最為集中。降水集中在6月—10月，月平均降雨量最大值在8月份為224.6 mm，最小值在1月份為6.9 mm。相對(duì)濕度最大為83%，最小為76%，年平均為80%?？傮w來(lái)說(shuō)，該島周圍臨海，濕度較大，受海洋氣候高鹽霧環(huán)境明顯，常規(guī)的設(shè)備選材可能造成設(shè)備及管線腐蝕和結(jié)垢問(wèn)題，使設(shè)備及管線強(qiáng)度降低，輕則造成點(diǎn)蝕泄露，重則導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的失效影響生產(chǎn)，所以在方案設(shè)計(jì)中需要特別考慮設(shè)備和管線材料的防腐蝕和結(jié)垢問(wèn)題。

2 方案設(shè)計(jì)

2.1 海水閉式循環(huán)冷卻

本方案的流程如圖1所示。由圖看，循環(huán)水由板式海水換熱器進(jìn)行冷卻換熱，海水由海水提升泵進(jìn)入海水池，后由海水增壓泵將1500 m3/h流量輸送至海水換熱器對(duì)循環(huán)水進(jìn)行冷卻，冷卻后的海水溫度升高至34.5℃，經(jīng)冷卻水塔冷卻溫度降低之后，由海水循環(huán)泵輸送回海水池[2]。

本方案新增設(shè)備包括海水提升泵、海水池、海水增壓泵、海水循環(huán)泵以及海水換熱器，另外需要對(duì)終端原油的循環(huán)水冷卻塔進(jìn)行海水的適應(yīng)性改造。其中在原兩臺(tái)海水提升泵的基礎(chǔ)上新增一臺(tái)，形式為潛水式離心泵，與原泵安裝在一起，距離廠區(qū)大約500 m，考慮到碼頭與廠區(qū)的地勢(shì)高差，揚(yáng)程約80 m。由于本方案中設(shè)海水池可達(dá)到海水緩沖的效果，不需要海水泵長(zhǎng)期運(yùn)行并供給海水，故新增海水提升泵的流量設(shè)計(jì)為60 m3/h，作為原有泵的補(bǔ)充及備用，以此核算該泵電功率為30 kW。

圖1 海水封閉式循環(huán)冷卻流程

由于原單臺(tái)冷卻水塔的處理能力為1500 m3/h，故設(shè)計(jì)由海水池至換熱器的海水流量為1500 m3/h，以此來(lái)對(duì)目前2100 m3/h@40℃的熱循環(huán)水進(jìn)行冷卻。通過(guò)換熱模擬計(jì)算，換熱后的循環(huán)水溫度可以降低至34.1℃，滿足冷卻水循環(huán)利用的要求。而海水經(jīng)冷卻塔后的溫度可以降低至32.5℃，回到海水池后經(jīng)自然冷卻可重復(fù)利用。當(dāng)海水池溫度提高過(guò)多后，可通過(guò)海水泵重新補(bǔ)充海水，原海水池中的海水亦可排放一部分高溫海水。

用于給海水增壓的海水增壓泵和海水循環(huán)泵流量均為1500 m3/h，增壓泵揚(yáng)程約15 m，電功率約110 kW；循環(huán)泵由于揚(yáng)程約50 m，電功率約355 kW；且兩種泵均由于是長(zhǎng)期使用，故均設(shè)置兩臺(tái)采用一用一備的方式進(jìn)行工作，采用耐海水腐蝕的雙相鋼作為主要過(guò)流部件材質(zhì)。海水換熱器則采用全焊接板式換熱器，能有效減小管殼式換熱器尺寸過(guò)大的問(wèn)題。海水過(guò)流部件采用鈦合金材質(zhì)。海水冷卻塔中的水輪機(jī)需耐海水腐蝕，因此，上蓋板、軸承座及殼體均采用316L，其中添加的Mo元素提高了耐氯化物引起點(diǎn)腐蝕的能力，主軸采用Cr40，配套緊固件同采用316L材質(zhì)，其他部件主要通過(guò)采用海水用重防腐涂料進(jìn)行海水防腐。

本方案新增用電負(fù)荷為850 kW，目前電氣柜無(wú)法滿足新增設(shè)備的用電需要。因此，需要考慮由中壓盤(pán)新增面柜給新增的低壓配電柜供電[3]。由于海水增壓泵海水和海水循環(huán)泵共較大，該配電室內(nèi)的低壓配電柜備用回路無(wú)法滿足供電需求，且中壓柜無(wú)備用回路可用，因此，本方案需要增加兩面400 V低壓配電柜、一面中壓配電柜和一套1250 kVA的變壓器作為新增海水提升泵、海水增壓泵和海水循環(huán)泵的配電電源。

2.2 海水敞開(kāi)式冷卻

本方案流程如圖2所示，循環(huán)水由新增的板式海水換熱器進(jìn)行冷卻換熱，海水由新增的海水提升泵持續(xù)輸送至海水換熱器對(duì)循環(huán)水進(jìn)行冷卻，冷卻后的海水不再重復(fù)使用，直接排入海里。

圖2 海水直流冷卻流程

本方案相對(duì)海水封閉式循環(huán)冷卻，減少了海水池、海水增壓泵以及海水循環(huán)泵，同時(shí)亦不需要對(duì)原有的冷卻塔進(jìn)行改造，但對(duì)海水提升泵的能力要求大大提高，必須要保證海水的持續(xù)供給。經(jīng)初步估算，海水泵功率達(dá)到560 kW。同時(shí)考慮到泵的持續(xù)運(yùn)行，務(wù)必考慮備用泵，故一共需要新增2臺(tái)海水提升泵。本方案新增用電負(fù)荷為560 kW，該區(qū)的6.3/0.4 kV變壓器為1600 kVA，無(wú)法滿足新增設(shè)備的用電需要。因此，考慮使用6.3 kV的電源給海水提升泵配電，需要新增一套中壓配電柜。

2.3 海水淡化補(bǔ)充循環(huán)水

循環(huán)水主流程不變，如圖3所示，冷卻水塔蒸發(fā)導(dǎo)致的淡水損耗由海水造淡機(jī)提供，造淡機(jī)用海水由終端原有消防泵輸送至海水池，再由增壓泵輸送至造淡機(jī)，造氮機(jī)生成的淡水進(jìn)入冷卻水池中。

冷卻水塔蒸發(fā)量為1.2%～2%，按循環(huán)水量2100 m3/h計(jì)算蒸發(fā)量為43 m3/h；但是該處理量需要相對(duì)大型的海水淡化站，其中所需配套的海水提升泵的用量需要相關(guān)專業(yè)廠家進(jìn)一步核算，其內(nèi)部的研究方向不在本文研究范圍內(nèi)，在此僅提供一種初步方案。

2.4 水下橇塊換熱

通過(guò)在海底建立水下?lián)Q熱橇的形式，將該終端循環(huán)水通過(guò)埋地及海底管線與換熱橇連接，換熱橇設(shè)計(jì)為換熱器盤(pán)管形式。本方案由于使用底層海水對(duì)循環(huán)水進(jìn)行換熱，換熱效果最佳，但需要解決水下設(shè)備防腐以及海生物清理問(wèn)題。

圖3 海水淡化補(bǔ)充流程

3 方案對(duì)比

海水冷卻技術(shù)分為海水敞開(kāi)式冷卻和海水封閉式式循環(huán)冷卻。海水敞開(kāi)式冷卻是指海水經(jīng)換熱設(shè)備對(duì)熱循環(huán)水進(jìn)行一次性冷卻以及排放的過(guò)程。本方案技術(shù)具有深海取水溫度低、冷卻效果更好和系統(tǒng)運(yùn)行管理簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，但是存在取水量大、排污量大等問(wèn)題。

海水封閉式式循環(huán)冷卻是以海水為冷卻介質(zhì)，經(jīng)換熱設(shè)備完成一次冷卻后，海水經(jīng)冷卻塔冷卻并循環(huán)使用的過(guò)程。海水循環(huán)冷卻系統(tǒng)由于海水循環(huán)使用，其取排水量較直流冷卻系統(tǒng)均減少95%以上，在一定條件下較海水敞開(kāi)式冷卻技術(shù)更經(jīng)濟(jì)和環(huán)保，但循環(huán)海水會(huì)造成設(shè)備及管線中海水鹽分結(jié)晶，使介質(zhì)中的海水鹽份濃度加大，容易造成設(shè)備及管線結(jié)晶損害，而且流程中的設(shè)備均要使用耐海水材質(zhì)導(dǎo)致設(shè)備投資費(fèi)用增高，維保難度加大。

海水淡化補(bǔ)充淡水的方式可以從根本上解決島上工業(yè)用淡水緊張的局面，相比其他冷卻方式中有改造流程簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，但是初期投資建設(shè)海水淡化站費(fèi)用較高，但本方案可以從根本上解決淡水缺乏的問(wèn)題，在各方面相對(duì)成熟的條件下，本方案也是最切實(shí)可行的。

水下?lián)Q熱橇塊方案為目前初步設(shè)想，難點(diǎn)在于安裝位置以及海域使用是否涉及環(huán)保問(wèn)題，且循環(huán)水進(jìn)出管線較大，而設(shè)置管線距離較長(zhǎng)，需著重考慮管線布置的可行性；雖然目前水下橇塊也有成熟技術(shù)，但水下?lián)Q熱橇塊目前尚無(wú)成功應(yīng)用先例，但如能成功應(yīng)用則可大大優(yōu)于普通換熱器的換熱效率，并且除了循環(huán)水增壓泵和水下橇塊無(wú)其他設(shè)備，整體改造流程簡(jiǎn)單。各方案對(duì)比情況見(jiàn)表1。

表1 各方案對(duì)比表

4 結(jié)語(yǔ)

從總體來(lái)說(shuō)建議優(yōu)先采用海水敞開(kāi)式冷卻，流程改造相對(duì)簡(jiǎn)單，換熱效果好，涉及新增或改造的數(shù)量少，海水在流程內(nèi)保持持續(xù)流動(dòng)，發(fā)生結(jié)晶對(duì)設(shè)備管線造成結(jié)垢的概率較低；其次從連續(xù)生產(chǎn)的角度考慮，在海水系統(tǒng)檢修期間，循環(huán)水切換為現(xiàn)有敞開(kāi)式冷卻流程依然保持可用狀態(tài)。

海水淡化補(bǔ)充循環(huán)水目前已有相對(duì)成熟使用經(jīng)驗(yàn)，但其內(nèi)部流程較復(fù)雜，需專業(yè)廠家進(jìn)行方案設(shè)計(jì)，而且根據(jù)現(xiàn)有海水淡化處理設(shè)備資料顯示，造淡效率較低，為滿足終端現(xiàn)有缺口，可能需要較大型處理海水淡水處理設(shè)備，占地面積和項(xiàng)目投資也會(huì)較大。

由于目前尚無(wú)水下橇塊冷卻使用案例，而且向水下橇塊及相關(guān)管線流程已超終端廠區(qū)，存在較多的不確定性，故不建議采用。

綜上所述，建議優(yōu)先海水敞開(kāi)式冷卻以及造淡方式，但具體細(xì)化方案還需進(jìn)一步加深設(shè)計(jì)深度并完成經(jīng)濟(jì)估算評(píng)價(jià)進(jìn)行比選，擇優(yōu)選擇。