浅议空分气体公司循环冷却水系统

2015-12-25左春梅顾燕新

低温与特气 2015年3期

左春梅，徐庆，郭媛，顾燕新

(杭州杭氧股份有限公司设计院，浙江杭州中山北路592号弘元大厦 310014)

0 引言

循环冷却水系统是空分气体公司处理工艺装置废热负荷不可或缺的重要公用工程系统，能耗占总能耗的2% ～3%，虽然能耗占总能耗比例不大但绝对值不小，如一套4万内压缩空分设备能耗28 000 kW，配套循环冷却水功率为780 kW(包括空冷系统大小水泵能耗)，如降低循环冷却水能耗10%，对应功率为78 kW，一年降低65.5×104kW·h电耗。

1 循环冷却水系统简述

空分气体公司循环冷却水系统常规都采用敞开式系统，当前例外的只有LNG冷能空分气体公司采用闭式系统结构，闭式系统在本文中不进行讨论。敞开式循环冷却水系统中大气和循环水接触，大气中的灰尘等杂质会进入循环水，部分循环水被大气吸湿蒸发造成消耗，但冷却效果好，适合需要大量循环冷却水的场合。

空分气体公司敞开式循环冷却水系统的特点:循环冷却水供应区域相对集中、循环水耗稳定连续(空分经常变负荷远离满负荷操作是一个项目缺陷，循环水耗量变化另外会随季节温度适当变化)、冷却器数量相对少。一家拥有2套4万空分的气体公司，循环冷却水的供水总管长度为～260 m，回水总管长度～230 m，冷却器都布置在一个长120 m宽33 m的矩形区域内，循环冷却水耗量基本控制在8500 m3/h左右，冷却器的数量～60个，这些冷却器分布在原料空压机系统、空冷系统、氧压机和氮压机系统、膨胀机系统。循环冷却水系统供水总管公称直径为DN1200，回水总管分为两段，一段公称直径为DN1000一段为DN1200。该气体公司循环冷却水系统流程简图见图1。

图1 空分气体公司循环冷却水系统流程简图Fig.1 The flow process chart of circulating cooling water system in air separation gas company

2 循环冷却水系统部分设计参数说明

循环冷却水供水温度和回水温度的确定:根据公司所在地连续不少于5 a的每年最热时期三个月(一般为6、7、8三个月)的日平均气温、空气的相对湿度、采用凉水塔的形式、冷却器对循环冷却水的温度要求等一系列参数确定。空分设备在江南一般供水32℃回水40℃，在西北一般供水30℃回水40℃。

循环冷却水供水回水压力的确定:回水压力根据凉水塔中布水器相对回水总管标高、布水器阻力损失、回水总管最远端到布水器进口管的循环水阻力损失来确定。供水压力根据回水压力、冷却器阻力、冷却器出口到回水总管阻力和供水总管到冷却器进口阻力来确定。

循环冷却水总量的确定:根据所有冷却器所需要循环冷却水量统计。

3 冷却器特点

空分设备冷却器按照是否同冷却介质接触可分为两类，一类为直接接触式冷却器，另一类为间壁式冷却器。直接接触式冷却器是循环冷却水直接同被冷却介质接触，空冷系统中的空冷塔和水冷塔是这类型。空冷塔为压力塔，塔中压力一般在0.45 MPa以上，中部进水管口离设备底部有～11 m，所以利用循环冷却水自身压力不能够直接进空冷塔中部，而是需要再设置增压泵，也就是空冷系统的大水泵。水冷塔为常压塔，双段填料进水口高度离设备底部20 m左右，单段填料为14 m左右，循环冷却水供水压力要克服进水高度差产生的静液柱压力和供水总管到进水口的流动阻力才可直接进入水冷塔，一般供水总管到进水口的阻力在0.1 MPa以下，如供水压力特别低的情况下可把压降控制在0.05 MPa左右以便循环水利用自身压力直接进水冷塔。间壁式冷却器是循环冷却水不直接同被冷却介质接触，空分中除上述空冷塔和水冷塔外都属于该类型，该类型冷却器设计时更关注循环冷却水供水压力和回水压力的差值，而冷却器的设计压力一般都远大于循环冷却水供水压力。

空分设备冷却器按照循环冷却水的合理允许温升可分为三类，第一类是采用循环冷却水允许温升的冷却器，第二类是温升希望小于循环冷却水允许温升的冷却器，第三类是温升希望大于循环冷却水允许温升的冷却器。第一类是原料空压机、氧气压缩机、氮气压缩机、膨胀机配套的冷却器，第二类是空冷系统中配套冷水机组的冷凝器，第三类是空冷系统的空冷塔和水冷塔。冷水机组冷凝器希望的循环冷却水温升为5℃，而空冷系统的空冷塔用循环冷却水温升在12～15℃。冷水机组循环冷却水温升一般为5℃，主要是冷水机组市场上采购的一般是民用机组，不是真正为工业设计的工业机组，民用循环冷却水的温升一般只有5～6℃，所以相应的冷凝器冷却水温升都按5℃设计。空冷塔中循环冷却水同冷却介质直接接触换热效果好，另外空冷塔下段供水需要使用大水泵增压额外耗功，所以冷却水的合理温升会高很多。

4 循环冷却水系统设计的注意点

循环冷却水供水总管上不同取水点的供水压力差，回水总管上不同回水点的压力差。根据图1所示的循环冷却水系统，有取水点的供水总管管道长120 m，没有一个弯头，管道公称直径DN1200内径1200 mm，最大流量8 500 m3/h，管道最大流速2.09 m/s，如简单按照8 500 m3/h流量流过长度为120 m内径1 200 mm直管阻力计算，摩擦系数根据相对粗糙度和雷诺数查得为0.026，阻力0.0057 MPa。回水总管按管道公称直径DN1000内径1000 mm，流量7500 m3/h的直管120 m计算，阻力0.011 MPa。从上面两个阻力值可看出不同供水点和不同回水点的压力差值都很小，这是循环冷却水供应区域相对集中的特点，管道弯头少、长度短、阻力小。

冷却器设计参数提出须控制阻力值。常规项目工程人员提出给冷却器厂家设计参数只有循环冷却水供水压力和回水压力而没有冷却器阻力值，冷却器厂家不知道供水总管和回水总管到冷却器的管道布置和阻力值，就认为冷却器阻力值适当小于供水压力和回水压力差值就可。表1为图1所示循环冷却水系统的部分冷却器的流量和阻力统计。

表1 部分冷却器流量和阻力统计Table 1 Flow and resistance statistical for part of cooler

在表1的统计中，阻力最大的冷却器是35000低压氧透二级冷却器118 kPa，其次是该机组的一级冷却器90 kPa，其余冷却器阻力都小于84 kPa。提给冷却器厂家的循环水参数是供水压力0.35 MPa(G)回水压力 0.15 MPa(G)，允许压差为 0.2 MPa，冷却器阻力符合提出参数要求。如图1所示冷却器集中布置，供水总管和回水总管到各个冷却器的距离相差不多，假设供水总管到各个冷却器阻力值基本相等，回水阻力也基本相等，这样为满足个别阻力大的冷却器循环冷却水要求，需提高循环冷却水供水压力，增加供水和回水的压差。如上述第二换热器阻力从118 kPa降低到90 kPa，则提供8500 m3/h流量的循环冷却水泵扬程可降低2.7 m，对应泵能耗～71 kW，所以控制冷却器的阻力会有不小的节能空间。如遇上冷却器阻力很难调整的情况，则调整该冷却器对应进出口管尺寸，降低进出冷却器管道的阻力。

循环冷却水供水和回水温差控制。空冷系统中空冷塔的用水温差由空冷系统定，空冷系统设计人员从节能和降低设备投资的角度尽量提高空冷塔回水温度，增大用水温差，减小空冷塔下段水耗。空冷系统冷水机组用水温差按5℃取。空分项目工程师要统计所有冷却器的回水温度，回水温度是控制整个循环水系统回水的温度，而不是每个冷却器排水温度，只要汇总后温度满足要求就可，汇总后如循环水温度过高可通过供水总管和回水总管跨接的管道直接排放部分循环冷却水到回水管线上。

冷却器出口必须设置温度计。冷却器一般不在进出管道上设置流量计直接反映流量，而是通过进出水温度差反映流量，因为冷却器对流量的控制精度不高，另外是流量计价格贵且增加管道阻力而温度计价格便宜且不增加阻力。对冷却器流量很小，管道尺寸也较小的情况，可不考虑安装温度计，因为流量很少就算流量控制误差很大也不会影响循环冷却水系统，管道尺寸小则安装温度计麻烦。

循环冷却水系统配管人员要阅读各个冷却器的流量和阻力，优化配管，进而降低供水压力，降低循环冷却水泵扬程。如出现供水压力有可能不够供水到水冷塔，则要求水冷塔降低高度、或减小供水总管到水冷塔进水口的阻力损失，如还是压力不够，则要配置管道泵或从空冷系统大水泵后抽水去水冷塔，上述这种情况在空分气体公司还没有出现过，现在空分气体公司的供水压力足够进水冷塔。

循环冷却水泵和空冷系统大小水泵是否需要采用变频调速或永磁调速。空分设备循环冷却水系统的循环冷却水特点是连续稳定就意味着变频和调速的优势不大，很多资料上数据显示有节能优势，这主要是因为原循环冷却水系统设计精度不够余量过大，装调速主要是节省了余量这块能耗，如设计精度提高，余量缩小，是否有节能优势就不一定。循环冷却水系统节能当前首先应该进行的工作是提高设计精度减少设计余量、优化冷却器阻力和优化管道配置。

5 循环冷却水系统现场操作管理的注意点

管理分两个方面:一方面是各冷却器的管理，另一方面是水质管理。各冷却器的冷却水温差要有记录，相应的循环冷却水循环水温差的考核和奖励机制也需要制定。不进行调节冷却器循环冷却水量，任由循环冷却水温差小，将导致循环冷却水系统能耗增大。水质管理，如循环冷却水水质差，浊度和粘附速率超标，将导致换热器污垢热阻增加，换热效果变差，不能满足工艺介质的冷却负荷，进而只有加大循环冷却水量，使循环水温差也就无法提高，能耗增加。

现场冷却器循环水量的调整。首先调整对循环水总量影响比较大的冷却器，再调对循环水总量影响比较小的冷却器，调整一般需要2～3个循环，因为在调整一个对循环水总量影响比较大的冷却器时，会引起供水压力和回水压力变化，从而影响其它冷却器流量。调整完毕后在相应调节阀门上做好开度记号或圈数记号，以便关闭阀门后下次打开可快速调整到需要位置。设计时有部分循环冷却水供水直接跨接到回水管线上(循环冷却水系统一般都设有这样一根管线)，开车时把这部分跨接的循环水通入能加大循环水量的间壁式冷却器，提高冷却效果，降低能耗。

6 对已经设计完成的循环冷却水系统的建议

如发现循环冷却水泵和空冷系统大小水泵扬程过高，可首先采用切割叶轮的方式，气体公司可把扬程要求提给泵厂家，要求泵厂家对备件或备泵叶轮进行直径切割，从而降低泵扬程节省能耗，该方法投资少，效果明显，不带入任何附加装置。如多台泵并联，循环冷却水耗量冬天、夏天变化大，则可考虑同一类型的泵配用不同叶轮直径，夏天可开叶轮大的泵，冬天开叶轮小的泵，夏天紧急情况下开小直径叶轮泵也可临时备用，泵叶轮直径也可随季节更换。