闭式循环水系统膨胀罐安装方案的选择

2017-12-01

河南化工 2017年11期

关键词：定压常压闭式

(中国石化中原油田天然气处理厂，河南濮阳 457061)

•生产与实践•

闭式循环水系统膨胀罐安装方案的选择

朱机灵

(中国石化中原油田天然气处理厂，河南濮阳 457061)

分析了现有闭式循环水系统存在的问题，提出了安装膨胀罐的解决方案，并对3个方案进行了对比，最后选用了DCS控制的常压膨胀罐方案。该方案施工难度小，费用低，改造后达到了预期的效果。

闭式循环；常压；膨胀罐

近年来，闭式循环水系统已在石化、冶金、天然气处理等领域得到了广泛应用，与开式循环水系统相比，闭式循环水系统具有节水、节能、减排及减少结垢等特点，延长了设备使用寿命。但如果闭式循环水系统设计不合理，易造成排气不畅、水压升高，从而影响换热效果及设备安全。本文以陕北某LNG工厂为例，分析闭式循环水系统存在问题，提出了解决方案。

1 闭式循环水系统存在问题及原因分析

某LNG工厂天然气液化能力为50×104m3/d，采用闭式循环水系统为装置提供冷源。闭式循环水系统用脱盐水作为冷却介质，分为内循环和外循环，工艺流程如图1所示。

图1 闭式循环水系统工艺简图

内循环：冷却水由循环泵增压后，进入到装置区各换热用户(换热器)，吸收工艺热量后水温升高，进入凉水塔散热管，被管外的空气和喷淋水吸收热量，降温后又回到循环泵进口。冷却水在闭式循环水系统中循环使用，基本上不损耗。

外循环：内循环水温高时，需开启喷淋泵对内循环散热管进行喷淋降温，水消耗量较大。

1.1存在问题

①凉水塔进出口温差为3 ℃，设计温差为8 ℃，说明换热效果较差。②运行过程中，系统压力升高，影响系统平稳运行。③凉水塔进出口压差为0.2 MPa，压差较大。

1.2原因分析

①循环水系统排气不彻底，残留有空气，聚积在凉水塔顶部，散热管束形成气堵，降低了换热面积，影响换热效果，同时造成凉水塔压差增大；②随着水温升高，空气和水都会膨胀，造成水压升高，需手动泄压。

不论是形成气堵还是膨胀升压，归根到底是由未设置膨胀罐引起的。由于系统上没有膨胀罐，就无法及时排出系统中的空气，也无法消除循环水的膨胀，从而造成系统气体积聚、压力升高、换热效果不好，只能降低装置的生产负荷。

2 膨胀罐安装设计方案

根据安装位置和压力情况，膨胀罐可以分为以下几种：高位膨胀罐、地面定压膨胀罐和地面常压膨胀罐，每种膨胀罐的适用情况各有不同。以下对三种膨胀罐安装方案进行对比和选择：

2.1高位膨胀罐安装设计方案

在闭式循环水系统中，常规设计就是在循环泵的进口管线上安装一个高位膨胀罐，膨胀罐的安装位置高于循环水系统各个用水点，处于系统的高位。膨胀罐是常压罐，直接与大气相通。工艺流程如图2所示。

图2 高位常压膨胀罐工艺流程简图

高位膨胀罐容积根据循环水系统总水量的膨胀体积而设计，因安装高度和施工原因，不易过大。水温升高时，循环水体积膨胀，水进到膨胀罐，起到缓冲作用；水温降低时，循环水体积冷缩，膨胀罐中的水可以补充到循环水系统，稳定循环泵的压头。当循环水系统有空气时，空气进入膨胀罐直接对外放空。

2.2地面定压膨胀罐安装设计方案

在一些不便于安装高位常压膨胀罐的地方，常常设置地面定压膨胀罐，其工艺流程如图3所示。

图3 地面定压膨胀罐工艺流程简图

定压膨胀罐安装在地面上，与循环泵进口管线相连。为了减少循环水中的氧含量，一般用氮气作为定压气源。根据工艺需要和泵进口压力，设定泄压阀和充压阀的工作压力，稍高于泵进口压力，高30 kPa左右即可。当水温升高，循环水膨胀，水进到膨胀罐中，造成膨胀罐气压升高，超过泄压阀的设定压力时，泄压阀打开，气体外排；降到泄压阀设定压力时，泄压阀关闭。当温度降低或循环水系统压力下降时，膨胀罐向循环水系统补水，膨胀罐气压下降，低于充压阀的设定压力时，充压阀打开，向膨胀罐补氮气；达到充压阀的设定压力时，充压阀关闭。为了防止氮气进入循环水系统，当膨胀罐水位过低时，应及时补水。

2.3地面常压膨胀罐安装设计方案

为了提高膨胀罐的排气效果，根据常压下气液易于分离的原理，提出了地面常压膨胀罐的改造方案，工艺流程如图4所示。

图4 地面常压膨胀罐工艺流程简图

常压膨胀罐安装在地面上，与泵进口管线相连，电磁阀和补水泵由控制柜(或DCS)进行控制，根据生产需要设定系统的工作压力、压力下限和压力上限。当循环水系统压力达到上限值时，电磁阀打开，对系统进行泄压，循环水进入常压膨胀罐减压后，水气分离，气体直接外排；循环水系统压力降到工作压力时，电磁阀关闭。当温度降低或循环水系统压力下降，降到下限值时，补水泵运行，向循环水系统补水；随着补水量的增加，循环水系统压力升高，达到工作压力时，补水泵停运。如果膨胀罐液位过低时，应及时向膨胀罐进行补水，防止空气被补水泵抽到循环水系统。

3 方案对比及选择

对三种改造方案的优缺点及其参数进行比较，见表1。结合现有闭式循环系统、现场实际和当地天气情况，选用第三种方式，即地面常压膨胀罐。并进行实施，其他设备及管线相应进行改造。

4 实施及效果

LNG工厂选取地面常压膨胀罐后，控制系统采用DCS系统，实现了闭式循环水系统自动泄压和补水，同时可实时监控膨胀罐液位，低液位时自动补水，防止空气进入循环水系统。为了增加排气效果，又在用水设备的高点、泵出口管线上增加了排气阀。改造后，闭式循环系统运行正常，能有效脱除循环水中的气体，稳定了系统运行压力，提高了凉水塔的冷却效果。