密闭水冷式冷却塔的可靠性改造分析

迟百川，张岩岩

（国家石油天然气管网集团有限公司山东省分公司，山东济南 250101）

0 引言

密闭水冷式冷却塔[1-2]是一种以水为媒介的冷却装置，通过与流过的空气、循环水进行热量交换，达到降温的目的。但其在长期运行过程中，出现冷却能力下降、水垢多、外壁结冰、滋生水藻及青苔等情况，严重影响了相关设备的安全平稳运行。

因此，首先阐述水冷式冷却塔的结构原理、存在问题；然后从冷却塔运行的稳定性、经济性及可行性等方面进行分析，结合当地气候、水质等实际情况，将原有水冷式与新引入风冷式[3-4]进行对比分析，论证改造的可行性及必要性，并确定后续生产运行的模式选择，即正常情况下使用风冷模式，特殊情况切换至水冷模式。

1 水冷式冷却塔现状调查

某压气站采用FBP-120-3-1 密闭水冷式冷却塔，主要由塔体、风机、喷淋泵[5]、蓄水池及配套管路组成，冷却能力约为1800 万kJ/h，承担着离心压缩机[6]、润滑油站以及变频器[7]的冷却任务。塔体的组成包括：1-减速装置；2-进水口；3-面板；4-百叶；5-溢水口；6-水箱；7-出水口；8-电机；9-风机（铝合金）；10-风筒（玻璃钢）；11-收水器（PVC）；12-播水装置；13-填料（PVC）；14-扶梯；15-补水口；16-排污口。水冷式冷却塔如图1 所示。

图1 水冷式冷却塔

密闭水冷式冷却塔主要工艺流程有两个。一是设备降温流程：去离子水装置→供水泵→循环水泵→压缩机房内循环水、变电所外循环水→冷却塔；二是内循环水降温流程：供水泵→喷淋泵→冷却水塔→水槽。冷却循环系统流程如图2 所示。

图2 冷却循环系统

但在长期的运行过程中，密闭水冷式冷却塔存在以下问题：

（1）现场设置3 台冷却塔，采用2 用1 备的运行方式，但在夏季运行过程中，环境温度高，需3 台设备全部运行，导致无备用。

（2）使用的循环水为地下水[8]，现场的地下水硬度高、碱性大、水垢多、氯化物超标，设备运行过程中会有部分水溢出或飞溅到塔外，造成塔体本身、风机扇叶及相关设备设施腐蚀[9]严重（图3），需定期清洗、更换。

图3 冷却塔外壁及风扇结垢

（3）该地区冬季气温较低，设备运行过程中会出现塔体外壁结冰现象，影响空气流通，换热能力下降。

（4）蓄水池内需常年存水，水池内滋生水藻、青苔，附着在加热管、喷淋泵入口等处，影响相关设备使用寿命。水槽内污物清理情况如图4 所示，水质化验报告如图5 所示。

图4 水槽内污物清理

图5 水质化验报告

（5）喷淋泵常年运行，使用寿命降低，维护成本增大。

2 可靠性改造方案

根据循环水系统[10-11]设计要求（循环水流量126 m3/h，进口温度45 ℃，出口温度33 ℃，温度差为12 ℃，冷却能力约为1800×104kJ/h）进行测算，纯风冷式冷却塔在气温不太高时满足设计要求，但在夏季运行期间仍存在超温运行风险，无法满足设计需要。因此保留喷淋泵，日常以风冷模式运行，夏季高温时期对水槽注水启动喷淋泵辅助降温以满足冷却用水需要。

2.1 改造安装

为满足冷却水设计要求，风冷式冷却塔需要更大的换热面积以满足运行需要，风冷式冷却塔设计如图6 所示，增加散热风扇。

图6 风冷式冷却塔设计

单台风冷式冷却塔设计尺寸为6.48 m×2.98 m×5.25 m，3台冷却塔需占地面空间19.44 m×2.98 m×5.25 m。现场冷却塔可用地面的东西长度约25 m，南北长度约10.4 m。因此，现场满足风冷式冷却塔占地面积要求，四周还可留出足够的巡检空间。冷却塔设备及管道平面布置如图7 所示。

2.2 结构对比

水冷式冷却塔主要由循环管路、散热器、循环水泵、风机、蓄水池、足够的水源组成，结构复杂；而风冷式冷却塔有循环管路、循环水泵、风机组成，结构相对简单。

2.3 冷却效果

水冷式冷却塔主要是以水为冷却介质，水的比热容[12]为4.2 kJ/（kg·K），风冷式冷却塔主要是以空气为冷却介质，空气的比热容为1.4 kJ/（kg·K），水的比热容是空气的3 倍，但空气的流动性远远大于水，因此，同等耗电条件下，水冷式冷却塔与风冷式冷却塔冷却效果相差不大。

2.4 能耗成本分析

水冷式冷却塔在运行过程中，每时每刻都会有蒸发、飞溅情况的发生，按照往年运行经验，单台冷却塔综合损水耗量为3000 m3/年/台；而风冷式冷却塔以空气为冷却介质，运行过程中基本无损耗，但每年的八九月份由于气温较高，需启动喷淋泵。同时，水冷式冷却塔在运行过程中，需进行防腐、外壁清洗、相关备件更换等，还需投入人工成本进行日常性维护。两种冷却塔对比见表1。

表1 两种冷却塔对比

以工业用电平均电价0.55 元/（kW·h）、水资源税2 元/m3为基准进行计算。水冷式冷却塔的单台年耗电成本：（11+4）kW×24 h×365×0.55 元/（kW·h）=72 270 元；单台年水费成本：3000 m3×2 元/m3=6000 元；单台年维护成本：7500+3000+3500+10 000+15 000+16 000=55 000 元；进而单台年总生产运行成本为133 270 元。风冷式冷却塔单台年耗电成本：（36 kW×24 h×365+4 kW×24 h×60）×0.55 元（kW·h）=176 616 元；基本无其他成本支出，其年总生产运行成本约176 616 元。改造后单台增加成本支出40 000 余元。

但结合现场实际情况，频繁的维护保养、特殊情况下备件无法及时到货、夏季无法控制水温等，严重影响压缩机等关键设备的平稳运行，间接性、不可预料性的支出将大大增加，同时也增大了员工的日常工作量。虽然改造后成本支出增加，但两种冷却方式的结合使用，大大提高了设备的安全、平稳性。

3 结束语

作为压气站冷却系统不可或缺的设备，冷却塔在石油石化行业中的作用至关重要。针对密闭水冷式冷却塔长期运行过程中出现的问题，进行详细分析，并阐述风冷式冷却塔的改造方案。通过综合对比分析两种冷却方式的优缺点，结合现场实际情况，论证两种方式结合使用的可行性，为设备的安全、稳定、长周期、满负荷、优良运行提供了良好的基础，同时也大大减少日常操作、维护保养的风险及工作量。