包冰國(guó)

（江蘇海鷗冷卻塔股份有限公司， 江蘇 常州 213149）

大型空分裝置以空壓機(jī)、 氧壓機(jī)、 氮壓機(jī)、 膨脹機(jī)等離心式壓縮機(jī)構(gòu)成， 運(yùn)行中氣路、 油路產(chǎn)生大量熱量， 均需通過(guò)循環(huán)冷卻水對(duì)換熱器、 冷卻器進(jìn)行冷卻以滿足等溫壓縮、 連續(xù)運(yùn)行的要求。 因此循環(huán)冷卻水系統(tǒng)冷卻塔熱力性能的優(yōu)劣直接對(duì)供水溫度產(chǎn)生影響， 直接決定空分裝置長(zhǎng)期運(yùn)行穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)節(jié)能指標(biāo)［1-2］。

冷卻塔作為空分裝置配套的輔機(jī)， 由于生產(chǎn)企業(yè)對(duì)其建設(shè)、 運(yùn)行管理工作重視不夠， 相關(guān)技術(shù)員缺乏， 往往造成冷卻塔選型不當(dāng)， 選取參數(shù)與實(shí)際運(yùn)行情況偏差較大， 設(shè)備欠維修， 高效節(jié)能技術(shù)更新不及時(shí)等現(xiàn)象， 導(dǎo)致冷卻塔性能下降、 空分裝置能耗大幅上升或被迫停機(jī)檢修。 隨著冷卻塔技術(shù)的不斷進(jìn)步， 高效冷卻塔產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)， 多種新技術(shù)在冷卻塔產(chǎn)品中應(yīng)用已發(fā)揮重要作用。 本文結(jié)合某空分制氧系統(tǒng)冷卻塔改造， 介紹了冷卻塔的增效、節(jié)能及節(jié)水技術(shù)應(yīng)用， 為企業(yè)空分裝置降本增效、高效、 穩(wěn)定運(yùn)行提供借鑒。

1 冷卻塔改造前運(yùn)行狀況

某空分制氧系統(tǒng)前期配套冷卻塔均為無(wú)動(dòng)力噴霧冷卻塔， 其通過(guò)回水壓力（約為0.25 ～0.30 MPa）的能量推動(dòng)噴霧裝置高速旋轉(zhuǎn)， 循環(huán)冷卻水通過(guò)噴球中噴頭霧化后進(jìn)行散熱， 實(shí)現(xiàn)降溫， 達(dá)到節(jié)能運(yùn)行目的。 但系統(tǒng)供水壓力約為0.35 ～0.40 MPa， 同時(shí)每年需對(duì)冷卻塔風(fēng)扇葉片、 水磨軸承等關(guān)鍵部件檢修更換。 以該空分裝置2 萬(wàn)m3／h 的2# 制氧系統(tǒng)為例， 由于原有性能及參數(shù)選取受限， 新塔在投用初期基本滿足設(shè)備運(yùn)行要求， 但是夏季高溫天氣（以梅雨季節(jié)最為明顯）， 冷卻塔性能下降， 最高時(shí)冷卻塔出水溫度高達(dá)38 ℃， 而對(duì)比行業(yè)冷卻塔，其同期最高供水溫度約為33 ～34 ℃。 冷卻塔出水溫度高， 2# 制氧設(shè)備的氣體冷卻器、 油冷卻器無(wú)法滿足正常冷卻， 尤其是供油溫度極易觸發(fā)報(bào)警值， 設(shè)備難以穩(wěn)定運(yùn)行， 同時(shí)水溫上升后壓縮機(jī)能耗明顯上升。 2# 制氧系統(tǒng)無(wú)動(dòng)力噴霧冷卻塔循環(huán)冷卻水系統(tǒng)運(yùn)行情況詳見(jiàn)表1。

表1 2# 制氧系統(tǒng)無(wú)動(dòng)力噴霧冷卻塔循環(huán)冷卻水系統(tǒng)Tab. 1 Circulating cooling water system of 2# oxygen generation system without power spray cooling tower

為滿足設(shè)備長(zhǎng)期穩(wěn)定、 可靠運(yùn)行， 制氧廠通過(guò)調(diào)查、 研究， 對(duì)原有冷卻塔進(jìn)行技術(shù)改造， 實(shí)現(xiàn)高效運(yùn)行目標(biāo)。

2 冷卻塔改造

2.1 改造總體思路

將原噴霧冷卻塔組進(jìn)行整體拆除， 利用現(xiàn)有回水和供水管網(wǎng)， 在原水池平臺(tái)上改建2 臺(tái)1 500 m3／h 全鋼結(jié)構(gòu)組合型機(jī)力通風(fēng)逆流式冷卻塔。 利用原水池梁柱結(jié)構(gòu)確定冷卻塔基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)， 重新對(duì)水池梁、 柱的荷載進(jìn)行核算， 確保滿足使用要求。

2.2 冷卻塔型式的選取

冷卻塔的型式較多， 因此需根據(jù)行業(yè)規(guī)范和區(qū)域氣候特點(diǎn)， 結(jié)合循環(huán)冷卻水系統(tǒng)參數(shù)等指標(biāo)綜合評(píng)定。 本冷卻塔選擇逆流式機(jī)械通風(fēng)冷卻塔型式。

逆流式機(jī)械通風(fēng)冷卻塔設(shè)備由上塔體（風(fēng)筒）、中塔體（圍護(hù)板）、 結(jié)構(gòu)鋼件、 風(fēng)機(jī)、 電機(jī)、 減速器、 配水系統(tǒng)、 收水器、 控制系統(tǒng)等部件組成［3］（見(jiàn)圖1）。

為延長(zhǎng)新設(shè)備使用壽命， 塔體鋼結(jié)構(gòu)全部采用熱鍍鋅防腐工藝， 并將其中1 臺(tái)塔的運(yùn)行方式設(shè)置為變頻調(diào)速運(yùn)行， 以此達(dá)到系統(tǒng)節(jié)能效果。 由于2萬(wàn)m3／h 空分裝置配套冷卻塔循環(huán)水量多為3 000 m3／h 以上， 為保證設(shè)備可靠運(yùn)行和后期檢修維護(hù)需求， 冷卻塔數(shù)量宜設(shè)置為2 組及以上， 因此本項(xiàng)目改造設(shè)置為2×1 500 m3／h。 參照GB／T 7190.2—2018《機(jī)械通風(fēng)冷卻塔 第2 部分： 大型開(kāi)式冷卻塔》， 該類(lèi)冷卻塔（單塔水量小于3 000 m3／h）屬于大型開(kāi)式冷卻塔， 綜合優(yōu)化后選用全鋼結(jié)構(gòu)逆流式機(jī)械通風(fēng)冷卻塔。

2.3 冷卻塔參數(shù)的選取

根據(jù)當(dāng)?shù)氐臍夂蛱攸c(diǎn)選擇氣象參數(shù)， 充分考慮干球、 濕球溫度， 對(duì)原有的循環(huán)冷卻水系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化［4-5］； 根據(jù)實(shí)際運(yùn)行的制氧系統(tǒng)設(shè)備水力分析計(jì)算、 重新確定系統(tǒng)總流量（3 000 m3／h）指標(biāo)、循環(huán)冷卻水系統(tǒng)壓力需求， 保證換熱設(shè)備流量、 壓力等滿足水力性能要求。 從而實(shí)現(xiàn)冷卻塔夏季出水溫度小于33 ℃的生產(chǎn)運(yùn)行要求。 對(duì)2# 制氧系統(tǒng)配套冷卻塔基本參數(shù)進(jìn)行如下規(guī)定（單塔）：

圖1 2 × 1 500 m3／h 逆流式全鋼結(jié)構(gòu)冷卻塔示意Fig. 1 2 × 1 500 m3／h counter-flow all-steel structure cooling tower

單塔處理水量： Q ＝1 500 m3／h； 進(jìn)塔水溫： t1＝43.0 ℃； 出塔水溫： t2＝33.0 ℃； 進(jìn)塔空氣干球溫度： θ1＝32.0 ℃； 進(jìn)塔空氣濕球溫度： τ1＝28.2 ℃；大氣壓： Pa ＝100.53 kPa； 單塔長(zhǎng)度×寬度： L×B ＝12 m×9 m。

2.4 改造要求及內(nèi)容

為保證改造質(zhì)量和效果， 對(duì)此次改造冷卻塔核心部件的選材和配置標(biāo)準(zhǔn)提出要求， 以提升冷卻塔長(zhǎng)期運(yùn)行的可靠性和系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。

2.4.1 塔體結(jié)構(gòu)防振要求

為了防止冷卻塔塔體振動(dòng)偏大， 要求在結(jié)構(gòu)上采用整體剛性桁架體系， 達(dá)到整體剛性要求。 各節(jié)點(diǎn)之間通過(guò)螺栓固定后再焊接， 使冷卻塔設(shè)備具有良好的整體剛度； 梁、 柱間要求采用迥轉(zhuǎn)半徑大的鋼管作為腹桿構(gòu)成桁架， 根據(jù)節(jié)點(diǎn)之間的特點(diǎn)適當(dāng)加以約束， 使結(jié)構(gòu)受力更加合理。

2.4.2 風(fēng)筒

在風(fēng)筒進(jìn)風(fēng)口處設(shè)置十字形腹桿及截面斜桁架鋼梁， 使頂層環(huán)向強(qiáng)度和穩(wěn)定性得到提高； 整體配水構(gòu)造上將各管口端與立面橫梁穩(wěn)固后形成新的支承面， 使塔體結(jié)構(gòu)具有多向受力性的效果； 增加相應(yīng)立面斜桿支撐構(gòu)件， 使各立柱之間形成三角形穩(wěn)定空間結(jié)構(gòu)布局， 使結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)固； 風(fēng)筒設(shè)置抗風(fēng)載荷980 Pa 以上， 可抵御10 級(jí)以上臺(tái)風(fēng)。

2.4.3 風(fēng)機(jī)系統(tǒng)

采用國(guó)內(nèi)知名廠家冷卻塔專(zhuān)用玻璃鋼軸流風(fēng)機(jī)， 噪聲符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。 葉片由高強(qiáng)度環(huán)氧玻璃鋼模壓成型， 為高效翼形； 葉片角度可調(diào)， 各葉片間具有互換性； 風(fēng)機(jī)葉片設(shè)置聚氨酯防沖刷前緣片；葉片材質(zhì)為FRP。 減速箱采用國(guó)內(nèi)大型廠家高質(zhì)量產(chǎn)品并設(shè)置安全監(jiān)控系統(tǒng)， 遠(yuǎn)傳至主控室內(nèi)的DCS系統(tǒng)， 實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控和強(qiáng)電聯(lián)鎖， 自動(dòng)預(yù)警或停機(jī)。 為確保冷卻塔長(zhǎng)期運(yùn)行目標(biāo)， 要求新風(fēng)機(jī)葉片出廠前進(jìn)行風(fēng)機(jī)動(dòng)平衡試驗(yàn)調(diào)整， 剛性轉(zhuǎn)子平衡精度取G6.3， 實(shí)現(xiàn)減速機(jī)振動(dòng)值小于2.8 mm／s 的性能保證， 從源頭上降低震動(dòng)因素。

配套電機(jī)采用戶外型高效節(jié)能電機(jī)， 電機(jī)功率按參數(shù)要求進(jìn)行選型， 防護(hù)等級(jí)為IP55， 絕緣等級(jí)為F 級(jí)。

傳動(dòng)軸采用進(jìn)口碳纖維傳動(dòng)軸作為風(fēng)機(jī)高速端傳動(dòng)軸， 以達(dá)到最大化消減振動(dòng)的可能， 同時(shí)配套不銹鋼膜片聯(lián)軸器。 要求增設(shè)風(fēng)機(jī)飛軸限位裝置，保證安全。

2.4.4 塔芯部件

收水器采用改性PVC 材質(zhì)的SJ 型加筋弧形收水器， 按循環(huán)水量計(jì)， 其飄水損失要求達(dá)到0.001% 以下； 同時(shí)氣流阻力在2.8 m／s 風(fēng)速條件下， 通風(fēng)阻力損失小于0.8 mmH2O。

配水系統(tǒng)采用全管式， 配水管線采用管式對(duì)稱(chēng)布置， 管道之間采用法蘭連接， 塔中心進(jìn)水方式；配水系統(tǒng)噴頭采用三濺式噴頭， 專(zhuān)為大型工業(yè)冷卻塔設(shè)計(jì)的低壓噴頭。 達(dá)到高低負(fù)荷都能布水均勻，壓力適應(yīng)范圍為50%～150%， 達(dá)到不易堵塞的目的， 滿足配水系統(tǒng)長(zhǎng)期安全運(yùn)行需要。

填料采用PVC 材質(zhì)的復(fù)合波高傳熱性冷卻塔薄膜式填料， 基片厚度為（0.4±0.05）mm， 實(shí)現(xiàn)填料親水憎油性能優(yōu)越、 耐溫差變化及耐濕熱老化性能優(yōu)異［6］。

2.4.5 塔體圍護(hù)板及檢修爬梯

塔體圍板采用高強(qiáng)度加筋玻璃鋼材質(zhì)大圍板，消除運(yùn)行中的水外濺。

塔體要求設(shè)有上塔爬梯， 方便檢修； 同時(shí)上部依據(jù)安全要求設(shè)置圍欄。

由于上述參數(shù)和選取零部件要求的確定， 決定冷卻塔性能的關(guān)鍵參數(shù)： 淋水密度、 濕球溫度、 出塔溫度、 填料高度、 填料波形、 氣水比、 冷卻數(shù)（決定工作性能曲線和熱量性能曲線的指標(biāo)）、 風(fēng)機(jī)選型等參數(shù)隨之確定， 整塔性能得以保證。 同時(shí)依據(jù)冷卻塔行業(yè)CTIToolkit 專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)軟件推算出該冷卻塔性能曲線， 保證整體性能指標(biāo)的實(shí)現(xiàn)［7］。

3 實(shí)施結(jié)果及評(píng)價(jià)

實(shí)施過(guò)程中， 嚴(yán)格按照相關(guān)要求進(jìn)行監(jiān)造， 通過(guò)投用后運(yùn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)同期環(huán)境條件對(duì)比， 冷卻塔改造效果明顯， 現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)如表2 所示。

冷卻塔提效改造后， 冷卻塔系統(tǒng)阻力下降， 循環(huán)冷卻水系統(tǒng)進(jìn)、 回水壓力隨之降低， 這2 個(gè)指標(biāo)對(duì)于空分設(shè)備系統(tǒng)長(zhǎng)期運(yùn)行意義重大， 主要表現(xiàn)在以下方面：

表2 改造后冷卻塔現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)Tab. 2 Field data of cooling tower after transformation

（1） 冷卻塔效率。 根據(jù)整塔的性能設(shè)計(jì)指標(biāo)，在投用后利用全年極端環(huán)境情況下（7 月份）對(duì)改造后冷卻塔進(jìn)行第三方性能測(cè)試， 驗(yàn)證冷卻塔整體使用性能評(píng)價(jià)。 通過(guò)測(cè)試報(bào)告分析和數(shù)據(jù)對(duì)比， 具體結(jié)果如表3 所示， 冷卻效率達(dá)到設(shè)計(jì)值的100.8%，實(shí)現(xiàn)了高效節(jié)能運(yùn)行目標(biāo)。

表3 改造后冷卻塔測(cè)試結(jié)果Tab. 3 Test results of cooling tower after transformation

（2） 系統(tǒng)節(jié)能。 改造投用后， 冷卻塔冷卻效果明顯提升， 改造后供水溫度下降4.65 ℃， 水壓下降0.1 MPa。 根據(jù)制氧行業(yè)供水溫度每下降3 ℃，影響制氧機(jī)整體電耗1% 計(jì)算， 同時(shí)結(jié)合制氧機(jī)配套壓縮機(jī)設(shè)計(jì)性能指標(biāo)進(jìn)氣溫度25 ℃最佳效率值， 冷卻塔最佳節(jié)能效益值為5 月份至11 月份共計(jì)180 d 計(jì)算。 2# 制氧每天運(yùn)行電耗46 萬(wàn)kW·h，因此能耗下降比例為1.55%， 年直接節(jié)約電耗128萬(wàn)kW·h。

冷卻塔投用后， 在12 月至次年2 月份期間原配套冷水機(jī)組可停止運(yùn)行一個(gè)缸頭， 冷水機(jī)組降低電耗330 kW·h／h， 年降低冷水機(jī)組能耗71.2 kW·h；分子篩加溫活化時(shí)間可減少20 min， 電爐功率為648 kW·h， 年減少能耗11.7 萬(wàn)kW·h。

水循環(huán)水泵供水壓力由0.37 MPa 降低至約0.28 MPa（10 kV 高壓電機(jī)拖動(dòng)）， 經(jīng)統(tǒng)計(jì)每降低0.01 MPa 水壓， 水循環(huán)水泵電流降低0.6 A。 全年依據(jù)8 400 h 運(yùn)行， 則年降低電耗70.7 萬(wàn)kW·h。

（3） 冷卻塔節(jié)水。 采用新型高效冷卻塔后， 飄水率明顯下降， 冷卻塔日常補(bǔ)水量由原來(lái)的1 000 m3下降為900 m3， 則全年節(jié)約水耗36 萬(wàn)m3。

（4） 系統(tǒng)安全性。 系統(tǒng)水壓下降后， 壓縮機(jī)長(zhǎng)期運(yùn)行中油冷卻器的油、 水介質(zhì)泄漏風(fēng)險(xiǎn)大幅下降， 大型壓縮機(jī)設(shè)備運(yùn)行安全可靠性得到充分保障， 提升系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性。

4 結(jié)語(yǔ)

該制氧系統(tǒng)配套冷卻塔采用高效逆流機(jī)械通風(fēng)冷卻塔技術(shù)， 冷卻塔供水溫度降幅為4.5 ～6.0 ℃，在解決原有空分設(shè)備度夏難題的同時(shí)， 實(shí)現(xiàn)了設(shè)備的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。 經(jīng)系統(tǒng)測(cè)算， 改造后年節(jié)能效益約800 萬(wàn)元以上， 節(jié)能效益巨大。 因此， 對(duì)原有冷卻塔進(jìn)行提效改造意義重大。 同時(shí)， 結(jié)合自身設(shè)備及裝置特點(diǎn)， 在實(shí)踐中不斷修正各項(xiàng)參數(shù)（尤其是環(huán)境影響參數(shù)）， 優(yōu)化技術(shù)指標(biāo)， 實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化系統(tǒng)運(yùn)行目標(biāo)和節(jié)能效果。