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        循環(huán)冷卻水池與循環(huán)水泵設(shè)計(jì)探討

        2022-08-30 06:32:02梅歡連廣宇李曉帆陶賢文袁國清郭琦
        工業(yè)用水與廢水 2022年4期
        關(guān)鍵詞:液位設(shè)計(jì)

        梅歡, 連廣宇, 李曉帆, 陶賢文, 袁國清, 郭琦

        (1.中國石油工程建設(shè)有限公司北京設(shè)計(jì)分公司, 北京 100085; 2.國家管網(wǎng)集團(tuán)工程技術(shù)創(chuàng)新有限公司,天津 300450; 3.中國石油國際勘探開發(fā)有限公司, 北京 100033)

        循環(huán)冷卻水池一般設(shè)置在其中1 套或幾套冷卻塔下[1-2], 水池長寬與冷卻塔外形尺寸密切相關(guān),水泵吸水池作為循環(huán)冷卻水池的一部分, 位于其一側(cè)。 循環(huán)冷卻水池容積由循環(huán)水量、 藥劑停留時(shí)間以及水泵吸水條件等綜合確定。 GB/T 50746—2012《石油化工循環(huán)水場設(shè)計(jì)規(guī)范》, GB/T 50050—2017《工業(yè)循環(huán)冷卻水處理設(shè)計(jì)規(guī)范》,GB/T 50102—2014《工業(yè)循環(huán)水冷卻設(shè)計(jì)規(guī)范》,GB/T 50392—2016《機(jī)械通風(fēng)冷卻塔工藝設(shè)計(jì)規(guī)范》等多個(gè)規(guī)范雖然均對循環(huán)冷卻水池的容積和深度有說明, 但不太一致。 本文以伊拉克某大型天然氣處理廠循環(huán)冷卻水系統(tǒng)為例, 結(jié)合國外相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范, 以及廠家的操作維護(hù)手冊, 詳細(xì)介紹了水池與水泵的一些設(shè)計(jì)要點(diǎn), 供相關(guān)項(xiàng)目設(shè)計(jì)參考。

        1 循環(huán)冷卻水系統(tǒng)

        該大型天然氣處理廠位于伊拉克哈法亞油田,循環(huán)冷卻水系統(tǒng)主要用來服務(wù)站場內(nèi)氣處理單元,總設(shè)計(jì)循環(huán)水量為7 000 m3/h, 系統(tǒng)濃縮倍數(shù)為5,在設(shè)計(jì)干濕球溫度和當(dāng)?shù)貧庀髼l件下, 補(bǔ)充水量為112.2 m3/h, 排污量為15.8 m3/h。 采用4 套1 750 m3/h 的噴霧推進(jìn)通風(fēng)冷卻塔(4 用), 水池位于其中1 套冷卻塔下, 其他冷卻塔冷卻水通過管道接入水池中。設(shè)置5 臺循環(huán)水泵(4 用1 備), 流量為1 750 m3/h,揚(yáng)程為65 m, 軸功率為360 kW。

        2 水池容積與液位

        根據(jù)GB/T 50746—2012 規(guī)定, 循環(huán)冷卻水系統(tǒng)容積宜控制在循環(huán)水小時(shí)流量的1/3 ~1/2, 水池有效水深1.0 ~1.5 m, 且應(yīng)小于藥劑允許停留時(shí)間, 同時(shí)水池容積在保證泵吸水安全的條件下應(yīng)盡量減少[3]。 在GB/T 50050—2017 中規(guī)定, 間冷開式系統(tǒng)水容積宜小于循環(huán)水小時(shí)流量的1/3[4]。 在GB/T 50102—2014 中規(guī)定, 根據(jù)國內(nèi)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn),循環(huán)水系統(tǒng)的水容積約為循環(huán)水小時(shí)流量的1/5 ~1/3, 水池深度可設(shè)置為2.0 m, 在此范圍內(nèi)保證系統(tǒng)的安全運(yùn)行[5]。 GB/T 50392—2016 規(guī)定水池有效水深宜為1.2 m ~2.3 m[6]。

        從工程造價(jià)、 操作便利性以及安全性來分析,水池宜整體地上設(shè)置, 水泵吸水池(與循環(huán)冷卻水池合建)宜局部半地下設(shè)置。 水池的長度與寬度由冷卻塔尺寸決定, 水池的設(shè)計(jì)關(guān)鍵在于液位的設(shè)計(jì), 液位設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于確定水池停泵液位(LL)。 水池停泵液位首先應(yīng)滿足水泵氣蝕余量要求。 所選用水泵的NPSHr(必須氣蝕余量), 由水泵廠家提供。 安全裕量考慮1.0 m, 根據(jù)水泵吸水管路布置確定水頭損失, 系統(tǒng)最高操作溫度下水的飽和蒸氣壓, 根據(jù)海拔高度確定當(dāng)?shù)卮髿鈮毫Α?根據(jù)以上信息核算LL, 計(jì)算公式如下[7]:

        LL=(NPSHr +1)+hv+hc+L1-ha(1)

        式中: LL 為低低液位(停泵), m; NPSHr 為必須氣蝕余量, m; hv為水的飽和蒸氣壓, m; hc為管路水損, m; L1為水泵進(jìn)水管中心高度, m;ha為當(dāng)?shù)卮髿鈮毫Γ?m。

        同時(shí), LL 停泵液位還需要考慮水泵吸水口處防旋渦高度, 最低運(yùn)行液位距離喇叭口邊緣距離S按下式計(jì)算[7], 然后確定停泵液位:

        式中: Fr 為弗勞德數(shù); D 為喇叭口外徑, m;v 為喇叭口流速, m/s; g 為重力加速度, 9.8 m/s2;S 為最低運(yùn)行液位距離喇叭口邊緣距離, m; L2為吸水喇叭口邊緣高度, m。

        溢流液位(H′)和高報(bào)警液位(H)以及低報(bào)警液位(L)和LL 液位之間考慮20 min 補(bǔ)水(見圖1),以便系統(tǒng)補(bǔ)水過多或補(bǔ)水不及時(shí)等故障發(fā)生時(shí), 操作維護(hù)人員有足夠時(shí)間去現(xiàn)場進(jìn)行故障處理。 H 液位和L 液位之間為有效水深, 考慮5 min 循環(huán)水量, 有效水深1.0 ~1.5 m 較為合適。 池壁超高按0.3 m 設(shè)置。 根據(jù)以上原則確定水池液位和水池總高度后, 再結(jié)合管網(wǎng)、 設(shè)備內(nèi)水容積和水池容積加總得到的系統(tǒng)總?cè)莘e為循環(huán)水小時(shí)流量的1/5 ~1/3 較為合適。

        圖1 水池液位示意Fig. 1 Liquid level of cooling water pond

        3 水泵

        循環(huán)水泵屬于大型水泵, 且供水安全要求高,需要采用自灌式充水, 水池內(nèi)啟泵液位需要滿足水泵外殼頂點(diǎn)的高度要求。 為了保證泵吸水口至水泵入口的流體對稱性, 偏心大小頭之前設(shè)置一段長度不小于5D(D 為泵入口管內(nèi)徑)的直管段[8], 如圖2所示。 根據(jù)水泵廠家(Flowserve)操作維護(hù)手冊介紹, 在試運(yùn)啟泵初期, 為了防止雜質(zhì)、 鐵銹和泥土等雜質(zhì)進(jìn)入水泵, 需要在泵吸入口5D 和10D 之間設(shè)置1 套臨時(shí)過濾器(錐形過濾器), 采用20 目過濾孔徑的過濾器, 當(dāng)水泵啟動(dòng)正常運(yùn)行后, 需要移除這套臨時(shí)過濾器。

        圖2 水泵吸入口直管段要求Fig. 2 Straight pipe length requirement before pump suction

        4 結(jié)語

        (1) 循環(huán)冷卻水池的液位設(shè)計(jì)和水池高度的關(guān)鍵在于確定水池LL 停泵液位, 水泵吸水側(cè)的LL停泵液位, 應(yīng)根據(jù)水泵吸水喇叭口防旋渦高度和所采用循環(huán)水泵的NPSHr 來綜合考慮。

        (2) 核算完水池的深度后, 結(jié)合水池的長度和寬度(根據(jù)冷卻塔長度和寬度確定)核算水池容積,在不超過所用藥劑允許停留時(shí)間的情況下, 盡量減少水池容積。 循環(huán)冷卻水池水容積宜等于循環(huán)水小時(shí)流量的1/5 ~1/3, 水池有效深度為1.0 ~1.5 m。

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