王曉敏

（華陸工程科技有限責(zé)任公司， 西安 710065）

我國(guó)煤化工企業(yè)多數(shù)集中在富煤缺水、 環(huán)境容量小的西北地區(qū)， 這類地區(qū)的企業(yè)節(jié)水及降污減排尤為重要。 循環(huán)冷卻水是化工企業(yè)的耗水及排水大戶， 閉式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)相較于傳統(tǒng)的開式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)可有效節(jié)水及減排， 因此受到越來(lái)越多的關(guān)注。 本文結(jié)合實(shí)際工程案例， 對(duì)閉式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路及設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行總結(jié)和分析， 可供類似工程參考。

1 工程概況

某煤化工企業(yè)的循環(huán)冷卻水系統(tǒng)主要為化工工藝裝置及輔助工程裝置的換熱器提供循環(huán)冷卻水，采用閉式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)。 冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)模為12 000 m3／h， 供水溫度為38 ℃， 回水溫度為28 ℃。

2 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路

該項(xiàng)目的閉式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)由內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)和外循環(huán)系統(tǒng)組成。 內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)工藝流程為： 工藝裝置及公輔裝置換熱器→空冷塔→水冷塔→內(nèi)循環(huán)水泵→工藝裝置及公輔裝置換熱器， 系統(tǒng)設(shè)置定壓補(bǔ)水裝置。 外循環(huán)系統(tǒng)工藝流程為： 水冷塔→外噴淋水池→吸水池→外噴淋循環(huán)水泵→水冷塔，系統(tǒng)設(shè)置旁濾過(guò)濾器及加藥裝置。 具體劃分如圖1所示。

圖1 閉式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)組成Fig. 1 Closed circulating cooling water system composition

2.1 內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)

2.1.1冷卻塔

閉式冷卻塔是整個(gè)循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的核心設(shè)備， 常用的冷卻方式有翅片管空冷和盤管濕式冷卻2 種。 翅片管空冷方式是以環(huán)境空氣作為冷卻介質(zhì)， 空氣橫掠過(guò)翅片管， 使管內(nèi)高溫流體得到冷卻； 盤管濕式冷卻方式是以水作為冷卻介質(zhì)， 水流過(guò)盤管外壁蒸發(fā)后， 使管內(nèi)高溫流體得到冷卻。 常用的閉式冷卻塔有復(fù)合式［1］和分體式2 種， 復(fù)合式是將2 種冷卻方式集中于一個(gè)塔體內(nèi)， 分體式是將2 種冷卻方式設(shè)置在各自獨(dú)立的塔體內(nèi)。

考慮到該項(xiàng)目地處北方， 空氣中灰塵較多， 如選用復(fù)合式冷卻塔， 長(zhǎng)期運(yùn)行后翅片管外側(cè)易沉積粘泥， 出現(xiàn)結(jié)垢， 不但影響冷卻塔的換熱效果， 而且翅片管清理困難且費(fèi)用較高， 因此， 該項(xiàng)目選擇了分體式冷卻塔。 空冷塔采用帶翅片的冷卻管， 水冷塔采用全光管。 該項(xiàng)目采用16 臺(tái)空冷塔， 單臺(tái)規(guī)模為750 m3／h； 19 臺(tái)水冷塔， 單臺(tái)規(guī)模為632 m3／h。

2.1.2 循環(huán)水泵

內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)是封閉帶壓的循環(huán)系統(tǒng)， 冷卻塔出口不泄壓， 因此， 水泵揚(yáng)程應(yīng)盡可能與實(shí)際系統(tǒng)損失匹配。 如水泵揚(yáng)程偏高可能會(huì)導(dǎo)致內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定性變差、 水泵電機(jī)過(guò)載等現(xiàn)象發(fā)生， 揚(yáng)程偏低可能會(huì)導(dǎo)致循環(huán)冷卻水不能輸送至裝置換熱器。 水泵揚(yáng)程計(jì)算時(shí)， 應(yīng)充分了解整個(gè)內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)里的管路損失、 每臺(tái)設(shè)備的損失及高程， 選擇合理的控制點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算， 避免留有過(guò)多的富余量或揚(yáng)程不滿足使用要求。 該項(xiàng)目采用3 臺(tái)單級(jí)雙吸離心泵， 單泵流量為6 500 m3／h， H=27 m。

2.1.3 定壓補(bǔ)水裝置

定壓補(bǔ)水裝置有3 個(gè)作用： 一是收納或補(bǔ)償內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)因水體熱脹冷縮而產(chǎn)生的體積變化量；二是補(bǔ)償內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)因排污、 泄漏等原因損失的水量［2-3］； 三是穩(wěn)定上述兩點(diǎn)引發(fā)的系統(tǒng)壓力波動(dòng)。該項(xiàng)目最高1 臺(tái)換熱器位于精餾框架的28 m 平臺(tái)處， 從減少投資、 檢維修方便、 系統(tǒng)控制簡(jiǎn)單等幾個(gè)方面出發(fā)， 選用了地面壓力式定壓罐， 其總?cè)莘e為25 m3， 水容積為20 m3， 氣體容積為5 m3。

2.1.4 加藥裝置

內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)充填的脫鹽水具有一定的腐蝕性， 且內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行也會(huì)滋生微生物， 因此需定期投加緩蝕劑和非氧化型殺生劑。 由于藥劑投加間隔時(shí)間長(zhǎng)， 且藥劑的單次投加量很少， 因此設(shè)計(jì)時(shí)可不設(shè)固定式藥劑投加裝置。

2.1.5 系統(tǒng)設(shè)計(jì)水質(zhì)

內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)設(shè)計(jì)水質(zhì)如表1 所示。

表1 內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)設(shè)計(jì)水質(zhì)Tab. 1 Design water quality of internal circulation system

2.1.6 系統(tǒng)運(yùn)行壓力

內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)供水壓力不小于0.47 MPa（G）， 系統(tǒng)回水壓力不小于0.2 MPa（G）。

2.1.7 系統(tǒng)補(bǔ)水水質(zhì)內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)補(bǔ)充的脫鹽水水質(zhì)如表2 所示。

表2 脫鹽水水質(zhì)Tab. 2 Quality of desalinated water

2.2 外循環(huán)系統(tǒng)

2.2.1 設(shè)備選型

外循環(huán)系統(tǒng)設(shè)置3 臺(tái)外噴淋循環(huán)水泵， 2 用1備， 單臺(tái)流量為9 000 m3／h， 揚(yáng)程為21 m； 設(shè)置旁濾處理裝置去除SS， 其處理流量為600 m3／h； 系統(tǒng)還設(shè)置有阻垢緩蝕劑及殺生劑的投加裝置各1 套。

2.2.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)水質(zhì)

外循環(huán)系統(tǒng)設(shè)計(jì)水質(zhì)如表3 所示。

表3 外循環(huán)系統(tǒng)設(shè)計(jì)水質(zhì)Tab. 3 Design water quality of external circulation system

2.2.3 系統(tǒng)運(yùn)行壓力

外循環(huán)系統(tǒng)供水壓力不小于0.2 MPa（G）， 回水壓力不小于0.12 MPa（G）。

2.2.4 系統(tǒng)補(bǔ)水水質(zhì)外循環(huán)系統(tǒng)補(bǔ)水水質(zhì)如表4 所示。

表4 系統(tǒng)補(bǔ)水水質(zhì)Tab. 4 Make-up water quality of external circulation system

3 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

該項(xiàng)目循環(huán)水站服務(wù)于多個(gè)化工裝置， 內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)供回水管路長(zhǎng)且復(fù)雜， 冷卻塔更是多達(dá)35 臺(tái)，如何讓內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)運(yùn)行壓力穩(wěn)定、 各冷卻塔熱負(fù)荷均衡是設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。 另外， 項(xiàng)目處于北方寒冷地區(qū)， 冬季循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的管網(wǎng)常有凍結(jié)現(xiàn)象， 因此， 如何做好防凍措施也是本項(xiàng)目的難點(diǎn)之一。

3.1 定壓補(bǔ)水裝置的選擇

定壓補(bǔ)水裝置一般分為3 種方式： 高位定壓罐（箱）、 地面壓力式定壓罐、 地面常壓式定壓罐［4］。

3.1.1 3 種方式的對(duì)比

（1） 高位定壓罐（箱）。 與大氣連通， 屬于常壓罐。 當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)水溫升高， 水的體積隨之膨脹， 為了穩(wěn)定系統(tǒng)壓力， 膨脹的水需進(jìn)入高位定壓罐； 當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)水溫降低或漏損， 致使水的體積減少， 高位定壓罐內(nèi)的水自動(dòng)補(bǔ)入系統(tǒng)， 穩(wěn)定系統(tǒng)壓力。

該系統(tǒng)的設(shè)備組成相較于其他2 種最少。 首先， 系統(tǒng)無(wú)需自動(dòng)控制系統(tǒng)即可調(diào)節(jié)內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)壓力。 其次， 裝置換熱器多數(shù)安裝在20 ～30 m 高處，該形式的水罐安裝高度是3 種方式里最高的， 導(dǎo)致其設(shè)備的安裝和施工費(fèi)用最高， 檢維修最困難。 再者， 罐子安裝高度決定系統(tǒng)運(yùn)行壓力， 高度一旦確定就不能再調(diào)整， 系統(tǒng)運(yùn)行壓力可調(diào)性相較于其他2 種最差。 最后， 內(nèi)循環(huán)水與大氣接觸， 水質(zhì)相對(duì)較差。

（2） 地面壓力式定壓罐。 與大氣不相通， 屬于封閉壓力式儲(chǔ)罐。 當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)水溫升高， 開啟罐體上氮?dú)馀艢庹{(diào)節(jié)閥排出罐內(nèi)氮?dú)猓?讓膨脹的水進(jìn)入罐內(nèi)， 穩(wěn)定系統(tǒng)壓力； 當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)水溫降低或漏損， 開啟罐體上氮?dú)膺M(jìn)氣調(diào)節(jié)閥， 向罐內(nèi)補(bǔ)充氮?dú)獠⒐迌?nèi)的等體積的水壓入系統(tǒng)內(nèi)， 穩(wěn)定系統(tǒng)壓力。

該系統(tǒng)的設(shè)備組成是3 種方式中較少者。 首先，與第1 種相比增加了調(diào)節(jié)閥自動(dòng)控制系統(tǒng)， 但與第3 種相比控制系統(tǒng)卻少了水泵自動(dòng)控制系統(tǒng)， 因此控制系統(tǒng)相對(duì)較為簡(jiǎn)單。 其次， 設(shè)備安裝于地面，比第1 種方式降低了安裝和施工費(fèi)用， 檢維修更容易。 再者， 這種方式的系統(tǒng)運(yùn)行壓力可以根據(jù)開車后的實(shí)際運(yùn)行壓力， 通過(guò)調(diào)整氮?dú)庋a(bǔ)氣及排氣調(diào)節(jié)閥的開關(guān)設(shè)定值重新調(diào)整系統(tǒng)壓力， 系統(tǒng)壓力可調(diào)性好。 最后， 內(nèi)循環(huán)水不與大氣接觸， 水質(zhì)較好。

（3） 地面常壓式定壓罐。 與大氣連通， 屬于常壓罐。 當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)水溫升高， 開啟罐體與系統(tǒng)連接的控制閥門， 膨脹的水進(jìn)入罐體， 穩(wěn)定系統(tǒng)壓力； 當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)水溫降低， 開啟水泵從水罐吸水補(bǔ)入系統(tǒng)，穩(wěn)定系統(tǒng)壓力； 系統(tǒng)漏損量也由水泵補(bǔ)入系統(tǒng)。

該系統(tǒng)的設(shè)備組成是3 種方式中最多的。 首先， 控制系統(tǒng)由調(diào)節(jié)閥和水泵自動(dòng)控制系統(tǒng)組成，是3 種里最復(fù)雜的。 其次， 設(shè)備安裝于地面與第2種一樣降低了安裝和施工費(fèi)用， 檢維修更容易。 再者， 水泵揚(yáng)程決定系統(tǒng)運(yùn)行壓力， 水泵揚(yáng)程一旦確定很難修改， 致使此種方式的系統(tǒng)壓力可調(diào)性較差。 最后， 內(nèi)循環(huán)水與大氣接觸， 水質(zhì)相對(duì)較差。

3.1.2 項(xiàng)目實(shí)施方案

該項(xiàng)目選用了第2 種地面壓力式定壓罐， 定壓罐上設(shè)有補(bǔ)水調(diào)節(jié)閥、 進(jìn)氣調(diào)節(jié)閥、 排氣調(diào)節(jié)閥、安全閥。 通過(guò)內(nèi)循環(huán)管網(wǎng)壓力控制調(diào)節(jié)閥的開度，以達(dá)到調(diào)節(jié)和穩(wěn)定內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)壓力的目的。 調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)量可依據(jù)以下幾點(diǎn)確定： ①當(dāng)系統(tǒng)壓力降低時(shí)， 連鎖開啟進(jìn)氣調(diào)節(jié)閥， 向罐內(nèi)充氣提高罐內(nèi)壓力， 將罐內(nèi)水緩緩壓入內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)迫使系統(tǒng)升壓至正常運(yùn)行壓力； ②當(dāng)系統(tǒng)壓力升高時(shí)， 連鎖開啟排氣調(diào)節(jié)閥， 將罐內(nèi)的氣體排至大氣降低罐內(nèi)壓力，使系統(tǒng)內(nèi)水壓入罐體內(nèi)， 迫使內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)降壓至正常的運(yùn)行壓力； ③當(dāng)罐內(nèi)水位處于低位時(shí)， 連鎖打開補(bǔ)水調(diào)節(jié)閥向罐體補(bǔ)水， 為避免引起系統(tǒng)壓力升高， 應(yīng)同時(shí)連鎖打開排氣閥向大氣排出等體積的氣體， 使系統(tǒng)壓力一直維持正常的運(yùn)行壓力； ④定壓罐是壓力式儲(chǔ)罐， 出于安全考慮應(yīng)設(shè)置安全閥， 安全閥泄放量應(yīng)按照罐體正常運(yùn)行工況或火災(zāi)工況時(shí)的最大排放量確定。 因此設(shè)計(jì)時(shí)， 從上述幾點(diǎn)出發(fā)選擇合理的調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)范圍和安全閥泄放量， 讓定壓補(bǔ)水裝置調(diào)節(jié)靈敏， 降低系統(tǒng)壓力波動(dòng)， 確保內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間在穩(wěn)定壓力下運(yùn)行。

3.2 系統(tǒng)排氣措施

內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)閉路且不泄壓， 一旦系統(tǒng)內(nèi)積氣會(huì)產(chǎn)生不利影響： ①積氣容易造成循環(huán)冷卻水系統(tǒng)形成“氣堵”， 會(huì)使系統(tǒng)局部循環(huán)不暢， 導(dǎo)致工藝換熱器換熱效果不好。 ②氣泡有時(shí)會(huì)隨著系統(tǒng)的內(nèi)水流一起循環(huán)， 在管道中產(chǎn)生噪音、 造成水泵氣蝕或流量減小。 ③氣泡如含有氧氣或其他腐蝕性氣體， 長(zhǎng)期留存在循環(huán)冷卻水系統(tǒng)中， 會(huì)對(duì)管道及設(shè)備造成腐蝕破壞。 ④若氣泡進(jìn)入工藝裝置換熱器或冷卻塔， 會(huì)降低設(shè)備的換熱效果。 ⑤氣泡經(jīng)過(guò)壓力傳感器處， 會(huì)造成系統(tǒng)壓力跳躍變化， 若原系統(tǒng)剛好處于臨界點(diǎn)， 有可能造成系統(tǒng)反復(fù)泄壓及補(bǔ)壓， 從而影響了整個(gè)系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性。 因此， 設(shè)計(jì)時(shí)在管路及設(shè)備的高點(diǎn)應(yīng)設(shè)置自動(dòng)或手動(dòng)排氣閥［5］，排除系統(tǒng)初次充水或運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的氣體； 此外， 定壓罐內(nèi)應(yīng)選用不溶于水的氣體（如氮?dú)猓┳鳛閴毫φ{(diào)節(jié)的中間媒體， 當(dāng)氣體中含有能溶于水的組分時(shí)， 在系統(tǒng)調(diào)壓過(guò)程中會(huì)使這部分氣體溶入系統(tǒng)內(nèi)形成積氣。

3.3 多塔熱負(fù)荷均衡措施

多臺(tái)冷卻塔的管路設(shè)計(jì)有同程布置和異程布置2 種方案。 從穩(wěn)定性上而言， 同程布置系統(tǒng)支路的穩(wěn)定性具有對(duì)稱性， 即系統(tǒng)中間的支路水力穩(wěn)定性最差， 越往兩端的支路穩(wěn)定性越好； 而異程布置系統(tǒng)支路的穩(wěn)定性具有階梯性， 即從距離工藝裝置換熱器從近到遠(yuǎn)的支路順序， 穩(wěn)定性依次變差。 從經(jīng)濟(jì)性上而言， 同程布置中由于回水母管管長(zhǎng)增加，管路阻力增加， 管材費(fèi)用相應(yīng)增加； 異程布置相對(duì)管理簡(jiǎn)單， 管材費(fèi)用節(jié)省， 但是異程布置系統(tǒng)的循環(huán)效果差， 環(huán)路阻力不平衡， 易出現(xiàn)支路短路現(xiàn)象， 影響整個(gè)系統(tǒng)的熱負(fù)荷率。 因此， 為使各臺(tái)冷卻塔的熱負(fù)荷及循環(huán)量均勻， 不出現(xiàn)水流短路現(xiàn)象， 管路設(shè)計(jì)宜采用同程布置方案。

3.4 冷卻塔冬季防凍措施

常見(jiàn)的水系統(tǒng)冬季防凍措施有蒸汽伴熱、 電伴熱等， 但最可靠的方法還是讓水流動(dòng)起來(lái)或者放空。

在循環(huán)冷卻水管網(wǎng)及設(shè)備低點(diǎn)設(shè)置放空閥門，以便在因特殊原因緊急停車時(shí)， 將系統(tǒng)內(nèi)冰凍線以上管道及設(shè)備內(nèi)的水盡快放空。

正常運(yùn)行時(shí)， 冬季時(shí)循環(huán)冷卻水系統(tǒng)熱負(fù)荷會(huì)降低， 部分冷卻塔需要根據(jù)實(shí)際運(yùn)行情況停止使用。為防止停止工作冷卻塔的翅片管、 盤管結(jié)冰， 采取了以下措施： ①冷卻塔進(jìn)、 出水管道設(shè)置切斷閥及聯(lián)通閥， 可關(guān)閉停止工作冷卻塔的進(jìn)、 出水管上切斷閥門， 同時(shí)打開聯(lián)通閥將冷卻塔旁路掉。 ②在距離進(jìn)、 出水管道切斷閥最小距離處設(shè)置放空閥， 盡可能排出塔內(nèi)殘留水。 ③塔內(nèi)的翅片管及盤管管徑都很小， 放空不易， 因此在各臺(tái)冷卻塔處設(shè)置空氣吹掃管路， 停運(yùn)時(shí)使用空氣將管內(nèi)不能放空的水及時(shí)吹出。 ④空氣管與水管聯(lián)接處的閥門應(yīng)靠近水管側(cè)， 盡量縮短這部分管道的長(zhǎng)度， 盡可能減少因局部管道內(nèi)水流無(wú)法循環(huán)而結(jié)冰的情況。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著閉式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，在工程設(shè)計(jì)中應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)的所在地、 服務(wù)對(duì)象、 操作環(huán)境、 規(guī)模、 水質(zhì)等特點(diǎn)， 選擇合適的冷卻塔、循環(huán)水泵、 定壓補(bǔ)水裝置等； 并根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)備配置情況選擇合理的配管、 排氣及防凍方案。 本項(xiàng)目采用地面壓力式定壓罐作為核心設(shè)備為系統(tǒng)補(bǔ)水和穩(wěn)壓， 該設(shè)備使得系統(tǒng)水質(zhì)不受污染、 壓力調(diào)節(jié)靈活、 自動(dòng)控制方便、 系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠、 占地小、投資省、 少噪音、 不受安裝高度影響、 檢維修更方便等， 值得在閉式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)中推廣使用。