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。
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 ℃。
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
2.1.1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
2.2.1 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
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。
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。
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。
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。
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。
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。