冷凍水管線小溫差下冷水機組的選型探討

孫磊磊

(杭州杭氧股份有限公司，浙江杭州 310014)

節能、環保是我國工業發展的重要要求，我們進行產品設計時，在保證設備正常運行的情況下，要盡可能的減少不必要的浪費，特別是設備長期運行的能耗問題。要實現節能目標的突破還必須從細節上把握。

空分行業中，由于用戶氮氣產品需求量大，或者剩余污氮氣量較少，通入水冷卻塔的氮氣量較少，導致無法將循環水冷卻至滿足空冷塔進水需求的溫度，這時需要配置冷水機組來進一步降低冷凍水的溫度。空氣預冷系統中大都使用螺桿式冷水機組，但一般情況下，螺桿式冷水機組所能處理的溫差是有限的，常規的螺桿式冷水機組一般冷凍水進出口溫差在5℃左右，如果溫差過大或者過小都會引起機組效率的降低，甚至導致機組無法正常運行。通常解決這種非標溫差的辦法是改變水量或者設置冷凍水回路來達到工藝的要求。但是如果流程型式選用不當就可能增加能耗，導致不必要的浪費。

1 空分裝置冷水機組小溫差流程設置

空氣預冷系統中，受氮氣量和水冷塔處理能力的制約，常出現冷凍水小溫差的情況(即冷凍水從水冷塔排水到空冷塔入口所需溫差較小的情況)。一般來說，對于常規螺桿式冷水機組，其溫差若小于3℃將無法正常啟動。為了滿足工藝需求通常可設置以下兩種流程型式:

1.常規流程:冷凍水由水冷塔底部排出，經冷凍水泵增壓，再通過冷水機組進一步降溫后達到要求，通入空冷塔上段。此流程型式從水冷塔到空冷塔的冷凍水管路只設置一條管線(見圖1)。

2.旁通分流流程:冷凍水由水冷塔底部排出，經冷凍水泵增壓后，分兩股，一股通過冷水機組進一步降溫，另一股走分流管線，兩者最終在冷水機組出口處混合，最終通入空冷塔上段。此流程型式從水冷塔到空 冷塔的冷凍水管路需另設置一條分流管線(見圖2)。

圖1 常規流程Fig.1 The conventional flowchart

圖2 旁通分流流程Fig.2 The by-pass flowchart

2 兩種流程型式選型示例

某空分項目，在設計工況下，因氮氣量不足，水冷卻塔排水溫度只能達到t水=12℃，空氣冷卻塔需求水溫t空=10℃，需降低冷凍水溫差:

空氣冷卻塔所需冷凍水量為m=100 t/h。實際所需冷水機組制冷量為:

以下是兩種流程型式的選型計算:

1.常規流程設計方案(圖1):

因該項目冷凍水溫差只要2℃，但考慮標準冷水機組溫差Δt1=5℃左右，為保證冷水機組的正常運行，需增大冷水機組制冷量，見圖3。

圖3 常規流程參數Fig.3 The conventional flow chart parameters

2.旁通分流流程設計方案(圖2):

設置分流管線，經冷水機組管路的水流量設為m1=40 t/h，旁通管線水流量為m2=60 t/h，選用標準5℃溫差冷水機組，即:

其中冷水機組管路降溫后水溫為t1=7℃，分流管路水溫仍為t2=12℃，選用冷水機組制冷量為:

兩股管線的冷凍水混合后溫度為:

滿足空冷塔所需的水溫要求，見圖4。

圖4 旁通分流流程參數Fig.4 The by-pass flowchart parameters

3.兩套流程參數對比(表1)

表1 流程參數對比Table 1 The parameter comparison between two flowcharts

由表1可看出，以本套項目為例，在流程配置上(見圖1和圖2)，旁通分流流程相對復雜，須多設置一個流量計和一條分流管線，配套投資成本略有增加，但常規流程因機組選型較大，機組自身成本卻增加了1.5倍;常規流程相對于旁通分流流程有30%的余量，但是卻多出后者120%的能耗，極大的增加了機組的運行成本。

3 兩種流程型式特點

常規流程型式(圖1)的特點:既要保證通過冷水機組的水量不變，又要保證冷水機組正常運行所需的溫差，因所需溫差較小，必然導致實際所需制冷量偏大，實際出口水溫要低于所需水溫。該流程的優點是:可進一步降低空冷塔出口空氣溫度，保留一定的余量。缺點是:機組選型要偏大，輸入功率也更大，能耗高。

旁通分流流程型式(圖2)的特點:需求多少冷量就選取多大制冷量的冷水機組，因受溫差限制該冷水機組處理不掉的水量可走分流管線，最終兩條線路在冷水機組出口處混合后達到工藝所需水溫的要求。該流程的優點是:機組選型合理，機組制冷量和輸入功率均為工藝需求量，無較大成本和能耗的浪費。缺點是:流程設計稍復雜，配套設備略有增加。

殊途同歸，兩種流程型式(圖1和圖2)均為了實現共同的目標，即:1.滿足空分所需冷凍水溫度的要求;2.選取合適的冷凍水溫差，保證冷水機組的正常運行;3.滿足空分正常所需的冷凍水量的要求。

兩套設計流程的特點總結如表2。

表2 流程特點對比Table 2 The feature comparison between two flowchart

4 小結

對于空氣預冷系統冷凍水小溫差的選型，由表2發現，常規流程為了保證冷水機組的正常運行，刻意增大了冷水機組的制冷量，產生一定的冷量浪費，并增大了機組的投資和運行成本，但其余量更足，應對不穩定工況的能力強;旁通分流流程因選用工藝所需的制冷量機組，分流了一部分冷凍水，一方面保證了機組的正常運行，另一方面大大降低了機組的運行成本，安全節能。

但是，既然冷凍水的溫度已經滿足工藝需求，就無需繼續降低溫度，儲備過多的余量，運行能耗才是我們關注的重點。從表2流程特點對比來看，旁通分流流程不僅節省了一定投資成本，更是大大減少了運行成本。所以，在水冷塔氮氣量供應穩定且運行工況正常的情況下，遇到冷凍水小溫差機組選型的情況，更推薦選用旁通分流流程型式。

［1］毛紹融，朱朔元，周智勇.現代空分設備技術與操作原理［M］.杭州:杭州出版社，2005.