淺議空分氣體公司循環冷卻水系統

左春梅，徐 慶，郭 媛，顧燕新

(杭州杭氧股份有限公司設計院，浙江杭州中山北路592號弘元大廈 310014)

0 引言

循環冷卻水系統是空分氣體公司處理工藝裝置廢熱負荷不可或缺的重要公用工程系統，能耗占總能耗的2% ～3%，雖然能耗占總能耗比例不大但絕對值不小，如一套4萬內壓縮空分設備能耗28 000 kW，配套循環冷卻水功率為780 kW(包括空冷系統大小水泵能耗)，如降低循環冷卻水能耗10%，對應功率為78 kW，一年降低65.5×104kW·h電耗。

1 循環冷卻水系統簡述

空分氣體公司循環冷卻水系統常規都采用敞開式系統，當前例外的只有LNG冷能空分氣體公司采用閉式系統結構，閉式系統在本文中不進行討論。敞開式循環冷卻水系統中大氣和循環水接觸，大氣中的灰塵等雜質會進入循環水，部分循環水被大氣吸濕蒸發造成消耗，但冷卻效果好，適合需要大量循環冷卻水的場合。

空分氣體公司敞開式循環冷卻水系統的特點:循環冷卻水供應區域相對集中、循環水耗穩定連續(空分經常變負荷遠離滿負荷操作是一個項目缺陷，循環水耗量變化另外會隨季節溫度適當變化)、冷卻器數量相對少。一家擁有2套4萬空分的氣體公司，循環冷卻水的供水總管長度為～260 m，回水總管長度～230 m，冷卻器都布置在一個長120 m寬33 m的矩形區域內，循環冷卻水耗量基本控制在8500 m3/h左右，冷卻器的數量～60個，這些冷卻器分布在原料空壓機系統、空冷系統、氧壓機和氮壓機系統、膨脹機系統。循環冷卻水系統供水總管公稱直徑為DN1200，回水總管分為兩段，一段公稱直徑為DN1000一段為DN1200。該氣體公司循環冷卻水系統流程簡圖見圖1。

圖1 空分氣體公司循環冷卻水系統流程簡圖Fig.1 The flow process chart of circulating cooling water system in air separation gas company

2 循環冷卻水系統部分設計參數說明

循環冷卻水供水溫度和回水溫度的確定:根據公司所在地連續不少于5 a的每年最熱時期三個月(一般為6、7、8三個月)的日平均氣溫、空氣的相對濕度、采用涼水塔的形式、冷卻器對循環冷卻水的溫度要求等一系列參數確定。空分設備在江南一般供水32℃回水40℃，在西北一般供水30℃回水40℃。

循環冷卻水供水回水壓力的確定:回水壓力根據涼水塔中布水器相對回水總管標高、布水器阻力損失、回水總管最遠端到布水器進口管的循環水阻力損失來確定。供水壓力根據回水壓力、冷卻器阻力、冷卻器出口到回水總管阻力和供水總管到冷卻器進口阻力來確定。

循環冷卻水總量的確定:根據所有冷卻器所需要循環冷卻水量統計。

3 冷卻器特點

空分設備冷卻器按照是否同冷卻介質接觸可分為兩類，一類為直接接觸式冷卻器，另一類為間壁式冷卻器。直接接觸式冷卻器是循環冷卻水直接同被冷卻介質接觸，空冷系統中的空冷塔和水冷塔是這類型。空冷塔為壓力塔，塔中壓力一般在0.45 MPa以上，中部進水管口離設備底部有～11 m，所以利用循環冷卻水自身壓力不能夠直接進空冷塔中部，而是需要再設置增壓泵，也就是空冷系統的大水泵。水冷塔為常壓塔，雙段填料進水口高度離設備底部20 m左右，單段填料為14 m左右，循環冷卻水供水壓力要克服進水高度差產生的靜液柱壓力和供水總管到進水口的流動阻力才可直接進入水冷塔，一般供水總管到進水口的阻力在0.1 MPa以下，如供水壓力特別低的情況下可把壓降控制在0.05 MPa左右以便循環水利用自身壓力直接進水冷塔。間壁式冷卻器是循環冷卻水不直接同被冷卻介質接觸，空分中除上述空冷塔和水冷塔外都屬于該類型，該類型冷卻器設計時更關注循環冷卻水供水壓力和回水壓力的差值，而冷卻器的設計壓力一般都遠大于循環冷卻水供水壓力。

空分設備冷卻器按照循環冷卻水的合理允許溫升可分為三類，第一類是采用循環冷卻水允許溫升的冷卻器，第二類是溫升希望小于循環冷卻水允許溫升的冷卻器，第三類是溫升希望大于循環冷卻水允許溫升的冷卻器。第一類是原料空壓機、氧氣壓縮機、氮氣壓縮機、膨脹機配套的冷卻器，第二類是空冷系統中配套冷水機組的冷凝器，第三類是空冷系統的空冷塔和水冷塔。冷水機組冷凝器希望的循環冷卻水溫升為5℃，而空冷系統的空冷塔用循環冷卻水溫升在12～15℃。冷水機組循環冷卻水溫升一般為5℃，主要是冷水機組市場上采購的一般是民用機組，不是真正為工業設計的工業機組，民用循環冷卻水的溫升一般只有5～6℃，所以相應的冷凝器冷卻水溫升都按5℃設計。空冷塔中循環冷卻水同冷卻介質直接接觸換熱效果好，另外空冷塔下段供水需要使用大水泵增壓額外耗功，所以冷卻水的合理溫升會高很多。

4 循環冷卻水系統設計的注意點

循環冷卻水供水總管上不同取水點的供水壓力差，回水總管上不同回水點的壓力差。根據圖1所示的循環冷卻水系統，有取水點的供水總管管道長120 m，沒有一個彎頭，管道公稱直徑DN1200內徑1200 mm，最大流量8 500 m3/h，管道最大流速2.09 m/s，如簡單按照8 500 m3/h流量流過長度為120 m內徑1 200 mm直管阻力計算，摩擦系數根據相對粗糙度和雷諾數查得為0.026，阻力0.0057 MPa。回水總管按管道公稱直徑DN1000內徑1000 mm，流量7500 m3/h的直管120 m計算，阻力0.011 MPa。從上面兩個阻力值可看出不同供水點和不同回水點的壓力差值都很小，這是循環冷卻水供應區域相對集中的特點，管道彎頭少、長度短、阻力小。

冷卻器設計參數提出須控制阻力值。常規項目工程人員提出給冷卻器廠家設計參數只有循環冷卻水供水壓力和回水壓力而沒有冷卻器阻力值，冷卻器廠家不知道供水總管和回水總管到冷卻器的管道布置和阻力值，就認為冷卻器阻力值適當小于供水壓力和回水壓力差值就可。表1為圖1所示循環冷卻水系統的部分冷卻器的流量和阻力統計。

表1 部分冷卻器流量和阻力統計Table 1 Flow and resistance statistical for part of cooler

在表1的統計中，阻力最大的冷卻器是35000低壓氧透二級冷卻器118 kPa，其次是該機組的一級冷卻器90 kPa，其余冷卻器阻力都小于84 kPa。提給冷卻器廠家的循環水參數是供水壓力0.35 MPa(G)回水壓力 0.15 MPa(G)，允許壓差為 0.2 MPa，冷卻器阻力符合提出參數要求。如圖1所示冷卻器集中布置，供水總管和回水總管到各個冷卻器的距離相差不多，假設供水總管到各個冷卻器阻力值基本相等，回水阻力也基本相等，這樣為滿足個別阻力大的冷卻器循環冷卻水要求，需提高循環冷卻水供水壓力，增加供水和回水的壓差。如上述第二換熱器阻力從118 kPa降低到90 kPa，則提供8500 m3/h流量的循環冷卻水泵揚程可降低2.7 m，對應泵能耗～71 kW，所以控制冷卻器的阻力會有不小的節能空間。如遇上冷卻器阻力很難調整的情況，則調整該冷卻器對應進出口管尺寸，降低進出冷卻器管道的阻力。

循環冷卻水供水和回水溫差控制。空冷系統中空冷塔的用水溫差由空冷系統定，空冷系統設計人員從節能和降低設備投資的角度盡量提高空冷塔回水溫度，增大用水溫差，減小空冷塔下段水耗。空冷系統冷水機組用水溫差按5℃取。空分項目工程師要統計所有冷卻器的回水溫度，回水溫度是控制整個循環水系統回水的溫度，而不是每個冷卻器排水溫度，只要匯總后溫度滿足要求就可，匯總后如循環水溫度過高可通過供水總管和回水總管跨接的管道直接排放部分循環冷卻水到回水管線上。

冷卻器出口必須設置溫度計。冷卻器一般不在進出管道上設置流量計直接反映流量，而是通過進出水溫度差反映流量，因為冷卻器對流量的控制精度不高，另外是流量計價格貴且增加管道阻力而溫度計價格便宜且不增加阻力。對冷卻器流量很小，管道尺寸也較小的情況，可不考慮安裝溫度計，因為流量很少就算流量控制誤差很大也不會影響循環冷卻水系統，管道尺寸小則安裝溫度計麻煩。

循環冷卻水系統配管人員要閱讀各個冷卻器的流量和阻力，優化配管，進而降低供水壓力，降低循環冷卻水泵揚程。如出現供水壓力有可能不夠供水到水冷塔，則要求水冷塔降低高度、或減小供水總管到水冷塔進水口的阻力損失，如還是壓力不夠，則要配置管道泵或從空冷系統大水泵后抽水去水冷塔，上述這種情況在空分氣體公司還沒有出現過，現在空分氣體公司的供水壓力足夠進水冷塔。

循環冷卻水泵和空冷系統大小水泵是否需要采用變頻調速或永磁調速。空分設備循環冷卻水系統的循環冷卻水特點是連續穩定就意味著變頻和調速的優勢不大，很多資料上數據顯示有節能優勢，這主要是因為原循環冷卻水系統設計精度不夠余量過大，裝調速主要是節省了余量這塊能耗，如設計精度提高，余量縮小，是否有節能優勢就不一定。循環冷卻水系統節能當前首先應該進行的工作是提高設計精度減少設計余量、優化冷卻器阻力和優化管道配置。

5 循環冷卻水系統現場操作管理的注意點

管理分兩個方面:一方面是各冷卻器的管理，另一方面是水質管理。各冷卻器的冷卻水溫差要有記錄，相應的循環冷卻水循環水溫差的考核和獎勵機制也需要制定。不進行調節冷卻器循環冷卻水量，任由循環冷卻水溫差小，將導致循環冷卻水系統能耗增大。水質管理，如循環冷卻水水質差，濁度和粘附速率超標，將導致換熱器污垢熱阻增加，換熱效果變差，不能滿足工藝介質的冷卻負荷，進而只有加大循環冷卻水量，使循環水溫差也就無法提高，能耗增加。

現場冷卻器循環水量的調整。首先調整對循環水總量影響比較大的冷卻器，再調對循環水總量影響比較小的冷卻器，調整一般需要2～3個循環，因為在調整一個對循環水總量影響比較大的冷卻器時，會引起供水壓力和回水壓力變化，從而影響其它冷卻器流量。調整完畢后在相應調節閥門上做好開度記號或圈數記號，以便關閉閥門后下次打開可快速調整到需要位置。設計時有部分循環冷卻水供水直接跨接到回水管線上(循環冷卻水系統一般都設有這樣一根管線)，開車時把這部分跨接的循環水通入能加大循環水量的間壁式冷卻器，提高冷卻效果，降低能耗。

6 對已經設計完成的循環冷卻水系統的建議

如發現循環冷卻水泵和空冷系統大小水泵揚程過高，可首先采用切割葉輪的方式，氣體公司可把揚程要求提給泵廠家，要求泵廠家對備件或備泵葉輪進行直徑切割，從而降低泵揚程節省能耗，該方法投資少，效果明顯，不帶入任何附加裝置。如多臺泵并聯，循環冷卻水耗量冬天、夏天變化大，則可考慮同一類型的泵配用不同葉輪直徑，夏天可開葉輪大的泵，冬天開葉輪小的泵，夏天緊急情況下開小直徑葉輪泵也可臨時備用，泵葉輪直徑也可隨季節更換。

7 結束語

綜上所述，空分氣體公司循環冷卻水系統還有很多工作可作，廣大設計人員、管理人員和操作人員需共同努力節省投資降低能耗。