冷卻循環(huán)水裝置循環(huán)水泵布置及優(yōu)化研究

張明

中石化上海工程有限公司 （上海 200120）

我國石油化工行業(yè)發(fā)展迅速并且呈現(xiàn)出高自動化和規(guī)模化的特點，其中聯(lián)合裝置和公用工程集中供應(yīng)已趨于規(guī)范化。由于裝置規(guī)模化，其與循環(huán)水裝置之間的關(guān)系更加緊密。當(dāng)循環(huán)水泵出現(xiàn)故障或者晃電后，若能及時啟動備泵，就可大大降低下游生產(chǎn)裝置停車的可能性，并減少循環(huán)水量不穩(wěn)定帶來的生產(chǎn)安全隱患。循環(huán)水裝置的安全、平穩(wěn)運行直接影響到生產(chǎn)裝置的安全和經(jīng)濟(jì)效益。

1 循環(huán)水工藝流程

來自各裝置的循環(huán)冷卻回水經(jīng)管道收集后進(jìn)入循環(huán)水場，利用其余壓直接進(jìn)入冷卻塔。循環(huán)回水在塔內(nèi)經(jīng)過配水系統(tǒng)及淋水填料從上向下流動，空氣自下而上流動進(jìn)行蒸發(fā)散熱和傳質(zhì)散熱，使水得到冷卻。冷卻后的循環(huán)冷水由塔底水池收集后，自流進(jìn)入吸水池，然后由循環(huán)冷水泵提升加壓送至各裝置的冷換設(shè)備。工藝流程見圖1。

2 設(shè)備布置

根據(jù)年和夏季主導(dǎo)風(fēng)向確定單塔進(jìn)風(fēng)面，吸水池、循環(huán)供水泵均布置在循環(huán)水冷卻塔進(jìn)風(fēng)側(cè)。國內(nèi)外通常采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的冷卻塔及玻璃鋼風(fēng)筒，在塔底布置集水池，在靠近集水池處布置半地上的吸水池。循環(huán)水泵靠近吸水池布置，以縮短二者之間的距離。整個循環(huán)水裝置的平面布置嚴(yán)格遵循防火、防爆、安全、衛(wèi)生等現(xiàn)行規(guī)范、規(guī)定[1]。在流程順暢、方便管理、保證安全、便于檢修、充分利用現(xiàn)有用地的前提下，根據(jù)生產(chǎn)流程及各組成部分的生產(chǎn)特點和火災(zāi)危險性，結(jié)合周邊情況（現(xiàn)狀地形、地質(zhì)、風(fēng)向等條件），緊湊布局，盡量減少工程占地面積，縮短管線、電纜的長度，降低能耗。以廣東某項目循環(huán)水裝置設(shè)備為研究對象，其布置詳情見圖2。

圖1 循環(huán)水工藝流程

圖2 循環(huán)水裝置設(shè)備布置圖

3 設(shè)備布置與管道布置優(yōu)化研究

該循環(huán)水裝置冷卻塔選用鋼筋混凝土框架及圍護(hù)板結(jié)構(gòu)，有玻璃鋼風(fēng)筒逆流式機(jī)械通風(fēng)冷卻塔3間，單間冷卻塔處理水量Q=4500 m3/h。采用3臺（2用1備）Q=6 750 m3/h的臥式強(qiáng)自吸泵向系統(tǒng)供應(yīng)循環(huán)冷卻水。

3.1設(shè)備布置研究優(yōu)化

來自各裝置的循環(huán)冷卻回水經(jīng)管道收集后進(jìn)入循環(huán)水裝置，利用其余壓直接進(jìn)入冷卻塔。循環(huán)冷水泵本身配帶強(qiáng)自吸系統(tǒng)，啟泵階段需要通過自吸系統(tǒng)從吸水池吸水灌泵。相同循環(huán)水泵的條件下，通過降低循環(huán)冷水泵安裝標(biāo)高可以減少循環(huán)水泵的吸水量，從而縮短啟動時間。安裝標(biāo)高的降低能大幅提高泵的汽蝕余量，保證泵的平穩(wěn)運行。圖3是該項目循環(huán)冷水泵的立面布置圖，圖4以圖3為基礎(chǔ)，將循環(huán)冷水泵安裝標(biāo)高降低0.5 m。

圖3 立面布置圖

3.2 循環(huán)水管道布置研究

圖4 優(yōu)化后的立面布置圖

在降低循環(huán)水泵安裝標(biāo)高、其他條件不變的情況下，將循環(huán)管道布置從原吸水池頂部進(jìn)吸水池改為從吸水池側(cè)面進(jìn)出吸水池，通過控制系統(tǒng)保證吸水池中液位高度在循環(huán)水管道中心以下。循環(huán)水泵安裝標(biāo)高的降低及吸水池液面的提高，大大提高了循環(huán)水泵的汽蝕余量，縮短了自啟動時間。下文對循環(huán)水泵布置調(diào)整前后的汽蝕余量和啟動時間進(jìn)行分析與比較。

3.2.1 循環(huán)水泵汽蝕余量

調(diào)整前的設(shè)備位號為P-001，調(diào)整后的設(shè)備位號為P-002，具體設(shè)備布置和管道布置分別見圖3和圖4。根據(jù)《給水排水設(shè)計手冊》[2-3]，有效汽蝕余量的計算公式為：

其中：NPSHa—有效汽蝕余量，m；

Hg—水泵安裝地點的大氣壓力，mH2O柱，其值與海拔高度有關(guān)，取10.011 m（當(dāng)?shù)睾０胃叨葹?5.3 m）；

Hz—液體相應(yīng)溫度下的飽和蒸汽壓力水頭，m，與水溫有關(guān)，取0.503 m（循環(huán)水溫度為33℃）；

hs—吸水管沿程及局部水頭損失之和，m；

Zs—吸水池液位與泵軸線的液位差，m。

以圖3和圖4為例，表1為該循環(huán)水泵的流量、入口管徑、流速、長度。根據(jù)達(dá)西-魏斯巴赫公式，hf=il，當(dāng)v≥1.2 m/s時，舍維列夫沿程損失系數(shù)i=0.00107v2/di1.3。

吸水管入口管道水頭損失等于入口管道沿程水損與管道管件局部水損之和。表2所示為循環(huán)水泵入口水管局部水損。

根據(jù)圖3和圖4，循環(huán)水泵安裝標(biāo)高降低0.5 m，水池液位控制在0.6m的位置，吸水池液位與泵軸線的液位差計算如表3所示。

《石油化工循環(huán)水場設(shè)計規(guī)范》（GB/T 50746—2012）第5.1.5條規(guī)定：臥式離心泵的安裝高度，應(yīng)使按設(shè)計工況運行時動水位計算的有效汽蝕余量大于水泵的必需汽蝕余量，并應(yīng)留有不小于0.5 m的安全余量。[4]

將相關(guān)數(shù)據(jù)代入公式（1），結(jié)果如表4所示。

表1 循環(huán)水泵各項參數(shù)

表2 循環(huán)水泵入口管局部管件水損

表3 吸水池液位與泵軸線的液位差m

通過比較兩種布置方案泵的汽蝕余量，可以明顯看出，通過降低設(shè)備安裝標(biāo)高，P-002有效汽蝕余量比P-001提高了1 m，約15%。可見，在相同泵型的情況下，降低設(shè)備安裝標(biāo)高能大幅度降低汽蝕發(fā)生的可能性，保證泵的平穩(wěn)運行。

3.2.2 循環(huán)水泵上水時間

循環(huán)水場循環(huán)冷水泵通常選用水平中開臥式強(qiáng)自吸離心泵，考慮到公用工程對循環(huán)水穩(wěn)定運行的要求，通常對循環(huán)水泵設(shè)置備臺，當(dāng)循環(huán)水泵出現(xiàn)故障時，備用泵能夠迅速啟動以保證循環(huán)水的穩(wěn)定供應(yīng)。每臺泵都有獨立的吸真空裝置，這樣即使其中一臺泵出故障也不影響其他泵的正常運行。循環(huán)冷水泵配帶強(qiáng)自吸系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)是將單級雙吸離心泵與吸真空裝置合二為一；吸真空裝置從泵軸上取得動力即開始工作，啟動安全、可靠。上水時間的長短直接關(guān)系到下游裝置的平穩(wěn)運行，過長可能造成下游裝置的停車；按照規(guī)范要求，上水時間需要控制在150 s內(nèi)。

表4 吸水池液位與泵軸線的液位差m

該項目吸水池正常液位在0.1m處（見圖3），當(dāng)吸真空裝置將吸水池中的水吸入循環(huán)水泵內(nèi)并將其充滿后，循環(huán)水泵啟動。將循環(huán)水泵安裝標(biāo)高降低后，吸水池正常液位至0.7 m處（見圖4）。

循環(huán)水泵P-001入口管線正常液位在入口管線彎頭上游0.1m處，設(shè)備布置調(diào)整后，循環(huán)水泵P-002入口管線正常液位在入口管線中心線位置。在自吸泵能力相同的條件下，未充滿水的體積與上水時間成正比，表5為該項目循環(huán)水泵上水時間比較。

表5 循環(huán)水泵上水時間比較

通過比較兩種布置下泵的上水時間，可以明顯看出，降低設(shè)備安裝標(biāo)高使P-002的上水時間比P-001縮短64 s，給下游裝置足夠的緩沖時間，為循環(huán)水裝置和下游生產(chǎn)裝置平穩(wěn)運行提供了有利條件。

3.3經(jīng)濟(jì)投資比較

由于循環(huán)水泵標(biāo)高的降低和管道布置的調(diào)整，在水泵選型等不變的情況下，必然導(dǎo)致施工和材料費用的變化。按照該項目循環(huán)水泵布置圖（見圖2），平均每臺循環(huán)水泵周圍52 m2鋪裝面降低0.5 m標(biāo)高，開挖土方量增加26 m3。吸水池整體抬高0.5m標(biāo)高并增加吸水池深度1 m，以保證循環(huán)水吸入管能完全從吸水池側(cè)面引出。原3臺循環(huán)泵吸水池結(jié)構(gòu)為72.6 m×6.0 m×4.6 m，調(diào)整后，土方量減少72 m3，吸水池混凝土量增加5 m3。

管道布置調(diào)整后，循環(huán)水入口管道縮短1 m，出口管道縮短0.5 m。按照標(biāo)準(zhǔn)壁厚計算，則1 m管道的質(zhì)量為248.3 kg。

表6為該項目根據(jù)當(dāng)?shù)囟~標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行計算所得主要費用的變化情況。

從表6可以看出，循環(huán)水泵標(biāo)高降低和管道布置調(diào)整后，與原來相比，施工和材料費用并沒有增加，反而有所降低。可見，在相同的設(shè)備選型條件下，通過循環(huán)水泵布置的調(diào)整，不僅能提高循環(huán)水泵運行的可靠性，還能減少部分投資費用。

表6 主要經(jīng)濟(jì)投資變化

4 結(jié)語

本文簡單介紹了循環(huán)水場的工藝流程、設(shè)備布置、管道布置及其優(yōu)化。通過調(diào)整循環(huán)水泵設(shè)備布置既可以節(jié)約項目投資，又可以提升整個裝置的操作可靠性，對于下游裝置的穩(wěn)定生產(chǎn)起到保障作用。目前，該優(yōu)化方案對于循環(huán)水泵安裝標(biāo)高的最佳值并未進(jìn)行深層次的討論，希望在后續(xù)實際工程建設(shè)中能夠找到最合理的設(shè)備布置方案，以保證下游裝置平穩(wěn)運行，避免因為公用工程的波動導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)方面的損失。

[1]中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.石油化工企業(yè)設(shè)計防火規(guī)范：GB 50160—2008[S].北京：中國計劃出版社，2009.

[2]林選才，劉慈慰.給水排水設(shè)計手冊（第1冊）[M].2版.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2002：160.

[3]林選才，劉慈慰.給水排水設(shè)計手冊（第3冊）[M].2版.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2002：390.

[4]中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.石油化工循環(huán)水場設(shè)計規(guī)范：GB/T 50746—2012[S].北京：中國計劃出版社，2012.