安格連橡膠廠公用工程系統設計優化

裴紅兵，艾永安，閆小星，張 軻

（北京橡膠工業研究設計院有限公司，北京 100143）

烏茲別克斯坦安格連橡膠廠建設項目是我國在中亞地區的一帶一路重點項目，該項目工期緊、任務重、建設標準高。在總包單位的精心組織下，設計單位及鍋爐和污水站等各系統供應商在極短的時間內相繼完成了公用工程系統（各站房系統）設計圖，并且設計圖還按烏茲別克斯坦國家標準進行了轉化。作為技術和設備總包方，我們在查閱相關資料，并調研輪胎企業公用工程實際運行狀況的基礎上，從系統原理到介質用量再到設備調試、使用和維護等各個方面反復審核公用工程系統設計圖，經過與設計單位、供應商及生產技術團隊等反復研討，對該項目的公用工程系統設計進行了優化，現將優化情況簡介如下。

1 基本計算和分析

首先對每小時氮氣消耗量進行測算。對于不設置氮氣回收的乘用輪胎硫化系統，每條乘用輪胎硫化的氮氣消耗量以0.8 m3（輪胎廠普遍的實際數據）和每條農業輪胎[406 mm（16英寸）]硫化的氮氣消耗量為2.4 m3計，按照本項目300萬套乘用輪胎和20萬套農業輪胎的年總產能，可推算出每小時相應輪胎的產量分別為405和27條，可得每小時氮氣總消耗量（V1）為

V1＝405×0.8＋27×2.4＝388.8 m3·h-1

而設計圖提供的計算依據為該項目共設置了54臺乘用輪胎硫化機和14臺農業輪胎硫化機，每臺硫化機每小時均需要氮氣10 m3·h-1，由此可得每小時氮氣總消耗量（V2）為

V2＝54×10＋14×10＝680 m3·h-1

在此基礎可選用3臺產能為400 m3·h-1制氮機（見圖1），按兩用一備運行，每小時氮氣總產量（V3）為

圖1 真空變壓吸附制氮機Fig.1 Vacuum pressure swing adsorption nitrogen generator

V3＝400×2＝800 m3·h-1

顯然，不同預算方法的氮氣消耗量差異較大，設計用量V2約為V1的1.75倍，而經過設備選型又將氮氣產量放大到V1的2倍以上，同時吸附制氮使用的壓縮空氣需求量也隨之增大。在合同總價確定的情況下，物料余量過大不經濟，還會造成后期業主運行成本的增加。

按照6∶1的空氣/氮氣體積比計算，1臺400 m3·h-1制氮機需要壓縮空氣2 400 m3·h-1，正好是1臺產能為40 m3·min-1的螺桿空氣壓縮機（見圖2）的壓縮空氣產量。如果能減小設計氮氣余量，則空氣壓縮機的壓縮空氣產量也可以相應減小。

圖2 螺桿空氣壓縮機Fig.2 Screw air compressor

按照氮氣總消耗量V1＝388.8 m3·h-1計，如果考慮20%的氮氣生產余量，則需要氮氣產量為467 m3·h-1，制氮機可以選擇產能為500 m3·h-1的機型，如果選擇空氣/氮氣體積比不大于5∶1，1臺該機型制氮機需要壓縮空氣約2 500 m3·h-1，基本與產能為400 m3·h-1的機型（空氣/氮氣體積比為6∶1）相當。產能為500 m3·h-1的制氮機價格雖然比產能為400 m3·h-1的制氮機高約10%，但如果選2臺產能為500 m3·h-1的制氮機（一用一備），則可節約制氮機投資，同時減小壓縮空氣用量，設備占地面積也相應減小[1-4]。

在以上系統分析和計算的基礎上，確定空氣壓縮站和動力站系統的設計存在一些問題，再結合其他站房的問題，提出了相應優化方案。

2 站房系統設計問題及優化方案

2.1 鍋爐房

（1）全廠冷凝水匯總后排入凝結水箱，原設計凝結水箱前未設置排污旁路，不便于初期試車和停產檢修后系統重啟時污水排放。優化方案在凝結水總管增設排污旁路，該旁路接至室外污水井。

（2）原設計高位熱力除氧器溢流管垂直向下接入水箱間地溝，系統運行時隨著除氧器內壓力波動會有蒸汽從溢流口溢出，造成水箱間蒸汽彌漫。優化方案在溢流管接近一樓地面處設置1個高度為5 m的水封，這樣既不影響溢流管的溢流，也能在除氧器內部出現0.03 MPa以內壓力波動的情況下，不產生蒸汽溢出現象[5]。

（3）由于項目規模較小，原設計動力站乏汽和連排罐乏汽等沒有很好的二次利用的方案，只是從集中排放角度考慮將乏汽引至除氧器，而除氧頭僅有1個DN65排氣口，當大量乏汽排入時會超過除氧器的處理能力，造成除氧器超壓，安全閥頻繁起跳，影響系統運行。優化方案為除氧頭增設1個DN150排汽口，其配有壓力傳感器和切斷閥等，當系統超壓時切斷閥自動打開以放空，可保證除氧器內部壓力在工藝要求范圍內波動[6-8]。

（4）原設計軟水箱之前以及軟水箱與凝結水箱之間沒有自控閥門，各水箱水位不能自動控制，需要操作人員手動控制，很不方便。優化方案在軟水箱之前的管段和凝結水箱的進水管上分別設置電磁閥，通過軟水箱和凝結水箱的液位設置對電磁閥進行控制，如圖3所示，以自動維持2個水箱的水位。

圖3 水箱水位控制及凝結水箱分區示意Fig.3 Diagram of water level control of water tanks and condensate tank partition

（5）原設計鍋爐節能器循環水由凝結水箱供給并回到凝結水箱，而凝結水箱內溫度在90 ℃左右，不能很好地滿足節能器水循環要求。優化方案為單獨設置循環水箱或在無法單獨設置循環水箱的情況下在凝結水箱內部設置隔板，并在隔板的最低水位以下開設一個直徑100 mm的孔，如圖3所示，將水箱分為兩部分，分成熱水區和冷水區。循環水從冷水區供出，然后回到熱水區，軟水箱補水時軟化水補到冷水區，水循環問題可以得到改善，也不增加投資。

（6）原設計分汽缸進汽及出汽立管閥門以上無排污設施，易積存凝結水，在管路啟動時會發生劇烈震動。優化方案在立管靠近閥門上部的位置設置排水閥并通過管道引至車間地溝，如圖4所示。每次在管路啟動前先排水，以提高系統運行穩定性。

圖4 管路排凝結水示意Fig.4 Diagram of condensate drainage of pipelines

（7）鍋爐給水溫度為104 ℃，在線氧含量檢測儀要求40 ℃以下測試溫度，原設計沒有檢測降溫設施，不便于對水的氧含量進行監測。優化方案設置1臺換熱面積為2 m2的板式換熱器，以常溫循環水作為冷源，如果沒有常溫水，也可用生產水（每次測量有一定的耗水量），利用換熱器將被檢測的鍋爐給水降至40 ℃以下，以滿足在線氧含量檢測儀的測試條件，如圖5所示，鍋爐給水氧含量測試操作時首先確保給水溫度已經降至40 ℃以下，再開啟通向檢測儀的閥門，就可以精確測量出鍋爐給水的氧含量[9]。

圖5 鍋爐給水氧含量在線測試降溫裝置Fig.5 Cooling device for on-line measurement of oxygen concentration of boiler water

2.2 空氣壓縮站及動力站

（1）原設計制氮系統配置3臺400 m3·h-1制氮機氮氣生產余量過大，超過了需求量的2倍。優化方案選用2臺500 m3·h-1制氮機，一用一備即可滿足使用要求。

（2）氮氣產量減小后，原設計空氣壓縮站配置6臺40 m3·min-1空氣壓縮機（壓縮空氣除用于制氮外，還用于其他生產）過多。優化方案為減少1臺空氣壓縮機及相應的過濾器、微熱干燥機等設備。

（3）原設計真空系統水環真空泵工作液采用的是自來水，易結垢而造成設備損壞。優化方案改為軟化水作為工作液供給水環真空泵，如圖6所示，工作液冷卻循環系統設置工作液箱、循環泵和板式換熱器。工作液箱由軟化水補充，工作液與常溫水換熱，保證水環真空泵運行工藝要求，可以減少設備結垢，減少能耗，提高運行穩定性和延長使用壽命。

圖6 熱真空工作液系統示意Fig.6 Diagram of hot vacuum working fluiding system

（4）輪胎硫化抽真空時，膠囊內為余熱汽體，其經過水環真空泵時導致真空泵工作溫度高，真空泵易損壞，且運行負荷大，造成電能浪費。優化方案在熱真空罐前增設1臺換熱面積為5.4 m2的管殼換熱器，如圖7所示，將膠囊內抽出的余熱汽體冷凝以降低其溫度和減小體積，可以延長真空泵使用壽命和減少能耗[10-12]。

圖7 熱真空罐入口增設換熱器示意Fig.7 Diagram of adding heat exchanger at inlet of hot vacuum tank

2.3 水泵房及制冷站

（1）原設計低溫水循環系統沒有水池，運行中需要間歇向水泵入口補水，入口附近設置泄壓閥，補水水源為0.4 MPa的生產水，通過自動定壓補水裝置（見圖8）補水。分析可知，為保證低溫水循環泵（揚程50 m）出口壓力不高于0.65 MPa，循環泵入口壓力應不高于0.15 MPa，而該補水裝置的水泵和止回閥不能阻止0.4 MPa的水源進入系統，僅靠卸壓閥不能保證循環泵入口壓力穩定在0.15 MPa。如果循環泵的入口壓力升至0.4 MPa，循環水經過水泵加壓，致使循環泵出口壓力升至0.9 MPa左右，加之系統壓力波動，會使水泵出口橡膠軟連接（公稱壓力為1.0 MPa）破裂，其他用水工藝設備也會受到威脅，易造成生產中斷以及影響設備和水泵房的安全。優化方案為如果補水水泵入口無法從水池取水，低溫循環泵改為電動調節閥（見圖9）和電接點壓力表加調節器來控制補水，實現循環泵入口壓力穩定在（0.14±0.01）MPa范圍內，滿足工藝要求[13]。

圖8 自動定壓補水裝置Fig.8 Automatic constant pressure water replenishment device

圖9 電動調節閥Fig.9 Electric control valve

（2）原設計3臺制冷機配置的冷卻水泵和冷凍水泵沒有備用泵，任意一臺水泵出現故障，則對應制冷機必須停機，如果再增設備用水泵，從設備和土建投資來說都不經濟。優化方案通過增加連通管路來實現冷卻水泵的互為備用以及冷凍水泵的互為備用。具體做法為：增設1條DN450管路把3臺冷卻水泵出水口串聯起來，每個連接處設置1個DN300蝶閥，同理3臺冷凍水泵出水口也采用同樣的辦法串聯起來，如圖10所示。這樣就可以在個別水泵出現突發故障時，通過其他制冷機組的水泵來應急供水，實現水泵之間的互為備用，保證生產的連續性。

圖10 制冷系統同類水泵互為備用示意Fig.10 Diagram of same function water pumps of refrigeration system as standby for each other

2.4 排污處理

（1）原設計中水回用池未設置補水管道，在運行初期或是處理水量不足的情況下，沖廁所和澆花系統供水會受影響。優化方案從壓泥機車間供水管引管埋設至中水回用池，根據需要及時向中水回用池補水[14]。

（2）原設計調節池提升泵、硝化液回流泵、集水井提升泵以及污泥回流泵未設置手搖提升裝置，后期水泵巡檢及檢修時只能靠人力提升泵。優化方案為各泵增設相應的手搖式提升裝置。

（3）按照我國《大氣污染物綜合排放標準》（GB 16297—2017）、《惡臭污染物排放標準》（GB 14554—1993）和《橡膠制品工業污染物排放標準》等規定，煉膠車間排放的粉塵（炭黑）和廢氣（甲硫醇、甲基苯、苯乙烯、二硫化氫、二硫化碳、氨類化合物）等污染物排放應嚴格控制，通過設計集氣處理設施提高對粉塵和廢氣的處理效果，減少污染物排放對環境的影響[15]。但烏茲別克斯坦目前還沒有相關的國家標準，原設計從控制投資角度并沒有設計集氣處理設施，優化方案提出增加污染物處理設施。

2.5 變配電室

2號變配電室設置在A區輔房部位，離本區域用電負荷中心較遠，同時距離總變電站也較遠，考慮到A區用電設備主要為2條三復合擠出線和1條兩輥壓延線，且其靠近煉膠車間的位置，優化方案通過架空平臺構筑，將2號變配電室設置在A區靠近煉膠車間的位置，這樣供配電相對合理。

3 結語

以上優化方案使項目的設計更加合理和經濟，也使設備的操作和維護更加便利。這些優化方案在項目實施過程中都得到了應用，并經過了實際使用驗證。當然本項目設計仍存在一些不足之處，但經過建設時施工的適當調整，各系統運行均符合要求。

該公用工程系統設計優化雖是針對安格連橡膠廠項目提出的，但對類似項目公用工程系統設計都有一定的借鑒意義。