LNG工廠循環冷卻水系統優化分析

丁 寧，唐高峰，丁 聰

(1.咸陽市天然氣有限公司，陜西 咸陽 712021；2.陜西液化天然氣投資發展有限公司，陜西 楊凌 712100；3.陜西城市燃氣產業發展有限公司，陜西 西安 710016)

由于水的化學性質穩定，且具有較大的比熱容，所以常常作為熱量交換系統的冷卻介質被用于工業企業，尤其是石油化工行業[1]。循環冷卻水系統的平穩、連續運行，不僅影響著整個生產裝置的安全運轉，而且也承擔著富余能量回收的任務。在循環冷卻水系統中，采用電機驅動的循環水泵和冷卻塔風機是兩個主要的高耗能設備。循環水泵作為循環冷卻水系統必備的動力設備，通常從水泵性能與管網特性的適配程度、水泵的運行效率、管路閥門是否全部開啟、管路系統堵塞結垢等方面進行優化，但從實際效果來看，節能降耗程度有限。因此從冷卻塔風機考慮降低能耗也是一種思路，目前應用較為廣泛的方式之一是使用水輪機代替冷卻塔風機[2]。

1 循環冷卻水系統類型

按照工廠的生產工藝需要、循環冷卻水的冷卻及散熱形式，循環冷卻水系統可分為兩種，即封閉式循環冷卻水系統和開放式循環冷卻水系統。

1.1 封閉式循環冷卻水系統

封閉式循環冷卻水系統也稱為密閉式循環冷卻水系統，主要設備包括循環冷卻水泵、換熱器(冷卻工藝介質)、循環冷卻水增壓泵、循環冷卻水的冷卻設施。冷卻水由冷卻設施輸送至循環冷卻水泵進行增壓、提供循環動力，隨后冷卻水克服系統阻力持續輸送到換熱器進行熱量交換，屬于介質冷卻環節；吸收熱量的冷卻水在重力作用下由增壓泵進一步加壓輸送至冷卻設施，經過散熱器熱交換后逐級降溫，屬于循環水冷卻環節。在整個循環流程中，冷卻水始終處于密閉狀態，未與外界大氣接觸，在封閉狀態下循環回收再利用[3]。

在密閉式循環冷卻水系統中，由于冷卻水與外界空氣沒有發生接觸，冷卻水損耗量較低。與此同時，由于循環過程的封閉性，循環水中的微生物、各類礦物質及離子含量通常會維持在一個恒定水平，波動變化較小。循環水水質一般受污染的幾率不高，(相對于開放式循環冷卻水系統)不易發生腐蝕、結垢、微生物污染，不會被蒸發、濃縮，無需額外的補水和加藥，工藝設備的使用性能和壽命大大提高。但密閉式循環冷卻水系統前期投資和運行費用較高，對于換熱量較小、工藝安全性、運行可靠性要求較高，或者有其他特殊要求的生產系統，比較適用，如內燃機、高爐冷卻壁、轉爐氧倉等。

1.2 開放式循環冷卻水系統

在工業生產，實際應用最為廣泛的循環冷卻水系統是開放式循環冷卻水系統。循環冷卻水通過循環水泵增壓后進入換熱器，通過管束表面接觸，或者在換熱裝置中，與工藝介質直接接觸，帶走工藝介質的熱量；吸收熱量后的熱循環水輸送至冷卻裝置，通過與外界冷卻介質直接接觸散發熱量，最后回收進入循環系統再利用[4]。由于循環水在冷卻裝置中與外界直接接觸，冷卻水大量蒸發，產生濃縮現象，循環水系統中的鈣鎂離子更容易出現飽和結晶，需要常年補水、加藥且水質的硬度、電導率等控制較難。與此同時，在與空氣接觸時，容易將雜質、微生物及酸性物質等帶入系統；加之，含氧量較高，容易出現腐蝕、結垢、微生物污染。按照與工藝介質換熱的方式不同，可以分為間接開放式循環冷卻水系統和直接開放式循環冷卻水系統。

間接開放式循環冷卻水系統中，循環冷卻水通過換熱器，或者換熱裝置，與工藝介質(如氣體或液體介質等)間接地接觸來實現冷卻效果。由于與工藝介質沒有直接接觸，循環水水質參數不會發生變化，受到污染的概率小，僅僅提高了循環水溫度，因此也叫做清循環冷卻水系統。

直接開放式循環冷卻水系統中，循環冷卻水通過與工藝介質、物料或者裝置直接地接觸來實現冷卻效果。由于直接接觸，導致換熱過程常常會將大量雜質、油污等污染物帶入循環水系統中，因此也叫做濁循環冷卻水系統。典型的軋機濁循環冷卻水系統通常有沖渣溝、旋流沉淀池、濃縮池、污泥處理裝置、冷卻裝置等組成。

2 LNG循環水系統現狀及存在問題

2.1 循環冷卻水系統現狀

以陜西某LNG為例，工廠現有循環冷卻水系統一套，包括循環水池、循環水泵、冷卻塔、旁流過濾器、輔助加藥及在線監測設備。工藝流程為：生產給水管網將工業用水定期補充至循環水池，循環水池中冷卻水通過循環水泵增壓后輸送至工廠的換熱器(冷卻器)；經冷卻器換熱升溫后的循環水在管網壓力及重力作用下回流至循環水系統冷卻塔；通過冷卻塔上部的冷卻水分布器進行配水，通過配水噴嘴的熱循環水形成噴射小水滴被均勻分布在填料上，熱循環水從填料上自由落下。與此同時，在電機的驅動下風機葉片不斷地旋轉，大量氣流從風機上方排出，不飽和空氣從塔底部或側面被吸入淋水裝置，熱循環水在填料間隙表面下降的過程中遇到上升的空氣流；在與不飽和的空氣進行冷熱交換的同時降低了水滴的下降速度，從而延長了熱量交換的時間。最終，通過直接接觸散熱、液體蒸發散熱和輻射散熱三種方式完成循環水冷卻，熱量被散發至空氣并被風機排出塔外[5]。工廠循環冷卻水系統工藝流程如圖1所示。

圖1 循環冷卻水系統工藝流程示意圖

2.2 存在問題

①設備耗電較高?，F有循環水冷卻塔安裝有3臺軸流風機，每臺風機功率為 110 kW(380 V)，3臺風機日運行耗電量為 7920 kW·h，全年運行按300天計算，年耗電量在 2376000 kW·h。對于工廠運行來說，這是一筆不小的費用。②冷卻塔風機通常未設置變頻裝置，運行熱負荷較低時存在電源浪費。冷卻塔風機均為定頻電機驅動，在LNG停產、減產期間，或者其他熱負荷較低的情況下，下游用戶即水冷器換熱后冷卻回水溫度相對來說偏低，而冷卻風機無法通過降低轉速來適應這種變化仍然按照既定功率運行，此時電機耗電量偏高從而產生電能浪費情況。③冷卻塔風機的電機、減速箱日常維護費用較高。由于冷卻塔風機的電機即減速箱屬于動設備，需要定期進行維護保養，包括檢查電機緊固件、添加潤滑油潤滑脂、更換磨損軸承即密封墊片等，存在日常維護費用。④冷卻塔風機的電機和減速箱運行期間產生較大噪音。冷卻塔現場噪音包括風機運行期間底部及側方進氣產生的噪音，風機出口排氣產生的噪聲，填料上淋水產生的噪聲，循環水池淋水產生的噪聲，循環水泵運行噪聲，配管和閥門振動噪聲等，此外由于存在電機和減速箱，運行期間也會產生大量噪音，造成環境等聲污染。

3 節能改造方法

為減少冷卻塔風機電機能耗、降低運行成本，將冷卻塔風機及其電機更換為水輪機，循環水系統管線連接至水輪機上，利用連桿將風機與水輪機的輸出軸相連，帶動風機旋轉抽風，完成冷卻水與空氣熱量交換，風機驅動能量由電力轉換為水力。有兩種工藝改造方案。

3.1 水輪機接回水管

為減少對現有循環水系統的影響，充分利用循環水系統回水管線富裕能量，改造方案為：①將冷卻塔原有電機、傳動軸、減速箱拆除；②對冷卻塔回水管路進行改造，改造為一條水輪機專用管線，使循環冷卻水回水由專用管線引至水輪機，通過水輪機之后再流入分布器進行布水；③增加旁通管、旁通閥，在遇到特殊情況或冬季溫度較低無需開啟風機時冷卻塔仍能正常使用；④制作水輪機進出水管和底座支撐，進水管安裝流量調節閥門，風筒開孔并加固，安裝并調試水輪機；⑤管道防腐處理后并入系統。工藝流程如圖2、圖3所示。

圖2 循環冷卻水系統風機節能改造后工藝流程示意圖(方案1)

圖3 循環冷卻水系統風機節能改造后冷卻塔結構示意圖(方案1)

3.2 水輪機接回流管

第一種方案是循環水回水驅動，另一種方案是循環水給水驅動，即將循環水泵出口管線改造連接至水輪機進行風機改造，即：①將冷卻塔原有電機、傳動軸、減速箱拆除；②對循環水泵出口增壓冷卻水回流管路進行改造，增加一條水輪機專用管線，使循環水泵增壓后的循環水由專用管線引至水輪機，之后再流入冷卻塔分布器進行布水；③增加旁通管、旁通閥，在遇到特殊情況或冬季溫度較低無需開啟風機時冷卻塔仍能正常使用；④制作水輪機進出水管和底座支撐，進水管安裝流量調節閥門，風筒開孔并加固，安裝并調試水輪機；⑤管道防腐處理后并入系統[6]。工藝流程圖4、圖5所示。

圖4 循環冷卻水系統風機節能改造后工藝流程示意圖(方案2)

圖5 循環冷卻水系統風機節能改造后冷卻塔結構示意圖(方案2)

4 方案的選擇

對于循環水系統實施節能減排、優化改造，是一個循序漸進、持續改進的過程[7]。方案2中，將循環水泵出口回流管線進行改造，泵出口循環水直接引導至水輪機入口作為驅動。與方案1相比，方案2管線改造長度增加，項目改造費用上升，方案中水輪機僅僅利用泵出口機械能，而且沒有利用處在較高位置的水冷器中循環水的勢能，水輪機入口的能量相對1方案中要小。而方案1中水輪機利用了泵出口機械能和水冷器后勢能，能源利用更加充分、合理。通過方案1對工廠循環水系統整體節能優化改造，改造更換了冷卻塔風機及其配套電機設備，優化調整循環水系統能量平衡[8]，產生了一定的經濟效益及社會效益。

5 改造后效果

5.1 經濟效益

現有循環水冷卻塔安裝有3臺軸流風機，每臺風機功率為 110 kW(380 V)。按照改造1臺風機計算，日運行耗電量為 2640 kW·h，全年運行按300天計算，年耗電量在 792000 kW·h，單臺風機改造年節約電費為 792000 kW·h×0.6元/kW·h=47.52萬元(電費取平均價0.6元/kW·h)。同時，由于取消了電機、傳動軸、減速箱，因而減少了日常的維護、檢修工作，在一定程度降低了運行成本[9]。

通過以上初步計算，對一臺冷卻塔風機采用節能技術改造，一年生產運行周期內可節約電費47.52萬元，節能效果顯著。若三臺風機全部改造后年效益在140萬元左右，運行半年左右收回全部投資。

5.2 社會效益

1)循環冷卻水系統風機改造，取消了原有系統中風機的電機、傳動軸、減速箱，在一定程度上降低了原有系統的大量噪音、震動，減少對周邊環境的噪音污染，有一定的環保意義；2)由于水輪機取代了電機，不存在電氣設備及部件，對于可能存在可燃氣體的工廠，改造后更加安全，可在火災爆炸危險環境中工作；3)項目成功實施后對于具有類似改造條件的項目、工廠提供了一定借鑒意義。我國目前仍然以火力發電為主，合理地利用水輪機進行改造，可以實現節能減排。對于本LNG工廠而言，冷卻水塔改造1臺風機后，每年就可節約電量 792000 kW·h，間接減少消耗 316800 kg 標準煤，少向大氣排放 23760 kg 二氧化硫，少向大氣排放 215424 kg 碳粉塵，少向大氣排放 789624 kg 二氧化碳，極大地降低了空氣污染物質的排放，對于建立環境友好型工廠具有積極意義。