斜流泵和消霧冷卻塔組合在聯堿裝置循環水系統中的應用

柴培虎,程生鵬,韓國軍

(金昌氨堿源化工有限公司,甘肅 金昌 737000)

在金昌氨堿源化工有限公司20萬t/a聯堿裝置搬遷改造項目中,針對甘肅金昌地區干旱缺水的現狀,工程技術人員經過了大量的對比論證,循環冷卻水系統最終采用“消霧節水冷卻塔+立式斜流泵”組合形式。

在搬遷改造之前聯堿裝置建有兩套循環冷卻水系統,均采用“玻璃鋼冷卻塔+臥式離心泵”模式,配套修建有兩座半地下式循環水泵房,分別用于Ⅰ過程碳化塔、煅燒冷凝塔、壓縮機等冷卻用水和Ⅱ過程母液冷卻系統和其他機泵類冷卻用水等,以上冷卻系統設備多、運行維護費用高、效率低,耗水量較大。

搬遷改造后聯堿裝置循環水冷卻塔系統采用一套“消霧節水冷卻塔+立式斜流泵”組合配置,即逆流式鋼筋混凝土(單風機)消霧節水冷卻塔(型號XWGFNS-35007,配套風機電機功率185 kW)二臺(水池底部聯通),匹配立式斜流泵(28LBSA-50,流量3 500 m3/h,揚程50m,配套電機功率710 kW)二臺。單套循環冷卻水裝置,可滿足20萬t/a聯堿裝置循環冷卻水需求。

1 立式斜流泵和消霧節水冷卻塔工作原理及優勢

1.1 立式斜流泵特點及工作原理

立式斜流泵又叫做導葉式混流泵,主結構主要由吸人喇叭口、葉輪室、葉輪、導葉體、外接管和吐出彎管、主軸、聯軸器部件、伸縮節、填料密封部件等組成。

立式斜流泵在正常運行工況下,其通過原動機帶動葉輪旋轉,產生推力和離心力對液體做功,從而增加液體的位能、壓能和動能。流量和揚程變化范圍大,且功率變化小,并擁有較寬的高效區,是一種性能和結構介于離心泵和軸流泵之間的水泵,它不僅克服了軸流泵小流量時性能不穩定的缺點,而且也解決了離心泵不適合在低揚程下使用的問題。因此斜流泵補償了兩者的缺點的同時具有兩者的優點,這也使得立式斜流泵的應用領域逐漸向傳統的軸流泵和離心泵的使用領域擴展,目前已經逐步在工業生產冷卻水系統中得到越來越廣泛的應用。

其次,立式斜流泵相較臥式離心泵可以不用設置吸水口及吸水管,節約設備占地面積和部分管道投資,性價比較高。本項目采用二臺立式斜流泵作為節水消霧冷卻塔的配套循環水泵,將其安裝置于冷卻塔一側的平臺上,節省了建設循環水泵房的土建費用,同時滿足聯堿裝置循環冷卻水流量和揚程的需求。

1.2 消霧式循環水塔的工作原理

冷卻塔是用空氣同水的接觸來冷卻水的裝置。冷卻塔冷卻的基本原理有兩個方面:一是利用水本身的蒸發潛熱來冷卻水;二是利用水和空氣兩者的溫度差通過熱傳導來冷卻水。機力通風型冷卻塔其工作原理是把所需冷卻處理的水壓到冷卻塔上部,再通過配水系統均勻地噴灑于填料上,熱水從填料上部落下,同時不飽和空氣從塔下部上升或由側面進入淋水裝置,在填料間隙的流動中,熱水與不飽和空氣進行冷熱交換,空氣把熱量向外傳遞,變成熱空氣,再由風機抽到塔外,從而達到水溫降低的效果。

1.吸入喇叭口 2.進口濾網 3.導葉體 4.外接管a 5.外接管b 6.內接管a 7.內接管b 8.電機聯軸器 9.軸承支架 10.吐出彎管 11.主軸a 12.主軸b 13.葉輪 14.泵聯軸器 15.套筒聯軸器 16.軸套圖1 立式斜流泵結構圖

消霧工作原理:基于凝結換熱、導熱和對流傳熱傳質的基本理論,使得冷卻塔循環水蒸發換熱后的水蒸氣,通過對流及導熱換熱后深度冷凝成水膜,進而收集后進行重復循環使用,有效的提高了循環水的利用率,同時提供了高品質的純水資源,更有利于減少蒸汽的排出及霧霾的產生。

消霧節水型冷卻塔優勢:春秋冬三季冷卻塔正常運行,消霧效果明顯,夏季通過調節百葉窗和擋風板,同樣保證節水消霧,達標降溫;冷卻塔周圍霧氣減少,從而減少了霧霾形成的載體,減少大氣污染,提升企業形象;回收水進入循環水池,減少了新鮮水的補水量,與傳統冷卻塔相比,在整個消霧節水過程中,沒有增加風機及水泵的能耗,達到了消霧、節水、節能并行的效果,技術原理如圖2。

①環境空氣穿過濕冷填料 ②飽和熱空氣穿過一對交替的換熱板塊 ③環境空氣通過進氣管道 ④外界空氣轉進一對交替換熱板塊 ⑤從換熱板塊出來的濕熱空氣和干冷空氣混合 ⑥出塔空氣圖2 消霧節水冷卻塔技術原理示意圖

2 搬遷改造前后運行效果對比

聯堿裝置搬遷改造項目于2021年5月竣工投產,循環冷卻水設施投運后,冷卻塔設備運行正常,開一臺立式斜流泵運行,循環水流量約3 700 m3/h。冷卻塔消霧系統運行穩定,開停靈活,消霧效果非常顯著,塔頂風機根據生產負荷以及季節氣候的變化選擇開、停,實際冷卻水循環量為3 200～4 100 m3/h,冷卻塔熱負荷約155 GJ,供應20萬t/a聯堿裝置碳化、煅燒、壓縮、干銨、母液等工序冷卻換熱設備,完全滿足生產需求。

2.1 循環冷卻水溫差

搬遷改造前,在夏季供水期,循環水出水溫度29～30 ℃,回水溫度36～37 ℃,冷卻溫差為7 ℃左右。搬遷改造后,在夏季供水期,循環水出溫度26～27 ℃,回水溫度36～37 ℃;冷卻溫差為10 ℃左右。循環水溫整體下降約3 ℃,冷卻塔進出水溫差增大,冷卻效果顯著提高,保障聯堿裝置生產系統熱負荷的移除。尤其對于碳化工序,良好的冷卻系統保障了工藝系統的穩定和優化,重堿結晶粒度大,產品質量好,濾過洗水用量減少,很好的保障了系統母液平衡。

2.2 消霧系統運行狀況

消霧節水型冷卻塔采用間壁式換熱器,采用蒸汽深度回收冷凝裝置,基于凝結換熱、導熱和對流傳熱的基本理論,使得冷卻塔循環水蒸發換熱后的水蒸汽,通過對流及導熱換熱后深度冷凝成膜,從而收集后進行重復循環使用。通過對進風百葉窗的調節來調節消霧模塊,百葉窗有四種運行角度:0°、30°、45°、90°。根據外界大氣溫度并結合冷卻塔運行時頂部蒸汽的外逸程度進行百葉窗的角度調整,以保證最大的換熱、消霧節水效果。

根據測定,該消霧節水冷卻塔在正常滿負荷運行時,未開啟消霧系統,塔頂排出濕熱空氣含濕量一般約為0.044 kg/kg;打開消霧系統,塔頂排出濕熱空氣含濕量約為0.014(冬季)～0.032(夏季)kg/kg。冬季消霧效果非常顯著(見圖3),環保和社會效益明顯。

圖3 消霧節水冷卻塔消霧效果對比照片(左側塔未開消霧系統,右側塔開啟消霧系統)

2.3 冷卻設備運行情況

與搬遷改造前相比,循環冷卻水泵運行臺數由原裝置的 3臺臥式離心水泵減為現在的1臺立式斜流泵,降低了設備維護、檢修工作量。裝置自2021年5月開啟投運后,冷卻塔和立式斜流泵運行平穩,截止2023年7月未出現故障,且有良好的節電效果,與搬遷改造前相比,運行總功率減少120 kW,年減少用電量約76.8萬kWh,節約電費約38.4萬元。

2.4 耗水量對比

搬遷改造前,原冷卻塔無節水消霧節水裝置,冷卻塔補水量較大。搬遷改造使用消霧節水冷卻塔后,根據生產測定,節水量約為蒸發水量的20%～40%(冬季節水量大),按年運行8 000 h計,則年節水量約7.4萬m3,節水收益約為22萬元.在水資源緊缺,工業用水價格居高不下的西北干旱地區,企業節水效益顯著。

2.5 節約建設費用

該套裝置將立式斜流泵安裝于冷卻塔一側的平臺上,節省了建設循環水泵房的土建費用,按照本地建設工程造價情況,減少建設土建費用約100萬元,且安裝方便,縮短建設工期。

3 結 語

在我公司20萬t/a聯堿裝置搬遷改造項目冷卻水系統中, 采用“節水消霧冷卻塔+立式斜流泵”組合模式,減少了原裝置建設臥式離心水泵廠房的工程量,縮短建設工期,大幅降低建設費用,工藝裝置簡潔,設備數量少且布置緊湊,設備運行穩定,冷卻水溫達標,節能效益顯著,員工勞動強度下降。經過二年的運行檢驗,完全達到了預期的效果,與目前純堿行業通常采用的臥式離心泵與非節水型冷卻塔的組合方式相比,實現了“1+1>2”的經濟技術優勢,為企業節能增效做出貢獻,同時為其它企業冷卻設備選型提供了實踐依據。