循環(huán)水溫度控制方法探討

王乃充，羅群杰，王大禹

（中國(guó)石油吉林石化公司乙二醇廠，吉林吉林 132002）

0 引言

循環(huán)水在化工生產(chǎn)中起著舉足輕重的作用，利用循環(huán)水進(jìn)行換熱，是其重要作用之一。在實(shí)際開(kāi)展工業(yè)循環(huán)水系統(tǒng)生產(chǎn)作業(yè)時(shí)，需要借助相關(guān)方法和設(shè)備，為循環(huán)水系統(tǒng)生產(chǎn)提供降溫及控制。

循環(huán)水系統(tǒng)的調(diào)節(jié)與控制包括降溫和寒冷天氣下的精準(zhǔn)控制。控制好循環(huán)水出水溫度（即供出水溫度），在循環(huán)水系統(tǒng)的調(diào)控中極為重要，因?yàn)檠h(huán)水出水溫度將直接影響后部熱負(fù)荷及反應(yīng)效果，同時(shí)能體現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展方向。

循環(huán)系統(tǒng)的降溫方法包括傳導(dǎo)降溫、輻射降溫、冰機(jī)冷凍機(jī)組降溫、水場(chǎng)填料降溫等。其中，水場(chǎng)填料降溫原理為蒸發(fā)降溫，這里著重引入低露點(diǎn)氣體，目的就是增強(qiáng)蒸發(fā)能力，以進(jìn)一步降低循環(huán)水出水溫度。控制操作方式有兩種：一是多臺(tái)散熱風(fēng)機(jī)運(yùn)行，達(dá)到控制的目的；二是單臺(tái)風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，利用風(fēng)機(jī)變頻控制，實(shí)現(xiàn)東北寒冷天氣情況的水溫精準(zhǔn)控制。

1 比熱（比熱容）概念

一定質(zhì)量的物質(zhì)，在溫度升高或降低時(shí)，所吸收（或放出）的熱量與該物質(zhì)的質(zhì)量和變化的溫度乘積之比，稱作這種物質(zhì)的比熱容（比熱），用符號(hào)C 表示。其國(guó)際單位制中的單位是焦耳每千克開(kāi)爾文或焦耳每千克每攝氏度，即J/（kg·K）或[J/（kg·℃）。所以，C=Q/（mΔt）。

在工程應(yīng)用上，常用的有定壓比熱容Cp、定容比熱容Cv和飽和狀態(tài)比熱容Cv三種。其中，Cp是單位質(zhì)量的物質(zhì)在壓力不變的條件下，溫度升高或下降1 ℃或1 K 所吸收或放出的能量；Cv是單位質(zhì)量的物質(zhì)在容積（體積）不變的條件下，溫度升高或下降1 ℃或1 K 吸收或放出的能量；Cv是單位質(zhì)量的物質(zhì)在某飽和狀態(tài)時(shí)，溫度升高或下降1 ℃或1 K 所吸收或放出的熱量。

水場(chǎng)裝置的總熱量按C=Q/（mΔt）計(jì)算。其中，水的比熱約為4.2×103J/（kg·℃）；A 裝置按5.8 ℃計(jì)算，B 裝置按5.6 ℃計(jì)算，則A 裝置的小時(shí)熱量為9 000 000×5.8×4200=219 240 000 kJ，B 裝置的小時(shí)熱量為4 000 000×5.6×4200=94 080 000 kJ。

2 物體導(dǎo)熱的方式

化工熱力學(xué)中提到，物體（流體）本身只要有熵值和焓值的變化就會(huì)有溫度的變化。導(dǎo)熱的3 種方式分別是傳導(dǎo)、輻射和對(duì)流。

傳導(dǎo)散熱降溫?zé)釓奈矬w溫度較高的部分沿著物體傳到溫度較低的部分，叫做熱傳導(dǎo)。熱傳導(dǎo)是固體中熱傳遞的主要方式。

對(duì)流散熱降溫對(duì)流傳熱是熱傳遞的一種基本方式，它是在流體流動(dòng)進(jìn)程中發(fā)生的熱量傳遞的現(xiàn)象，主要是由于質(zhì)點(diǎn)位置的移動(dòng)使溫度趨于均勻。

各種物質(zhì)都能夠傳導(dǎo)熱，但是不同物質(zhì)的傳熱能力不同。即換熱器多采用換熱好的銅材質(zhì)進(jìn)行制作，使溫度趨于均勻。液體和氣體中熱傳遞的主要方式是對(duì)流傳熱，但也常伴有熱傳導(dǎo)。通常由于產(chǎn)生的原因不同，有自然對(duì)流和強(qiáng)制對(duì)流兩種。根據(jù)流動(dòng)狀態(tài)，又可分為層流傳熱和湍流傳熱。

3 降溫采取的工藝

3.1 冰機(jī)機(jī)組

冰機(jī)機(jī)組即在循環(huán)水系統(tǒng)中增設(shè)冰機(jī)機(jī)組系統(tǒng)，將循環(huán)水從裝置帶回的熱量由冰機(jī)系統(tǒng)消化，從而使循環(huán)水降溫。具體冷量及裝置規(guī)模按上述熱量標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行核算設(shè)計(jì)。

冰機(jī)工作過(guò)程利用連續(xù)4 個(gè)且往復(fù)循環(huán)的過(guò)程來(lái)實(shí)現(xiàn)制冷目的。

（1）蒸發(fā)過(guò)程。蒸發(fā)過(guò)程在蒸發(fā)器中低壓的冷媒液從外部被冷卻空間（或流體）吸收熱量而蒸發(fā)，為蒸發(fā)過(guò)程；

（2）壓縮過(guò)程。壓縮過(guò)程在這個(gè)過(guò)程中，壓縮機(jī)抽取在蒸發(fā)器蒸發(fā)完了的冷媒氣體，然后把它加以壓縮，使其成為高壓的氣態(tài)冷媒。

（3）凝結(jié)過(guò)程。凝結(jié)過(guò)程高壓的氣態(tài)冷媒在冷凝器中由于周圍空氣或水冷卻而液化，為凝結(jié)過(guò)程。

（4）膨脹過(guò)程。膨脹過(guò)程此流過(guò)冷媒成為低壓的冷媒，因而利于在蒸發(fā)器蒸發(fā)，為膨脹過(guò)程。膨脹過(guò)程為從冷凝器出來(lái)的液態(tài)冷媒到蒸發(fā)器蒸發(fā)所必須經(jīng)過(guò)的過(guò)程。

冰機(jī)制冷量=Q/4.2/t。其中，t 是時(shí)間，即降溫需要多少時(shí)間。如果是風(fēng)冷，制冷量除以2500 就是匹數(shù)；如果是水冷，再除以3000 就是匹數(shù)。

3.2 冷卻池蒸發(fā)散熱降溫

主要探討循環(huán)水敝開(kāi)式蒸發(fā)降溫工藝，包括冷卻池和冷卻塔兩種。

（1）冷卻池降溫的設(shè)備結(jié)構(gòu)。蒸發(fā)冷卻池散熱是指液體的水分在物體表面由液態(tài)轉(zhuǎn)化為氣態(tài)，同時(shí)帶走熱量的一種散熱方式。蒸發(fā)散熱可以實(shí)現(xiàn)循環(huán)水降溫。冷卻池形式進(jìn)行降溫，現(xiàn)大多采用結(jié)構(gòu)包括塔池、風(fēng)機(jī)、收水器、水噴淋管件、填料層等。在循環(huán)水場(chǎng)中，由于塔內(nèi)填料的作用，水形成水膜層或水滴，加大熱水與空氣的接觸面積，增強(qiáng)水的蒸發(fā)散熱效果。每蒸發(fā)1 g 水可以帶走2.44 kJ 熱量，因此蒸發(fā)是非常有效的散熱方式。

（2）冷卻塔形式進(jìn)行降溫。即引入低露點(diǎn)氣體于冷卻塔，以降低循環(huán)水溫度，更進(jìn)一步地說(shuō)，將空分裝置剩余的或是多余的氣體引用水冷卻塔，氣體包括污氮?dú)狻⒍嘤嗷蚍趴盏牡獨(dú)?、氮?dú)狻?/p>

根據(jù)化工熱力學(xué)原理，低露點(diǎn)氣體和流動(dòng)的水接觸，即會(huì)形成未飽和水蒸發(fā)達(dá)到飽和的過(guò)程，水分蒸發(fā)、自身溫度降低。

4 水場(chǎng)風(fēng)機(jī)LF-47 改型

現(xiàn)用風(fēng)機(jī)廠家為某航空螺旋槳制造廠，擬對(duì)現(xiàn)役的LF-47風(fēng)機(jī)改型。該公司是我國(guó)唯一從事航空螺旋槳設(shè)計(jì)制造廠商，4.7 m 新型系列冷卻塔風(fēng)機(jī)在設(shè)計(jì)中廣泛吸取了國(guó)內(nèi)外先進(jìn)技術(shù)成果及乙二醇廠已定型的各種規(guī)格冷卻塔風(fēng)機(jī)的成熟經(jīng)驗(yàn)，各種技術(shù)性能指標(biāo)均達(dá)到了國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行證明，風(fēng)機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)可靠、維護(hù)檢修方便，主要技術(shù)性能指標(biāo)可以代替進(jìn)口風(fēng)機(jī)，在國(guó)內(nèi)處于領(lǐng)先地位。

各型號(hào)風(fēng)機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。從表中可以看出，用LF-47Ⅲ替代LF-47 風(fēng)機(jī)，改造后風(fēng)機(jī)的風(fēng)量可提高30%。

表1 各型風(fēng)機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)

（1）外形利用現(xiàn)有科技進(jìn)行改進(jìn)，風(fēng)量增大，即可增大循環(huán)水降溫作用。

（2）此減速器為二級(jí)傳動(dòng)，通過(guò)一對(duì)錐形齒輪和一對(duì)斜齒輪減速，齒輪所用的材料為鈦合金鋼，經(jīng)過(guò)熱處理，使齒輪具有良好的物理機(jī)械性能。從而保證了高抗磨性和高抗沖擊能力。此減速器內(nèi)有貯油槽及流道，采用飛濺自流式潤(rùn)滑，確保各潤(rùn)滑面具有足夠的油，同時(shí)還具有振動(dòng)小、噪音低、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)等優(yōu)點(diǎn)。減速器密封性能好，無(wú)漏油和滲油現(xiàn)象。

（3）傳動(dòng)軸由優(yōu)質(zhì)鋼聯(lián)接法蘭、優(yōu)質(zhì)鋼管和聯(lián)軸器組裝而成。兩個(gè)半聯(lián)軸器之間用8 個(gè)柱銷（每個(gè)柱銷帶有氯丁橡膠彈性圈）聯(lián)接，這種結(jié)構(gòu)安裝方便、耐腐蝕性好、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)。如果用戶的需要，也可采用膜片聯(lián)軸器。

（4）LF47Ⅲ型冷卻塔風(fēng)機(jī)的電機(jī)型號(hào)為YSDL250M-4/6P，B3。其安裝要求如下：

①清潔細(xì)致檢查各部件、擦拭清潔。在輪轂錐孔和減速器軸上涂上潤(rùn)滑脂。

②對(duì)好風(fēng)筒中心，安裝減速器。

③安裝電機(jī)和傳動(dòng)軸，傳動(dòng)軸兩法蘭平面的間隙為3 mm（如用膜片聯(lián)軸器則為17 mm），通過(guò)調(diào)整電機(jī)和減速器，保證法蘭面間的間隙在圓周各點(diǎn)上一致，最大互差不超過(guò)0.2 mm。

④將塔外油標(biāo)的兩根管固定在減速器上。

⑤把輪轂安裝到減速器上，在軸端空余處涂滿潤(rùn)滑脂，壓板和螺栓把輪轂固定在減速器軸上。

⑥安裝葉片。

⑦安裝擋風(fēng)板。將擋風(fēng)板按其外表面的輪

⑧生產(chǎn)號(hào)與輪轂配套安裝，并將擋風(fēng)板按其標(biāo)記與輪轂上的支板對(duì)準(zhǔn)，最后用螺栓固定。

⑨安裝塔外油標(biāo)。要求油標(biāo)進(jìn)油孔中心線和減速器放油孔中心線應(yīng)在同一水平線上，對(duì)照油塞尺刻線，現(xiàn)場(chǎng)在塔外油標(biāo)玻璃管刻上最高和最低油位線。

⑩整機(jī)安裝完畢后，用手盤(pán)動(dòng)傳動(dòng)軸，應(yīng)無(wú)阻滯和別勁現(xiàn)象、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)均勻。

費(fèi)用以簽訂合同形式進(jìn)行約束，同時(shí)材料雙方以甲方（使用單位）為主形式供給。

5 風(fēng)機(jī)系統(tǒng)引入變頻設(shè)備

在寒冷季節(jié)時(shí)期，時(shí)有精準(zhǔn)控制循環(huán)水溫度的需要。即運(yùn)行一臺(tái)風(fēng)機(jī)時(shí)溫度過(guò)低，不運(yùn)行又會(huì)出現(xiàn)溫度高的情況。冬季時(shí)頻繁進(jìn)行人工調(diào)整，會(huì)增加人員安全風(fēng)險(xiǎn)和人員勞動(dòng)強(qiáng)度。

因此，引入變頻技術(shù)。變頻器由整流（交流變直流）、濾波、逆變（直流變交流）、制動(dòng)單元、驅(qū)動(dòng)單元、檢測(cè)單元、微處理單元等功能模塊組成，涉及變頻技術(shù)與微電子技術(shù)，主要通過(guò)改變電機(jī)工作電源頻率的方式來(lái)控制交流電機(jī)的電力控制設(shè)備。根據(jù)電機(jī)的實(shí)際需要來(lái)提供其所需要的電源電壓，進(jìn)而達(dá)到節(jié)能、精準(zhǔn)調(diào)速的目的。變頻調(diào)速時(shí)，如果流量要求減小，通過(guò)降低泵或風(fēng)機(jī)的電機(jī)轉(zhuǎn)速即可滿足要求。

另外，變頻器還有很多的保護(hù)功能，如過(guò)流、過(guò)壓、過(guò)載保護(hù)等。隨著工業(yè)自動(dòng)化程度的不斷提高，變頻器已經(jīng)在工業(yè)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。

6 執(zhí)行的標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范

（1）閥管方面的標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范有《工業(yè)金屬管道設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50316—2008）、《鋼制管法蘭、墊片、緊固件》（HG/T 20592—2009）、《石油化工管道設(shè)計(jì)器材選用規(guī)范》（SH/T 3059—2012）。

（2）職業(yè)安全衛(wèi)生方面的標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范有：《生產(chǎn)設(shè)備安全衛(wèi)生設(shè)計(jì)總則》（GB 5083—1999）、《工作場(chǎng)所職業(yè)病危害警示標(biāo)識(shí)》（GBZ 158—2003）。

（3）消防方面，項(xiàng)目結(jié)合現(xiàn)有消火栓（配消防箱）可以滿足本項(xiàng)目消防用水要求，并執(zhí)行《消防給水及消火栓系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》（GB 50974—2014）。

（4）土建方面的標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范有《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（2016年版）、《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50011—2010）、《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB 50009—2012）、《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50007—2011）。

（5）信息自動(dòng)化方面的標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范有《石油化工儀表接地設(shè)計(jì)規(guī)范》（SH/T 3081—2003）、《石油化工自動(dòng)化儀表選型設(shè)計(jì)規(guī)范》（SH/T 3005—2016）、《自動(dòng)化儀表工程施工及質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》（GB50093—2013）、《石油化工儀表供電設(shè)計(jì)規(guī)范》（SH/T3082—2003）、《水污染源在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)安裝技術(shù)規(guī)范》（HJ/T 353—2007）、《石油化工儀表工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》（SH/T 3551—2013）。

（6）供電方面的標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范有《石油化工企業(yè)生產(chǎn)裝置電力設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)范》（SH/T 3038—2017）、《供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50052—2009）、《電力裝置的繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50062—2008）、《低壓配電設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50054—2011）、《爆炸危險(xiǎn)環(huán)境電力裝置設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50058—2014）、《電力裝置的電測(cè)量?jī)x表裝置設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB/T 50063—2008）、《化工企業(yè)腐蝕環(huán)境電力設(shè)計(jì)規(guī)程》（HG/T 20666—1999）。

7 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，為了確保在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中能夠發(fā)揮作用，需要進(jìn)行相應(yīng)操作并為其配備循環(huán)水冷卻塔電機(jī)控制系統(tǒng)，從而有效增強(qiáng)循環(huán)水冷卻效果的可操控性。