新型海水冷卻裝置及其技術(shù)經(jīng)濟(jì)性分析

侯霄艷 常春梅 孫海生 郝開開

（上海藍(lán)濱石化設(shè)備有限責(zé)任公司）

目前，國內(nèi)石化企業(yè)大多采用開式?jīng)鏊?shí)現(xiàn)對循環(huán)水的冷卻，這種方式主要依靠水的蒸發(fā)帶走循環(huán)水熱量，具有冷卻效果好、占地面積小及設(shè)備投資少等優(yōu)點(diǎn)［1］。但在設(shè)備運(yùn)行過程中，由于水與空氣直接接觸，造成循環(huán)水和水中藥劑大量蒸發(fā)損耗，據(jù)統(tǒng)計(jì)，冷卻塔所需補(bǔ)水量約為總循環(huán)水量的1.6%左右，以系統(tǒng)循環(huán)水量1 000t/h計(jì)算，則需補(bǔ)水16t/h。常年補(bǔ)水、加藥和水質(zhì)變差會對設(shè)備造成腐蝕，不但浪費(fèi)淡水資源，也增加了企業(yè)的運(yùn)行成本。

面對淡水資源的緊缺局面，沿海煉油化工企業(yè)逐漸開始采用海水替代淡水作為工業(yè)冷卻水，用以解決我國沿海城市和地區(qū)的淡水資源危機(jī)。由于海水具有取水溫度低、受季節(jié)影響不大及水源充足等優(yōu)點(diǎn)，在循環(huán)水冷卻系統(tǒng)中發(fā)揮了巨大的優(yōu)勢，同時(shí)在運(yùn)行過程中循環(huán)水側(cè)屬于閉式系統(tǒng)，與外界空氣沒有接觸，極大地減少了循環(huán)水的損耗與污染，達(dá)到了節(jié)能降耗的目的［2～6］。

針對循環(huán)水冷卻工況，筆者提出了一種結(jié)構(gòu)緊湊、可靠性高的新型海水冷卻系統(tǒng)，并將它與傳統(tǒng)開式?jīng)鏊谀逞h(huán)水冷卻項(xiàng)目中的應(yīng)用進(jìn)行了技術(shù)經(jīng)濟(jì)性對比。

1 海水冷卻系統(tǒng)工藝流程

海水冷卻系統(tǒng)工藝流程［7，8］主要分為海水側(cè)和循環(huán)水側(cè)。 如圖1 所示，海水側(cè)的海水通過提升泵抽至沉降池內(nèi)，通過物理沉降和金屬格柵粗過濾后，海水進(jìn)入過濾單元進(jìn)行精濾處理，經(jīng)過處理之后符合要求的海水進(jìn)入熱交換器單元進(jìn)行換熱，實(shí)現(xiàn)對循環(huán)水的冷卻，升溫后的海水排出。

圖1 海水冷卻系統(tǒng)海水側(cè)工藝流程簡圖

如圖2 所示，循環(huán)水側(cè)的循環(huán)水從工藝設(shè)備中排出后，進(jìn)入熱交換器單元，完成循環(huán)水的冷卻流程，冷卻后的循環(huán)水通過增壓水泵送回至工藝設(shè)備中，循環(huán)水側(cè)為閉式系統(tǒng)，不與外界空氣接觸，完成吸熱與放熱的熱量傳遞的全過程。 主管處設(shè)有膨脹水箱或穩(wěn)壓罐以及補(bǔ)水系統(tǒng)，當(dāng)循環(huán)水側(cè)壓力不穩(wěn)或者循環(huán)水有損耗時(shí)，對它進(jìn)行穩(wěn)壓和補(bǔ)水操作［9］。

圖2 海水冷卻系統(tǒng)循環(huán)水側(cè)工藝流程簡圖

2 新型海水冷卻裝置結(jié)構(gòu)

冷卻裝置作為海水冷卻系統(tǒng)中的核心裝置，目前普遍采用的是可拆卸板式換熱器。 但是由于海水具有很強(qiáng)的腐蝕性，使得換熱器的墊片即使采用耐腐蝕性能強(qiáng)的丁腈橡膠也會經(jīng)常發(fā)生泄漏問題，泄漏導(dǎo)致的停工給生產(chǎn)造成了嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。 同時(shí)，海水側(cè)存在大量藻類植物、節(jié)肢動物及微生物等，會經(jīng)常堵塞流道，而為了控制海洋生物生長所投加的氧化型殺生劑，會加快對設(shè)備墊片的腐蝕，減少設(shè)備的使用壽命。 為保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，可拆卸板式換熱器每隔一段時(shí)間就需要進(jìn)行拆卸和清理， 并對老化墊片進(jìn)行更換，這極大地增加了企業(yè)的維護(hù)成本［10］。

為此提出圖3 所示的海水冷卻裝置。

圖3 新型海水冷卻裝置結(jié)構(gòu)

該裝置采用全焊接板式換熱器，相較于傳統(tǒng) 的可拆墊片式板式換熱器，極大地降低了墊片腐蝕泄漏的風(fēng)險(xiǎn)；板束為寬通道結(jié)構(gòu)，在高流速海水的沖刷下， 固體顆粒會隨海水排出換熱器，減少在板束內(nèi)積聚的可能性。 同時(shí)，換熱器兩側(cè)管箱設(shè)置有可拆蓋板，可定期拆卸蓋板對板束進(jìn)行沖洗，減小堵塞發(fā)生的可能性，保證設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行，同時(shí)易于設(shè)備維修。 該裝置可采用立式或臥式安裝，具有結(jié)構(gòu)緊湊、可靠性高等特點(diǎn)［11］。

3 循環(huán)水冷卻項(xiàng)目方案設(shè)計(jì)

以某公司循環(huán)水冷卻工程項(xiàng)目為例，對新型海水冷卻系統(tǒng)和開式?jīng)鏊煞N方案進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3.1 設(shè)計(jì)條件

循環(huán)水冷卻項(xiàng)目設(shè)計(jì)參數(shù)如下：

總流量 40 000m3/h

進(jìn)口溫度 42℃

出口溫度 32℃

進(jìn)口壓力 50kPa

允許壓力降 50kPa

濕球溫度 28℃

密度 1 000kg/m3

年工作時(shí)間 8 000h

3.2 海水冷卻系統(tǒng)方案

經(jīng) 工 藝 計(jì) 算［12,13］， 將 40 000m3/h 循 環(huán) 水 從42℃冷卻到32℃， 共需10 臺新型海水冷卻板式換熱器（8 用2 備），并聯(lián)布置；同時(shí)配置海水過濾器、海水提升泵和循環(huán)水泵各10 臺，換熱器與過濾器、海水提升泵和循環(huán)水泵串聯(lián)布置。

板式換熱器單臺處理量為5 000m3/h，占地面積 5.6m2，換熱面積 1 800m2，單板換熱面積 3m2；配套海水提升泵為單級雙吸型離心泵，額定體積流量5 000m3/h，揚(yáng)程50m，電機(jī)功率1 000kW；配套循環(huán)水泵為管道增壓泵，額定體積流量5 000m3/h，揚(yáng)程40m，電機(jī)功率740kW；配套海水過濾器為在線自動反沖洗過濾器，單臺流量5 000m3/h，電機(jī)功率1.2kW。

3.3 開式?jīng)鏊桨?/h3>

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，選用TSNL-5000 開式冷卻塔8 個(gè)，單塔設(shè)計(jì)冷卻量5 000m3/h，單塔平面尺寸19m×19m，風(fēng)機(jī)配用電機(jī)功率220kW，雙面進(jìn)風(fēng)，鋼筋混凝土框架，玻璃鋼維護(hù)［14，15］。

配套集水池尺寸為 160m（長）×22m（寬）×2m（深）。 另設(shè)8 個(gè)循環(huán)水泵吸水池，每個(gè)水池的尺寸為 16m（長）×4m（寬）×5.5m（深）。 選用 10 臺單級雙吸型離心泵（8 用 2 備），額定體積流量5 000m3/h，揚(yáng)程75m，電機(jī)功率1 100kW。

4 技術(shù)經(jīng)濟(jì)性比較

在循環(huán)水側(cè)相同的工藝條件下，對新型海水冷卻系統(tǒng)和開式?jīng)鏊M(jìn)行對比。 主要設(shè)備投資費(fèi)用對比見表1，經(jīng)濟(jì)效益對比見表2。

表1 兩種冷卻方案主要設(shè)備投資費(fèi)用對比 萬元

由表1、2 可知，海水冷卻系統(tǒng)方案較開式?jīng)鏊桨赋跗谠O(shè)備投資多2 840 萬元， 但在操作費(fèi)用上每年可節(jié)省724 萬元，海水冷卻系統(tǒng)方案初期設(shè)備投資增加部分的靜態(tài)回收期為2840÷724=3.9 年， 即通過節(jié)省操作費(fèi)用可在不到4 年的時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)設(shè)備投資增加部分的全部回收，以后每年還可以實(shí)現(xiàn)節(jié)約淡水資源640 萬噸，極大地降低了對淡水資源的消耗。

表2 兩種冷卻方案經(jīng)濟(jì)效益對比

5 結(jié)束語

針對現(xiàn)有海水冷卻系統(tǒng)中可拆卸板式換熱器存在的問題，提出了新型海水冷卻裝置全焊接寬通道板式換熱器，該裝置具有結(jié)構(gòu)緊湊、耐腐蝕性能強(qiáng)和不易堵塞的特點(diǎn)，可極大地降低企業(yè)的維修成本。 同時(shí)，沿海地區(qū)具有海水水源充足的特點(diǎn)， 以海水作為冷卻介質(zhì)帶走工業(yè)生產(chǎn)廢熱，取代目前在沿海煉油化工企業(yè)中廣泛采用的開式冷卻塔，將極大地滿足用戶對降低淡水消耗的迫切需求。 雖然海水冷卻系統(tǒng)初期設(shè)備投資較開式?jīng)鏊撸?但在后期運(yùn)行中節(jié)水效果顯著，可極大地降低企業(yè)運(yùn)行成本，具有廣闊的發(fā)展?jié)摿Α?/p>