大型天然氣處理廠循環(huán)冷卻水系統(tǒng)設(shè)計(jì)探討

梅歡， 陶賢文， 連廣宇， 韓宗譚

（中國(guó)石油工程建設(shè)有限公司北京設(shè)計(jì)分公司， 北京 100085）

循環(huán)冷卻水系統(tǒng)在石化、 電力、 冶金等行業(yè)中應(yīng)用廣泛［1-2］。 循環(huán)冷卻水系統(tǒng)是天然氣處理廠的血液， 設(shè)計(jì)好循環(huán)冷卻水系統(tǒng)， 是保證天然氣處理廠安全穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)［3］。 在已建項(xiàng)目中， 絕大多數(shù)循環(huán)冷卻水系統(tǒng)采用開式系統(tǒng)［4］。 本文以伊拉克某大型天然氣處理廠循環(huán)冷卻水系統(tǒng)為例， 從操作維護(hù)、 節(jié)能、 運(yùn)行穩(wěn)定性、 安裝便利性以及安全角度考慮， 采用一種無(wú)風(fēng)機(jī)無(wú)填料噴霧推進(jìn)通風(fēng)節(jié)能冷卻塔， 詳細(xì)介紹這種開式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)， 并提供設(shè)計(jì)參考。

1 工程概況

該大型天然氣處理廠位于伊拉克哈法亞油田，循環(huán)冷卻水系統(tǒng)主要服務(wù)于站場(chǎng)內(nèi)的氨液處理單元、 凝析油處理單元、 輕烴回收單元、 尾氣回收單元和儀表風(fēng)氮?dú)馇藛卧龋?總設(shè)計(jì)循環(huán)水量為6 600 m3／h。 設(shè)計(jì)濕球溫度、 循環(huán)冷卻水溫差的不同取值對(duì)循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的設(shè)備投資、 自用電耗等均產(chǎn)生較大影響［5］。 本項(xiàng)目設(shè)計(jì)干球溫度為50 ℃（夏季）和20 ℃（冬季）， 設(shè)計(jì)濕球溫度為29 ℃（夏季）和14.1℃（冬季）， 循環(huán)冷卻水系統(tǒng)供水溫度為43 ℃，回水溫度為35 ℃， 溫差△t 為8 ℃。 當(dāng)?shù)叵鄬?duì)濕度為25%～80%， 大氣壓力為102 kPa。 該天然氣處理廠工業(yè)用水來(lái)自哈法亞油田已建水廠， 該水廠的給水水源為河水。 考慮到旱季河水中的鹽分較高，總含鹽量（TDS）最高約為2 000 mg／L， Cl－質(zhì)量濃度最高約為700 mg／L， 且循環(huán)冷卻水系統(tǒng)管網(wǎng)多采用碳鋼材質(zhì)， 若直接采用該水廠來(lái)水， 由于循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的濃縮效應(yīng)， 會(huì)對(duì)循環(huán)冷卻水系統(tǒng)有腐蝕和結(jié)垢影響。 本項(xiàng)目循環(huán)冷卻水系統(tǒng)補(bǔ)水采用一級(jí)RO 出水， 以減少水中Cl－、 Ca2＋和Mg2＋對(duì)系統(tǒng)的腐蝕和結(jié)垢， 系統(tǒng)補(bǔ)水水質(zhì)見表1。

表1 一級(jí)RO 出水水質(zhì)Tab. 1 Quality of effluent water from 1st RO

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 冷卻塔選型

該冷卻塔服務(wù)于伊拉克哈法亞油田天然氣處理設(shè)施， 安全消防等要求級(jí)別高， 且需要考慮節(jié)水節(jié)能。 目前國(guó)內(nèi)流行一種噴霧推進(jìn)通風(fēng)節(jié)能冷卻塔，廣泛應(yīng)用于天然氣處理、 煉油、 化工、 鋼鐵、 電力、 醫(yī)藥、 賓館等諸多領(lǐng)域。 在上海廣電富士材料有限公司、 臺(tái)塑臺(tái)化、 南京鋼鐵集團(tuán)氣體公司、 蘇南碩放國(guó)際機(jī)場(chǎng)、 陜西神木四海煤化工等有成功應(yīng)用的案例， 根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研， 用戶反應(yīng)冷卻效果不錯(cuò)。 與傳統(tǒng)機(jī)械式冷卻塔相比， 噴霧推進(jìn)通風(fēng)節(jié)能冷卻塔具有以下優(yōu)點(diǎn)： ①取消傳統(tǒng)冷卻塔中的電動(dòng)風(fēng)機(jī)， 安全節(jié)能； ②塔內(nèi)熱水在細(xì)霧狀態(tài)下與進(jìn)塔冷空氣進(jìn)行熱交換， 并及時(shí)將熱量排出塔外， 降溫效果好； ③飄水率小， 不易堵塞， 對(duì)水質(zhì)無(wú)特殊要求； ④用途廣泛， 易維護(hù)， 組裝靈活。 綜合考慮，選擇噴霧推進(jìn)通風(fēng)節(jié)能冷卻塔作為該循環(huán)冷卻水系統(tǒng)冷卻塔。

噴霧推進(jìn)通風(fēng)節(jié)能冷卻塔充分利用循環(huán)冷卻水系統(tǒng)中存在的余壓（不低于0.15 MPa（G））， 以此為動(dòng)力源， 在噴霧推力的驅(qū)動(dòng)下， 帶動(dòng)噴管及風(fēng)葉旋轉(zhuǎn)， 快速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力使水流離心增壓， 噴射流體速度加快， 使循環(huán)回水以霧狀噴出。 因噴頭在垂直方向有一傾角， 在垂直分力和旋轉(zhuǎn)離心力的作用下， 使噴霧推進(jìn)霧化裝置中的水流產(chǎn)生離心增壓， 噴出的霧流向中心收縮， 并保持一定的噴射高度和范圍。 最后將水流的大部分能量轉(zhuǎn)化為風(fēng)能，使熱水霧流與冷風(fēng)得到充分熱交換， 達(dá)到循環(huán)回水降溫的目的。 該冷卻塔原理如圖1 所示。

圖1 噴霧推進(jìn)通風(fēng)冷卻塔示意Fig. 1 Spraying propulsion draft cooling tower

本項(xiàng)目采用4 套噴霧推進(jìn)通風(fēng)節(jié)能冷卻塔， 單套塔設(shè)計(jì)處理量為1 750 m3／h， 塔尺寸為30 m×6 m×7 m， 這種冷卻塔呈矩形布置， 占地面積較大， 系統(tǒng)水池和泵房的布局均按此考慮。 該冷卻塔在夏季且循環(huán)回水溫度為43 ℃的情況下， 可降溫8 ℃；在冬季且回水溫度同樣為43 ℃的情況下， 可降溫14.6 ℃， 根據(jù)天然氣工藝裝置換熱器要求， 需要保證其循環(huán)水供水溫度的相對(duì)穩(wěn)定， 因此需要旁通一部分循環(huán)回水直接去循環(huán)水池， 經(jīng)計(jì)算單套塔需要旁通790 m3／h， 通過調(diào)整旁通量， 保證不同季節(jié)系統(tǒng)供水溫度的穩(wěn)定。

2.2 補(bǔ)水量與排污量計(jì)算

（1） 冷卻塔蒸發(fā)損失水量按下式計(jì)算［6］：

式中： Qe為蒸發(fā)損失水量， m3／h； △t 為冷卻塔進(jìn)、 出水溫差， 8 ℃； KZF為蒸發(fā)損失系數(shù)， 根據(jù)干球溫度取0.001 7； Q 為循環(huán)冷卻水量， 6 600 m3／h。

計(jì)算得冷卻塔蒸發(fā)量Qe為89.8 m3／h。

（2） 風(fēng)吹損失水量Qw按循環(huán)冷卻水量0.1%考慮， Qw＝0.1%·Q ＝6.6 m3／h。

（3） 循環(huán)冷卻水系統(tǒng)排污量根據(jù)循環(huán)冷卻水水質(zhì)和濃縮倍數(shù)計(jì)算確定， 并按下式計(jì)算［6］：

式中： Qb為系統(tǒng)排污量， m3／h； N 為濃縮倍數(shù)， 計(jì)算按5 考慮。

計(jì)算得冷卻塔排污量Qb為15.8 m3／h， 在循環(huán)冷卻水系統(tǒng)回水干管設(shè)置排污管線， 并設(shè)置調(diào)節(jié)閥， 根據(jù)系統(tǒng)電導(dǎo)率儀實(shí)測(cè)電導(dǎo)率控制系統(tǒng)的排污量。 正常運(yùn)行時(shí)， 可調(diào)節(jié)系統(tǒng)的濃縮倍數(shù)到10。

（4） 循環(huán)冷卻水系統(tǒng)補(bǔ)充水量Qm＝Qe＋Qw＋Qb＝112.2 m3／h。

2.3 集水池設(shè)計(jì)

集水池與泵吸水池設(shè)置在一起， 中間用隔墻分開， 隔墻上設(shè)置4 道1 m×1 m 的閘門和攔污格網(wǎng)，格網(wǎng)柵條間隙為12 mm。 水池設(shè)置在一套冷卻塔下方， 其他冷卻塔通過管道將經(jīng)冷卻的循環(huán)冷卻水連接至該集水池下。 考慮到冷卻塔的平面尺寸和閘門攔污格網(wǎng)操作便利性， 確定水池（含集水池和泵吸水池）的平面尺寸為30 m×12 m， 集水池分2 格，詳見圖2。

圖2 循環(huán)冷卻水系統(tǒng)平面布置Fig. 2 Plan of circulating cooling water system layout

水池地上安裝， 根據(jù)以下3 點(diǎn)確定水池最低運(yùn)行液位高度： ①參考水泵必須汽蝕余量NPSHr， 考慮1 m 的安全裕量， 結(jié)合水泵的安裝， 核算水池最低運(yùn)行液位約為0.6 m； ②喇叭口垂直布置， 最低運(yùn)行液位距離喇叭口淹沒深度為1.0 ～1.3 倍喇叭口直徑［6］， 核算水池最低運(yùn)行液位約為1.4 m； ③考慮防旋渦高度， 最低運(yùn)行液位距離喇叭口邊緣距離S按下式計(jì)算［7］， 計(jì)算得S ＝1.6 m， 核算水池最低運(yùn)行液位為1.6 m。

式中： Fr 為弗勞德數(shù)； D 為喇叭口外徑， 0.914 m； v 為喇叭口流速， 0.63 m／s； g 為重力加速度， 9.8 m／s2； S 為最低運(yùn)行液位距離喇叭口邊緣距離， m。

綜合以上3 點(diǎn)， 選取1.6 m 作為水池的最低運(yùn)行液位； 水池可調(diào)節(jié)容積考慮總循環(huán)水量5 min 的調(diào)節(jié)時(shí)間， 核算水池可調(diào)節(jié)高度為1.5 m； 選取100 mm 的溢流保護(hù)高度， 以及300 mm 超高， 最后計(jì)算水池高度H ＝3.5 m。 循環(huán)冷卻水系統(tǒng)管網(wǎng)水容積約為1 200 m3， 換熱器水容積為200 m3， 水池水容積為1 000 m3， 系統(tǒng)總水容積為2 400 m3， 滿足循環(huán)冷卻水系統(tǒng)循環(huán)冷卻水小時(shí)流量1／3［8］。 冷卻水在系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)時(shí)間經(jīng)計(jì)算約為30 min， 滿足緩蝕劑、 阻垢劑和NaClO 殺菌劑的藥劑停留時(shí)間。

2.4 循環(huán)水泵設(shè)計(jì)

系統(tǒng)總循環(huán)水量為6 600 m3／h， 循環(huán)水泵采用5 臺(tái)離心泵（4 用1 備）， 單泵額定流量為1 750 m3／h。 噴霧推進(jìn)通風(fēng)節(jié)能冷卻塔要求回水至噴霧裝置的余壓不低于0.15 MPa（G）， 考慮工藝換熱器水力壓降為0.2 MP（G）， 循環(huán)水系統(tǒng)管網(wǎng)供回水管網(wǎng)同路徑枝狀布置， 經(jīng)PIPENET 水力計(jì)算軟件模擬［9］，循環(huán)水泵揚(yáng)程為65 m， 軸功率為400 kW。

2.5 旁濾設(shè)計(jì)

間冷開式系統(tǒng)旁濾水量宜為循環(huán)冷卻水小時(shí)流量的1%～5%［6］， 旁濾水量F0取400 m3／h， 選用2臺(tái)纖維球過濾器， 單臺(tái)處理能力為200 m3／h。 纖維球過濾器具有過濾精度高、 處理量大、 濾速快、 反沖洗強(qiáng)度低、 濾料再生效果好等優(yōu)點(diǎn)［10］， 對(duì)5 μm以上懸浮物的去除率能維持在90% 以上。 伊拉克地區(qū)多沙塵暴， 考慮風(fēng)沙情況下總懸浮物（SS）經(jīng)過一定時(shí)間的旁濾處理至正常水質(zhì)的恢復(fù)時(shí)長(zhǎng)由下式計(jì)算：

式中： △P 為SS 在△t 時(shí)間的質(zhì)量濃度變化，mg／L； △t 為時(shí)間變化， h； F0為旁濾水量， 400 m3／h； F 為反沖洗時(shí)小時(shí)旁濾量， 350 m3／h； Q 為總循環(huán)水量， 6 600 m3／h； Qm為補(bǔ)充水量， 112.2 m3／h； Qb為排污量， 15.8 m3／h； Qw為風(fēng)吹損失水量， 6.6 m3／h； V 為系統(tǒng)總水容積， 2 400 m3； P 為循環(huán)水中SS 質(zhì)量濃度， mg／L； Pi為風(fēng)中SS 質(zhì)量濃度， 0.4 mg／L（假定）； Pm為系統(tǒng)補(bǔ)水中SS 質(zhì)量濃度， 0.3 mg／L（假定）； e 為SS 去除率， 90%； t 為系統(tǒng)水質(zhì)回復(fù)正常時(shí)間， h； a、 b 為系數(shù)。

經(jīng)計(jì)算， 在風(fēng)沙情況下SS 質(zhì)量濃度由100 mg／L， 經(jīng)纖維球過濾器處理降至20 mg／L， 考慮一定裕量， 處理時(shí)長(zhǎng)約為20 h， 循環(huán)水系統(tǒng)在1 d 時(shí)間內(nèi)可回復(fù)正常水質(zhì)。

2.6 加藥系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)設(shè)置3 套加藥系統(tǒng)， 緩蝕劑系統(tǒng)撬裝、 阻垢劑系統(tǒng)撬裝和NaClO 殺菌劑系統(tǒng)撬裝， 以控制系統(tǒng)的腐蝕、 結(jié)垢和藻類微生物損害換熱器、 管道。 緩蝕劑和阻垢劑的投加量針對(duì)補(bǔ)水量， NaClO的投加量針對(duì)循環(huán)水量。 計(jì)算后， 緩蝕劑系統(tǒng)和阻垢劑系統(tǒng)采用容積5 m3溶藥箱和2 臺(tái)（1 用1 備）流量0 ～100 L／h、 揚(yáng)程40 m 的計(jì)量泵； NaClO 殺菌劑系統(tǒng)采用容積為10 m3溶藥箱和2 臺(tái)（1 用1備）流量0 ～1 000 L／h、 揚(yáng)程40 m 的計(jì)量泵。 3 種加藥系統(tǒng)連續(xù)加藥， 同時(shí)采用非氧化性殺菌劑對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行每月1 次的沖擊加藥。

3 結(jié)語(yǔ)

（1） 噴霧推進(jìn)通風(fēng)節(jié)能冷卻塔是一種高效、 安全、 節(jié)能、 節(jié)水且安裝便利的無(wú)風(fēng)機(jī)無(wú)填料冷卻塔， 可廣泛應(yīng)用于天然氣處理、 煉油、 化工、 鋼鐵、 電力、 醫(yī)藥、 賓館等領(lǐng)域。

（2） 考慮夏季工況和冬季工況， 通過調(diào)整循環(huán)回水進(jìn)塔水量， 滿足不同季節(jié)換熱器供水溫度的相對(duì)穩(wěn)定。

（3） 進(jìn)行泵吸入口防旋渦計(jì)算， 能夠更加合理地進(jìn)行泵吸入口的液位設(shè)計(jì)； 考慮伊拉克多風(fēng)沙天氣， 進(jìn)行風(fēng)沙后循環(huán)冷卻水經(jīng)旁濾處理恢復(fù)至正常水質(zhì)的運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)計(jì)算， 有助于更加精確地設(shè)計(jì)好旁濾系統(tǒng)。