LNG工廠循環(huán)冷卻水系統(tǒng)優(yōu)化分析

丁 寧，唐高峰，丁 聰

(1.咸陽(yáng)市天然氣有限公司，陜西 咸陽(yáng) 712021；2.陜西液化天然氣投資發(fā)展有限公司，陜西 楊凌 712100；3.陜西城市燃?xì)猱a(chǎn)業(yè)發(fā)展有限公司，陜西 西安 710016)

由于水的化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，且具有較大的比熱容，所以常常作為熱量交換系統(tǒng)的冷卻介質(zhì)被用于工業(yè)企業(yè)，尤其是石油化工行業(yè)[1]。循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的平穩(wěn)、連續(xù)運(yùn)行，不僅影響著整個(gè)生產(chǎn)裝置的安全運(yùn)轉(zhuǎn)，而且也承擔(dān)著富余能量回收的任務(wù)。在循環(huán)冷卻水系統(tǒng)中，采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)的循環(huán)水泵和冷卻塔風(fēng)機(jī)是兩個(gè)主要的高耗能設(shè)備。循環(huán)水泵作為循環(huán)冷卻水系統(tǒng)必備的動(dòng)力設(shè)備，通常從水泵性能與管網(wǎng)特性的適配程度、水泵的運(yùn)行效率、管路閥門是否全部開(kāi)啟、管路系統(tǒng)堵塞結(jié)垢等方面進(jìn)行優(yōu)化，但從實(shí)際效果來(lái)看，節(jié)能降耗程度有限。因此從冷卻塔風(fēng)機(jī)考慮降低能耗也是一種思路，目前應(yīng)用較為廣泛的方式之一是使用水輪機(jī)代替冷卻塔風(fēng)機(jī)[2]。

1 循環(huán)冷卻水系統(tǒng)類型

按照工廠的生產(chǎn)工藝需要、循環(huán)冷卻水的冷卻及散熱形式，循環(huán)冷卻水系統(tǒng)可分為兩種，即封閉式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)和開(kāi)放式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)。

1.1 封閉式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)

封閉式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)也稱為密閉式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)，主要設(shè)備包括循環(huán)冷卻水泵、換熱器(冷卻工藝介質(zhì))、循環(huán)冷卻水增壓泵、循環(huán)冷卻水的冷卻設(shè)施。冷卻水由冷卻設(shè)施輸送至循環(huán)冷卻水泵進(jìn)行增壓、提供循環(huán)動(dòng)力，隨后冷卻水克服系統(tǒng)阻力持續(xù)輸送到換熱器進(jìn)行熱量交換，屬于介質(zhì)冷卻環(huán)節(jié)；吸收熱量的冷卻水在重力作用下由增壓泵進(jìn)一步加壓輸送至冷卻設(shè)施，經(jīng)過(guò)散熱器熱交換后逐級(jí)降溫，屬于循環(huán)水冷卻環(huán)節(jié)。在整個(gè)循環(huán)流程中，冷卻水始終處于密閉狀態(tài)，未與外界大氣接觸，在封閉狀態(tài)下循環(huán)回收再利用[3]。

在密閉式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)中，由于冷卻水與外界空氣沒(méi)有發(fā)生接觸，冷卻水損耗量較低。與此同時(shí)，由于循環(huán)過(guò)程的封閉性，循環(huán)水中的微生物、各類礦物質(zhì)及離子含量通常會(huì)維持在一個(gè)恒定水平，波動(dòng)變化較小。循環(huán)水水質(zhì)一般受污染的幾率不高，(相對(duì)于開(kāi)放式循環(huán)冷卻水系統(tǒng))不易發(fā)生腐蝕、結(jié)垢、微生物污染，不會(huì)被蒸發(fā)、濃縮，無(wú)需額外的補(bǔ)水和加藥，工藝設(shè)備的使用性能和壽命大大提高。但密閉式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)前期投資和運(yùn)行費(fèi)用較高，對(duì)于換熱量較小、工藝安全性、運(yùn)行可靠性要求較高，或者有其他特殊要求的生產(chǎn)系統(tǒng)，比較適用，如內(nèi)燃機(jī)、高爐冷卻壁、轉(zhuǎn)爐氧倉(cāng)等。

1.2 開(kāi)放式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)

在工業(yè)生產(chǎn)，實(shí)際應(yīng)用最為廣泛的循環(huán)冷卻水系統(tǒng)是開(kāi)放式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)。循環(huán)冷卻水通過(guò)循環(huán)水泵增壓后進(jìn)入換熱器，通過(guò)管束表面接觸，或者在換熱裝置中，與工藝介質(zhì)直接接觸，帶走工藝介質(zhì)的熱量；吸收熱量后的熱循環(huán)水輸送至冷卻裝置，通過(guò)與外界冷卻介質(zhì)直接接觸散發(fā)熱量，最后回收進(jìn)入循環(huán)系統(tǒng)再利用[4]。由于循環(huán)水在冷卻裝置中與外界直接接觸，冷卻水大量蒸發(fā)，產(chǎn)生濃縮現(xiàn)象，循環(huán)水系統(tǒng)中的鈣鎂離子更容易出現(xiàn)飽和結(jié)晶，需要常年補(bǔ)水、加藥且水質(zhì)的硬度、電導(dǎo)率等控制較難。與此同時(shí)，在與空氣接觸時(shí)，容易將雜質(zhì)、微生物及酸性物質(zhì)等帶入系統(tǒng)；加之，含氧量較高，容易出現(xiàn)腐蝕、結(jié)垢、微生物污染。按照與工藝介質(zhì)換熱的方式不同，可以分為間接開(kāi)放式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)和直接開(kāi)放式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)。

間接開(kāi)放式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)中，循環(huán)冷卻水通過(guò)換熱器，或者換熱裝置，與工藝介質(zhì)(如氣體或液體介質(zhì)等)間接地接觸來(lái)實(shí)現(xiàn)冷卻效果。由于與工藝介質(zhì)沒(méi)有直接接觸，循環(huán)水水質(zhì)參數(shù)不會(huì)發(fā)生變化，受到污染的概率小，僅僅提高了循環(huán)水溫度，因此也叫做清循環(huán)冷卻水系統(tǒng)。

直接開(kāi)放式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)中，循環(huán)冷卻水通過(guò)與工藝介質(zhì)、物料或者裝置直接地接觸來(lái)實(shí)現(xiàn)冷卻效果。由于直接接觸，導(dǎo)致?lián)Q熱過(guò)程常常會(huì)將大量雜質(zhì)、油污等污染物帶入循環(huán)水系統(tǒng)中，因此也叫做濁循環(huán)冷卻水系統(tǒng)。典型的軋機(jī)濁循環(huán)冷卻水系統(tǒng)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(huán)水系統(tǒng)現(xiàn)狀及存在問(wèn)題

2.1 循環(huán)冷卻水系統(tǒng)現(xiàn)狀

以陜西某LNG為例，工廠現(xiàn)有循環(huán)冷卻水系統(tǒng)一套，包括循環(huán)水池、循環(huán)水泵、冷卻塔、旁流過(guò)濾器、輔助加藥及在線監(jiān)測(cè)設(shè)備。工藝流程為：生產(chǎn)給水管網(wǎng)將工業(yè)用水定期補(bǔ)充至循環(huán)水池，循環(huán)水池中冷卻水通過(guò)循環(huán)水泵增壓后輸送至工廠的換熱器(冷卻器)；經(jīng)冷卻器換熱升溫后的循環(huán)水在管網(wǎng)壓力及重力作用下回流至循環(huán)水系統(tǒng)冷卻塔；通過(guò)冷卻塔上部的冷卻水分布器進(jìn)行配水，通過(guò)配水噴嘴的熱循環(huán)水形成噴射小水滴被均勻分布在填料上，熱循環(huán)水從填料上自由落下。與此同時(shí)，在電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下風(fēng)機(jī)葉片不斷地旋轉(zhuǎn)，大量氣流從風(fēng)機(jī)上方排出，不飽和空氣從塔底部或側(cè)面被吸入淋水裝置，熱循環(huán)水在填料間隙表面下降的過(guò)程中遇到上升的空氣流；在與不飽和的空氣進(jìn)行冷熱交換的同時(shí)降低了水滴的下降速度，從而延長(zhǎng)了熱量交換的時(shí)間。最終，通過(guò)直接接觸散熱、液體蒸發(fā)散熱和輻射散熱三種方式完成循環(huán)水冷卻，熱量被散發(fā)至空氣并被風(fēng)機(jī)排出塔外[5]。工廠循環(huán)冷卻水系統(tǒng)工藝流程如圖1所示。

圖1 循環(huán)冷卻水系統(tǒng)工藝流程示意圖

2.2 存在問(wèn)題

①設(shè)備耗電較高?，F(xiàn)有循環(huán)水冷卻塔安裝有3臺(tái)軸流風(fēng)機(jī)，每臺(tái)風(fēng)機(jī)功率為 110 kW(380 V)，3臺(tái)風(fēng)機(jī)日運(yùn)行耗電量為 7920 kW·h，全年運(yùn)行按300天計(jì)算，年耗電量在 2376000 kW·h。對(duì)于工廠運(yùn)行來(lái)說(shuō)，這是一筆不小的費(fèi)用。②冷卻塔風(fēng)機(jī)通常未設(shè)置變頻裝置，運(yùn)行熱負(fù)荷較低時(shí)存在電源浪費(fèi)。冷卻塔風(fēng)機(jī)均為定頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)，在LNG停產(chǎn)、減產(chǎn)期間，或者其他熱負(fù)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(duì)來(lái)說(shuō)偏低，而冷卻風(fēng)機(jī)無(wú)法通過(guò)降低轉(zhuǎn)速來(lái)適應(yīng)這種變化仍然按照既定功率運(yùn)行，此時(shí)電機(jī)耗電量偏高從而產(chǎn)生電能浪費(fèi)情況。③冷卻塔風(fēng)機(jī)的電機(jī)、減速箱日常維護(hù)費(fèi)用較高。由于冷卻塔風(fēng)機(jī)的電機(jī)即減速箱屬于動(dòng)設(shè)備，需要定期進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)，包括檢查電機(jī)緊固件、添加潤(rùn)滑油潤(rùn)滑脂、更換磨損軸承即密封墊片等，存在日常維護(hù)費(fèi)用。④冷卻塔風(fēng)機(jī)的電機(jī)和減速箱運(yùn)行期間產(chǎn)生較大噪音。冷卻塔現(xiàn)場(chǎng)噪音包括風(fēng)機(jī)運(yùn)行期間底部及側(cè)方進(jìn)氣產(chǎn)生的噪音，風(fēng)機(jī)出口排氣產(chǎn)生的噪聲，填料上淋水產(chǎn)生的噪聲，循環(huán)水池淋水產(chǎn)生的噪聲，循環(huán)水泵運(yùn)行噪聲，配管和閥門振動(dòng)噪聲等，此外由于存在電機(jī)和減速箱，運(yùn)行期間也會(huì)產(chǎn)生大量噪音，造成環(huán)境等聲污染。

3 節(jié)能改造方法

為減少冷卻塔風(fēng)機(jī)電機(jī)能耗、降低運(yùn)行成本，將冷卻塔風(fēng)機(jī)及其電機(jī)更換為水輪機(jī)，循環(huán)水系統(tǒng)管線連接至水輪機(jī)上，利用連桿將風(fēng)機(jī)與水輪機(jī)的輸出軸相連，帶動(dòng)風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)抽風(fēng)，完成冷卻水與空氣熱量交換，風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)能量由電力轉(zhuǎn)換為水力。有兩種工藝改造方案。

3.1 水輪機(jī)接回水管

為減少對(duì)現(xiàn)有循環(huán)水系統(tǒng)的影響，充分利用循環(huán)水系統(tǒng)回水管線富裕能量，改造方案為：①將冷卻塔原有電機(jī)、傳動(dòng)軸、減速箱拆除；②對(duì)冷卻塔回水管路進(jìn)行改造，改造為一條水輪機(jī)專用管線，使循環(huán)冷卻水回水由專用管線引至水輪機(jī)，通過(guò)水輪機(jī)之后再流入分布器進(jìn)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(wú)需開(kāi)啟風(fēng)機(jī)時(shí)冷卻塔仍能正常使用；④制作水輪機(jī)進(jìn)出水管和底座支撐，進(jìn)水管安裝流量調(diào)節(jié)閥門，風(fēng)筒開(kāi)孔并加固，安裝并調(diào)試水輪機(jī)；⑤管道防腐處理后并入系統(tǒng)。工藝流程如圖2、圖3所示。

圖2 循環(huán)冷卻水系統(tǒng)風(fēng)機(jī)節(jié)能改造后工藝流程示意圖(方案1)

圖3 循環(huán)冷卻水系統(tǒng)風(fēng)機(jī)節(jié)能改造后冷卻塔結(jié)構(gòu)示意圖(方案1)

3.2 水輪機(jī)接回流管

第一種方案是循環(huán)水回水驅(qū)動(dòng)，另一種方案是循環(huán)水給水驅(qū)動(dòng)，即將循環(huán)水泵出口管線改造連接至水輪機(jī)進(jìn)行風(fēng)機(jī)改造，即：①將冷卻塔原有電機(jī)、傳動(dòng)軸、減速箱拆除；②對(duì)循環(huán)水泵出口增壓冷卻水回流管路進(jìn)行改造，增加一條水輪機(jī)專用管線，使循環(huán)水泵增壓后的循環(huán)水由專用管線引至水輪機(jī)，之后再流入冷卻塔分布器進(jìn)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(wú)需開(kāi)啟風(fēng)機(jī)時(shí)冷卻塔仍能正常使用；④制作水輪機(jī)進(jìn)出水管和底座支撐，進(jìn)水管安裝流量調(diào)節(jié)閥門，風(fēng)筒開(kāi)孔并加固，安裝并調(diào)試水輪機(jī)；⑤管道防腐處理后并入系統(tǒng)[6]。工藝流程圖4、圖5所示。

圖4 循環(huán)冷卻水系統(tǒng)風(fēng)機(jī)節(jié)能改造后工藝流程示意圖(方案2)

圖5 循環(huán)冷卻水系統(tǒng)風(fēng)機(jī)節(jié)能改造后冷卻塔結(jié)構(gòu)示意圖(方案2)

4 方案的選擇

對(duì)于循環(huán)水系統(tǒng)實(shí)施節(jié)能減排、優(yōu)化改造，是一個(gè)循序漸進(jìn)、持續(xù)改進(jìn)的過(guò)程[7]。方案2中，將循環(huán)水泵出口回流管線進(jìn)行改造，泵出口循環(huán)水直接引導(dǎo)至水輪機(jī)入口作為驅(qū)動(dòng)。與方案1相比，方案2管線改造長(zhǎng)度增加，項(xiàng)目改造費(fèi)用上升，方案中水輪機(jī)僅僅利用泵出口機(jī)械能，而且沒(méi)有利用處在較高位置的水冷器中循環(huán)水的勢(shì)能，水輪機(jī)入口的能量相對(duì)1方案中要小。而方案1中水輪機(jī)利用了泵出口機(jī)械能和水冷器后勢(shì)能，能源利用更加充分、合理。通過(guò)方案1對(duì)工廠循環(huán)水系統(tǒng)整體節(jié)能優(yōu)化改造，改造更換了冷卻塔風(fēng)機(jī)及其配套電機(jī)設(shè)備，優(yōu)化調(diào)整循環(huán)水系統(tǒng)能量平衡[8]，產(chǎn)生了一定的經(jīng)濟(jì)效益及社會(huì)效益。

5 改造后效果

5.1 經(jīng)濟(jì)效益

現(xiàn)有循環(huán)水冷卻塔安裝有3臺(tái)軸流風(fēng)機(jī)，每臺(tái)風(fēng)機(jī)功率為 110 kW(380 V)。按照改造1臺(tái)風(fēng)機(jī)計(jì)算，日運(yùn)行耗電量為 2640 kW·h，全年運(yùn)行按300天計(jì)算，年耗電量在 792000 kW·h，單臺(tái)風(fēng)機(jī)改造年節(jié)約電費(fèi)為 792000 kW·h×0.6元/kW·h=47.52萬(wàn)元(電費(fèi)取平均價(jià)0.6元/kW·h)。同時(shí)，由于取消了電機(jī)、傳動(dòng)軸、減速箱，因而減少了日常的維護(hù)、檢修工作，在一定程度降低了運(yùn)行成本[9]。

通過(guò)以上初步計(jì)算，對(duì)一臺(tái)冷卻塔風(fēng)機(jī)采用節(jié)能技術(shù)改造，一年生產(chǎn)運(yùn)行周期內(nèi)可節(jié)約電費(fèi)47.52萬(wàn)元，節(jié)能效果顯著。若三臺(tái)風(fēng)機(jī)全部改造后年效益在140萬(wàn)元左右，運(yùn)行半年左右收回全部投資。

5.2 社會(huì)效益

1)循環(huán)冷卻水系統(tǒng)風(fēng)機(jī)改造，取消了原有系統(tǒng)中風(fēng)機(jī)的電機(jī)、傳動(dòng)軸、減速箱，在一定程度上降低了原有系統(tǒng)的大量噪音、震動(dòng)，減少對(duì)周邊環(huán)境的噪音污染，有一定的環(huán)保意義；2)由于水輪機(jī)取代了電機(jī)，不存在電氣設(shè)備及部件，對(duì)于可能存在可燃?xì)怏w的工廠，改造后更加安全，可在火災(zāi)爆炸危險(xiǎn)環(huán)境中工作；3)項(xiàng)目成功實(shí)施后對(duì)于具有類似改造條件的項(xiàng)目、工廠提供了一定借鑒意義。我國(guó)目前仍然以火力發(fā)電為主，合理地利用水輪機(jī)進(jìn)行改造，可以實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排。對(duì)于本LNG工廠而言，冷卻水塔改造1臺(tái)風(fēng)機(jī)后，每年就可節(jié)約電量 792000 kW·h，間接減少消耗 316800 kg 標(biāo)準(zhǔn)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(zhì)的排放，對(duì)于建立環(huán)境友好型工廠具有積極意義。