密閉水冷式冷卻塔的可靠性改造分析

遲百川，張巖巖

（國家石油天然氣管網(wǎng)集團(tuán)有限公司山東省分公司，山東濟(jì)南 250101）

0 引言

密閉水冷式冷卻塔[1-2]是一種以水為媒介的冷卻裝置，通過與流過的空氣、循環(huán)水進(jìn)行熱量交換，達(dá)到降溫的目的。但其在長期運行過程中，出現(xiàn)冷卻能力下降、水垢多、外壁結(jié)冰、滋生水藻及青苔等情況，嚴(yán)重影響了相關(guān)設(shè)備的安全平穩(wěn)運行。

因此，首先闡述水冷式冷卻塔的結(jié)構(gòu)原理、存在問題；然后從冷卻塔運行的穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性及可行性等方面進(jìn)行分析，結(jié)合當(dāng)?shù)貧夂?、水質(zhì)等實際情況，將原有水冷式與新引入風(fēng)冷式[3-4]進(jìn)行對比分析，論證改造的可行性及必要性，并確定后續(xù)生產(chǎn)運行的模式選擇，即正常情況下使用風(fēng)冷模式，特殊情況切換至水冷模式。

1 水冷式冷卻塔現(xiàn)狀調(diào)查

某壓氣站采用FBP-120-3-1 密閉水冷式冷卻塔，主要由塔體、風(fēng)機(jī)、噴淋泵[5]、蓄水池及配套管路組成，冷卻能力約為1800 萬kJ/h，承擔(dān)著離心壓縮機(jī)[6]、潤滑油站以及變頻器[7]的冷卻任務(wù)。塔體的組成包括：1-減速裝置；2-進(jìn)水口；3-面板；4-百葉；5-溢水口；6-水箱；7-出水口；8-電機(jī)；9-風(fēng)機(jī)（鋁合金）；10-風(fēng)筒（玻璃鋼）；11-收水器（PVC）；12-播水裝置；13-填料（PVC）；14-扶梯；15-補(bǔ)水口；16-排污口。水冷式冷卻塔如圖1 所示。

圖1 水冷式冷卻塔

密閉水冷式冷卻塔主要工藝流程有兩個。一是設(shè)備降溫流程：去離子水裝置→供水泵→循環(huán)水泵→壓縮機(jī)房內(nèi)循環(huán)水、變電所外循環(huán)水→冷卻塔；二是內(nèi)循環(huán)水降溫流程：供水泵→噴淋泵→冷卻水塔→水槽。冷卻循環(huán)系統(tǒng)流程如圖2 所示。

圖2 冷卻循環(huán)系統(tǒng)

但在長期的運行過程中，密閉水冷式冷卻塔存在以下問題：

（1）現(xiàn)場設(shè)置3 臺冷卻塔，采用2 用1 備的運行方式，但在夏季運行過程中，環(huán)境溫度高，需3 臺設(shè)備全部運行，導(dǎo)致無備用。

（2）使用的循環(huán)水為地下水[8]，現(xiàn)場的地下水硬度高、堿性大、水垢多、氯化物超標(biāo)，設(shè)備運行過程中會有部分水溢出或飛濺到塔外，造成塔體本身、風(fēng)機(jī)扇葉及相關(guān)設(shè)備設(shè)施腐蝕[9]嚴(yán)重（圖3），需定期清洗、更換。

圖3 冷卻塔外壁及風(fēng)扇結(jié)垢

（3）該地區(qū)冬季氣溫較低，設(shè)備運行過程中會出現(xiàn)塔體外壁結(jié)冰現(xiàn)象，影響空氣流通，換熱能力下降。

（4）蓄水池內(nèi)需常年存水，水池內(nèi)滋生水藻、青苔，附著在加熱管、噴淋泵入口等處，影響相關(guān)設(shè)備使用壽命。水槽內(nèi)污物清理情況如圖4 所示，水質(zhì)化驗報告如圖5 所示。

圖4 水槽內(nèi)污物清理

圖5 水質(zhì)化驗報告

（5）噴淋泵常年運行，使用壽命降低，維護(hù)成本增大。

2 可靠性改造方案

根據(jù)循環(huán)水系統(tǒng)[10-11]設(shè)計要求（循環(huán)水流量126 m3/h，進(jìn)口溫度45 ℃，出口溫度33 ℃，溫度差為12 ℃，冷卻能力約為1800×104kJ/h）進(jìn)行測算，純風(fēng)冷式冷卻塔在氣溫不太高時滿足設(shè)計要求，但在夏季運行期間仍存在超溫運行風(fēng)險，無法滿足設(shè)計需要。因此保留噴淋泵，日常以風(fēng)冷模式運行，夏季高溫時期對水槽注水啟動噴淋泵輔助降溫以滿足冷卻用水需要。

2.1 改造安裝

為滿足冷卻水設(shè)計要求，風(fēng)冷式冷卻塔需要更大的換熱面積以滿足運行需要，風(fēng)冷式冷卻塔設(shè)計如圖6 所示，增加散熱風(fēng)扇。

圖6 風(fēng)冷式冷卻塔設(shè)計

單臺風(fēng)冷式冷卻塔設(shè)計尺寸為6.48 m×2.98 m×5.25 m，3臺冷卻塔需占地面空間19.44 m×2.98 m×5.25 m?，F(xiàn)場冷卻塔可用地面的東西長度約25 m，南北長度約10.4 m。因此，現(xiàn)場滿足風(fēng)冷式冷卻塔占地面積要求，四周還可留出足夠的巡檢空間。冷卻塔設(shè)備及管道平面布置如圖7 所示。

2.2 結(jié)構(gòu)對比

水冷式冷卻塔主要由循環(huán)管路、散熱器、循環(huán)水泵、風(fēng)機(jī)、蓄水池、足夠的水源組成，結(jié)構(gòu)復(fù)雜；而風(fēng)冷式冷卻塔有循環(huán)管路、循環(huán)水泵、風(fēng)機(jī)組成，結(jié)構(gòu)相對簡單。

2.3 冷卻效果

水冷式冷卻塔主要是以水為冷卻介質(zhì)，水的比熱容[12]為4.2 kJ/（kg·K），風(fēng)冷式冷卻塔主要是以空氣為冷卻介質(zhì)，空氣的比熱容為1.4 kJ/（kg·K），水的比熱容是空氣的3 倍，但空氣的流動性遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于水，因此，同等耗電條件下，水冷式冷卻塔與風(fēng)冷式冷卻塔冷卻效果相差不大。

2.4 能耗成本分析

水冷式冷卻塔在運行過程中，每時每刻都會有蒸發(fā)、飛濺情況的發(fā)生，按照往年運行經(jīng)驗，單臺冷卻塔綜合損水耗量為3000 m3/年/臺；而風(fēng)冷式冷卻塔以空氣為冷卻介質(zhì)，運行過程中基本無損耗，但每年的八九月份由于氣溫較高，需啟動噴淋泵。同時，水冷式冷卻塔在運行過程中，需進(jìn)行防腐、外壁清洗、相關(guān)備件更換等，還需投入人工成本進(jìn)行日常性維護(hù)。兩種冷卻塔對比見表1。

表1 兩種冷卻塔對比

以工業(yè)用電平均電價0.55 元/（kW·h）、水資源稅2 元/m3為基準(zhǔn)進(jìn)行計算。水冷式冷卻塔的單臺年耗電成本：（11+4）kW×24 h×365×0.55 元/（kW·h）=72 270 元；單臺年水費成本：3000 m3×2 元/m3=6000 元；單臺年維護(hù)成本：7500+3000+3500+10 000+15 000+16 000=55 000 元；進(jìn)而單臺年總生產(chǎn)運行成本為133 270 元。風(fēng)冷式冷卻塔單臺年耗電成本：（36 kW×24 h×365+4 kW×24 h×60）×0.55 元（kW·h）=176 616 元；基本無其他成本支出，其年總生產(chǎn)運行成本約176 616 元。改造后單臺增加成本支出40 000 余元。

但結(jié)合現(xiàn)場實際情況，頻繁的維護(hù)保養(yǎng)、特殊情況下備件無法及時到貨、夏季無法控制水溫等，嚴(yán)重影響壓縮機(jī)等關(guān)鍵設(shè)備的平穩(wěn)運行，間接性、不可預(yù)料性的支出將大大增加，同時也增大了員工的日常工作量。雖然改造后成本支出增加，但兩種冷卻方式的結(jié)合使用，大大提高了設(shè)備的安全、平穩(wěn)性。

3 結(jié)束語

作為壓氣站冷卻系統(tǒng)不可或缺的設(shè)備，冷卻塔在石油石化行業(yè)中的作用至關(guān)重要。針對密閉水冷式冷卻塔長期運行過程中出現(xiàn)的問題，進(jìn)行詳細(xì)分析，并闡述風(fēng)冷式冷卻塔的改造方案。通過綜合對比分析兩種冷卻方式的優(yōu)缺點，結(jié)合現(xiàn)場實際情況，論證兩種方式結(jié)合使用的可行性，為設(shè)備的安全、穩(wěn)定、長周期、滿負(fù)荷、優(yōu)良運行提供了良好的基礎(chǔ)，同時也大大減少日常操作、維護(hù)保養(yǎng)的風(fēng)險及工作量。