王晓敏

（华陆工程科技有限责任公司， 西安 710065）

我国煤化工企业多数集中在富煤缺水、 环境容量小的西北地区， 这类地区的企业节水及降污减排尤为重要。 循环冷却水是化工企业的耗水及排水大户， 闭式循环冷却水系统相较于传统的开式循环冷却水系统可有效节水及减排， 因此受到越来越多的关注。 本文结合实际工程案例， 对闭式循环冷却水系统的设计思路及设计要点进行总结和分析， 可供类似工程参考。

1 工程概况

某煤化工企业的循环冷却水系统主要为化工工艺装置及辅助工程装置的换热器提供循环冷却水，采用闭式循环冷却水系统。 冷却系统设计规模为12 000 m3／h， 供水温度为38 ℃， 回水温度为28 ℃。

2 系统的设计思路

该项目的闭式循环冷却水系统由内循环系统和外循环系统组成。 内循环系统工艺流程为： 工艺装置及公辅装置换热器→空冷塔→水冷塔→内循环水泵→工艺装置及公辅装置换热器， 系统设置定压补水装置。 外循环系统工艺流程为： 水冷塔→外喷淋水池→吸水池→外喷淋循环水泵→水冷塔，系统设置旁滤过滤器及加药装置。 具体划分如图1所示。

图1 闭式循环冷却水系统组成Fig. 1 Closed circulating cooling water system composition

2.1 内循环系统

2.1.1冷却塔

闭式冷却塔是整个循环冷却水系统的核心设备， 常用的冷却方式有翅片管空冷和盘管湿式冷却2 种。 翅片管空冷方式是以环境空气作为冷却介质， 空气横掠过翅片管， 使管内高温流体得到冷却； 盘管湿式冷却方式是以水作为冷却介质， 水流过盘管外壁蒸发后， 使管内高温流体得到冷却。 常用的闭式冷却塔有复合式［1］和分体式2 种， 复合式是将2 种冷却方式集中于一个塔体内， 分体式是将2 种冷却方式设置在各自独立的塔体内。

考虑到该项目地处北方， 空气中灰尘较多， 如选用复合式冷却塔， 长期运行后翅片管外侧易沉积粘泥， 出现结垢， 不但影响冷却塔的换热效果， 而且翅片管清理困难且费用较高， 因此， 该项目选择了分体式冷却塔。 空冷塔采用带翅片的冷却管， 水冷塔采用全光管。 该项目采用16 台空冷塔， 单台规模为750 m3／h； 19 台水冷塔， 单台规模为632 m3／h。

2.1.2 循环水泵

内循环系统是封闭带压的循环系统， 冷却塔出口不泄压， 因此， 水泵扬程应尽可能与实际系统损失匹配。 如水泵扬程偏高可能会导致内循环系统稳定性变差、 水泵电机过载等现象发生， 扬程偏低可能会导致循环冷却水不能输送至装置换热器。 水泵扬程计算时， 应充分了解整个内循环系统里的管路损失、 每台设备的损失及高程， 选择合理的控制点进行计算， 避免留有过多的富余量或扬程不满足使用要求。 该项目采用3 台单级双吸离心泵， 单泵流量为6 500 m3／h， H=27 m。

2.1.3 定压补水装置

定压补水装置有3 个作用： 一是收纳或补偿内循环系统因水体热胀冷缩而产生的体积变化量；二是补偿内循环系统因排污、 泄漏等原因损失的水量［2-3］； 三是稳定上述两点引发的系统压力波动。该项目最高1 台换热器位于精馏框架的28 m 平台处， 从减少投资、 检维修方便、 系统控制简单等几个方面出发， 选用了地面压力式定压罐， 其总容积为25 m3， 水容积为20 m3， 气体容积为5 m3。

2.1.4 加药装置

内循环系统内充填的脱盐水具有一定的腐蚀性， 且内循环系统长时间运行也会滋生微生物， 因此需定期投加缓蚀剂和非氧化型杀生剂。 由于药剂投加间隔时间长， 且药剂的单次投加量很少， 因此设计时可不设固定式药剂投加装置。

2.1.5 系统设计水质

内循环系统设计水质如表1 所示。

表1 内循环系统设计水质Tab. 1 Design water quality of internal circulation system

2.1.6 系统运行压力

内循环系统供水压力不小于0.47 MPa（G）， 系统回水压力不小于0.2 MPa（G）。

2.1.7 系统补水水质内循环系统补充的脱盐水水质如表2 所示。

表2 脱盐水水质Tab. 2 Quality of desalinated water

2.2 外循环系统

2.2.1 设备选型

外循环系统设置3 台外喷淋循环水泵， 2 用1备， 单台流量为9 000 m3／h， 扬程为21 m； 设置旁滤处理装置去除SS， 其处理流量为600 m3／h； 系统还设置有阻垢缓蚀剂及杀生剂的投加装置各1 套。

2.2.2 系统设计水质

外循环系统设计水质如表3 所示。

表3 外循环系统设计水质Tab. 3 Design water quality of external circulation system

2.2.3 系统运行压力

外循环系统供水压力不小于0.2 MPa（G）， 回水压力不小于0.12 MPa（G）。

2.2.4 系统补水水质外循环系统补水水质如表4 所示。

表4 系统补水水质Tab. 4 Make-up water quality of external circulation system

3 系统的设计要点

该项目循环水站服务于多个化工装置， 内循环系统供回水管路长且复杂， 冷却塔更是多达35 台，如何让内循环系统运行压力稳定、 各冷却塔热负荷均衡是设计的难点。 另外， 项目处于北方寒冷地区， 冬季循环冷却水系统的管网常有冻结现象， 因此， 如何做好防冻措施也是本项目的难点之一。

3.1 定压补水装置的选择

定压补水装置一般分为3 种方式： 高位定压罐（箱）、 地面压力式定压罐、 地面常压式定压罐［4］。

3.1.1 3 种方式的对比

（1） 高位定压罐（箱）。 与大气连通， 属于常压罐。 当系统内水温升高， 水的体积随之膨胀， 为了稳定系统压力， 膨胀的水需进入高位定压罐； 当系统内水温降低或漏损， 致使水的体积减少， 高位定压罐内的水自动补入系统， 稳定系统压力。

该系统的设备组成相较于其他2 种最少。 首先， 系统无需自动控制系统即可调节内循环系统压力。 其次， 装置换热器多数安装在20 ～30 m 高处，该形式的水罐安装高度是3 种方式里最高的， 导致其设备的安装和施工费用最高， 检维修最困难。 再者， 罐子安装高度决定系统运行压力， 高度一旦确定就不能再调整， 系统运行压力可调性相较于其他2 种最差。 最后， 内循环水与大气接触， 水质相对较差。

（2） 地面压力式定压罐。 与大气不相通， 属于封闭压力式储罐。 当系统内水温升高， 开启罐体上氮气排气调节阀排出罐内氮气， 让膨胀的水进入罐内， 稳定系统压力； 当系统内水温降低或漏损， 开启罐体上氮气进气调节阀， 向罐内补充氮气并将罐内的等体积的水压入系统内， 稳定系统压力。

该系统的设备组成是3 种方式中较少者。 首先，与第1 种相比增加了调节阀自动控制系统， 但与第3 种相比控制系统却少了水泵自动控制系统， 因此控制系统相对较为简单。 其次， 设备安装于地面，比第1 种方式降低了安装和施工费用， 检维修更容易。 再者， 这种方式的系统运行压力可以根据开车后的实际运行压力， 通过调整氮气补气及排气调节阀的开关设定值重新调整系统压力， 系统压力可调性好。 最后， 内循环水不与大气接触， 水质较好。

（3） 地面常压式定压罐。 与大气连通， 属于常压罐。 当系统内水温升高， 开启罐体与系统连接的控制阀门， 膨胀的水进入罐体， 稳定系统压力； 当系统内水温降低， 开启水泵从水罐吸水补入系统，稳定系统压力； 系统漏损量也由水泵补入系统。

该系统的设备组成是3 种方式中最多的。 首先， 控制系统由调节阀和水泵自动控制系统组成，是3 种里最复杂的。 其次， 设备安装于地面与第2种一样降低了安装和施工费用， 检维修更容易。 再者， 水泵扬程决定系统运行压力， 水泵扬程一旦确定很难修改， 致使此种方式的系统压力可调性较差。 最后， 内循环水与大气接触， 水质相对较差。

3.1.2 项目实施方案

该项目选用了第2 种地面压力式定压罐， 定压罐上设有补水调节阀、 进气调节阀、 排气调节阀、安全阀。 通过内循环管网压力控制调节阀的开度，以达到调节和稳定内循环系统压力的目的。 调节阀的调节量可依据以下几点确定： ①当系统压力降低时， 连锁开启进气调节阀， 向罐内充气提高罐内压力， 将罐内水缓缓压入内循环系统迫使系统升压至正常运行压力； ②当系统压力升高时， 连锁开启排气调节阀， 将罐内的气体排至大气降低罐内压力，使系统内水压入罐体内， 迫使内循环系统降压至正常的运行压力； ③当罐内水位处于低位时， 连锁打开补水调节阀向罐体补水， 为避免引起系统压力升高， 应同时连锁打开排气阀向大气排出等体积的气体， 使系统压力一直维持正常的运行压力； ④定压罐是压力式储罐， 出于安全考虑应设置安全阀， 安全阀泄放量应按照罐体正常运行工况或火灾工况时的最大排放量确定。 因此设计时， 从上述几点出发选择合理的调节阀调节范围和安全阀泄放量， 让定压补水装置调节灵敏， 降低系统压力波动， 确保内循环系统长时间在稳定压力下运行。

3.2 系统排气措施

内循环系统闭路且不泄压， 一旦系统内积气会产生不利影响： ①积气容易造成循环冷却水系统形成“气堵”， 会使系统局部循环不畅， 导致工艺换热器换热效果不好。 ②气泡有时会随着系统的内水流一起循环， 在管道中产生噪音、 造成水泵气蚀或流量减小。 ③气泡如含有氧气或其他腐蚀性气体， 长期留存在循环冷却水系统中， 会对管道及设备造成腐蚀破坏。 ④若气泡进入工艺装置换热器或冷却塔， 会降低设备的换热效果。 ⑤气泡经过压力传感器处， 会造成系统压力跳跃变化， 若原系统刚好处于临界点， 有可能造成系统反复泄压及补压， 从而影响了整个系统正常运转的稳定性。 因此， 设计时在管路及设备的高点应设置自动或手动排气阀［5］，排除系统初次充水或运行过程中产生的气体； 此外， 定压罐内应选用不溶于水的气体（如氮气）作为压力调节的中间媒体， 当气体中含有能溶于水的组分时， 在系统调压过程中会使这部分气体溶入系统内形成积气。

3.3 多塔热负荷均衡措施

多台冷却塔的管路设计有同程布置和异程布置2 种方案。 从稳定性上而言， 同程布置系统支路的稳定性具有对称性， 即系统中间的支路水力稳定性最差， 越往两端的支路稳定性越好； 而异程布置系统支路的稳定性具有阶梯性， 即从距离工艺装置换热器从近到远的支路顺序， 稳定性依次变差。 从经济性上而言， 同程布置中由于回水母管管长增加，管路阻力增加， 管材费用相应增加； 异程布置相对管理简单， 管材费用节省， 但是异程布置系统的循环效果差， 环路阻力不平衡， 易出现支路短路现象， 影响整个系统的热负荷率。 因此， 为使各台冷却塔的热负荷及循环量均匀， 不出现水流短路现象， 管路设计宜采用同程布置方案。

3.4 冷却塔冬季防冻措施

常见的水系统冬季防冻措施有蒸汽伴热、 电伴热等， 但最可靠的方法还是让水流动起来或者放空。

在循环冷却水管网及设备低点设置放空阀门，以便在因特殊原因紧急停车时， 将系统内冰冻线以上管道及设备内的水尽快放空。

正常运行时， 冬季时循环冷却水系统热负荷会降低， 部分冷却塔需要根据实际运行情况停止使用。为防止停止工作冷却塔的翅片管、 盘管结冰， 采取了以下措施： ①冷却塔进、 出水管道设置切断阀及联通阀， 可关闭停止工作冷却塔的进、 出水管上切断阀门， 同时打开联通阀将冷却塔旁路掉。 ②在距离进、 出水管道切断阀最小距离处设置放空阀， 尽可能排出塔内残留水。 ③塔内的翅片管及盘管管径都很小， 放空不易， 因此在各台冷却塔处设置空气吹扫管路， 停运时使用空气将管内不能放空的水及时吹出。 ④空气管与水管联接处的阀门应靠近水管侧， 尽量缩短这部分管道的长度， 尽可能减少因局部管道内水流无法循环而结冰的情况。

4 结语

随着闭式循环冷却水系统越来越广泛的应用，在工程设计中应根据系统的所在地、 服务对象、 操作环境、 规模、 水质等特点， 选择合适的冷却塔、循环水泵、 定压补水装置等； 并根据系统的设备配置情况选择合理的配管、 排气及防冻方案。 本项目采用地面压力式定压罐作为核心设备为系统补水和稳压， 该设备使得系统水质不受污染、 压力调节灵活、 自动控制方便、 系统运行稳定可靠、 占地小、投资省、 少噪音、 不受安装高度影响、 检维修更方便等， 值得在闭式循环冷却水系统中推广使用。