化工廠冷凍站的優(yōu)化設(shè)計與經(jīng)濟(jì)運行探討

吳云峰

（浙江美陽國際工程設(shè)計有限公司，浙江杭州 310015）

化工廠冷凍站的優(yōu)化設(shè)計與經(jīng)濟(jì)運行探討

吳云峰

（浙江美陽國際工程設(shè)計有限公司，浙江杭州 310015）

冷凍站是化工廠建設(shè)中不可缺少的重要內(nèi)容，結(jié)合一些工程實際案例以及對我國化工廠現(xiàn)有冷凍站系統(tǒng)設(shè)計進(jìn)行調(diào)查后發(fā)現(xiàn)，存在著眾多的不足之處。設(shè)計人員在化工廠冷凍站設(shè)計工作開展過程中，需要從化工與冷凍兩方面進(jìn)行思考，綜合性的進(jìn)行配置、整合冷凍站的全面設(shè)計。同時還需要注重提升化工廠冷凍站運行的經(jīng)濟(jì)性，縮減化工廠冷凍站運行成本投入，為促進(jìn)化工廠冷凍站進(jìn)一步發(fā)展奠定良好基礎(chǔ)。主要對化工廠冷凍站優(yōu)化設(shè)計與經(jīng)濟(jì)運行進(jìn)行深入分析，希望對相關(guān)設(shè)計人員以及藥廠使用部門有所啟示。

化工廠冷凍站；運行分析；優(yōu)化設(shè)計；經(jīng)濟(jì)運行

通過文獻(xiàn)查尋發(fā)現(xiàn)，目前有關(guān)化工廠冷凍站設(shè)計的文獻(xiàn)資料較少，化工廠冷凍站設(shè)計水平還需要進(jìn)一步提升。本文通過實際調(diào)查與豐富的工作經(jīng)驗，認(rèn)為化工廠冷凍站設(shè)計工作開展過程中需要明確熱負(fù)荷，以化工廠冷凍站建設(shè)規(guī)模與投資額度為基礎(chǔ)，保證應(yīng)用設(shè)備選擇的合理性、科學(xué)性，避免化工廠冷凍站運行對環(huán)境造成不良影響。設(shè)計人員需要有針對性的對化工廠冷凍站設(shè)計進(jìn)行優(yōu)化，并且促進(jìn)其運行經(jīng)濟(jì)性提升。對該內(nèi)容進(jìn)行深入分析是具有現(xiàn)實意義的，下面就對相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行詳細(xì)闡述。

1 化工廠冷凍站建設(shè)運行中存在的不良問題以及因素分析

筆者對江蘇某化工集團(tuán)西部廠區(qū)的公用工程規(guī)模，設(shè)備選型，工藝設(shè)計等。針對地區(qū)氣溫狀況，雨水情況等氣候特點，在工藝系統(tǒng)設(shè)計，設(shè)備安裝，管道布置等過程中采用經(jīng)濟(jì)合理的優(yōu)化措施，使公用工程節(jié)能高效運行，保障了廠區(qū)其他裝置安全可靠運行。

對冷凍站運行進(jìn)行了深入調(diào)查，發(fā)現(xiàn)其中存在眾多不良問題。冷凍站實際運行后，冷媒溫度與預(yù)期設(shè)計要求存在一定差距，需要將所有的制冷設(shè)備全部開啟后才能達(dá)到相應(yīng)要求。這樣冷凍站將沒有備用設(shè)備存在，不僅對化工企業(yè)產(chǎn)品生產(chǎn)質(zhì)量和生產(chǎn)效率造成了一定不良影響，而且化工廠運行電力能源消耗程度較差，冷凍站運行成本投入增加。這些不良問題產(chǎn)生主要歸根于以下因素，第一方面就是化工廠冷凍站設(shè)計過程中設(shè)備選型不當(dāng)。設(shè)計人員沒有依據(jù)化工廠生產(chǎn)的實際需求進(jìn)行設(shè)備選型。還有冷凝器設(shè)備選擇不夠合理，原本設(shè)備的冷凝器確定為立體式的結(jié)構(gòu)，但是考慮到冷凍站建設(shè)成本控制要求，單位面積用水量需求較大，冷凝負(fù)荷不夠合理，這樣使得冷凍站冷卻水量需求增長，能量應(yīng)用效率較差。總而言之，原有的化工廠冷凍站設(shè)計方案存在較多不足之處，需要對設(shè)計進(jìn)行優(yōu)化和改良，降低化工廠冷凍站建設(shè)成本和運行成本投入，提升能源應(yīng)用效率，增強化工企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。

2 化工廠冷凍站優(yōu)化設(shè)計準(zhǔn)備工作分析

化工廠冷凍站與食品冷藏、空調(diào)制冷等熱負(fù)荷性質(zhì)存在較大的差異性，熱負(fù)荷特點對化工廠冷凍站的優(yōu)化設(shè)備與經(jīng)濟(jì)運行也有著較深影響。設(shè)計人員在設(shè)計工作開展過程中，首先需要做的就是合理科學(xué)確定化工裝置的熱負(fù)荷，這樣才能為后續(xù)優(yōu)化設(shè)計工作開展提供重要依據(jù)。設(shè)計人員在對化工冷凍站設(shè)計進(jìn)行優(yōu)化過程中，需要做好充足的準(zhǔn)備工作，也就是明確化工企業(yè)生產(chǎn)對冷東站性能的實際需求，從而有針對性地對化工冷凍站設(shè)計進(jìn)行優(yōu)化和改良。

2.1 對熱負(fù)荷進(jìn)行計算

化工裝置熱負(fù)荷主要是通過兩種方式產(chǎn)生的，第一種就是物理變化致使熱負(fù)荷產(chǎn)生，例如對多種化工物料進(jìn)行儲存。第二方面就是化學(xué)變化產(chǎn)生的熱負(fù)荷。物理變化過程中產(chǎn)生的熱負(fù)荷較為穩(wěn)定，而且負(fù)荷大小也較為容易確定。但是化學(xué)反應(yīng)過程中產(chǎn)生的熱負(fù)荷很難確定，主要是因為化學(xué)反應(yīng)釋放熱量、生產(chǎn)周期、反應(yīng)設(shè)備運行狀態(tài)對化學(xué)反應(yīng)熱負(fù)荷都會造成較深影響，熱負(fù)荷波動情況較大。

2.2 溫度等級需求確定

化工廠冷凍站設(shè)計人員在用冷溫度等級設(shè)計工作開展中，經(jīng)常會陷入一定設(shè)計誤區(qū)，對化工廠冷凍站運行經(jīng)濟(jì)性也造成了非常不良影響。一些化工企業(yè)管理人員認(rèn)為，如果反應(yīng)溫度不能得到降低，可以應(yīng)用溫度較低的鹽水，在裝置設(shè)計階段過程中沒有依據(jù)實際熱負(fù)荷值進(jìn)行設(shè)計，要求設(shè)計人員根據(jù)低溫工況進(jìn)行設(shè)計工作開展。舉一個較為簡單例子：三甲酯生產(chǎn)，產(chǎn)品生產(chǎn)過程中溫度需要控制在50℃以下，對于這種生產(chǎn)需求，如果具有足夠的換熱面積，只要采用復(fù)用水和深井水作為冷源就可以達(dá)到溫度控制要求。但是深入調(diào)查發(fā)現(xiàn)，以往設(shè)計人員更多是應(yīng)用低溫鹽水作為冷源，這種設(shè)計方式經(jīng)濟(jì)性較差，即使冷凍站設(shè)計方案較為優(yōu)質(zhì)，也很難保證裝置運行呈現(xiàn)出經(jīng)濟(jì)性特點。而且，用冷溫度等級與化工企業(yè)生產(chǎn)效率等內(nèi)容有著非常緊密聯(lián)系。在保證反應(yīng)速率達(dá)到一定標(biāo)準(zhǔn)的前提下，如果設(shè)計人員為了降低制冷裝置的能源消耗，選用較高的用冷溫度等級，必定會導(dǎo)致裝置運行經(jīng)濟(jì)性受到影響。

例如：北方地區(qū)冬季及一般過渡季節(jié)室外溫度仍然較低，對于常年需要冷凍水將溫度化工廠來說，充分利用“天然冷源”對循環(huán)水降溫，完全可以替代電制冷機(jī)制冷，實現(xiàn)“免費”供冷，達(dá)到節(jié)能效果。

本案例項目位于河北廊坊，現(xiàn)場共設(shè)6臺冷水機(jī)組，其中1 210t冷噸離心式冷水機(jī)組2臺，1 200t冷噸離心式冷水機(jī)組1臺，1 000t冷噸螺桿式冷水機(jī)組3臺；冷凍水循環(huán)水泵7臺（6用1備），冷卻水循環(huán)水泵7臺（6用1備），冷卻水塔6組。對于冷凍站真正是否節(jié)能的評價指標(biāo)就是機(jī)房能效，在本項目系統(tǒng)中，將所有設(shè)備的電功率進(jìn)行實時監(jiān)測和記錄，并計算整個冷凍站系統(tǒng)的能耗值，最終得出整個系統(tǒng)的COP。機(jī)房能效= Q冷/∑W，相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計見表1：

表1 相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計表

從上面的數(shù)據(jù)統(tǒng)計表可以看出，制冷劑電功率占了總功率的74%，水泵等相關(guān)輔助設(shè)備電功率僅為22%。故在冬季及一般過渡季節(jié)免開主機(jī)，可以達(dá)到非常巨大的節(jié)能效果。

3 化工冷凍站投資建設(shè)規(guī)模確定

冷凍站在化工企業(yè)建設(shè)總投資中占有較大比例，如何控制冷凍站的投資規(guī)模，從企業(yè)可持續(xù)發(fā)展角度對冷凍站建設(shè)進(jìn)行規(guī)劃，都已經(jīng)成為冷凍站設(shè)計人員需要重點思考內(nèi)容。一些化工企業(yè)對其生產(chǎn)產(chǎn)品市場定位認(rèn)知較差，對企業(yè)未來發(fā)展前景也沒有較多了解，盲目性的投入資金進(jìn)行冷凍站建設(shè)，很有可能導(dǎo)致冷凍站建設(shè)完成后處于閑置狀態(tài)中。冷凍站建設(shè)中，土建工程與電氣工程消耗資金較多。土建工程設(shè)計需要與主機(jī)選型、熱量損失等眾多內(nèi)容緊密聯(lián)系起來，從而保證化工廠冷凍站規(guī)劃建設(shè)的合理性、科學(xué)性。電氣工程建設(shè)也需要與電動機(jī)匹配、功率因數(shù)等眾多內(nèi)容相融合。冷凍站電機(jī)運行功率通常需要超過實際功率。一些化工企業(yè)也在引入電機(jī)變頻控制技術(shù)，對能源消耗進(jìn)行控制。

4 化工冷凍站設(shè)備選擇分析

設(shè)計人員做好充足的準(zhǔn)備工作后，需要對眾多信息數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和分析，最終明確化工冷凍站設(shè)備選擇參照標(biāo)準(zhǔn)。依據(jù)工藝需求和工藝條件明確化工廠制冷需求后，有針對性的選擇制冷壓縮機(jī)。冷凍站運行中不能使得所有的制冷壓縮機(jī)全部開啟，要根據(jù)季節(jié)變化對制冷壓縮機(jī)運行進(jìn)行調(diào)控，冷凍站運行中必須要存在備用制冷壓縮機(jī)，從而保證某一制冷壓縮機(jī)發(fā)生不良故障問題后，可以快速進(jìn)行切換，避免對化工企業(yè)生產(chǎn)造成非常不良影響。冷凝器設(shè)備選擇不能過大，需要通過實際核對，通常情況下設(shè)置兩臺冷凝器設(shè)備就可以滿足化工企業(yè)冷凍站運行的實際需求。并且在原有基礎(chǔ)上對冷凝器系統(tǒng)進(jìn)行改造，兩個冷凝器設(shè)備長期處于啟動狀態(tài)中，存在一個備用冷凝器設(shè)備。設(shè)計人員還需要注重對冷卻水系統(tǒng)進(jìn)行改造，降低化工冷凍站運行對冷卻水的實際需求，提升水資源應(yīng)用效率。某一化工冷凍站就對以上內(nèi)容進(jìn)行了實際改造，冷凍站運行中電力能源需求程度大幅度降低，改造需要花費的成本化工冷凍站運行一年后全部收回，對化工企業(yè)實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展奠定了良好基礎(chǔ)，縮減了化工企業(yè)運行中的成本投入，增強了化工企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。目前，制冷機(jī)可選的類型較多，但在建設(shè)投資和運行費用上存在較大差異，見表2：

表2 制冷機(jī)類型不同時投資和運行費比較

5 注重提升化工冷凍站運行的生態(tài)性、經(jīng)濟(jì)性、安全性

大型冷凍機(jī)基礎(chǔ)采取減震措施，冷凍機(jī)使用柔性接頭與系統(tǒng)連接，這些措施均能有效降低噪聲的產(chǎn)生與傳遞。在勞動保護(hù)方面，應(yīng)強調(diào)工人進(jìn)入機(jī)房時佩帶耳塞。注重提升化工冷凍站運行的生態(tài)型、經(jīng)濟(jì)性、安全性，將化工冷凍站建設(shè)的重要作用充分展現(xiàn)出來，為化工企業(yè)帶來更多可觀的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。降低化工冷凍站運行產(chǎn)生的噪音污染，使得化工企業(yè)生產(chǎn)可以得到社會的肯定，促進(jìn)化工企業(yè)實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。

最后筆者分享一些成功案例的心得體會，希望對廣大設(shè)計人員起到一定的啟迪和幫助。主要可以從以下幾個方面進(jìn)行考慮，來提升化工冷凍站系統(tǒng)的效率：

1）在滿足工藝負(fù)荷需求的條件下，積極提高冷水機(jī)組冷凍出水的溫度設(shè)定值。冷凍水出水溫度設(shè)定值每升高1℃，冷水機(jī)組的運行效率可提高3%左右。

2）通過對冷卻水塔風(fēng)機(jī)及冷卻水泵的控制，盡量提供主機(jī)較低溫度的冷卻水。冷卻水出水溫度設(shè)定值每降低1℃，冷水機(jī)組的運行效率也可提高3%左右。

3）根據(jù)當(dāng)前的室外溫濕度及冷水機(jī)組的運行負(fù)荷大小，并綜合各用冷車間的熱負(fù)荷，確定所有冷水機(jī)組的運行臺數(shù)及備用設(shè)置。

4）根據(jù)冷水機(jī)組的運行效率特性，去控制冷凍水泵/冷卻水泵的運行頻率，這樣既可維持主機(jī)的高效運行，同時也降低了水泵及配套設(shè)備的綜合能耗。

5）在機(jī)房管路設(shè)計過程中，盡量減少系統(tǒng)的阻力（包括局部阻力和沿程阻力），不同溫度、壓力、用冷末端的管路應(yīng)合理規(guī)劃并獨立設(shè)置。

6 結(jié)束語

開展化工廠冷凍站優(yōu)化設(shè)計工作非常重要，通過該工作可以保證冷凍站設(shè)計的優(yōu)質(zhì)性、科學(xué)性，提升冷凍站運行效率。經(jīng)濟(jì)運行是化工廠冷凍站運行管理的必然要求，從而降低冷凍站運行的能源消耗，縮減其運行成本投入，為促進(jìn)化工廠建設(shè)發(fā)展奠定良好基礎(chǔ)。

[1] 李宏濤.某化工廠氨制冷設(shè)備節(jié)能設(shè)計及改造[J].能源技術(shù)與管理，2008，（1）.

[2] 郁慶慶，章學(xué)來，柳元，等.提高冷凍機(jī)效率的可行性方案分析[J].能源技術(shù)，2006，（3）.

[3] 張友科.氨液制冷系統(tǒng)設(shè)計及其工程應(yīng)用[J].石油化工設(shè)計，2005，（2）.

[4] 吳建波.冷凍站水系統(tǒng)設(shè)計的幾個典型問題分析[J].無錫商業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報，2004，（3）.

Discussion on Optimization Design and Economic Operation of Freezing Station in Chemical Plant

Wu Yun-feng

The freezing station is an indispensable part in the construction of chemical plants.Recently，the author has combined some practical cases and investigated the existing refrigeration station system design in China’s chemical plant，and found that there are many shortcomings.Designers in the chemical plant freezing station design work carried out in the process，from the chemical and frozen two aspects of thinking，a comprehensive conf i guration，integration of the comprehensive design of the freezing station.At the same time，we need to focus on improving the economics of the operation of the refrigeration plant in the chemical plant，reducing the operation cost of the refrigeration plant in the chemical plant，and laying a good foundation for further development of the chemical plant freezing station.This article is the chemical plant freezing station optimization design and economic operation in-depth analysis，hope that the relevant design staff and pharmaceutical use departments have enlightenment.

chemical plant freezing station；operation analysis；optimization design；economic operation

TB657

A

1003–6490（2017）03–0169–02

2017–02–15

吳云峰（1982—），男，浙江余姚人，工程師，主要研究方向為暖通設(shè)計。