閉式循環水系統膨脹罐安裝方案的選擇

(中國石化 中原油田天然氣處理廠 ， 河南 濮陽 457061)

?生產與實踐?

閉式循環水系統膨脹罐安裝方案的選擇

朱機靈

(中國石化 中原油田天然氣處理廠 ， 河南 濮陽 457061)

分析了現有閉式循環水系統存在的問題，提出了安裝膨脹罐的解決方案，并對3個方案進行了對比，最后選用了DCS控制的常壓膨脹罐方案。該方案施工難度小，費用低，改造后達到了預期的效果。

閉式循環 ； 常壓 ； 膨脹罐

近年來，閉式循環水系統已在石化、冶金、天然氣處理等領域得到了廣泛應用，與開式循環水系統相比，閉式循環水系統具有節水、節能、減排及減少結垢等特點，延長了設備使用壽命。但如果閉式循環水系統設計不合理，易造成排氣不暢、水壓升高，從而影響換熱效果及設備安全。本文以陜北某LNG工廠為例，分析閉式循環水系統存在問題，提出了解決方案。

1 閉式循環水系統存在問題及原因分析

某LNG工廠天然氣液化能力為50×104m3/d，采用閉式循環水系統為裝置提供冷源。閉式循環水系統用脫鹽水作為冷卻介質，分為內循環和外循環，工藝流程如圖1所示。

圖1 閉式循環水系統工藝簡圖

內循環：冷卻水由循環泵增壓后，進入到裝置區各換熱用戶(換熱器)，吸收工藝熱量后水溫升高，進入涼水塔散熱管，被管外的空氣和噴淋水吸收熱量，降溫后又回到循環泵進口。冷卻水在閉式循環水系統中循環使用，基本上不損耗。

外循環：內循環水溫高時，需開啟噴淋泵對內循環散熱管進行噴淋降溫，水消耗量較大。

1.1存在問題

①涼水塔進出口溫差為3 ℃，設計溫差為8 ℃，說明換熱效果較差。②運行過程中，系統壓力升高，影響系統平穩運行。③涼水塔進出口壓差為0.2 MPa，壓差較大。

1.2原因分析

①循環水系統排氣不徹底，殘留有空氣，聚積在涼水塔頂部，散熱管束形成氣堵，降低了換熱面積，影響換熱效果，同時造成涼水塔壓差增大；②隨著水溫升高，空氣和水都會膨脹，造成水壓升高，需手動泄壓。

不論是形成氣堵還是膨脹升壓，歸根到底是由未設置膨脹罐引起的。由于系統上沒有膨脹罐，就無法及時排出系統中的空氣，也無法消除循環水的膨脹，從而造成系統氣體積聚、壓力升高、換熱效果不好，只能降低裝置的生產負荷。

2 膨脹罐安裝設計方案

根據安裝位置和壓力情況，膨脹罐可以分為以下幾種：高位膨脹罐、地面定壓膨脹罐和地面常壓膨脹罐，每種膨脹罐的適用情況各有不同。以下對三種膨脹罐安裝方案進行對比和選擇：

2.1高位膨脹罐安裝設計方案

在閉式循環水系統中，常規設計就是在循環泵的進口管線上安裝一個高位膨脹罐，膨脹罐的安裝位置高于循環水系統各個用水點，處于系統的高位。膨脹罐是常壓罐，直接與大氣相通。工藝流程如圖2所示。

圖2 高位常壓膨脹罐工藝流程簡圖

高位膨脹罐容積根據循環水系統總水量的膨脹體積而設計，因安裝高度和施工原因，不易過大。水溫升高時，循環水體積膨脹，水進到膨脹罐，起到緩沖作用；水溫降低時，循環水體積冷縮，膨脹罐中的水可以補充到循環水系統，穩定循環泵的壓頭。當循環水系統有空氣時，空氣進入膨脹罐直接對外放空。

2.2地面定壓膨脹罐安裝設計方案

在一些不便于安裝高位常壓膨脹罐的地方，常常設置地面定壓膨脹罐，其工藝流程如圖3所示。

圖3 地面定壓膨脹罐工藝流程簡圖

定壓膨脹罐安裝在地面上，與循環泵進口管線相連。為了減少循環水中的氧含量，一般用氮氣作為定壓氣源。根據工藝需要和泵進口壓力，設定泄壓閥和充壓閥的工作壓力，稍高于泵進口壓力，高30 kPa左右即可。當水溫升高，循環水膨脹，水進到膨脹罐中，造成膨脹罐氣壓升高，超過泄壓閥的設定壓力時，泄壓閥打開，氣體外排；降到泄壓閥設定壓力時，泄壓閥關閉。當溫度降低或循環水系統壓力下降時，膨脹罐向循環水系統補水，膨脹罐氣壓下降，低于充壓閥的設定壓力時，充壓閥打開，向膨脹罐補氮氣；達到充壓閥的設定壓力時，充壓閥關閉。為了防止氮氣進入循環水系統，當膨脹罐水位過低時，應及時補水。

2.3地面常壓膨脹罐安裝設計方案

為了提高膨脹罐的排氣效果，根據常壓下氣液易于分離的原理，提出了地面常壓膨脹罐的改造方案，工藝流程如圖4所示。

圖4 地面常壓膨脹罐工藝流程簡圖

常壓膨脹罐安裝在地面上，與泵進口管線相連，電磁閥和補水泵由控制柜(或DCS)進行控制，根據生產需要設定系統的工作壓力、壓力下限和壓力上限。當循環水系統壓力達到上限值時，電磁閥打開，對系統進行泄壓，循環水進入常壓膨脹罐減壓后，水氣分離，氣體直接外排；循環水系統壓力降到工作壓力時，電磁閥關閉。當溫度降低或循環水系統壓力下降，降到下限值時，補水泵運行，向循環水系統補水；隨著補水量的增加，循環水系統壓力升高，達到工作壓力時，補水泵停運。如果膨脹罐液位過低時，應及時向膨脹罐進行補水，防止空氣被補水泵抽到循環水系統。

3 方案對比及選擇

對三種改造方案的優缺點及其參數進行比較，見表1。結合現有閉式循環系統、現場實際和當地天氣情況，選用第三種方式，即地面常壓膨脹罐。并進行實施，其他設備及管線相應進行改造。

4 實施及效果

LNG工廠選取地面常壓膨脹罐后，控制系統采用DCS系統，實現了閉式循環水系統自動泄壓和補水，同時可實時監控膨脹罐液位，低液位時自動補水，防止空氣進入循環水系統。為了增加排氣效果，又在用水設備的高點、泵出口管線上增加了排氣閥。改造后，閉式循環系統運行正常，能有效脫除循環水中的氣體，穩定了系統運行壓力，提高了涼水塔的冷卻效果。

表1 膨脹罐安裝方案對比

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1003-3467(2017)11-0034-02

2017-08-30

朱機靈(1973- )，男，高級工程師，從事天然氣處理技術研究工作，電話：13700800623。