空氣冷卻器在凝結(jié)水回收冷卻系統(tǒng)中的應(yīng)用①

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(中國石油工程建設(shè)有限公司 西南分公司，四川 成都 610041)

土庫曼斯坦巴格德雷合同區(qū)域A區(qū)改建擴能工程80×108m3/a天然氣處理廠地處沙漠地區(qū)，工藝裝置區(qū)生產(chǎn)用蒸汽量大，蒸汽釋放汽化潛熱后以凝結(jié)水形式存在，凝結(jié)水熱能價值占蒸汽熱能的25%[1-3]。凝結(jié)水具有溫度高、水質(zhì)好及不需軟化處理的優(yōu)點，可直接送回鍋爐使用。天然氣處理廠的凝結(jié)水回收系統(tǒng)將凝結(jié)水送回凝結(jié)水罐，由于壓降作用，會產(chǎn)生二次乏汽。為防止水擊，消除凝結(jié)水罐內(nèi)乏汽，需對乏汽冷卻降溫。冷卻方式有空氣冷卻和水冷卻兩種。在采用傳統(tǒng)冷卻水循環(huán)系統(tǒng)對乏汽進行降溫回收過程中，冷卻水側(cè)為非軟化水，存在結(jié)垢問題。結(jié)垢使設(shè)備局部溫度偏高，熱應(yīng)力不均勻，造成熱交換器腐蝕加劇和熱效率下降[4-7]。冷卻水循環(huán)系統(tǒng)以水為介質(zhì)，而土庫曼斯坦地處沙漠地區(qū)，水源受限，節(jié)水、節(jié)能顯得十分必要。

文中以土庫曼斯坦巴格德雷合同區(qū)域A區(qū)改建擴能工程為例，研究并分析了干式空氣冷卻器(簡稱空冷器)在天然氣處理廠凝結(jié)水乏汽冷卻回收系統(tǒng)中應(yīng)用的可行性。

1 空冷器冷卻與水冷卻原理

1.1 空冷器冷卻

空冷器是以環(huán)境空氣作為冷卻介質(zhì)橫掠翅片管外，使管內(nèi)高溫工藝流體得到冷卻或冷凝的設(shè)備[8-10]，其冷卻系統(tǒng)流程簡圖見圖1。

圖1 空冷器冷卻系統(tǒng)流程簡圖

空冷器的基本結(jié)構(gòu)包括管束、風機、風箱、構(gòu)架及其附件等，見圖2。空氣冷卻系統(tǒng)包括變頻風機和用于高效換熱的翅片管束，是空冷器的核心部分。為達到經(jīng)濟、高效運行的目的，通過變頻器來實時調(diào)節(jié)每臺風機的轉(zhuǎn)速。

圖2 空冷器基本結(jié)構(gòu)

1.2 水冷卻

冷卻水循環(huán)系統(tǒng)是以水作為冷卻介質(zhì)，并循環(huán)使用的一種冷卻水系統(tǒng)，主要由冷卻設(shè)備、水泵和管道組成[11]。冷水流過需要降溫的生產(chǎn)設(shè)備(如熱交換器、冷凝器、反應(yīng)器)后，溫度升高。冷卻水循環(huán)系統(tǒng)分為敞開式和密閉式。

2 凝結(jié)水回收乏汽冷卻系統(tǒng)

蒸汽凝結(jié)水是天然氣處理廠生產(chǎn)中的附屬物，由蒸汽釋放熱能遇冷后產(chǎn)生。蒸汽凝結(jié)水具有較高的使用價值，該天然氣處理廠工藝裝置區(qū)脫硫脫碳、硫磺回收、脫水等裝置產(chǎn)生大量壓力為0.25 MPa的凝結(jié)水，凝結(jié)水溫度高，如果直接排放會對排水系統(tǒng)造成很大影響。凝結(jié)水屬于高品質(zhì)軟化水，為節(jié)約能源并節(jié)省軟化水設(shè)備投資和運行費用，應(yīng)盡可能回收凝結(jié)水，故將其回收至壓力為0.1 MPa的凝結(jié)水罐。由于壓力不同，在凝結(jié)水罐內(nèi)將產(chǎn)生一部分乏汽，為防止水擊，應(yīng)通過冷卻系統(tǒng)將乏汽回收。冷卻設(shè)備的選型尤為重要。與水作為冷卻介質(zhì)的傳統(tǒng)工業(yè)冷卻系統(tǒng)相比，空冷器無需消耗大量的水資源而且操作方便[12-14]，適用于土庫曼斯坦缺水的實際情況。

3 冷卻水循環(huán)冷卻系統(tǒng)用水計算

以板式熱交換器為冷卻設(shè)備的傳統(tǒng)冷卻水循環(huán)冷卻系統(tǒng)，板式熱交換器與冷卻水換熱設(shè)計熱負荷1 347.7 kW，該天然氣處理廠建設(shè)所在地夏季干球溫度32 ℃，板式熱交換器冷卻水入口溫度32 ℃，出口溫度40 ℃。板式熱交換器冷卻水質(zhì)量流量依據(jù)能量守恒原理求得：

3.6Q=qmcp(t1—t2)

(1)

式中，Q為板式熱交換器換熱熱負荷，kW；cp為水的比定壓熱容，取4.2 kJ/(kg·℃)；qm為介質(zhì)質(zhì)量流量，t/h；t1為冷卻水入口溫度，t2為冷卻水出口溫度，℃。

經(jīng)計算，冷卻水質(zhì)量流量qm=144.3 t/h，冷卻水補水量為冷卻水水量的2%[15]。土庫曼斯坦水資源受限，若采用冷卻水循環(huán)冷卻系統(tǒng)，還需增加水泵、水池等設(shè)備及構(gòu)筑物，相應(yīng)的設(shè)備費用、安裝費用、實際運行設(shè)備的電耗、管理維護費用將增加，而空冷系統(tǒng)的維護費用一般為水冷系統(tǒng)維護費用的20%～30%[16]。另外，空冷器的使用壽命較長，而冷卻水設(shè)備一般3～4 a需大修或更換。綜合考慮，該天然氣處理廠凝結(jié)水回收系統(tǒng)乏汽冷卻設(shè)備選用水平鼓風式干式空冷器。

4 空冷器冷卻系統(tǒng)設(shè)計

4.1 熱負荷

該天然氣處理廠凝結(jié)水進入凝結(jié)水罐前壓力為0.25 MPa、質(zhì)量流量60 950 kg/h，進入凝結(jié)水罐后變成0.1 MPa的飽和水和0.1 MPa的乏汽。采用干式空冷器將0.1 MPa的乏汽冷卻。設(shè)0.1 MPa飽和水質(zhì)量流量為qm1、0.1 MPa飽和蒸汽質(zhì)量流量為qm2，依據(jù)飽和水及飽和蒸汽的熱力學特性表，得0.1 MPa飽和水焓h1=504.60 kJ/kg、0.1 MPa飽和蒸汽焓h2=2 706.30 kJ/kg、0.25 MPa飽和水焓h=584.20 kJ/kg。

依據(jù)質(zhì)量守恒、能量守恒可得：

qm1+qm2=60 950 kg/h

(2)

qm1h1+qm2h2=60 950h

(3)

聯(lián)立式(2)、式(3)得qm1=58 746.4 kg/h、qm2=2 203.6 kg/h。

0.1 MPa的乏汽經(jīng)空冷器冷卻后釋放出汽化潛熱，空冷器換熱負荷1 347.7 kW。此部分余熱作為建筑單體冬季供暖熱源，實際運行過程中存在壓力過低問題，而夏季仍需使用空冷器進行降溫冷卻。天然氣處理廠生活熱水部分對熱源的要求為穩(wěn)定熱負荷，而處理廠工藝裝置區(qū)產(chǎn)生的0.25 MPa凝結(jié)水與實際工藝生產(chǎn)負荷有關(guān)，工藝生產(chǎn)負荷存在波動性，乏汽釋放的汽化潛熱量也相應(yīng)發(fā)生變化，余熱作為生活熱水用熱源存在不穩(wěn)定性。

4.2 空冷器進、出口管徑

依據(jù)《熱能工程設(shè)計手冊》[17]確定空冷器進口管徑：

(4)

式中，Di為管道內(nèi)徑，mm；ν為介質(zhì)比容，m3/kg；ω為介質(zhì)流速，m/s。

依據(jù)推薦，乏汽流速選定30 m/s[17]，經(jīng)計算空冷器進口管徑為150 mm。乏汽經(jīng)空冷器冷卻后變?yōu)?.1 MPa的飽和水，其推薦流速選定0.5 m/s[17]，計算得空冷器出口管徑為40 mm。

4.3 空冷器布置

空冷器入口空氣溫度對其熱工性能影響很大，合理布置可保證空冷器的正常熱交換。如果空冷器布置不當，會使空冷器入口氣溫高于環(huán)境氣溫，使傳熱溫差減小，降低傳熱能力。為避免熱風再循環(huán)，將空冷器布置在框架區(qū)平臺上，鍋爐作為高溫設(shè)備處于空冷器下風側(cè)(按夏季主導(dǎo)風向)[18-23]。

4.4 空冷器風機選型

風機是空冷器重要部件之一，在空冷器強化傳熱中起著極其關(guān)鍵的作用。按通風方式，風機主要有鼓風式和引風式兩種。鼓風式是指空氣先經(jīng)過風機葉片驅(qū)動，再穿過管束。引風式是指空氣穿過管束后再由風機葉片引出，氣流穿過管束分布比較均勻[15]。空冷器需要的風量很大，壓頭卻不高，故空冷器風機選用低壓軸流風機。為降低噪聲污染，風機葉尖速度取60 m/s[8]。依據(jù)負荷變化對空冷器電機進行變頻調(diào)節(jié)，以達到經(jīng)濟、高效運行的目的。

5 結(jié)語

對土庫曼斯坦巴格德雷合同區(qū)域A區(qū)改建擴能工程天然氣處理廠凝結(jié)水回收乏汽冷卻系統(tǒng)冷卻設(shè)備選用進行分析，表明采用干式空冷器代替?zhèn)鹘y(tǒng)以水作為冷卻介質(zhì)的冷卻設(shè)備，可達到節(jié)水、節(jié)能的目的。項目建成投產(chǎn)以來，干式空氣冷卻器在凝結(jié)水回收乏汽冷卻系統(tǒng)中有效避免了水冷過程中熱交換器結(jié)垢、傳熱效率降低等問題。在類似工程設(shè)計中，選擇干式空冷器作為冷卻設(shè)備，對工程投資及后期維護管理具有重要意義。