循環水溫度控制方法探討

王乃充，羅群杰，王大禹

（中國石油吉林石化公司乙二醇廠，吉林吉林 132002）

0 引言

循環水在化工生產中起著舉足輕重的作用，利用循環水進行換熱，是其重要作用之一。在實際開展工業循環水系統生產作業時，需要借助相關方法和設備，為循環水系統生產提供降溫及控制。

循環水系統的調節與控制包括降溫和寒冷天氣下的精準控制。控制好循環水出水溫度（即供出水溫度），在循環水系統的調控中極為重要，因為循環水出水溫度將直接影響后部熱負荷及反應效果，同時能體現高質量發展方向。

循環系統的降溫方法包括傳導降溫、輻射降溫、冰機冷凍機組降溫、水場填料降溫等。其中，水場填料降溫原理為蒸發降溫，這里著重引入低露點氣體，目的就是增強蒸發能力，以進一步降低循環水出水溫度。控制操作方式有兩種：一是多臺散熱風機運行，達到控制的目的；二是單臺風機運行時，利用風機變頻控制，實現東北寒冷天氣情況的水溫精準控制。

1 比熱（比熱容）概念

一定質量的物質，在溫度升高或降低時，所吸收（或放出）的熱量與該物質的質量和變化的溫度乘積之比，稱作這種物質的比熱容（比熱），用符號C 表示。其國際單位制中的單位是焦耳每千克開爾文或焦耳每千克每攝氏度，即J/（kg·K）或[J/（kg·℃）。所以，C=Q/（mΔt）。

在工程應用上，常用的有定壓比熱容Cp、定容比熱容Cv和飽和狀態比熱容Cv三種。其中，Cp是單位質量的物質在壓力不變的條件下，溫度升高或下降1 ℃或1 K 所吸收或放出的能量；Cv是單位質量的物質在容積（體積）不變的條件下，溫度升高或下降1 ℃或1 K 吸收或放出的能量；Cv是單位質量的物質在某飽和狀態時，溫度升高或下降1 ℃或1 K 所吸收或放出的熱量。

水場裝置的總熱量按C=Q/（mΔt）計算。其中，水的比熱約為4.2×103J/（kg·℃）；A 裝置按5.8 ℃計算，B 裝置按5.6 ℃計算，則A 裝置的小時熱量為9 000 000×5.8×4200=219 240 000 kJ，B 裝置的小時熱量為4 000 000×5.6×4200=94 080 000 kJ。

2 物體導熱的方式

化工熱力學中提到，物體（流體）本身只要有熵值和焓值的變化就會有溫度的變化。導熱的3 種方式分別是傳導、輻射和對流。

傳導散熱降溫熱從物體溫度較高的部分沿著物體傳到溫度較低的部分，叫做熱傳導。熱傳導是固體中熱傳遞的主要方式。

對流散熱降溫對流傳熱是熱傳遞的一種基本方式，它是在流體流動進程中發生的熱量傳遞的現象，主要是由于質點位置的移動使溫度趨于均勻。

各種物質都能夠傳導熱，但是不同物質的傳熱能力不同。即換熱器多采用換熱好的銅材質進行制作，使溫度趨于均勻。液體和氣體中熱傳遞的主要方式是對流傳熱，但也常伴有熱傳導。通常由于產生的原因不同，有自然對流和強制對流兩種。根據流動狀態，又可分為層流傳熱和湍流傳熱。

3 降溫采取的工藝

3.1 冰機機組

冰機機組即在循環水系統中增設冰機機組系統，將循環水從裝置帶回的熱量由冰機系統消化，從而使循環水降溫。具體冷量及裝置規模按上述熱量標準進行核算設計。

冰機工作過程利用連續4 個且往復循環的過程來實現制冷目的。

（1）蒸發過程。蒸發過程在蒸發器中低壓的冷媒液從外部被冷卻空間（或流體）吸收熱量而蒸發，為蒸發過程；

（2）壓縮過程。壓縮過程在這個過程中，壓縮機抽取在蒸發器蒸發完了的冷媒氣體，然后把它加以壓縮，使其成為高壓的氣態冷媒。

（3）凝結過程。凝結過程高壓的氣態冷媒在冷凝器中由于周圍空氣或水冷卻而液化，為凝結過程。

（4）膨脹過程。膨脹過程此流過冷媒成為低壓的冷媒，因而利于在蒸發器蒸發，為膨脹過程。膨脹過程為從冷凝器出來的液態冷媒到蒸發器蒸發所必須經過的過程。

冰機制冷量=Q/4.2/t。其中，t 是時間，即降溫需要多少時間。如果是風冷，制冷量除以2500 就是匹數；如果是水冷，再除以3000 就是匹數。

3.2 冷卻池蒸發散熱降溫

主要探討循環水敝開式蒸發降溫工藝，包括冷卻池和冷卻塔兩種。

（1）冷卻池降溫的設備結構。蒸發冷卻池散熱是指液體的水分在物體表面由液態轉化為氣態，同時帶走熱量的一種散熱方式。蒸發散熱可以實現循環水降溫。冷卻池形式進行降溫，現大多采用結構包括塔池、風機、收水器、水噴淋管件、填料層等。在循環水場中，由于塔內填料的作用，水形成水膜層或水滴，加大熱水與空氣的接觸面積，增強水的蒸發散熱效果。每蒸發1 g 水可以帶走2.44 kJ 熱量，因此蒸發是非常有效的散熱方式。

（2）冷卻塔形式進行降溫。即引入低露點氣體于冷卻塔，以降低循環水溫度，更進一步地說，將空分裝置剩余的或是多余的氣體引用水冷卻塔，氣體包括污氮氣、多余或放空的氮氣、氮氣。

根據化工熱力學原理，低露點氣體和流動的水接觸，即會形成未飽和水蒸發達到飽和的過程，水分蒸發、自身溫度降低。

4 水場風機LF-47 改型

現用風機廠家為某航空螺旋槳制造廠，擬對現役的LF-47風機改型。該公司是我國唯一從事航空螺旋槳設計制造廠商，4.7 m 新型系列冷卻塔風機在設計中廣泛吸取了國內外先進技術成果及乙二醇廠已定型的各種規格冷卻塔風機的成熟經驗，各種技術性能指標均達到了國家相關標準。經現場運行證明，風機運行平穩可靠、維護檢修方便，主要技術性能指標可以代替進口風機，在國內處于領先地位。

各型號風機的主要技術參數見表1。從表中可以看出，用LF-47Ⅲ替代LF-47 風機，改造后風機的風量可提高30%。

表1 各型風機的主要技術參數

（1）外形利用現有科技進行改進，風量增大，即可增大循環水降溫作用。

（2）此減速器為二級傳動，通過一對錐形齒輪和一對斜齒輪減速，齒輪所用的材料為鈦合金鋼，經過熱處理，使齒輪具有良好的物理機械性能。從而保證了高抗磨性和高抗沖擊能力。此減速器內有貯油槽及流道，采用飛濺自流式潤滑，確保各潤滑面具有足夠的油，同時還具有振動小、噪音低、運轉平穩等優點。減速器密封性能好，無漏油和滲油現象。

（3）傳動軸由優質鋼聯接法蘭、優質鋼管和聯軸器組裝而成。兩個半聯軸器之間用8 個柱銷（每個柱銷帶有氯丁橡膠彈性圈）聯接，這種結構安裝方便、耐腐蝕性好、運轉平穩。如果用戶的需要，也可采用膜片聯軸器。

（4）LF47Ⅲ型冷卻塔風機的電機型號為YSDL250M-4/6P，B3。其安裝要求如下：

①清潔細致檢查各部件、擦拭清潔。在輪轂錐孔和減速器軸上涂上潤滑脂。

②對好風筒中心，安裝減速器。

③安裝電機和傳動軸，傳動軸兩法蘭平面的間隙為3 mm（如用膜片聯軸器則為17 mm），通過調整電機和減速器，保證法蘭面間的間隙在圓周各點上一致，最大互差不超過0.2 mm。

④將塔外油標的兩根管固定在減速器上。

⑤把輪轂安裝到減速器上，在軸端空余處涂滿潤滑脂，壓板和螺栓把輪轂固定在減速器軸上。

⑥安裝葉片。

⑦安裝擋風板。將擋風板按其外表面的輪

⑧生產號與輪轂配套安裝，并將擋風板按其標記與輪轂上的支板對準，最后用螺栓固定。

⑨安裝塔外油標。要求油標進油孔中心線和減速器放油孔中心線應在同一水平線上，對照油塞尺刻線，現場在塔外油標玻璃管刻上最高和最低油位線。

⑩整機安裝完畢后，用手盤動傳動軸，應無阻滯和別勁現象、運轉平穩均勻。

費用以簽訂合同形式進行約束，同時材料雙方以甲方（使用單位）為主形式供給。

5 風機系統引入變頻設備

在寒冷季節時期，時有精準控制循環水溫度的需要。即運行一臺風機時溫度過低，不運行又會出現溫度高的情況。冬季時頻繁進行人工調整，會增加人員安全風險和人員勞動強度。

因此，引入變頻技術。變頻器由整流（交流變直流）、濾波、逆變（直流變交流）、制動單元、驅動單元、檢測單元、微處理單元等功能模塊組成，涉及變頻技術與微電子技術，主要通過改變電機工作電源頻率的方式來控制交流電機的電力控制設備。根據電機的實際需要來提供其所需要的電源電壓，進而達到節能、精準調速的目的。變頻調速時，如果流量要求減小，通過降低泵或風機的電機轉速即可滿足要求。

另外，變頻器還有很多的保護功能，如過流、過壓、過載保護等。隨著工業自動化程度的不斷提高，變頻器已經在工業領域得到廣泛的應用。

6 執行的標準及規范

（1）閥管方面的標準及規范有《工業金屬管道設計規范》（GB50316—2008）、《鋼制管法蘭、墊片、緊固件》（HG/T 20592—2009）、《石油化工管道設計器材選用規范》（SH/T 3059—2012）。

（2）職業安全衛生方面的標準及規范有：《生產設備安全衛生設計總則》（GB 5083—1999）、《工作場所職業病危害警示標識》（GBZ 158—2003）。

（3）消防方面，項目結合現有消火栓（配消防箱）可以滿足本項目消防用水要求，并執行《消防給水及消火栓系統技術規范》（GB 50974—2014）。

（4）土建方面的標準及規范有《建筑抗震設計規范》（2016年版）、《建筑抗震設計規范》（GB50011—2010）、《建筑結構荷載規范》（GB 50009—2012）、《建筑地基基礎設計規范》（GB 50007—2011）。

（5）信息自動化方面的標準及規范有《石油化工儀表接地設計規范》（SH/T 3081—2003）、《石油化工自動化儀表選型設計規范》（SH/T 3005—2016）、《自動化儀表工程施工及質量驗收規范》（GB50093—2013）、《石油化工儀表供電設計規范》（SH/T3082—2003）、《水污染源在線監測系統安裝技術規范》（HJ/T 353—2007）、《石油化工儀表工程施工質量驗收規范》（SH/T 3551—2013）。

（6）供電方面的標準及規范有《石油化工企業生產裝置電力設計技術規范》（SH/T 3038—2017）、《供配電系統設計規范》（GB 50052—2009）、《電力裝置的繼電保護和自動裝置設計規范》（GB 50062—2008）、《低壓配電設計規范》（GB 50054—2011）、《爆炸危險環境電力裝置設計規范》（GB 50058—2014）、《電力裝置的電測量儀表裝置設計規范》（GB/T 50063—2008）、《化工企業腐蝕環境電力設計規程》（HG/T 20666—1999）。

7 結語

綜上所述，為了確保在實際生產過程中能夠發揮作用，需要進行相應操作并為其配備循環水冷卻塔電機控制系統，從而有效增強循環水冷卻效果的可操控性。