新型海水冷卻裝置及其技術經濟性分析

侯霄艷 常春梅 孫海生 郝開開

（上海藍濱石化設備有限責任公司）

目前，國內石化企業大多采用開式涼水塔實現對循環水的冷卻，這種方式主要依靠水的蒸發帶走循環水熱量，具有冷卻效果好、占地面積小及設備投資少等優點［1］。但在設備運行過程中，由于水與空氣直接接觸，造成循環水和水中藥劑大量蒸發損耗，據統計，冷卻塔所需補水量約為總循環水量的1.6%左右，以系統循環水量1 000t/h計算，則需補水16t/h。常年補水、加藥和水質變差會對設備造成腐蝕，不但浪費淡水資源，也增加了企業的運行成本。

面對淡水資源的緊缺局面，沿海煉油化工企業逐漸開始采用海水替代淡水作為工業冷卻水，用以解決我國沿海城市和地區的淡水資源危機。由于海水具有取水溫度低、受季節影響不大及水源充足等優點，在循環水冷卻系統中發揮了巨大的優勢，同時在運行過程中循環水側屬于閉式系統，與外界空氣沒有接觸，極大地減少了循環水的損耗與污染，達到了節能降耗的目的［2～6］。

針對循環水冷卻工況，筆者提出了一種結構緊湊、可靠性高的新型海水冷卻系統，并將它與傳統開式涼水塔在某循環水冷卻項目中的應用進行了技術經濟性對比。

1 海水冷卻系統工藝流程

海水冷卻系統工藝流程［7，8］主要分為海水側和循環水側。 如圖1 所示，海水側的海水通過提升泵抽至沉降池內，通過物理沉降和金屬格柵粗過濾后，海水進入過濾單元進行精濾處理，經過處理之后符合要求的海水進入熱交換器單元進行換熱，實現對循環水的冷卻，升溫后的海水排出。

圖1 海水冷卻系統海水側工藝流程簡圖

如圖2 所示，循環水側的循環水從工藝設備中排出后，進入熱交換器單元，完成循環水的冷卻流程，冷卻后的循環水通過增壓水泵送回至工藝設備中，循環水側為閉式系統，不與外界空氣接觸，完成吸熱與放熱的熱量傳遞的全過程。 主管處設有膨脹水箱或穩壓罐以及補水系統，當循環水側壓力不穩或者循環水有損耗時，對它進行穩壓和補水操作［9］。

圖2 海水冷卻系統循環水側工藝流程簡圖

2 新型海水冷卻裝置結構

冷卻裝置作為海水冷卻系統中的核心裝置，目前普遍采用的是可拆卸板式換熱器。 但是由于海水具有很強的腐蝕性，使得換熱器的墊片即使采用耐腐蝕性能強的丁腈橡膠也會經常發生泄漏問題，泄漏導致的停工給生產造成了嚴重的經濟損失。 同時，海水側存在大量藻類植物、節肢動物及微生物等，會經常堵塞流道，而為了控制海洋生物生長所投加的氧化型殺生劑，會加快對設備墊片的腐蝕，減少設備的使用壽命。 為保證系統穩定運行，可拆卸板式換熱器每隔一段時間就需要進行拆卸和清理， 并對老化墊片進行更換，這極大地增加了企業的維護成本［10］。

為此提出圖3 所示的海水冷卻裝置。

圖3 新型海水冷卻裝置結構

該裝置采用全焊接板式換熱器，相較于傳統 的可拆墊片式板式換熱器，極大地降低了墊片腐蝕泄漏的風險；板束為寬通道結構，在高流速海水的沖刷下， 固體顆粒會隨海水排出換熱器，減少在板束內積聚的可能性。 同時，換熱器兩側管箱設置有可拆蓋板，可定期拆卸蓋板對板束進行沖洗，減小堵塞發生的可能性，保證設備穩定運行，同時易于設備維修。 該裝置可采用立式或臥式安裝，具有結構緊湊、可靠性高等特點［11］。

3 循環水冷卻項目方案設計

以某公司循環水冷卻工程項目為例，對新型海水冷卻系統和開式涼水塔兩種方案進行設計。

3.1 設計條件

循環水冷卻項目設計參數如下：

總流量 40 000m3/h

進口溫度 42℃

出口溫度 32℃

進口壓力 50kPa

允許壓力降 50kPa

濕球溫度 28℃

密度 1 000kg/m3

年工作時間 8 000h

3.2 海水冷卻系統方案

經 工 藝 計 算［12,13］， 將 40 000m3/h 循 環 水 從42℃冷卻到32℃， 共需10 臺新型海水冷卻板式換熱器（8 用2 備），并聯布置；同時配置海水過濾器、海水提升泵和循環水泵各10 臺，換熱器與過濾器、海水提升泵和循環水泵串聯布置。

板式換熱器單臺處理量為5 000m3/h，占地面積 5.6m2，換熱面積 1 800m2，單板換熱面積 3m2；配套海水提升泵為單級雙吸型離心泵，額定體積流量5 000m3/h，揚程50m，電機功率1 000kW；配套循環水泵為管道增壓泵，額定體積流量5 000m3/h，揚程40m，電機功率740kW；配套海水過濾器為在線自動反沖洗過濾器，單臺流量5 000m3/h，電機功率1.2kW。

3.3 開式涼水塔方案

根據設計要求，選用TSNL-5000 開式冷卻塔8 個，單塔設計冷卻量5 000m3/h，單塔平面尺寸19m×19m，風機配用電機功率220kW，雙面進風，鋼筋混凝土框架，玻璃鋼維護［14，15］。

配套集水池尺寸為 160m（長）×22m（寬）×2m（深）。 另設8 個循環水泵吸水池，每個水池的尺寸為 16m（長）×4m（寬）×5.5m（深）。 選用 10 臺單級雙吸型離心泵（8 用 2 備），額定體積流量5 000m3/h，揚程75m，電機功率1 100kW。

4 技術經濟性比較

在循環水側相同的工藝條件下，對新型海水冷卻系統和開式涼水塔進行對比。 主要設備投資費用對比見表1，經濟效益對比見表2。

表1 兩種冷卻方案主要設備投資費用對比 萬元

由表1、2 可知，海水冷卻系統方案較開式涼水塔方案初期設備投資多2 840 萬元， 但在操作費用上每年可節省724 萬元，海水冷卻系統方案初期設備投資增加部分的靜態回收期為2840÷724=3.9 年， 即通過節省操作費用可在不到4 年的時間內實現設備投資增加部分的全部回收，以后每年還可以實現節約淡水資源640 萬噸，極大地降低了對淡水資源的消耗。

表2 兩種冷卻方案經濟效益對比

5 結束語

針對現有海水冷卻系統中可拆卸板式換熱器存在的問題，提出了新型海水冷卻裝置全焊接寬通道板式換熱器，該裝置具有結構緊湊、耐腐蝕性能強和不易堵塞的特點，可極大地降低企業的維修成本。 同時，沿海地區具有海水水源充足的特點， 以海水作為冷卻介質帶走工業生產廢熱，取代目前在沿海煉油化工企業中廣泛采用的開式冷卻塔，將極大地滿足用戶對降低淡水消耗的迫切需求。 雖然海水冷卻系統初期設備投資較開式涼水塔高， 但在后期運行中節水效果顯著，可極大地降低企業運行成本，具有廣闊的發展潛力。