油氣終端處理廠冷卻水系統優化方案的設計

黃靖凌

（中海油能源發展裝備技術有限公司 南海工程分公司，廣東 湛江 524057）

0 引言

油氣處理終端目前采用的循環水是敞開式冷卻水系統，經熱設備換熱之后的熱冷卻水通過現有的3臺冷卻水塔進行降溫后循環利用，但是該方式會造成大量的循環水蒸發。因此，每天都需要補充大量的淡水進入循環水系統。據統計，該島上的淡水主要來源于地下水，每天的開采量近4000 m3，島上居民用水和工業用水量就達到了3700 m3/天，地下水資源日趨緊張，且該冷卻系統已無法滿足擴大的油氣處理量，所以必須對冷卻水系統進行改造，降低由于揮發而導致的損耗[1]。本設計主要是對該終端整個循環水系統進行改造，通過多方案的優化設設計，包括利用海水作為換熱介質，達到降低循環水消耗量的目的，最終實現降低地下水的工業使用量，提高企業生產的社會效益。

1 環境條件

終端所在區域的極端最高溫度35.0℃，最低溫度3.7℃，年平均22.9℃，年平均月最高（7月）28.9℃，年平均月最低（1月）15.5℃。每年5月—11月易受臺風影響，尤其是7月—10月臺風最為集中。降水集中在6月—10月，月平均降雨量最大值在8月份為224.6 mm，最小值在1月份為6.9 mm。相對濕度最大為83%，最小為76%，年平均為80%。總體來說，該島周圍臨海，濕度較大，受海洋氣候高鹽霧環境明顯，常規的設備選材可能造成設備及管線腐蝕和結垢問題，使設備及管線強度降低，輕則造成點蝕泄露，重則導致整個系統的失效影響生產，所以在方案設計中需要特別考慮設備和管線材料的防腐蝕和結垢問題。

2 方案設計

2.1 海水閉式循環冷卻

本方案的流程如圖1所示。由圖看，循環水由板式海水換熱器進行冷卻換熱，海水由海水提升泵進入海水池，后由海水增壓泵將1500 m3/h流量輸送至海水換熱器對循環水進行冷卻，冷卻后的海水溫度升高至34.5℃，經冷卻水塔冷卻溫度降低之后，由海水循環泵輸送回海水池[2]。

本方案新增設備包括海水提升泵、海水池、海水增壓泵、海水循環泵以及海水換熱器，另外需要對終端原油的循環水冷卻塔進行海水的適應性改造。其中在原兩臺海水提升泵的基礎上新增一臺，形式為潛水式離心泵，與原泵安裝在一起，距離廠區大約500 m，考慮到碼頭與廠區的地勢高差，揚程約80 m。由于本方案中設海水池可達到海水緩沖的效果，不需要海水泵長期運行并供給海水，故新增海水提升泵的流量設計為60 m3/h，作為原有泵的補充及備用，以此核算該泵電功率為30 kW。

圖1 海水封閉式循環冷卻流程

由于原單臺冷卻水塔的處理能力為1500 m3/h，故設計由海水池至換熱器的海水流量為1500 m3/h，以此來對目前2100 m3/h@40℃的熱循環水進行冷卻。通過換熱模擬計算，換熱后的循環水溫度可以降低至34.1℃，滿足冷卻水循環利用的要求。而海水經冷卻塔后的溫度可以降低至32.5℃，回到海水池后經自然冷卻可重復利用。當海水池溫度提高過多后，可通過海水泵重新補充海水，原海水池中的海水亦可排放一部分高溫海水。

用于給海水增壓的海水增壓泵和海水循環泵流量均為1500 m3/h，增壓泵揚程約15 m，電功率約110 kW；循環泵由于揚程約50 m，電功率約355 kW；且兩種泵均由于是長期使用，故均設置兩臺采用一用一備的方式進行工作，采用耐海水腐蝕的雙相鋼作為主要過流部件材質。海水換熱器則采用全焊接板式換熱器，能有效減小管殼式換熱器尺寸過大的問題。海水過流部件采用鈦合金材質。海水冷卻塔中的水輪機需耐海水腐蝕，因此，上蓋板、軸承座及殼體均采用316L，其中添加的Mo元素提高了耐氯化物引起點腐蝕的能力，主軸采用Cr40，配套緊固件同采用316L材質，其他部件主要通過采用海水用重防腐涂料進行海水防腐。

本方案新增用電負荷為850 kW，目前電氣柜無法滿足新增設備的用電需要。因此，需要考慮由中壓盤新增面柜給新增的低壓配電柜供電[3]。由于海水增壓泵海水和海水循環泵共較大，該配電室內的低壓配電柜備用回路無法滿足供電需求，且中壓柜無備用回路可用，因此，本方案需要增加兩面400 V低壓配電柜、一面中壓配電柜和一套1250 kVA的變壓器作為新增海水提升泵、海水增壓泵和海水循環泵的配電電源。

2.2 海水敞開式冷卻

本方案流程如圖2所示，循環水由新增的板式海水換熱器進行冷卻換熱，海水由新增的海水提升泵持續輸送至海水換熱器對循環水進行冷卻，冷卻后的海水不再重復使用，直接排入海里。

圖2 海水直流冷卻流程

本方案相對海水封閉式循環冷卻，減少了海水池、海水增壓泵以及海水循環泵，同時亦不需要對原有的冷卻塔進行改造，但對海水提升泵的能力要求大大提高，必須要保證海水的持續供給。經初步估算，海水泵功率達到560 kW。同時考慮到泵的持續運行，務必考慮備用泵，故一共需要新增2臺海水提升泵。本方案新增用電負荷為560 kW，該區的6.3/0.4 kV變壓器為1600 kVA，無法滿足新增設備的用電需要。因此，考慮使用6.3 kV的電源給海水提升泵配電，需要新增一套中壓配電柜。

2.3 海水淡化補充循環水

循環水主流程不變，如圖3所示，冷卻水塔蒸發導致的淡水損耗由海水造淡機提供，造淡機用海水由終端原有消防泵輸送至海水池，再由增壓泵輸送至造淡機，造氮機生成的淡水進入冷卻水池中。

冷卻水塔蒸發量為1.2%～2%，按循環水量2100 m3/h計算蒸發量為43 m3/h；但是該處理量需要相對大型的海水淡化站，其中所需配套的海水提升泵的用量需要相關專業廠家進一步核算，其內部的研究方向不在本文研究范圍內，在此僅提供一種初步方案。

2.4 水下橇塊換熱

通過在海底建立水下換熱橇的形式，將該終端循環水通過埋地及海底管線與換熱橇連接，換熱橇設計為換熱器盤管形式。本方案由于使用底層海水對循環水進行換熱，換熱效果最佳，但需要解決水下設備防腐以及海生物清理問題。

圖3 海水淡化補充流程

3 方案對比

海水冷卻技術分為海水敞開式冷卻和海水封閉式式循環冷卻。海水敞開式冷卻是指海水經換熱設備對熱循環水進行一次性冷卻以及排放的過程。本方案技術具有深海取水溫度低、冷卻效果更好和系統運行管理簡單等優點，但是存在取水量大、排污量大等問題。

海水封閉式式循環冷卻是以海水為冷卻介質，經換熱設備完成一次冷卻后，海水經冷卻塔冷卻并循環使用的過程。海水循環冷卻系統由于海水循環使用，其取排水量較直流冷卻系統均減少95%以上，在一定條件下較海水敞開式冷卻技術更經濟和環保，但循環海水會造成設備及管線中海水鹽分結晶，使介質中的海水鹽份濃度加大，容易造成設備及管線結晶損害，而且流程中的設備均要使用耐海水材質導致設備投資費用增高，維保難度加大。

海水淡化補充淡水的方式可以從根本上解決島上工業用淡水緊張的局面，相比其他冷卻方式中有改造流程簡單的特點，但是初期投資建設海水淡化站費用較高，但本方案可以從根本上解決淡水缺乏的問題，在各方面相對成熟的條件下，本方案也是最切實可行的。

水下換熱橇塊方案為目前初步設想，難點在于安裝位置以及海域使用是否涉及環保問題，且循環水進出管線較大，而設置管線距離較長，需著重考慮管線布置的可行性；雖然目前水下橇塊也有成熟技術，但水下換熱橇塊目前尚無成功應用先例，但如能成功應用則可大大優于普通換熱器的換熱效率，并且除了循環水增壓泵和水下橇塊無其他設備，整體改造流程簡單。各方案對比情況見表1。

表1 各方案對比表

4 結語

從總體來說建議優先采用海水敞開式冷卻，流程改造相對簡單，換熱效果好，涉及新增或改造的數量少，海水在流程內保持持續流動，發生結晶對設備管線造成結垢的概率較低；其次從連續生產的角度考慮，在海水系統檢修期間，循環水切換為現有敞開式冷卻流程依然保持可用狀態。

海水淡化補充循環水目前已有相對成熟使用經驗，但其內部流程較復雜，需專業廠家進行方案設計，而且根據現有海水淡化處理設備資料顯示，造淡效率較低，為滿足終端現有缺口，可能需要較大型處理海水淡水處理設備，占地面積和項目投資也會較大。

由于目前尚無水下橇塊冷卻使用案例，而且向水下橇塊及相關管線流程已超終端廠區，存在較多的不確定性，故不建議采用。

綜上所述，建議優先海水敞開式冷卻以及造淡方式，但具體細化方案還需進一步加深設計深度并完成經濟估算評價進行比選，擇優選擇。