斜流泵和消霧冷卻塔組合在聯(lián)堿裝置循環(huán)水系統(tǒng)中的應(yīng)用

柴培虎,程生鵬,韓國(guó)軍

(金昌氨堿源化工有限公司,甘肅 金昌 737000)

在金昌氨堿源化工有限公司20萬(wàn)t/a聯(lián)堿裝置搬遷改造項(xiàng)目中,針對(duì)甘肅金昌地區(qū)干旱缺水的現(xiàn)狀,工程技術(shù)人員經(jīng)過(guò)了大量的對(duì)比論證,循環(huán)冷卻水系統(tǒng)最終采用“消霧節(jié)水冷卻塔+立式斜流泵”組合形式。

在搬遷改造之前聯(lián)堿裝置建有兩套循環(huán)冷卻水系統(tǒng),均采用“玻璃鋼冷卻塔+臥式離心泵”模式,配套修建有兩座半地下式循環(huán)水泵房,分別用于Ⅰ過(guò)程碳化塔、煅燒冷凝塔、壓縮機(jī)等冷卻用水和Ⅱ過(guò)程母液冷卻系統(tǒng)和其他機(jī)泵類冷卻用水等,以上冷卻系統(tǒng)設(shè)備多、運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用高、效率低,耗水量較大。

搬遷改造后聯(lián)堿裝置循環(huán)水冷卻塔系統(tǒng)采用一套“消霧節(jié)水冷卻塔+立式斜流泵”組合配置,即逆流式鋼筋混凝土(單風(fēng)機(jī))消霧節(jié)水冷卻塔(型號(hào)XWGFNS-35007,配套風(fēng)機(jī)電機(jī)功率185 kW)二臺(tái)(水池底部聯(lián)通),匹配立式斜流泵(28LBSA-50,流量3 500 m3/h,揚(yáng)程50m,配套電機(jī)功率710 kW)二臺(tái)。單套循環(huán)冷卻水裝置,可滿足20萬(wàn)t/a聯(lián)堿裝置循環(huán)冷卻水需求。

1 立式斜流泵和消霧節(jié)水冷卻塔工作原理及優(yōu)勢(shì)

1.1 立式斜流泵特點(diǎn)及工作原理

立式斜流泵又叫做導(dǎo)葉式混流泵,主結(jié)構(gòu)主要由吸人喇叭口、葉輪室、葉輪、導(dǎo)葉體、外接管和吐出彎管、主軸、聯(lián)軸器部件、伸縮節(jié)、填料密封部件等組成。

立式斜流泵在正常運(yùn)行工況下,其通過(guò)原動(dòng)機(jī)帶動(dòng)葉輪旋轉(zhuǎn),產(chǎn)生推力和離心力對(duì)液體做功,從而增加液體的位能、壓能和動(dòng)能。流量和揚(yáng)程變化范圍大,且功率變化小,并擁有較寬的高效區(qū),是一種性能和結(jié)構(gòu)介于離心泵和軸流泵之間的水泵,它不僅克服了軸流泵小流量時(shí)性能不穩(wěn)定的缺點(diǎn),而且也解決了離心泵不適合在低揚(yáng)程下使用的問題。因此斜流泵補(bǔ)償了兩者的缺點(diǎn)的同時(shí)具有兩者的優(yōu)點(diǎn),這也使得立式斜流泵的應(yīng)用領(lǐng)域逐漸向傳統(tǒng)的軸流泵和離心泵的使用領(lǐng)域擴(kuò)展,目前已經(jīng)逐步在工業(yè)生產(chǎn)冷卻水系統(tǒng)中得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。

其次,立式斜流泵相較臥式離心泵可以不用設(shè)置吸水口及吸水管,節(jié)約設(shè)備占地面積和部分管道投資,性價(jià)比較高。本項(xiàng)目采用二臺(tái)立式斜流泵作為節(jié)水消霧冷卻塔的配套循環(huán)水泵,將其安裝置于冷卻塔一側(cè)的平臺(tái)上,節(jié)省了建設(shè)循環(huán)水泵房的土建費(fèi)用,同時(shí)滿足聯(lián)堿裝置循環(huán)冷卻水流量和揚(yáng)程的需求。

1.2 消霧式循環(huán)水塔的工作原理

冷卻塔是用空氣同水的接觸來(lái)冷卻水的裝置。冷卻塔冷卻的基本原理有兩個(gè)方面:一是利用水本身的蒸發(fā)潛熱來(lái)冷卻水;二是利用水和空氣兩者的溫度差通過(guò)熱傳導(dǎo)來(lái)冷卻水。機(jī)力通風(fēng)型冷卻塔其工作原理是把所需冷卻處理的水壓到冷卻塔上部,再通過(guò)配水系統(tǒng)均勻地噴灑于填料上,熱水從填料上部落下,同時(shí)不飽和空氣從塔下部上升或由側(cè)面進(jìn)入淋水裝置,在填料間隙的流動(dòng)中,熱水與不飽和空氣進(jìn)行冷熱交換,空氣把熱量向外傳遞,變成熱空氣,再由風(fēng)機(jī)抽到塔外,從而達(dá)到水溫降低的效果。

1.吸入喇叭口 2.進(jìn)口濾網(wǎng) 3.導(dǎo)葉體 4.外接管a 5.外接管b 6.內(nèi)接管a 7.內(nèi)接管b 8.電機(jī)聯(lián)軸器 9.軸承支架 10.吐出彎管 11.主軸a 12.主軸b 13.葉輪 14.泵聯(lián)軸器 15.套筒聯(lián)軸器 16.軸套圖1 立式斜流泵結(jié)構(gòu)圖

消霧工作原理:基于凝結(jié)換熱、導(dǎo)熱和對(duì)流傳熱傳質(zhì)的基本理論,使得冷卻塔循環(huán)水蒸發(fā)換熱后的水蒸氣,通過(guò)對(duì)流及導(dǎo)熱換熱后深度冷凝成水膜,進(jìn)而收集后進(jìn)行重復(fù)循環(huán)使用,有效的提高了循環(huán)水的利用率,同時(shí)提供了高品質(zhì)的純水資源,更有利于減少蒸汽的排出及霧霾的產(chǎn)生。

消霧節(jié)水型冷卻塔優(yōu)勢(shì):春秋冬三季冷卻塔正常運(yùn)行,消霧效果明顯,夏季通過(guò)調(diào)節(jié)百葉窗和擋風(fēng)板,同樣保證節(jié)水消霧,達(dá)標(biāo)降溫;冷卻塔周圍霧氣減少,從而減少了霧霾形成的載體,減少大氣污染,提升企業(yè)形象;回收水進(jìn)入循環(huán)水池,減少了新鮮水的補(bǔ)水量,與傳統(tǒng)冷卻塔相比,在整個(gè)消霧節(jié)水過(guò)程中,沒有增加風(fēng)機(jī)及水泵的能耗,達(dá)到了消霧、節(jié)水、節(jié)能并行的效果,技術(shù)原理如圖2。

①環(huán)境空氣穿過(guò)濕冷填料 ②飽和熱空氣穿過(guò)一對(duì)交替的換熱板塊 ③環(huán)境空氣通過(guò)進(jìn)氣管道 ④外界空氣轉(zhuǎn)進(jìn)一對(duì)交替換熱板塊 ⑤從換熱板塊出來(lái)的濕熱空氣和干冷空氣混合 ⑥出塔空氣圖2 消霧節(jié)水冷卻塔技術(shù)原理示意圖

2 搬遷改造前后運(yùn)行效果對(duì)比

聯(lián)堿裝置搬遷改造項(xiàng)目于2021年5月竣工投產(chǎn),循環(huán)冷卻水設(shè)施投運(yùn)后,冷卻塔設(shè)備運(yùn)行正常,開一臺(tái)立式斜流泵運(yùn)行,循環(huán)水流量約3 700 m3/h。冷卻塔消霧系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定,開停靈活,消霧效果非常顯著,塔頂風(fēng)機(jī)根據(jù)生產(chǎn)負(fù)荷以及季節(jié)氣候的變化選擇開、停,實(shí)際冷卻水循環(huán)量為3 200～4 100 m3/h,冷卻塔熱負(fù)荷約155 GJ,供應(yīng)20萬(wàn)t/a聯(lián)堿裝置碳化、煅燒、壓縮、干銨、母液等工序冷卻換熱設(shè)備,完全滿足生產(chǎn)需求。

2.1 循環(huán)冷卻水溫差

搬遷改造前,在夏季供水期,循環(huán)水出水溫度29～30 ℃,回水溫度36～37 ℃,冷卻溫差為7 ℃左右。搬遷改造后,在夏季供水期,循環(huán)水出溫度26～27 ℃,回水溫度36～37 ℃;冷卻溫差為10 ℃左右。循環(huán)水溫整體下降約3 ℃,冷卻塔進(jìn)出水溫差增大,冷卻效果顯著提高,保障聯(lián)堿裝置生產(chǎn)系統(tǒng)熱負(fù)荷的移除。尤其對(duì)于碳化工序,良好的冷卻系統(tǒng)保障了工藝系統(tǒng)的穩(wěn)定和優(yōu)化,重堿結(jié)晶粒度大,產(chǎn)品質(zhì)量好,濾過(guò)洗水用量減少,很好的保障了系統(tǒng)母液平衡。

2.2 消霧系統(tǒng)運(yùn)行狀況

消霧節(jié)水型冷卻塔采用間壁式換熱器,采用蒸汽深度回收冷凝裝置,基于凝結(jié)換熱、導(dǎo)熱和對(duì)流傳熱的基本理論,使得冷卻塔循環(huán)水蒸發(fā)換熱后的水蒸汽,通過(guò)對(duì)流及導(dǎo)熱換熱后深度冷凝成膜,從而收集后進(jìn)行重復(fù)循環(huán)使用。通過(guò)對(duì)進(jìn)風(fēng)百葉窗的調(diào)節(jié)來(lái)調(diào)節(jié)消霧模塊,百葉窗有四種運(yùn)行角度:0°、30°、45°、90°。根據(jù)外界大氣溫度并結(jié)合冷卻塔運(yùn)行時(shí)頂部蒸汽的外逸程度進(jìn)行百葉窗的角度調(diào)整,以保證最大的換熱、消霧節(jié)水效果。

根據(jù)測(cè)定,該消霧節(jié)水冷卻塔在正常滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí),未開啟消霧系統(tǒng),塔頂排出濕熱空氣含濕量一般約為0.044 kg/kg;打開消霧系統(tǒng),塔頂排出濕熱空氣含濕量約為0.014(冬季)～0.032(夏季)kg/kg。冬季消霧效果非常顯著(見圖3),環(huán)保和社會(huì)效益明顯。

圖3 消霧節(jié)水冷卻塔消霧效果對(duì)比照片(左側(cè)塔未開消霧系統(tǒng),右側(cè)塔開啟消霧系統(tǒng))

2.3 冷卻設(shè)備運(yùn)行情況

與搬遷改造前相比,循環(huán)冷卻水泵運(yùn)行臺(tái)數(shù)由原裝置的 3臺(tái)臥式離心水泵減為現(xiàn)在的1臺(tái)立式斜流泵,降低了設(shè)備維護(hù)、檢修工作量。裝置自2021年5月開啟投運(yùn)后,冷卻塔和立式斜流泵運(yùn)行平穩(wěn),截止2023年7月未出現(xiàn)故障,且有良好的節(jié)電效果,與搬遷改造前相比,運(yùn)行總功率減少120 kW,年減少用電量約76.8萬(wàn)kWh,節(jié)約電費(fèi)約38.4萬(wàn)元。

2.4 耗水量對(duì)比

搬遷改造前,原冷卻塔無(wú)節(jié)水消霧節(jié)水裝置,冷卻塔補(bǔ)水量較大。搬遷改造使用消霧節(jié)水冷卻塔后,根據(jù)生產(chǎn)測(cè)定,節(jié)水量約為蒸發(fā)水量的20%～40%(冬季節(jié)水量大),按年運(yùn)行8 000 h計(jì),則年節(jié)水量約7.4萬(wàn)m3,節(jié)水收益約為22萬(wàn)元.在水資源緊缺,工業(yè)用水價(jià)格居高不下的西北干旱地區(qū),企業(yè)節(jié)水效益顯著。

2.5 節(jié)約建設(shè)費(fèi)用

該套裝置將立式斜流泵安裝于冷卻塔一側(cè)的平臺(tái)上,節(jié)省了建設(shè)循環(huán)水泵房的土建費(fèi)用,按照本地建設(shè)工程造價(jià)情況,減少建設(shè)土建費(fèi)用約100萬(wàn)元,且安裝方便,縮短建設(shè)工期。

3 結(jié) 語(yǔ)

在我公司20萬(wàn)t/a聯(lián)堿裝置搬遷改造項(xiàng)目冷卻水系統(tǒng)中, 采用“節(jié)水消霧冷卻塔+立式斜流泵”組合模式,減少了原裝置建設(shè)臥式離心水泵廠房的工程量,縮短建設(shè)工期,大幅降低建設(shè)費(fèi)用,工藝裝置簡(jiǎn)潔,設(shè)備數(shù)量少且布置緊湊,設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定,冷卻水溫達(dá)標(biāo),節(jié)能效益顯著,員工勞動(dòng)強(qiáng)度下降。經(jīng)過(guò)二年的運(yùn)行檢驗(yàn),完全達(dá)到了預(yù)期的效果,與目前純堿行業(yè)通常采用的臥式離心泵與非節(jié)水型冷卻塔的組合方式相比,實(shí)現(xiàn)了“1+1>2”的經(jīng)濟(jì)技術(shù)優(yōu)勢(shì),為企業(yè)節(jié)能增效做出貢獻(xiàn),同時(shí)為其它企業(yè)冷卻設(shè)備選型提供了實(shí)踐依據(jù)。