密閉水冷式冷卻塔的可靠性改造分析

遲百川，張巖巖

（國家石油天然氣管網集團有限公司山東省分公司，山東濟南 250101）

0 引言

密閉水冷式冷卻塔[1-2]是一種以水為媒介的冷卻裝置，通過與流過的空氣、循環水進行熱量交換，達到降溫的目的。但其在長期運行過程中，出現冷卻能力下降、水垢多、外壁結冰、滋生水藻及青苔等情況，嚴重影響了相關設備的安全平穩運行。

因此，首先闡述水冷式冷卻塔的結構原理、存在問題；然后從冷卻塔運行的穩定性、經濟性及可行性等方面進行分析，結合當地氣候、水質等實際情況，將原有水冷式與新引入風冷式[3-4]進行對比分析，論證改造的可行性及必要性，并確定后續生產運行的模式選擇，即正常情況下使用風冷模式，特殊情況切換至水冷模式。

1 水冷式冷卻塔現狀調查

某壓氣站采用FBP-120-3-1 密閉水冷式冷卻塔，主要由塔體、風機、噴淋泵[5]、蓄水池及配套管路組成，冷卻能力約為1800 萬kJ/h，承擔著離心壓縮機[6]、潤滑油站以及變頻器[7]的冷卻任務。塔體的組成包括：1-減速裝置；2-進水口；3-面板；4-百葉；5-溢水口；6-水箱；7-出水口；8-電機；9-風機（鋁合金）；10-風筒（玻璃鋼）；11-收水器（PVC）；12-播水裝置；13-填料（PVC）；14-扶梯；15-補水口；16-排污口。水冷式冷卻塔如圖1 所示。

圖1 水冷式冷卻塔

密閉水冷式冷卻塔主要工藝流程有兩個。一是設備降溫流程：去離子水裝置→供水泵→循環水泵→壓縮機房內循環水、變電所外循環水→冷卻塔；二是內循環水降溫流程：供水泵→噴淋泵→冷卻水塔→水槽。冷卻循環系統流程如圖2 所示。

圖2 冷卻循環系統

但在長期的運行過程中，密閉水冷式冷卻塔存在以下問題：

（1）現場設置3 臺冷卻塔，采用2 用1 備的運行方式，但在夏季運行過程中，環境溫度高，需3 臺設備全部運行，導致無備用。

（2）使用的循環水為地下水[8]，現場的地下水硬度高、堿性大、水垢多、氯化物超標，設備運行過程中會有部分水溢出或飛濺到塔外，造成塔體本身、風機扇葉及相關設備設施腐蝕[9]嚴重（圖3），需定期清洗、更換。

圖3 冷卻塔外壁及風扇結垢

（3）該地區冬季氣溫較低，設備運行過程中會出現塔體外壁結冰現象，影響空氣流通，換熱能力下降。

（4）蓄水池內需常年存水，水池內滋生水藻、青苔，附著在加熱管、噴淋泵入口等處，影響相關設備使用壽命。水槽內污物清理情況如圖4 所示，水質化驗報告如圖5 所示。

圖4 水槽內污物清理

圖5 水質化驗報告

（5）噴淋泵常年運行，使用壽命降低，維護成本增大。

2 可靠性改造方案

根據循環水系統[10-11]設計要求（循環水流量126 m3/h，進口溫度45 ℃，出口溫度33 ℃，溫度差為12 ℃，冷卻能力約為1800×104kJ/h）進行測算，純風冷式冷卻塔在氣溫不太高時滿足設計要求，但在夏季運行期間仍存在超溫運行風險，無法滿足設計需要。因此保留噴淋泵，日常以風冷模式運行，夏季高溫時期對水槽注水啟動噴淋泵輔助降溫以滿足冷卻用水需要。

2.1 改造安裝

為滿足冷卻水設計要求，風冷式冷卻塔需要更大的換熱面積以滿足運行需要，風冷式冷卻塔設計如圖6 所示，增加散熱風扇。

圖6 風冷式冷卻塔設計

單臺風冷式冷卻塔設計尺寸為6.48 m×2.98 m×5.25 m，3臺冷卻塔需占地面空間19.44 m×2.98 m×5.25 m。現場冷卻塔可用地面的東西長度約25 m，南北長度約10.4 m。因此，現場滿足風冷式冷卻塔占地面積要求，四周還可留出足夠的巡檢空間。冷卻塔設備及管道平面布置如圖7 所示。

2.2 結構對比

水冷式冷卻塔主要由循環管路、散熱器、循環水泵、風機、蓄水池、足夠的水源組成，結構復雜；而風冷式冷卻塔有循環管路、循環水泵、風機組成，結構相對簡單。

2.3 冷卻效果

水冷式冷卻塔主要是以水為冷卻介質，水的比熱容[12]為4.2 kJ/（kg·K），風冷式冷卻塔主要是以空氣為冷卻介質，空氣的比熱容為1.4 kJ/（kg·K），水的比熱容是空氣的3 倍，但空氣的流動性遠遠大于水，因此，同等耗電條件下，水冷式冷卻塔與風冷式冷卻塔冷卻效果相差不大。

2.4 能耗成本分析

水冷式冷卻塔在運行過程中，每時每刻都會有蒸發、飛濺情況的發生，按照往年運行經驗，單臺冷卻塔綜合損水耗量為3000 m3/年/臺；而風冷式冷卻塔以空氣為冷卻介質，運行過程中基本無損耗，但每年的八九月份由于氣溫較高，需啟動噴淋泵。同時，水冷式冷卻塔在運行過程中，需進行防腐、外壁清洗、相關備件更換等，還需投入人工成本進行日常性維護。兩種冷卻塔對比見表1。

表1 兩種冷卻塔對比

以工業用電平均電價0.55 元/（kW·h）、水資源稅2 元/m3為基準進行計算。水冷式冷卻塔的單臺年耗電成本：（11+4）kW×24 h×365×0.55 元/（kW·h）=72 270 元；單臺年水費成本：3000 m3×2 元/m3=6000 元；單臺年維護成本：7500+3000+3500+10 000+15 000+16 000=55 000 元；進而單臺年總生產運行成本為133 270 元。風冷式冷卻塔單臺年耗電成本：（36 kW×24 h×365+4 kW×24 h×60）×0.55 元（kW·h）=176 616 元；基本無其他成本支出，其年總生產運行成本約176 616 元。改造后單臺增加成本支出40 000 余元。

但結合現場實際情況，頻繁的維護保養、特殊情況下備件無法及時到貨、夏季無法控制水溫等，嚴重影響壓縮機等關鍵設備的平穩運行，間接性、不可預料性的支出將大大增加，同時也增大了員工的日常工作量。雖然改造后成本支出增加，但兩種冷卻方式的結合使用，大大提高了設備的安全、平穩性。

3 結束語

作為壓氣站冷卻系統不可或缺的設備，冷卻塔在石油石化行業中的作用至關重要。針對密閉水冷式冷卻塔長期運行過程中出現的問題，進行詳細分析，并闡述風冷式冷卻塔的改造方案。通過綜合對比分析兩種冷卻方式的優缺點，結合現場實際情況，論證兩種方式結合使用的可行性，為設備的安全、穩定、長周期、滿負荷、優良運行提供了良好的基礎，同時也大大減少日常操作、維護保養的風險及工作量。