中石化石油工程设计有限公司 山东东营 257026
摘要：循环冷却水系统在石化、电力、冶金等行业中应用广泛。循环冷却水系统是天然气处理厂的血液，设计好循环冷却水系统，是保证天然气处理厂安全稳定运行的基础。在已建项目中，绝大多数循环冷却水系统采用开式系统。本文以某大型天然气处理厂循环冷却水系统为例，从操作维护、节能、运行稳定性、安装便利性以及安全角度考虑，采用一种无风机无填料喷雾推进通风节能冷却塔，详细介绍这种开式循环冷却水系统的工程设计，并提供设计参考。
关键词：天然气；循环冷却水；设计
1 工程概况
该大型天然气处理厂位于哈法亚油田，循环冷却水系统主要服务于站场内的氨液处理单元、凝析油处理单元、轻烃回收单元、尾气回收单元和仪表风氮气撬单元等，总设计循环水量为6 600m3/h。设计湿球温度、循环冷却水温差的不同取值对循环冷却水系统的设备投资、自用电耗等均产生较大影响。本项目设计干球温度为50℃（夏季）和20℃（冬季），设计湿球温度为29℃（夏季）和14.1℃（冬季），循环冷却水系统供水温度为43℃，回水温度为35℃，温差△t为8℃。当地相对湿度为25%～80%，大气压力为102 k Pa。该天然气处理厂工业用水来自哈法亚油田已建水厂，该水厂的给水水源为河水。考虑到旱季河水中的盐分较高，总含盐量（TDS）最高约为2 000 mg/L,Cl-质量浓度最高约为700 mg/L，且循环冷却水系统管网多采用碳钢材质，若直接采用该水厂来水，由于循环冷却水系统的浓缩效应，会对循环冷却水系统有腐蚀和结垢影响。本项目循环冷却水系统补水采用一级RO出水，以减少水中Cl-、Ca2+和Mg2+对系统的腐蚀和结垢。
2 系统设计
2.1 冷却塔选型
该冷却塔服务于哈法亚油田天然气处理设施，安全消防等要求级别高，且需要考虑节水节能。目前国内流行一种喷雾推进通风节能冷却塔，广泛应用于天然气处理、炼油、化工、钢铁、电力、医药、宾馆等诸多领域。在上海广电富士材料有限公司、台塑台化、南京钢铁集团气体公司、苏南硕放国际机场、陕西神木四海煤化工等有成功应用的案例，根据现场调研，用户反应冷却效果不错。与传统机械式冷却塔相比，喷雾推进通风节能冷却塔具有以下优点：（1）取消传统冷却塔中的电动风机，安全节能；（2）塔内热水在细雾状态下与进塔冷空气进行热交换，并及时将热量排出塔外，降温效果好；（3）飘水率小，不易堵塞，对水质无特殊要求；（4）用途广泛，易维护，组装灵活。综合考虑，选择喷雾推进通风节能冷却塔作为该循环冷却水系统冷却塔。
喷雾推进通风节能冷却塔充分利用循环冷却水系统中存在的余压（不低于0.15 MPa（G）），以此为动力源，在喷雾推力的驱动下，带动喷管及风叶旋转，快速旋转产生的离心力使水流离心增压，喷射流体速度加快，使循环回水以雾状喷出。因喷头在垂直方向有一倾角，在垂直分力和旋转离心力的作用下，使喷雾推进雾化装置中的水流产生离心增压，喷出的雾流向中心收缩，并保持一定的喷射高度和范围。最后将水流的大部分能量转化为风能，使热水雾流与冷风得到充分热交换，达到循环回水降温的目的。
本项目采用4套喷雾推进通风节能冷却塔，单套塔设计处理量为1 750 m3/h，塔尺寸为30 m×6 m×7 m，这种冷却塔呈矩形布置，占地面积较大，系统水池和泵房的布局均按此考虑。该冷却塔在夏季且循环回水温度为43℃的情况下，可降温8℃；在冬季且回水温度同样为43℃的情况下，可降温14.6℃，根据天然气工艺装置换热器要求，需要保证其循环水供水温度的相对稳定，因此需要旁通一部分循环回水直接去循环水池，经计算单套塔需要旁通790 m3/h，通过调整旁通量，保证不同季节系统供水温度的稳定。
2.2 补水量与排污量计算
（1）冷却塔蒸发损失水量按下式计算:
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式中：Qe为蒸发损失水量，m3/h；△t为冷却塔进、出水温差，8℃；KZF为蒸发损失系数，根据干球温度取0.001 7;Q为循环冷却水量，6 600 m3/h。
计算得冷却塔蒸发量Qe为89.8 m3/h。
（2）风吹损失水量Qw按循环冷却水量0.1%考虑，Qw=0.1%·Q=6.6 m3/h。
（3）循环冷却水系统排污量根据循环冷却水水质和浓缩倍数计算确定，并按下式计算:
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式中：Qb为系统排污量，m3/h;N为浓缩倍数，计算按5考虑。
计算得冷却塔排污量Qb为15.8 m3/h，在循环冷却水系统回水干管设置排污管线，并设置调节阀，根据系统电导率仪实测电导率控制系统的排污量。正常运行时，可调节系统的浓缩倍数到10。
（4）循环冷却水系统补充水量Qm=Qe+Qw+Qb=112.2 m3/h。
2.3 集水池设计
集水池与泵吸水池设置在一起，中间用隔墙分开，隔墙上设置4道1 m×1 m的闸门和拦污格网，格网栅条间隙为12 mm。水池设置在一套冷却塔下方，其他冷却塔通过管道将经冷却的循环冷却水连接至该集水池下。考虑到冷却塔的平面尺寸和闸门拦污格网操作便利性，确定水池（含集水池和泵吸水池）的平面尺寸为30 m×12 m，集水池分2格。
水池地上安装，根据以下3点确定水池最低运行液位高度：（1）参考水泵必须汽蚀余量NPSHr，考虑1 m的安全裕量，结合水泵的安装，核算水池最低运行液位约为0.6 m;（2）喇叭口垂直布置，最低运行液位距离喇叭口淹没深度为1.0～1.3倍喇叭口直径，核算水池最低运行液位约为1.4 m;（3）考虑防旋涡高度，最低运行液位距离喇叭口边缘距离S按下式计算，计算得S=1.6 m，核算水池最低运行液位为1.6 m。
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式中：Fr为弗劳德数；D为喇叭口外径，0.914m;v为喇叭口流速，0.63 m/s;g为重力加速度，9.8m/s2;S为最低运行液位距离喇叭口边缘距离，m。
综合以上3点，选取1.6 m作为水池的最低运行液位；水池可调节容积考虑总循环水量5 min的调节时间，核算水池可调节高度为1.5 m；选取100 mm的溢流保护高度，以及300 mm超高，最后计算水池高度H=3.5 m。循环冷却水系统管网水容积约为1 200 m3，换热器水容积为200 m3，水池水容积为1 000 m3，系统总水容积为2 400 m3，满足循环冷却水系统循环冷却水小时流量1/3。冷却水在系统内循环时间经计算约为30 min，满足缓蚀剂、阻垢剂和Na Cl O杀菌剂的药剂停留时间。
2.4 循环水泵设计
系统总循环水量为6 600 m3/h，循环水泵采用5台离心泵（4用1备），单泵额定流量为1 750 m3/h。喷雾推进通风节能冷却塔要求回水至喷雾装置的余压不低于0.15 MPa（G），考虑工艺换热器水力压降为0.2 MP（G），循环水系统管网供回水管网同路径枝状布置，经PIPENET水力计算软件模拟，循环水泵扬程为65 m，轴功率为400 k W。
3 结语
（1）喷雾推进通风节能冷却塔是一种高效、安全、节能、节水且安装便利的无风机无填料冷却塔，可广泛应用于天然气处理、炼油、化工、钢铁、电力、医药、宾馆等领域。
（2）考虑夏季工况和冬季工况，通过调整循环回水进塔水量，满足不同季节换热器供水温度的相对稳定。
（3）进行泵吸入口防旋涡计算，能够更加合理地进行泵吸入口的液位设计；考虑多风沙天气，进行风沙后循环冷却水经旁滤处理恢复至正常水质的运行时长计算，有助于更加精确地设计好旁滤系统。
参考文献
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