空气冷却器在凝结水回收冷却系统中的应用①

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(中国石油工程建设有限公司 西南分公司，四川 成都 610041)

土库曼斯坦巴格德雷合同区域A区改建扩能工程80×108m3/a天然气处理厂地处沙漠地区，工艺装置区生产用蒸汽量大，蒸汽释放汽化潜热后以凝结水形式存在，凝结水热能价值占蒸汽热能的25%[1-3]。凝结水具有温度高、水质好及不需软化处理的优点，可直接送回锅炉使用。天然气处理厂的凝结水回收系统将凝结水送回凝结水罐，由于压降作用，会产生二次乏汽。为防止水击，消除凝结水罐内乏汽，需对乏汽冷却降温。冷却方式有空气冷却和水冷却两种。在采用传统冷却水循环系统对乏汽进行降温回收过程中，冷却水侧为非软化水，存在结垢问题。结垢使设备局部温度偏高，热应力不均匀，造成热交换器腐蚀加剧和热效率下降[4-7]。冷却水循环系统以水为介质，而土库曼斯坦地处沙漠地区，水源受限，节水、节能显得十分必要。

文中以土库曼斯坦巴格德雷合同区域A区改建扩能工程为例，研究并分析了干式空气冷却器(简称空冷器)在天然气处理厂凝结水乏汽冷却回收系统中应用的可行性。

1 空冷器冷却与水冷却原理

1.1 空冷器冷却

空冷器是以环境空气作为冷却介质横掠翅片管外，使管内高温工艺流体得到冷却或冷凝的设备[8-10]，其冷却系统流程简图见图1。

图1 空冷器冷却系统流程简图

空冷器的基本结构包括管束、风机、风箱、构架及其附件等，见图2。空气冷却系统包括变频风机和用于高效换热的翅片管束，是空冷器的核心部分。为达到经济、高效运行的目的，通过变频器来实时调节每台风机的转速。

图2 空冷器基本结构

1.2 水冷却

冷却水循环系统是以水作为冷却介质，并循环使用的一种冷却水系统，主要由冷却设备、水泵和管道组成[11]。冷水流过需要降温的生产设备(如热交换器、冷凝器、反应器)后，温度升高。冷却水循环系统分为敞开式和密闭式。

2 凝结水回收乏汽冷却系统

蒸汽凝结水是天然气处理厂生产中的附属物，由蒸汽释放热能遇冷后产生。蒸汽凝结水具有较高的使用价值，该天然气处理厂工艺装置区脱硫脱碳、硫磺回收、脱水等装置产生大量压力为0.25 MPa的凝结水，凝结水温度高，如果直接排放会对排水系统造成很大影响。凝结水属于高品质软化水，为节约能源并节省软化水设备投资和运行费用，应尽可能回收凝结水，故将其回收至压力为0.1 MPa的凝结水罐。由于压力不同，在凝结水罐内将产生一部分乏汽，为防止水击，应通过冷却系统将乏汽回收。冷却设备的选型尤为重要。与水作为冷却介质的传统工业冷却系统相比，空冷器无需消耗大量的水资源而且操作方便[12-14]，适用于土库曼斯坦缺水的实际情况。

3 冷却水循环冷却系统用水计算

以板式热交换器为冷却设备的传统冷却水循环冷却系统，板式热交换器与冷却水换热设计热负荷1 347.7 kW，该天然气处理厂建设所在地夏季干球温度32 ℃，板式热交换器冷却水入口温度32 ℃，出口温度40 ℃。板式热交换器冷却水质量流量依据能量守恒原理求得：

3.6Q=qmcp(t1—t2)

(1)

式中，Q为板式热交换器换热热负荷，kW；cp为水的比定压热容，取4.2 kJ/(kg·℃)；qm为介质质量流量，t/h；t1为冷却水入口温度，t2为冷却水出口温度，℃。

经计算，冷却水质量流量qm=144.3 t/h，冷却水补水量为冷却水水量的2%[15]。土库曼斯坦水资源受限，若采用冷却水循环冷却系统，还需增加水泵、水池等设备及构筑物，相应的设备费用、安装费用、实际运行设备的电耗、管理维护费用将增加，而空冷系统的维护费用一般为水冷系统维护费用的20%～30%[16]。另外，空冷器的使用寿命较长，而冷却水设备一般3～4 a需大修或更换。综合考虑，该天然气处理厂凝结水回收系统乏汽冷却设备选用水平鼓风式干式空冷器。

4 空冷器冷却系统设计

4.1 热负荷

该天然气处理厂凝结水进入凝结水罐前压力为0.25 MPa、质量流量60 950 kg/h，进入凝结水罐后变成0.1 MPa的饱和水和0.1 MPa的乏汽。采用干式空冷器将0.1 MPa的乏汽冷却。设0.1 MPa饱和水质量流量为qm1、0.1 MPa饱和蒸汽质量流量为qm2，依据饱和水及饱和蒸汽的热力学特性表，得0.1 MPa饱和水焓h1=504.60 kJ/kg、0.1 MPa饱和蒸汽焓h2=2 706.30 kJ/kg、0.25 MPa饱和水焓h=584.20 kJ/kg。

依据质量守恒、能量守恒可得：

qm1+qm2=60 950 kg/h

(2)

qm1h1+qm2h2=60 950h

(3)

联立式(2)、式(3)得qm1=58 746.4 kg/h、qm2=2 203.6 kg/h。

0.1 MPa的乏汽经空冷器冷却后释放出汽化潜热，空冷器换热负荷1 347.7 kW。此部分余热作为建筑单体冬季供暖热源，实际运行过程中存在压力过低问题，而夏季仍需使用空冷器进行降温冷却。天然气处理厂生活热水部分对热源的要求为稳定热负荷，而处理厂工艺装置区产生的0.25 MPa凝结水与实际工艺生产负荷有关，工艺生产负荷存在波动性，乏汽释放的汽化潜热量也相应发生变化，余热作为生活热水用热源存在不稳定性。

4.2 空冷器进、出口管径

依据《热能工程设计手册》[17]确定空冷器进口管径：

(4)

式中，Di为管道内径，mm；ν为介质比容，m3/kg；ω为介质流速，m/s。

依据推荐，乏汽流速选定30 m/s[17]，经计算空冷器进口管径为150 mm。乏汽经空冷器冷却后变为0.1 MPa的饱和水，其推荐流速选定0.5 m/s[17]，计算得空冷器出口管径为40 mm。

4.3 空冷器布置

空冷器入口空气温度对其热工性能影响很大，合理布置可保证空冷器的正常热交换。如果空冷器布置不当，会使空冷器入口气温高于环境气温，使传热温差减小，降低传热能力。为避免热风再循环，将空冷器布置在框架区平台上，锅炉作为高温设备处于空冷器下风侧(按夏季主导风向)[18-23]。

4.4 空冷器风机选型

风机是空冷器重要部件之一，在空冷器强化传热中起着极其关键的作用。按通风方式，风机主要有鼓风式和引风式两种。鼓风式是指空气先经过风机叶片驱动，再穿过管束。引风式是指空气穿过管束后再由风机叶片引出，气流穿过管束分布比较均匀[15]。空冷器需要的风量很大，压头却不高，故空冷器风机选用低压轴流风机。为降低噪声污染，风机叶尖速度取60 m/s[8]。依据负荷变化对空冷器电机进行变频调节，以达到经济、高效运行的目的。

5 结语

对土库曼斯坦巴格德雷合同区域A区改建扩能工程天然气处理厂凝结水回收乏汽冷却系统冷却设备选用进行分析，表明采用干式空冷器代替传统以水作为冷却介质的冷却设备，可达到节水、节能的目的。项目建成投产以来，干式空气冷却器在凝结水回收乏汽冷却系统中有效避免了水冷过程中热交换器结垢、传热效率降低等问题。在类似工程设计中，选择干式空冷器作为冷却设备，对工程投资及后期维护管理具有重要意义。