大型天然气处理厂循环冷却水系统设计探讨

梅欢， 陶贤文， 连广宇， 韩宗谭

（中国石油工程建设有限公司北京设计分公司， 北京 100085）

循环冷却水系统在石化、 电力、 冶金等行业中应用广泛［1-2］。 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［3］。 在已建项目中， 绝大多数循环冷却水系统采用开式系统［4］。 本文以伊拉克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。

1 工程概况

该大型天然气处理厂位于伊拉克哈法亚油田，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6 600 m3／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［5］。 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 kPa。 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， 系统补水水质见表1。

表1 一级RO 出水水质Tab. 1 Quality of effluent water from 1st RO

2 系统设计

2.1 冷却塔选型

该冷却塔服务于伊拉克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。 该冷却塔原理如图1 所示。

图1 喷雾推进通风冷却塔示意Fig. 1 Spraying propulsion draft cooling tower

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［6］：

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［6］：

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，详见图2。

图2 循环冷却水系统平面布置Fig. 2 Plan of circulating cooling water system layout

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［6］， 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［7］， 计算得S ＝1.6 m， 核算水池最低运行液位为1.6 m。

式中： Fr 为弗劳德数； D 为喇叭口外径， 0.914 m； v 为喇叭口流速， 0.63 m／s； g 为重力加速度， 9.8 m／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［8］。 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NaClO 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［9］，循环水泵扬程为65 m， 轴功率为400 kW。

2.5 旁滤设计

间冷开式系统旁滤水量宜为循环冷却水小时流量的1%～5%［6］， 旁滤水量F0取400 m3／h， 选用2台纤维球过滤器， 单台处理能力为200 m3／h。 纤维球过滤器具有过滤精度高、 处理量大、 滤速快、 反冲洗强度低、 滤料再生效果好等优点［10］， 对5 μm以上悬浮物的去除率能维持在90% 以上。 伊拉克地区多沙尘暴， 考虑风沙情况下总悬浮物（SS）经过一定时间的旁滤处理至正常水质的恢复时长由下式计算：

式中： △P 为SS 在△t 时间的质量浓度变化，mg／L； △t 为时间变化， h； F0为旁滤水量， 400 m3／h； F 为反冲洗时小时旁滤量， 350 m3／h； Q 为总循环水量， 6 600 m3／h； Qm为补充水量， 112.2 m3／h； Qb为排污量， 15.8 m3／h； Qw为风吹损失水量， 6.6 m3／h； V 为系统总水容积， 2 400 m3； P 为循环水中SS 质量浓度， mg／L； Pi为风中SS 质量浓度， 0.4 mg／L（假定）； Pm为系统补水中SS 质量浓度， 0.3 mg／L（假定）； e 为SS 去除率， 90%； t 为系统水质回复正常时间， h； a、 b 为系数。

经计算， 在风沙情况下SS 质量浓度由100 mg／L， 经纤维球过滤器处理降至20 mg／L， 考虑一定裕量， 处理时长约为20 h， 循环水系统在1 d 时间内可回复正常水质。

2.6 加药系统设计

系统设置3 套加药系统， 缓蚀剂系统撬装、 阻垢剂系统撬装和NaClO 杀菌剂系统撬装， 以控制系统的腐蚀、 结垢和藻类微生物损害换热器、 管道。 缓蚀剂和阻垢剂的投加量针对补水量， NaClO的投加量针对循环水量。 计算后， 缓蚀剂系统和阻垢剂系统采用容积5 m3溶药箱和2 台（1 用1 备）流量0 ～100 L／h、 扬程40 m 的计量泵； NaClO 杀菌剂系统采用容积为10 m3溶药箱和2 台（1 用1备）流量0 ～1 000 L／h、 扬程40 m 的计量泵。 3 种加药系统连续加药， 同时采用非氧化性杀菌剂对系统进行每月1 次的冲击加药。

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； 考虑伊拉克多风沙天气， 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。