斜流泵和消雾冷却塔组合在联碱装置循环水系统中的应用

柴培虎,程生鹏,韩国军

(金昌氨碱源化工有限公司,甘肃 金昌 737000)

在金昌氨碱源化工有限公司20万t/a联碱装置搬迁改造项目中,针对甘肃金昌地区干旱缺水的现状,工程技术人员经过了大量的对比论证,循环冷却水系统最终采用“消雾节水冷却塔+立式斜流泵”组合形式。

在搬迁改造之前联碱装置建有两套循环冷却水系统,均采用“玻璃钢冷却塔+卧式离心泵”模式,配套修建有两座半地下式循环水泵房,分别用于Ⅰ过程碳化塔、煅烧冷凝塔、压缩机等冷却用水和Ⅱ过程母液冷却系统和其他机泵类冷却用水等,以上冷却系统设备多、运行维护费用高、效率低,耗水量较大。

搬迁改造后联碱装置循环水冷却塔系统采用一套“消雾节水冷却塔+立式斜流泵”组合配置,即逆流式钢筋混凝土(单风机)消雾节水冷却塔(型号XWGFNS-35007,配套风机电机功率185 kW)二台(水池底部联通),匹配立式斜流泵(28LBSA-50,流量3 500 m3/h,扬程50m,配套电机功率710 kW)二台。单套循环冷却水装置,可满足20万t/a联碱装置循环冷却水需求。

1 立式斜流泵和消雾节水冷却塔工作原理及优势

1.1 立式斜流泵特点及工作原理

立式斜流泵又叫做导叶式混流泵,主结构主要由吸人喇叭口、叶轮室、叶轮、导叶体、外接管和吐出弯管、主轴、联轴器部件、伸缩节、填料密封部件等组成。

立式斜流泵在正常运行工况下,其通过原动机带动叶轮旋转,产生推力和离心力对液体做功,从而增加液体的位能、压能和动能。流量和扬程变化范围大,且功率变化小,并拥有较宽的高效区,是一种性能和结构介于离心泵和轴流泵之间的水泵,它不仅克服了轴流泵小流量时性能不稳定的缺点,而且也解决了离心泵不适合在低扬程下使用的问题。因此斜流泵补偿了两者的缺点的同时具有两者的优点,这也使得立式斜流泵的应用领域逐渐向传统的轴流泵和离心泵的使用领域扩展,目前已经逐步在工业生产冷却水系统中得到越来越广泛的应用。

其次,立式斜流泵相较卧式离心泵可以不用设置吸水口及吸水管,节约设备占地面积和部分管道投资,性价比较高。本项目采用二台立式斜流泵作为节水消雾冷却塔的配套循环水泵,将其安装置于冷却塔一侧的平台上,节省了建设循环水泵房的土建费用,同时满足联碱装置循环冷却水流量和扬程的需求。

1.2 消雾式循环水塔的工作原理

冷却塔是用空气同水的接触来冷却水的装置。冷却塔冷却的基本原理有两个方面:一是利用水本身的蒸发潜热来冷却水;二是利用水和空气两者的温度差通过热传导来冷却水。机力通风型冷却塔其工作原理是把所需冷却处理的水压到冷却塔上部,再通过配水系统均匀地喷洒于填料上,热水从填料上部落下,同时不饱和空气从塔下部上升或由侧面进入淋水装置,在填料间隙的流动中,热水与不饱和空气进行冷热交换,空气把热量向外传递,变成热空气,再由风机抽到塔外,从而达到水温降低的效果。

1.吸入喇叭口 2.进口滤网 3.导叶体 4.外接管a 5.外接管b 6.内接管a 7.内接管b 8.电机联轴器 9.轴承支架 10.吐出弯管 11.主轴a 12.主轴b 13.叶轮 14.泵联轴器 15.套筒联轴器 16.轴套图1 立式斜流泵结构图

消雾工作原理:基于凝结换热、导热和对流传热传质的基本理论,使得冷却塔循环水蒸发换热后的水蒸气,通过对流及导热换热后深度冷凝成水膜,进而收集后进行重复循环使用,有效的提高了循环水的利用率,同时提供了高品质的纯水资源,更有利于减少蒸汽的排出及雾霾的产生。

消雾节水型冷却塔优势:春秋冬三季冷却塔正常运行,消雾效果明显,夏季通过调节百叶窗和挡风板,同样保证节水消雾,达标降温;冷却塔周围雾气减少,从而减少了雾霾形成的载体,减少大气污染,提升企业形象;回收水进入循环水池,减少了新鲜水的补水量,与传统冷却塔相比,在整个消雾节水过程中,没有增加风机及水泵的能耗,达到了消雾、节水、节能并行的效果,技术原理如图2。

①环境空气穿过湿冷填料 ②饱和热空气穿过一对交替的换热板块 ③环境空气通过进气管道 ④外界空气转进一对交替换热板块 ⑤从换热板块出来的湿热空气和干冷空气混合 ⑥出塔空气图2 消雾节水冷却塔技术原理示意图

2 搬迁改造前后运行效果对比

联碱装置搬迁改造项目于2021年5月竣工投产,循环冷却水设施投运后,冷却塔设备运行正常,开一台立式斜流泵运行,循环水流量约3 700 m3/h。冷却塔消雾系统运行稳定,开停灵活,消雾效果非常显著,塔顶风机根据生产负荷以及季节气候的变化选择开、停,实际冷却水循环量为3 200～4 100 m3/h,冷却塔热负荷约155 GJ,供应20万t/a联碱装置碳化、煅烧、压缩、干铵、母液等工序冷却换热设备,完全满足生产需求。

2.1 循环冷却水温差

搬迁改造前,在夏季供水期,循环水出水温度29～30 ℃,回水温度36～37 ℃,冷却温差为7 ℃左右。搬迁改造后,在夏季供水期,循环水出温度26～27 ℃,回水温度36～37 ℃;冷却温差为10 ℃左右。循环水温整体下降约3 ℃,冷却塔进出水温差增大,冷却效果显著提高,保障联碱装置生产系统热负荷的移除。尤其对于碳化工序,良好的冷却系统保障了工艺系统的稳定和优化,重碱结晶粒度大,产品质量好,滤过洗水用量减少,很好的保障了系统母液平衡。

2.2 消雾系统运行状况

消雾节水型冷却塔采用间壁式换热器,采用蒸汽深度回收冷凝装置,基于凝结换热、导热和对流传热的基本理论,使得冷却塔循环水蒸发换热后的水蒸汽,通过对流及导热换热后深度冷凝成膜,从而收集后进行重复循环使用。通过对进风百叶窗的调节来调节消雾模块,百叶窗有四种运行角度:0°、30°、45°、90°。根据外界大气温度并结合冷却塔运行时顶部蒸汽的外逸程度进行百叶窗的角度调整,以保证最大的换热、消雾节水效果。

根据测定,该消雾节水冷却塔在正常满负荷运行时,未开启消雾系统,塔顶排出湿热空气含湿量一般约为0.044 kg/kg;打开消雾系统,塔顶排出湿热空气含湿量约为0.014(冬季)～0.032(夏季)kg/kg。冬季消雾效果非常显著(见图3),环保和社会效益明显。

图3 消雾节水冷却塔消雾效果对比照片(左侧塔未开消雾系统,右侧塔开启消雾系统)

2.3 冷却设备运行情况

与搬迁改造前相比,循环冷却水泵运行台数由原装置的 3台卧式离心水泵减为现在的1台立式斜流泵,降低了设备维护、检修工作量。装置自2021年5月开启投运后,冷却塔和立式斜流泵运行平稳,截止2023年7月未出现故障,且有良好的节电效果,与搬迁改造前相比,运行总功率减少120 kW,年减少用电量约76.8万kWh,节约电费约38.4万元。

2.4 耗水量对比

搬迁改造前,原冷却塔无节水消雾节水装置,冷却塔补水量较大。搬迁改造使用消雾节水冷却塔后,根据生产测定,节水量约为蒸发水量的20%～40%(冬季节水量大),按年运行8 000 h计,则年节水量约7.4万m3,节水收益约为22万元.在水资源紧缺,工业用水价格居高不下的西北干旱地区,企业节水效益显著。

2.5 节约建设费用

该套装置将立式斜流泵安装于冷却塔一侧的平台上,节省了建设循环水泵房的土建费用,按照本地建设工程造价情况,减少建设土建费用约100万元,且安装方便,缩短建设工期。

3 结 语

在我公司20万t/a联碱装置搬迁改造项目冷却水系统中, 采用“节水消雾冷却塔+立式斜流泵”组合模式,减少了原装置建设卧式离心水泵厂房的工程量,缩短建设工期,大幅降低建设费用,工艺装置简洁,设备数量少且布置紧凑,设备运行稳定,冷却水温达标,节能效益显著,员工劳动强度下降。经过二年的运行检验,完全达到了预期的效果,与目前纯碱行业通常采用的卧式离心泵与非节水型冷却塔的组合方式相比,实现了“1+1>2”的经济技术优势,为企业节能增效做出贡献,同时为其它企业冷却设备选型提供了实践依据。