巴斯夫——华源尼龙有限公司循环冷却水站设计介绍

中国纺织工业设计院
朱 昱

概述

　　巴斯夫——华源尼龙有限公司是一家中外合资企业，厂址位于上海市青浦县中纺科技城内，产品为锦纶6BCF地毯丝，目前该工程一期工程（规模为7000吨/年）已建成投产。
　　该工程的循环冷却水站主要提供工艺装置和冷冻空压站循环冷却用水，主要设计参数为：
　　冷却塔进水温度：≤41℃　　　　　　　　 进水压力：不低于0.25MPa
　　冷却塔出水温度：≥26℃≤33℃　　 出水压力：不低于0.45MPa
　　循环冷却水的水质标准符合GB50050-95《工业循环冷却水处理设计规范》。
　　在设计该工程的循环冷却水站的过程中，针对合资企业项目的特点，在装置的规模、布局、监控仪表的选用等方面的都做了大量工作，力求使工程投资结构经济合理，提高自动化程度，操作简例，易于管理。由于工程场地地质条件较差，为了节省施工费用，减少施工难度，在高程布置方案的选择上做了多方案比较。
　　在此，我把本设计中的一些主要思路、方案比较、设备选型等介绍一下，并结合设计和实际运行出现的一些值得探讨的问题谈一谈自己的观点，供大家参考并提供宝贵意见。

一 循环冷却水站的规模

　　由于该工程按一次规划，分期建设的原则分为AⅠ、AⅡ、B、C几个阶段，各个阶段所需循环冷却水量各不相同。其中AⅠ期工程循环冷却水量为3000m³/h，因此在确定循环冷却水站的规模时，既要着眼远期发展，预留用地，又要综合考虑近期与长远的关系，一次规划，分期建设，合理投资。比如冷却塔的选项用，如果选用每座300m³/h的大型冷却塔，从节省占地角度看是合理的，但由于该工程将根据产品的市场销路情况分期建设且阶段较多，公用工程需求量的不可预见性较大，加之循环冷却水在夏季和冬季的需求量各不相同，因此若选用每座1500m³/h的中型冷却塔则更能灵活机动的适应工程各个阶段、各个季节的不同需求。
　　基于上述原则，循环冷却水站的占地按最大规模9000m³/h考虑，约3600m²。冷却塔分为两组，每组三座冷却塔，每座冷却塔冷却水量1500m³/h，这样，循环冷却水站可分别提供1500、3000、4500、6000、9000m³/h若干档的循环水量。除一组冷却塔预留用地外，其它土建工程（泵房及附房、吸水池等）都按最大规模一次建成，并预留设备基础。AⅠ期安装的设备，除旁滤设备及一些小设备外，均按3000m³/h考虑。

二 循环冷却水工艺流程

　　下图是循环冷却水站工艺流程框图：

　　循环冷却回水由冷冻空压站引出(DN800)，利用其余压(0．25MPa)进入冷却塔。另外，从回水主管中分出一路旁通管(DN400)，利用温控调节阀调节旁通流量。设置旁通管的目的，一是可以节约能耗：根据设计参数，循环冷却水供回水温度分别为≤33℃和≤41℃，在冬季气温较低时，冷却回水不必全部进入冷却塔处理即可达到设计供水温度；二是根据冷冻机的工艺要求，冷却水供水温度不能低于26℃，这是和以往循环水站设计有所不同的，因此温度调节阀将控制温度设定为27℃-32℃，水温正常值为≤32℃，当温度下降至30℃时，调节阀开启，当下降至27℃时，调节阀开启度为最大。
　　经冷却塔处理后的冷却水在塔底水池汇集后，自流到吸水池，吸水池入口处为一个隔板混合井。在吸水池分别设置液位指示和温度指示在线仪表。
　　循环水泵房设置有三台循环水泵，二用一备。水泵流量按照每座冷却塔的设计流量选定为1500m³／h，即一台水泵对应一座冷却塔。
　　泵房内另有两台旁滤水泵(一用一备)，规范要求夯滤水量为循环水量的3％--5％，因此旁滤水泵的流量按C期规模(即9000m³／h)的3％选定。
　　泵房附房包括值班控制室、化验室、变配电室、加药间、药剂仓库。加药间内设置一套加药装置，阻垢缓蚀剂等药剂在此调配、混合，经计量泵投加到吸水池前混合并，与冷却水充分混合。

三　冷却塔选型

　　根据上海地区气象参数，经计算，气水比确定为0．8，采用直径7．7m、风量13．5x104m³／h的风机，单塔冷却水量可达1600m³／h。风筒采用玻璃钢风筒，塔内设有玻璃钢集流器，淋水填料为双斜波填料，材质为改性PVC，喷头采用反射型，收水器型线S形。
　　对于是采用钢筋混凝土框架结构冷却塔还是采用钢支架玻璃钢冷却塔，我为此做了比较。首先，从外形比较，钢支架玻璃钢冷却塔外形美观，钢筋混凝土结构冷却塔略显笨重，占地稍大；其二，玻璃钢冷却塔为预制构件，安装进度快，而混凝土冷却塔需现浇，工程进度稍逊一筹；第三，对于大中型冷却塔来说，钢筋混凝土结构冷却塔坚固耐用，折旧年限长，一般寿命可达20--50年；而大中型全玻瑚钢塔的坚固稳定程度则要差一些，使用寿命在5-10年；第四，钢支架玻璃钢塔的防腐要求较，且养护费用高，相反，混凝土冷却塔在防腐性能上要优于前者；还有一点就是，钢筋混凝土冷却塔的，造价比钢支架全玻璃钢冷却塔便宜，平均每塔相差10万元左右。经过和业主对国内同类型冷却塔的共同考察，最后决定采用钢筋混凝土框架结构冷却塔。

四 平面布置

　　根据上海地区气象条件及总图中冷冻空压站的位置，循环冷却水泵房定位于冷冻空压站正西，泵房以南依次为吸水井、冷却塔。如前所述，泵房土建工程是按最终规模设计的，因此，后期的水泵基础和预留预埋都已施工到位。
　　根据规范中冷却塔与其他建筑物间距的限制，冷却塔与泵房及附房的最小间距应是25米，但由于场地及总图布置的限制，实际间距只有23．5米。
　　由于规范中间距的限制，在以往循环冷却水站的设计中，冷却塔和泵房之间都布置了一座吸水池，用以弥补间距过大而造成的吸水管过长，从而引起水泵吸水流量不稳定的现象。另外，还可以在吸水池前设置导板混合并，以利于阻垢级蚀剂等药剂与循环水的充分混合。在下面的高程布置说明中可以看到，由于吸水池的存在，从冷却塔塔底水地经吸水池，再到水泵吸入管，水头损失是相当大的。

五 高程布置

　　以泵房和附房室内地坪为相对标高±0．00m，冷却塔塔底水池底标高定为-1．00m，塔底水池水面标高定为+0．90m。
　　从塔底水池到吸水池的管道布置，设计时共有几种方案，通过对水头损失的计算，比较如下表：

方案一 方案二 方案三 方案简述 每座冷却塔设独立塔底水池；两组塔共用一根连通管。 一组冷却塔中，三座塔的塔底水池连通为一体共用一个DNl000管道出口；两组塔共用一根连通管。 每组冷却塔的塔底水池连通为一体，两组塔分别用一根DNl000管道引入吸水池混合井。 管道布置 管道支管较多，与其它管道交叉多 管道布置简单，管道交叉少 有两根大口径主管，占地较多 水头损失(塔底水池出口至吸水池出口) 由于管道布置较为复杂，造成局部水头损失很大，如按最终规模(9000m³/h)计算，水头损失达3．17m 当使用一组冷却塔(4500m³／h)时计算时水头损失较小；但当另一组冷却塔出水在共用管道汇合时，局部损失增加，总的结果为1．43m。 由于两组冷却塔个自独立，水头损失仅是一组冷却塔水量的计算值，因而计算数值较小，为0．99m。 施工难度及工程造价 由于水头损失大，吸水池及泵房的标高都很低，土建挖深很多，由于现场地基土质很差，地下水位很高，施工难度较大，挖得越深，工程费用将成倍增加。 水头损失较小，施工难度及造价有所降低，且管道施工工程量小。 水头损失比前两个方案都小，因而施工难度和费用是最低的。同时，对后期发展的管道衔接也比较有利。 其他 每座冷却塔自成一体，便于调控及养护清洗。 同方案三 塔底水池连为一体后，当冷却塔不同时使用时，易产生水流死角，滋生藻类；出水管口径较大，阀门口径达DNl000，虽然选用了蜗轮式蝶阀，但可靠性有待时间考验。

　　很明显，方案3的管道布置既简单又有利于后期发展，较小的水头损失使吸水池、泵房的高程不至于很低，对于现场较差的地基土质来说，无疑大大降低了工程造价和施工难度。
　　由于AI期时只用两座冷却塔，因而第三座预留塔下的水池暂时与另两格水池隔离，防止水流不畅而滋生藻类。

六 仪表控制

　　在循环冷却水站的设计中，根据业主的要求，控制仪表的设计原则是简单、实用、可靠。同时，也采用了一些先进可靠的监测控制仪表。如对风机减速箱内油温、振动、油位的监测仪表的选用，以往的设计是分别安装各自的传感器放大器，并经由相互独立的传输和供电线路，最后显示在不同的监测记录仪表上。这种方法使传感器、变送器安装繁琐，传输线路杂乱，易受干扰，不便维护，成本较高。在我所调研的多家工厂的冷却塔中，都曾经发生因监测不当或发现不及时而导致风机机件损坏的事故。根据风机生产厂家的建议，设计中选用了KR—939B型风机安全监控系统，该系统运用了多参数组合探头技术、数字指令编码技术，使以往的监控方式有了根本的改观，它对风机抽湿、油位、振动集中监测指示记录报警，维护方便，成本低，可实现科学化数据管理。目前该系统已在多座冷却水站得到应用，并获得良好的效果，可靠性较强。系统分别由三参数组合探头、风机监控器构成(计算机管理网络暂没有安装，但预留接口)。已参数组合探头安装于风机减速箱油标固定座或观察孔安装座上，其探针直接插入润滑油中，将减速箱内的油温、油位以及机械振动直接转换为电信号，并传至控制室内的风机监控器。风机监控器可以对风机的三项运行参数进行实时监测，完成数字显示记录、超限报警、自动控制故障风机停机等多种功能。由于每台监控器有一条四芯电缆挂接八只组合探头，可同时对八台风机进行监测，因此，对于本循环冷却水站而言，一台监控器业已满足最终需要，今后只需每增加一台风机就增设一个组合探头即可。另外，监控器除可以独立完成动态监控任务外，还能够通过串行数据通讯线路与上位计算机实现多台挂接，并与KR—933风机智能控制器一起组成统一的计算机实时监控管理网络，——这项功能将随着今后工程扩建及管理的提高而逐步实现。

七　实际运行情况

　　该循环冷却水站的施工安装、试车运行均较为顺利。由于站内设备操作简单易学，设备维护方便，操作工管理起来较为轻松。迄今该站已平稳运行一年有余，装置设备均正常运转，尚未出现大的问题及故障。　　 根据业主反馈的情况，由于冷冻机的选用是根据外商的资料，考虑了后期工程的发展需要而留有相当的余量，因此目前冷冻机的夏季负荷仅65％左右，冬季低温时只能采用开空调加热旁通阀增加负荷后维持冷冻机20％运转负荷，因此循环冷却水系统设备潜力很大，为马上开工的二期工程创造了有利条件。现在，冷却塔和循环水泵正常只开一台，水泵流量在1100m3／h左右，夏季供水温度27±0．5℃，回水温度不超过34℃，冬季(11月中旬至次年3、4月)可不开冷却塔风机。温度控制旁通流量调节阀使用情况良好，根据当地的气象条件，调节阀控制在28℃全闭，25℃全开，对空压机、冷冻机的稳定运转提供了条件。不过，由于今冬(1999--2000年)上海遭遇罕见的寒冷低温，塔内部分填料 结冰，为此只得关闭旁通阀，强制回水上塔防止冰冻。由于风机安全监控系统的采用，使管理人员随时随地能够及时了解风机的运转状况，对保证风机安全运转起了很大作用。
　　由于补充水管道的计量水表在施工图设计时应甲方要求取消，目前不能得到有关补充水量的数据，因而药剂的投加量均是根据经验投加，加之原设计采用的试验装置监测换热器也因甲方原因取消，所以对整个系统阻垢防腐效果尚不能以数据评价。但从对设备的检修情况来看，没有腐蚀及明显结垢现象。另外冷却塔的进风面没有设计百页式隔板，塔内光照充沛，有水藻类繁殖，额外加大了药剂量。

八　 对一些设计问题的探讨

　　大型循环冷却水站的占地面积都比较大，这是因为冷却塔和泵房、配电室平行布置，由于间距的限制，拉大了冷却塔与泵房之间的距离。如此大的占地面积，对于现在寸土寸金的土地来说很不经济。如何减少大型循环冷却水站的占地面积，应是一个值得研究的课题。《工业企业总平面设计规范》中规定了冷却塔与相邻设施的最小水平间距，但在实际应用时，往往感到规定的间距过大。近年来，冷却塔风筒、收水器等部件的性能都有明显提高，为缩小间距提供了条件。我认为在循环水站平面布置设计中，在不违反规范基本原则，满足冷却塔进风要求的前提下；应能根据具体情况适当灵活掌握。
　　循环水泵一般采用大流量的S或SH型卧式泵，占地较大。目前国内已有大流量的潜水给水泵和立式离心泵生产，如果能用潜水泵或立式离心泵取代卧式泵，水泵露天安装，直接从塔底水池吸水，则占地面积将大大减少，同时也大大减少了土建工程。从节能的角度而言，由于减少了水头损失，水泵耗电也将降低。
　　加药泵可以选择与循环水泵同扬程的计量泵，药剂直接泵入管道混合器，既可省去混合并，也可提高药剂混合效果。同理，也可不必设专门的旁滤泵，而由循环水泵供水管分出支管接至无阀过滤器，当然，由于无阀过滤器所需水头较低，支管应安装减压阀。