噴霧增濕空冷器優(yōu)化設(shè)計分析
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[關(guān)鍵詞]噴霧增濕；空冷器；優(yōu)化設(shè)計；能效；緊湊度
一般來說，當介質(zhì)低于120℃時，回收其熱量代價比較昂貴。為了降低回收成本，高效完成大量低溫介質(zhì)殘余熱量冷卻工作，空冷器作為一種節(jié)約能源、減少工業(yè)水污染、投資經(jīng)濟性高的熱交換設(shè)備已廣泛應(yīng)用于石油化工行業(yè)。對比翅片管式干空冷器的不足，如占地面積大、易受現(xiàn)場環(huán)境及夏季高溫影響出現(xiàn)換熱能力下降等問題，噴霧增濕空冷器具有緊湊度高、熱效率高、適應(yīng)性強、使用范圍廣等諸多優(yōu)點[1,2]。
1空冷器簡介
空冷器是以空氣為冷介質(zhì)，冷卻管內(nèi)為熱介質(zhì)的換熱設(shè)備。按冷卻方式可分為：干式空冷器、濕式空冷器、干濕聯(lián)合空冷器，其中濕式空冷器包括：噴霧增濕型、噴水增濕型。一般干空冷可以把管內(nèi)熱介質(zhì)冷卻到高于環(huán)境溫度20℃，濕空冷可以把介質(zhì)冷卻到高于環(huán)境溫度3~5℃，干濕聯(lián)合型可以把介質(zhì)冷卻到接近或低于環(huán)境溫度。不同類型空冷器結(jié)構(gòu)和應(yīng)用場合不同。干空冷器、噴霧增濕空冷器管內(nèi)介質(zhì)一般為單相介質(zhì)冷卻；噴水增濕空冷器、干濕聯(lián)合空冷器一般管內(nèi)為氣液兩相介質(zhì)冷凝冷卻。干空冷器、噴霧增濕空冷器主要靠空氣升溫顯熱冷卻管內(nèi)介質(zhì)，而噴水增濕空冷器、干濕聯(lián)合空冷器主要靠傳熱元件表面水膜蒸發(fā)潛熱冷卻管內(nèi)介質(zhì)。本文以新建大型空冷器項目為例，從傳熱性能、產(chǎn)品投資、應(yīng)用消耗等方面對比普通翅片管式干空冷器，詳細闡述噴霧增濕空冷器計算原理及特點。
2噴霧增濕系統(tǒng)設(shè)計原理及結(jié)構(gòu)特點
2.1設(shè)計原理
噴霧增濕系統(tǒng)設(shè)計原理利用大氣環(huán)境干球溫度高于濕球溫度特點，通過高壓水泵及霧化噴頭，將常溫常壓液態(tài)水細化成大量微小粒徑的霧化液滴，這些霧化液滴在風機壓頭作用下順勢融入到空冷器迎風面周圍空氣中，從而增加空氣相對濕度，使空氣干球溫度降至濕球溫度。最終通過增大傳熱溫差，提高空冷器換熱能力，達到節(jié)省換熱面積提高設(shè)備緊湊度，節(jié)省占地面積減少設(shè)備投資的目的[3~6]。
2.2設(shè)計條件
當?shù)睾０?000m、相對濕度45%、最熱月平均溫度30℃，空冷器各項參數(shù)如表1所示。由表1可知，該工位空冷器具有以下特點：(1)熱負荷、介質(zhì)流量大；(2)介質(zhì)出口溫度低（接近夏季大氣環(huán)境極端溫度）；(3)換熱面積大、占地面積大。
2.3噴霧系統(tǒng)設(shè)計
空冷器噴霧系統(tǒng)設(shè)備及配件主要包括高壓水泵、霧化噴頭、過濾器、壓力表、止回閥、球閥、噴淋管線等。其中高壓水泵需根據(jù)風機風量及噴霧后空氣含濕量差值計算總耗水量（泵的流量），噴頭一般選取噴出霧化顆粒在60-100um的霧化噴頭；高壓水泵根據(jù)噴頭霧化要求一般選取出口壓力為80bar的柱塞泵；噴霧采用除鹽水，管線設(shè)有過濾器凈化除鹽水。根據(jù)設(shè)計條件，設(shè)定當環(huán)境溫度超過30℃時開始噴霧，夏季極端溫度按40℃計算，計算出當環(huán)境大氣溫度從31~40℃時噴水總耗水量如表2所示[7]。由表2可知，當環(huán)境溫度40℃時，將其冷卻至30℃時耗水量最大，所以噴霧增濕系統(tǒng)最大耗水量為14.84m3/h。根據(jù)耗水量及揚程水泵電機選用37kW電機。噴霧系統(tǒng)工藝流程圖如圖1。由圖1可以看出，整套系統(tǒng)包含3臺水泵（兩用一備）、除鹽水管道、噴淋管線、管道閥門（安全閥、球閥、止回閥）、儀表管件（壓力表、過濾器、蓄能器）、噴頭等。噴頭與噴淋管線通過螺紋連接，噴淋管線縱向布置在空冷器管束底部迎風面。為保證良好的噴霧效果，一方面應(yīng)合理布置噴淋管線間距，防止因噴頭噴霧半徑相互干涉噴霧水滴下落造成水資源浪費，另一方面要適當調(diào)整噴頭與最后一排換熱管的間距，使噴頭噴霧半徑與噴霧覆蓋面積相互匹配[8~12]。
3干空冷器與噴霧增濕空冷器性能與經(jīng)濟性對比
在干空冷設(shè)計中，一般按保證每年不超過5天的最高氣溫或按當?shù)刈顭嵩碌娜兆罡邭鉁氐钠骄翟黾?~5℃作為空氣入口設(shè)計溫度；噴霧增濕空冷器，一般按當?shù)刈顭嵩聵O端溫度與相對濕度，查表得出相應(yīng)濕球溫度作為空氣入口設(shè)計溫度。將本項目干空冷器與噴霧增濕空冷器兩組方案各參數(shù)對比于表3。從表3可知，干空冷器空氣入口設(shè)計溫度較高，并且當設(shè)備熱負荷相同時，干空冷器需要更大的換熱面積及占地面積才能滿足換熱要求。按照設(shè)備使用壽命20年、每年8400工作小時（夏季噴霧360小時）、工業(yè)用電收費0.7元/kWh、除鹽水7元/t計算，對比干空冷器與噴霧增濕空冷器投資及運行總費用，見表4。從表4可以看出，從長期運行能耗角度可知噴霧增濕空冷器比干空冷器節(jié)省費用81.39萬元，提高能效30.5%，從總費用、占地經(jīng)濟角度可知噴霧增濕空冷器比干空冷器節(jié)省費用581.39萬元，節(jié)省投資26.8%。
4結(jié)論
本文以某公司新建大型空冷器項目為例，詳細闡述了根據(jù)項目所在地相對濕度低、夏季溫度高、日照時間長、介質(zhì)處理量大、介質(zhì)出口溫度低等特點，優(yōu)化設(shè)計的噴霧增濕系統(tǒng)。并且通過干空冷器與噴霧增濕空冷器的對比，從換熱性及經(jīng)濟性兩方面分析得出，噴霧增濕空冷器具有能效高、占地面積小、緊湊度高、可模塊化、結(jié)構(gòu)簡單、性價比高、制造方便等諸多優(yōu)點。當周圍出現(xiàn)熱風循環(huán)或夏季極端高溫時，環(huán)境溫度過高導(dǎo)致干空冷器的換熱能力下降，從而裝置降低負荷運行。針對這些工況，噴霧增濕空冷器可根據(jù)現(xiàn)場實際情況，調(diào)節(jié)起噴溫度達到降低空氣溫度，保證空冷器在各種工作環(huán)境下良好運行。噴霧增濕空冷系統(tǒng)在大型石化空冷項目中具有很高推廣價值。
作者：張斯亮 陳韶范 馬金偉 張向南 楊磊杰 齊興 梅光旭 單位：上海藍濱石化設(shè)備有限責任公司