冷冻水管线小温差下冷水机组的选型探讨

孙磊磊

(杭州杭氧股份有限公司，浙江杭州 310014)

节能、环保是我国工业发展的重要要求，我们进行产品设计时，在保证设备正常运行的情况下，要尽可能的减少不必要的浪费，特别是设备长期运行的能耗问题。要实现节能目标的突破还必须从细节上把握。

空分行业中，由于用户氮气产品需求量大，或者剩余污氮气量较少，通入水冷却塔的氮气量较少，导致无法将循环水冷却至满足空冷塔进水需求的温度，这时需要配置冷水机组来进一步降低冷冻水的温度。空气预冷系统中大都使用螺杆式冷水机组，但一般情况下，螺杆式冷水机组所能处理的温差是有限的，常规的螺杆式冷水机组一般冷冻水进出口温差在5℃左右，如果温差过大或者过小都会引起机组效率的降低，甚至导致机组无法正常运行。通常解决这种非标温差的办法是改变水量或者设置冷冻水回路来达到工艺的要求。但是如果流程型式选用不当就可能增加能耗，导致不必要的浪费。

1 空分装置冷水机组小温差流程设置

空气预冷系统中，受氮气量和水冷塔处理能力的制约，常出现冷冻水小温差的情况(即冷冻水从水冷塔排水到空冷塔入口所需温差较小的情况)。一般来说，对于常规螺杆式冷水机组，其温差若小于3℃将无法正常启动。为了满足工艺需求通常可设置以下两种流程型式:

1.常规流程:冷冻水由水冷塔底部排出，经冷冻水泵增压，再通过冷水机组进一步降温后达到要求，通入空冷塔上段。此流程型式从水冷塔到空冷塔的冷冻水管路只设置一条管线(见图1)。

2.旁通分流流程:冷冻水由水冷塔底部排出，经冷冻水泵增压后，分两股，一股通过冷水机组进一步降温，另一股走分流管线，两者最终在冷水机组出口处混合，最终通入空冷塔上段。此流程型式从水冷塔到空 冷塔的冷冻水管路需另设置一条分流管线(见图2)。

图1 常规流程Fig.1 The conventional flowchart

图2 旁通分流流程Fig.2 The by-pass flowchart

2 两种流程型式选型示例

某空分项目，在设计工况下，因氮气量不足，水冷却塔排水温度只能达到t水=12℃，空气冷却塔需求水温t空=10℃，需降低冷冻水温差:

空气冷却塔所需冷冻水量为m=100 t/h。实际所需冷水机组制冷量为:

以下是两种流程型式的选型计算:

1.常规流程设计方案(图1):

因该项目冷冻水温差只要2℃，但考虑标准冷水机组温差Δt1=5℃左右，为保证冷水机组的正常运行，需增大冷水机组制冷量，见图3。

图3 常规流程参数Fig.3 The conventional flow chart parameters

2.旁通分流流程设计方案(图2):

设置分流管线，经冷水机组管路的水流量设为m1=40 t/h，旁通管线水流量为m2=60 t/h，选用标准5℃温差冷水机组，即:

其中冷水机组管路降温后水温为t1=7℃，分流管路水温仍为t2=12℃，选用冷水机组制冷量为:

两股管线的冷冻水混合后温度为:

满足空冷塔所需的水温要求，见图4。

图4 旁通分流流程参数Fig.4 The by-pass flowchart parameters

3.两套流程参数对比(表1)

表1 流程参数对比Table 1 The parameter comparison between two flowcharts

由表1可看出，以本套项目为例，在流程配置上(见图1和图2)，旁通分流流程相对复杂，须多设置一个流量计和一条分流管线，配套投资成本略有增加，但常规流程因机组选型较大，机组自身成本却增加了1.5倍;常规流程相对于旁通分流流程有30%的余量，但是却多出后者120%的能耗，极大的增加了机组的运行成本。

3 两种流程型式特点

常规流程型式(图1)的特点:既要保证通过冷水机组的水量不变，又要保证冷水机组正常运行所需的温差，因所需温差较小，必然导致实际所需制冷量偏大，实际出口水温要低于所需水温。该流程的优点是:可进一步降低空冷塔出口空气温度，保留一定的余量。缺点是:机组选型要偏大，输入功率也更大，能耗高。

旁通分流流程型式(图2)的特点:需求多少冷量就选取多大制冷量的冷水机组，因受温差限制该冷水机组处理不掉的水量可走分流管线，最终两条线路在冷水机组出口处混合后达到工艺所需水温的要求。该流程的优点是:机组选型合理，机组制冷量和输入功率均为工艺需求量，无较大成本和能耗的浪费。缺点是:流程设计稍复杂，配套设备略有增加。

殊途同归，两种流程型式(图1和图2)均为了实现共同的目标，即:1.满足空分所需冷冻水温度的要求;2.选取合适的冷冻水温差，保证冷水机组的正常运行;3.满足空分正常所需的冷冻水量的要求。

两套设计流程的特点总结如表2。

表2 流程特点对比Table 2 The feature comparison between two flowchart

4 小结

对于空气预冷系统冷冻水小温差的选型，由表2发现，常规流程为了保证冷水机组的正常运行，刻意增大了冷水机组的制冷量，产生一定的冷量浪费，并增大了机组的投资和运行成本，但其余量更足，应对不稳定工况的能力强;旁通分流流程因选用工艺所需的制冷量机组，分流了一部分冷冻水，一方面保证了机组的正常运行，另一方面大大降低了机组的运行成本，安全节能。

但是，既然冷冻水的温度已经满足工艺需求，就无需继续降低温度，储备过多的余量，运行能耗才是我们关注的重点。从表2流程特点对比来看，旁通分流流程不仅节省了一定投资成本，更是大大减少了运行成本。所以，在水冷塔氮气量供应稳定且运行工况正常的情况下，遇到冷冻水小温差机组选型的情况，更推荐选用旁通分流流程型式。

［1］毛绍融，朱朔元，周智勇.现代空分设备技术与操作原理［M］.杭州:杭州出版社，2005.