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【摘要】神华包头煤制烯烃项目的循环水冷却塔采用的是逆流机械通风式。至2010年投用以来，冷却塔出水温度超标现象时有发生，影响了装置的平稳生产。2011年、2012年先后对循环水冷却塔进行了性能测试，分析测试数据，找出问题存在的原因，在不停止生产的情况下，采取相应的措施，实现了降低冷却塔出水温度的目的。
【关键词】出塔水温 湿球温度 进塔空气流量
1 引言
包頭煤制烯烃项目循环水装置是为生产180万吨/年甲醇装置、60万吨/年甲醇制烯烃装置、30万吨/年聚乙烯装置、30万吨/年聚丙烯装置、24万标立氧气/小时空分装置和100MW热电等装置提供冷却水，共有24间冷却水塔，要求进塔水温≤40℃～41℃，出塔水温≤30℃。在冷却塔投入运行以来，每年高温季节多次出现冷却塔出塔水温接近30℃和大于30℃的现象。由于冷却塔出水温度超标，导致了烯烃分离装置产品气压缩机跳车，为了保证生产装置的平稳运行，制定措施，降低出塔水温。
2 冷却塔出水温度超标的原因分析2.1 循环水工作原理
循环水装置采用敞开式循环冷却工艺，冷却水与工艺介质经过换热器进行热量交换后，工艺物料放出热量温度下降，循环水吸收热量后温度升高，靠余压自行上塔，经过冷却塔冷却后水温下降，然后经过循环水泵加压后送到工艺装置进行换热，实现冷却水的循环利用。
循环水的冷却主要是在冷却塔内完成，升温后的循环水进入冷却塔，通过布水系统，将水均匀地分布在填料上，在填料表面形成一层水膜，与至下而上的气流逆向接触，通过蒸发散热和接触散热2个过程得以冷却。
2.2 冷却塔工作示意图
2.3 影响循环水出塔温度的主要因素
2.3.1 湿球温度
冷却塔设计的基本参数是干球温度、湿球温度、进塔水温、出塔水温、单塔处理水量及大气压力。
干球温度就是环境温度。当水温降到空气的干球温度时，接触散热变为零。接触散热是当空气干球温度低于水温时，热量从水传向空气，使空气温度提高而水温降低，带走的热量是显热，约占冷却塔中传热量的20%-25%。
湿球温度是温度计水银球包裹有含水棉球，并有一定流速的空气吹过棉球时，所测得的温度。当水温降到湿球温度时，水的蒸发散热量等于空气向水中所输入的接触传热量，水温不再下降。蒸发散热是当水温低于沸点时，只要水表面的饱合蒸汽压力比空气中水蒸汽的分压大，水表面分了就会克服水分子内部的凝聚力而逸出水面，并带走气化潜热，使液态水的温度下降，蒸发散热带走的热量约占冷却塔传热量的75%-80%。
湿球温度是冷却塔冷却的极限温度，冷却后的水只能理论上接近湿球温度，实结上冷却水温要高于湿球温度3～5℃。
包头地区高温期湿球温度近期均在24℃以上，循环水冷却塔功效设计时取湿球温度为20.7℃。实际湿球温度高于设计值是导致冷却塔出水温度超标的主要因素。
3 降低冷却塔出水温度的措施
3.1 提高冷却塔的处理量
在不影响生产正常运行的条件下，采用了提高冷却塔处理量的方法增加空气与水的接触表面积，循环水冷却塔设计单塔处理量为5000m3/h，按超负荷能力10%计算，单塔最大处理量为5500m3/h，在高温季节为降低冷却塔出水温度，将冷却塔单塔处理量提高到最大负荷，结果是冷却塔布水器喷头有掉落现象，喷头掉落处冷却塔填料破损，缩短了空气与水的接触时间，同时增加了维修成本。
3.2 增加循环水的补水量
冷却塔损失水量包括蒸发损失、风吹损失、排污损失。蒸发损失在湿式冷却塔中是不可避免的；风吹损失是指从冷却塔排出的热湿气流中有水滴被风吹飘移出塔外；冷却塔的排污损失是防止溶解性固体形成结垢，而由集水池中排泄带走的水量。为维持循环水系统正常运转，这些损失的水由生产水及回用水持续补充，由于生产水和回用水温度为室温，在高温季节可通过加大补水量来降低冷却塔出水温度，增加补水量的同时就增加了排污量，结果是生产成本增加。
3.3 增加冷却塔风机的风量3.3.1 冷却塔风机基本概况
冷却塔风机叶片是意大利可风可有限公司生产的，在风机叶片角度为11.3°时，可提供大约220*104m3/h左右的风量，此风量可满足冷却塔在湿球温度20.7℃情况下的热力性能，但是不能满足大于24℃湿球温度下的热力性能。通过调整风机叶片角度增加风机风量已经无法实现，因叶片的最大工作角度是11.3°。
冷却塔风机电机的额定功率为200KW，实际运行状态下轴功率小于140KW，电机的轴功率可达到170KW，因冷却塔电机的轴功率还有利用空间，在不影响装置正常运行的情况下，可只对冷却塔风机叶片进行改造来达到提高风机风量的目的。
3.3.2 风机叶片的选型
（1）选用8个叶片的风机
原设计冷却塔风机叶片是意大利可风可有限公司制造的挤脱拉成型的玻璃钢叶片，每台风机上装置5个叶片，型号为L92D（直径9144mm）型，最大工作角度为11.3°；轮毂直径2100mm，叶片根部是300mm的连接杆，无效通风面积3.14×（1.05m+0.15m）2=4.52m2；
国内大型风机（直径≥8530mm）多采用8或10个叶片的结构。在风量、风压一定的情况下，叶片数量的增加会导致叶片的弦长变短（既叶片变窄）这样会降低翼型叶片的升力系数，也就降低了风机的效率。叶片数量多的风机在运转时，包围叶片的扰流数目相应增多，所以风机噪音也会增加大。叶片数量的增加也会加大风机的质量，导致风机的电耗增加。
（2）选用根部强度大且外形螺旋浆式风机叶片
可风可叶片是拉挤工艺成型，叶片与轮毂间采用钢管连接，调大风机叶片角度会使叶片根部承载力增加，容易折断叶片。拉挤工艺只能做成机翼型叶片，而不能做成螺旋角状的，风机运转时机翼型叶片的叶尖线速度和叶根线速度相差较大，有螺旋角的叶片叶尖风速与叶根风速几乎相同，螺旋桨式的叶片效率相比较高。
（3）选碳纤维材质的叶片
碳纤维不仅强度高，而且质量是玻璃钢扇叶的1/2，以Φ9144mm型风机为例，玻璃钢材质单片叶片重约55㎏，同等尺寸外形的碳纤维叶片重25㎏左右，（按8片叶片计算，玻璃钢叶片为重440㎏，碳纤维材质叶片重200㎏，减少了240㎏）；由于碳纤维叶片质量轻，在同等风量、同等电压下，电流会减小，一般节约电能15-20%；叶片采用力矩平衡法制作，每个叶片平衡误差控制在3g以内，风机运行平稳（运转振动值仅2.5-4mm/s之间，国家标准6.3mm/s），而且叶片之间具有互换性。叶片在使用过程中发生损坏，可单独更换其中任意一个叶片，降低维修费用（表1）。
（4）更换成直径1.2米的轮毂
直径1.2米的轮毂，无效通风面积为3.14×0.62=1.13m2 ；可风可风机的无效通风面积3.14×（1.05m+0.15m）2=4.52m2，相差4倍。另外中心形成的负压区（4.52m2）大，出塔气流会径向流动，导致风阻增加、风机效率下降。
4 结论
4.1 风量提高
冷却塔250T101F风机叶片更换前，风机风量为210.24×104 m3/h，更换后，风机风量为286.1×104 m3/h，增加约136%；更换后电机运行电流14.76A，额定电流15.6A，更换前电流为8.71A，增加了69.46%。
4.2 温差增大
在水量5000 m3/h左右时，塔250C101F进出塔水温差为9.27℃，更换后进出塔水温差为12.64℃。作为比较的冷却塔顶250C101G两次测试的进出塔水温差分别为8.94 ℃和8.43 ℃。更换新型叶片水温差变大。
4.3 湿球温度提高
经过冷却塔热力计算，进塔水量5000 m3/h，湿球温度达到22.5℃时，能够保证出塔水温≤30℃。
作者简介
刘强（1966-），1989年毕业于大庆石油学院，现任职于中国神华煤制油化工有限公司包头煤化工分公司机电仪中心。
【关键词】出塔水温 湿球温度 进塔空气流量
1 引言
包頭煤制烯烃项目循环水装置是为生产180万吨/年甲醇装置、60万吨/年甲醇制烯烃装置、30万吨/年聚乙烯装置、30万吨/年聚丙烯装置、24万标立氧气/小时空分装置和100MW热电等装置提供冷却水，共有24间冷却水塔，要求进塔水温≤40℃～41℃，出塔水温≤30℃。在冷却塔投入运行以来，每年高温季节多次出现冷却塔出塔水温接近30℃和大于30℃的现象。由于冷却塔出水温度超标，导致了烯烃分离装置产品气压缩机跳车，为了保证生产装置的平稳运行，制定措施，降低出塔水温。
2 冷却塔出水温度超标的原因分析2.1 循环水工作原理
循环水装置采用敞开式循环冷却工艺，冷却水与工艺介质经过换热器进行热量交换后，工艺物料放出热量温度下降，循环水吸收热量后温度升高，靠余压自行上塔，经过冷却塔冷却后水温下降，然后经过循环水泵加压后送到工艺装置进行换热，实现冷却水的循环利用。
循环水的冷却主要是在冷却塔内完成，升温后的循环水进入冷却塔，通过布水系统，将水均匀地分布在填料上，在填料表面形成一层水膜，与至下而上的气流逆向接触，通过蒸发散热和接触散热2个过程得以冷却。
2.2 冷却塔工作示意图
2.3 影响循环水出塔温度的主要因素
2.3.1 湿球温度
冷却塔设计的基本参数是干球温度、湿球温度、进塔水温、出塔水温、单塔处理水量及大气压力。
干球温度就是环境温度。当水温降到空气的干球温度时，接触散热变为零。接触散热是当空气干球温度低于水温时，热量从水传向空气，使空气温度提高而水温降低，带走的热量是显热，约占冷却塔中传热量的20%-25%。
湿球温度是温度计水银球包裹有含水棉球，并有一定流速的空气吹过棉球时，所测得的温度。当水温降到湿球温度时，水的蒸发散热量等于空气向水中所输入的接触传热量，水温不再下降。蒸发散热是当水温低于沸点时，只要水表面的饱合蒸汽压力比空气中水蒸汽的分压大，水表面分了就会克服水分子内部的凝聚力而逸出水面，并带走气化潜热，使液态水的温度下降，蒸发散热带走的热量约占冷却塔传热量的75%-80%。
湿球温度是冷却塔冷却的极限温度，冷却后的水只能理论上接近湿球温度，实结上冷却水温要高于湿球温度3～5℃。
包头地区高温期湿球温度近期均在24℃以上，循环水冷却塔功效设计时取湿球温度为20.7℃。实际湿球温度高于设计值是导致冷却塔出水温度超标的主要因素。
3 降低冷却塔出水温度的措施
3.1 提高冷却塔的处理量
在不影响生产正常运行的条件下，采用了提高冷却塔处理量的方法增加空气与水的接触表面积，循环水冷却塔设计单塔处理量为5000m3/h，按超负荷能力10%计算，单塔最大处理量为5500m3/h，在高温季节为降低冷却塔出水温度，将冷却塔单塔处理量提高到最大负荷，结果是冷却塔布水器喷头有掉落现象，喷头掉落处冷却塔填料破损，缩短了空气与水的接触时间，同时增加了维修成本。
3.2 增加循环水的补水量
冷却塔损失水量包括蒸发损失、风吹损失、排污损失。蒸发损失在湿式冷却塔中是不可避免的；风吹损失是指从冷却塔排出的热湿气流中有水滴被风吹飘移出塔外；冷却塔的排污损失是防止溶解性固体形成结垢，而由集水池中排泄带走的水量。为维持循环水系统正常运转，这些损失的水由生产水及回用水持续补充，由于生产水和回用水温度为室温，在高温季节可通过加大补水量来降低冷却塔出水温度，增加补水量的同时就增加了排污量，结果是生产成本增加。
3.3 增加冷却塔风机的风量3.3.1 冷却塔风机基本概况
冷却塔风机叶片是意大利可风可有限公司生产的，在风机叶片角度为11.3°时，可提供大约220*104m3/h左右的风量，此风量可满足冷却塔在湿球温度20.7℃情况下的热力性能，但是不能满足大于24℃湿球温度下的热力性能。通过调整风机叶片角度增加风机风量已经无法实现，因叶片的最大工作角度是11.3°。
冷却塔风机电机的额定功率为200KW，实际运行状态下轴功率小于140KW，电机的轴功率可达到170KW，因冷却塔电机的轴功率还有利用空间，在不影响装置正常运行的情况下，可只对冷却塔风机叶片进行改造来达到提高风机风量的目的。
3.3.2 风机叶片的选型
（1）选用8个叶片的风机
原设计冷却塔风机叶片是意大利可风可有限公司制造的挤脱拉成型的玻璃钢叶片，每台风机上装置5个叶片，型号为L92D（直径9144mm）型，最大工作角度为11.3°；轮毂直径2100mm，叶片根部是300mm的连接杆，无效通风面积3.14×（1.05m+0.15m）2=4.52m2；
国内大型风机（直径≥8530mm）多采用8或10个叶片的结构。在风量、风压一定的情况下，叶片数量的增加会导致叶片的弦长变短（既叶片变窄）这样会降低翼型叶片的升力系数，也就降低了风机的效率。叶片数量多的风机在运转时，包围叶片的扰流数目相应增多，所以风机噪音也会增加大。叶片数量的增加也会加大风机的质量，导致风机的电耗增加。
（2）选用根部强度大且外形螺旋浆式风机叶片
可风可叶片是拉挤工艺成型，叶片与轮毂间采用钢管连接，调大风机叶片角度会使叶片根部承载力增加，容易折断叶片。拉挤工艺只能做成机翼型叶片，而不能做成螺旋角状的，风机运转时机翼型叶片的叶尖线速度和叶根线速度相差较大，有螺旋角的叶片叶尖风速与叶根风速几乎相同，螺旋桨式的叶片效率相比较高。
（3）选碳纤维材质的叶片
碳纤维不仅强度高，而且质量是玻璃钢扇叶的1/2，以Φ9144mm型风机为例，玻璃钢材质单片叶片重约55㎏，同等尺寸外形的碳纤维叶片重25㎏左右，（按8片叶片计算，玻璃钢叶片为重440㎏，碳纤维材质叶片重200㎏，减少了240㎏）；由于碳纤维叶片质量轻，在同等风量、同等电压下，电流会减小，一般节约电能15-20%；叶片采用力矩平衡法制作，每个叶片平衡误差控制在3g以内，风机运行平稳（运转振动值仅2.5-4mm/s之间，国家标准6.3mm/s），而且叶片之间具有互换性。叶片在使用过程中发生损坏，可单独更换其中任意一个叶片，降低维修费用（表1）。
（4）更换成直径1.2米的轮毂
直径1.2米的轮毂，无效通风面积为3.14×0.62=1.13m2 ；可风可风机的无效通风面积3.14×（1.05m+0.15m）2=4.52m2，相差4倍。另外中心形成的负压区（4.52m2）大，出塔气流会径向流动，导致风阻增加、风机效率下降。
4 结论
4.1 风量提高
冷却塔250T101F风机叶片更换前，风机风量为210.24×104 m3/h，更换后，风机风量为286.1×104 m3/h，增加约136%；更换后电机运行电流14.76A，额定电流15.6A，更换前电流为8.71A，增加了69.46%。
4.2 温差增大
在水量5000 m3/h左右时，塔250C101F进出塔水温差为9.27℃，更换后进出塔水温差为12.64℃。作为比较的冷却塔顶250C101G两次测试的进出塔水温差分别为8.94 ℃和8.43 ℃。更换新型叶片水温差变大。
4.3 湿球温度提高
经过冷却塔热力计算，进塔水量5000 m3/h，湿球温度达到22.5℃时，能够保证出塔水温≤30℃。
作者简介
刘强（1966-），1989年毕业于大庆石油学院，现任职于中国神华煤制油化工有限公司包头煤化工分公司机电仪中心。