空气冷却器改造技术创新杨志;张宝青;刘文岩【摘要】表面蒸发空冷技术在石化领域应用是起步阶段,石化领域内适合表面蒸发空冷的冷却单元比较多,通过对常规的冷却单元进行表面蒸发空冷器改造,其节能效果明显,可将能耗降低,节能潜力巨大.【期刊名称】《机械工程师》【年(卷),期】2016(000)011【总页数】3页(P164-166)【关键词】空冷器;改造;急冷水;表面蒸发式【作者】杨志;张宝青;刘文岩【作者单位】大庆石化建设公司,黑龙江大庆 163714;大庆石化建设公司,黑龙江大庆 163714;大庆石化建设公司,黑龙江大庆 163714【正文语种】中文【中图分类】TE683大庆石化公司化工一厂老区裂解装置1986年建成投产，第一急冷水冷却器EH-202和第二急冷水冷却器EH-203是急冷水系统关键设备，EH-202共有空气冷却器14台，EH-203共有空气冷却器4台，工艺介质为急冷水，采用引风机强制通风对其冷却，设备单台重量16.8 t，设计急冷水入口温度85℃，出口温度54.4℃，操作入口温度68.1℃，出口温度54.4℃，急冷水流量EH-202：450 t/h，EH-203：550 t/h。
随着装置生产能力的提高及设备换热能力的降低，目前急冷水空气冷却器出口温度达到61℃左右，在夏季高温季节，为保证装置生产，需要向EH-202、EH-203空气冷却器上喷淋脱盐水，来降低急冷水出口温度。
这样造成脱盐水的大量浪费，使得裂解装置的能耗增加；同时喷淋的脱盐水也造成空气冷却器翅片管腐蚀、结垢，降低空冷器的换热效率；喷淋的脱盐水流到框架下面的管道和设备上，也造成这些设备和管道的腐蚀，给裂解装置安全生产带来极大安全隐患。
因EH-202/203空气冷却器均安装在钢结构及混凝土框架上，且单台设备重量16.8 t，加之近年来工艺技措项目改造，框架结构承载能力已达到极限。
又因裂解急冷水系统设备数量众多、规格庞大，各个设备排列紧凑，无法在短期内完成改造，包括基础在内的大范围改动。
另外该8台空气冷却器平时无法进行切除，只能在大检修期间对其进行改造，时间相对紧张。
2.1 总体思路1）通过对工艺系统核算，确定改造后空冷器的性能指标。
2）保证设备框架结构不做大范围改动。
3）改造施工时间控制在17d范围内。
4）改造后空冷器用电设备风机和泵，增加远程停机控制并将运行信号引入控制室，现场设置手动起停开关，以便于日常操作、监控。
5）采用节能、环保、高效、稳定的新型换热技术对原空气冷却器进行改造，以达到预期的目标。
2.2 技术方案1）表面蒸发空冷器设备的设计。
针对上述系统的物性，进行工艺计算，其中EH-202的换热量为7800 kW，设计排热量9300 kW，设计余量20%；EH-203的换热量为8700 kW，设计排热量10 875 kW，设计余量25%。
最终确定采用表面蒸发式冷却器对原空冷器进行改造。
2）表面蒸发式冷却器原理。
利用水在钢制盘管表面的蒸发，水由液态变为气态，在产生相变的过程中伴随着热量的高效交换，从而达到高效的换热效能。
水由设备本身的小功率水泵将水均匀地分配到钢制盘管的表面，在风机的强风作用下，水在盘管表面气化，从而与盘管内的介质进行热量交换，高温的水再经过填料使水与空气的接触面积大量增加，同样在风的作用下，水温降低，并回落到设备本身的集水盘，从而再次循环使用。
3）效果及优势。
节能、环保、换热效率高、体积小、重量轻、安装方便。
经过工艺计算、结构设计，最终确定表面蒸发空冷器EH-202三台，为两开一备。
EH-203四台，为三开一备。
该项目自某年3月开始项目前期准备，7月开始现场设备拆除、安装，8月开始投用，目前运行平稳、性能稳定，解决了裂解装置的安全隐患及生产瓶颈问题。
7台表面蒸发式空冷器于8月1日正式投运，为准确掌握该设备投用后的运行状况及工艺性能，化工一厂和机械厂于8月27日联合对该设备进行了性能标定，标定数据如表2、表3。
通过以上数据可以看出，改造后表面蒸发空冷器，在急冷水流量相同的情况下，急冷水入口温度平均在67.8℃，急冷水出口温度平均在50～53℃之间，达到了预期的目标（低于54.4℃），取得成功。
建议该表面蒸发空冷器可以广泛应用于石油化工、煤化工、轻工行业等过程水冷却单元。
目前国内外空冷器产品按冷却方式可分为干式空冷器、喷淋湿式空冷器、表面蒸发式空冷器等。
每种类型机理并不完全相同，传热效果差别很大，国外主要有美国BAC公司、法国EVAPCO公司、日本荏原公司，国内有兰石所、哈空调两家。
干式空冷器的特点是操作简单、使用方便。
但由于冷却温度取决于空气的干球温度，因此接近温差（热流出口温度-空气入口温度）高于15～20℃才经济，所以干式空冷器不能把管内热流体冷却到环境温度。
喷淋蒸发式空冷器通常的形式是在换热管束前方设置若干个喷头，喷头将雾化水滴均匀地喷向管束，通过部分水滴蒸发，降低了空气的温度，提高了传热温差；同时雾化水滴直接喷射在管束表面，形成一层薄水膜，水膜蒸发的汽化潜热又使管束的换热能力大幅度提高。
但是大部分喷淋蒸发式空冷器沿用的是干空冷的管束结构尺寸，加上水质问题使得喷头经常堵塞，翅片管经常腐蚀、结垢而使喷淋不均匀，影响换热效果，因此达不到预期的效果。
表面蒸发空冷器是由光管组成的一种空冷装置，主要特点是利用管外水膜的蒸发带走热量，借以把管内流体的温度降到接近大气温度。
其工作过程是用泵将设备下部水箱中的冷却水，输送到位于光管管束上方水平安装的分配器内，由分配器将冷却水向下喷淋到传热管表面，使传热管外表面上形成连续均匀的水膜。
同时将湿空气从设备顶部排出，使空气自下而上流动，横掠水平放置的光管管束，此时传热管的管外换热除了水膜和气流间的显热传递外，管外表面上的水膜的蒸发也带走大量的热量。
表面蒸发空冷器采用光管管束，空气阻力较小，因此可以增多排管数。
表面蒸发空冷具有结构紧凑、效率较高的优点，鉴于表面蒸发空冷器可以将冷却介质温度无限接近环境湿球温度，可以冷却介质到外部环境温度以下，解决困扰部分化工装置冷却单元夏季运行能力不足问题。
存在的问题是：水的飘逸率稍高，补水量稍大。
改进措施是：采用变频风机或变频器，调节风机转速，并适当降低其转速，从而控制风速，控制风中夹带的水分。
1）风水同向。
国内外部分厂家采用风水逆向冷却方式，导致设备在使用过程中过早出现露点腐蚀，而本次项目改造中采用风水同向，避免了上述问题。
2）循环冷却水（脱盐水）二次冷却。
为了提高设备换热效率，在本次项目改造中采用了循环水二次冷却方式降低循环水温度，即利用在换热管下方设置填料层，当循环水流经填料层时，填料层提供了较大的比表面积，在风的作用下，循环水流经填料层冷却效果显著。
3）材料防腐措施。
换热管表面采用化学处理，提高了换热管防腐能力；设备壳体表面采用相应的物理、化学处理，避免了设备在风吹日晒、水接触及昼夜温差变化较大等恶劣工况下的壳体腐蚀。
4）风、水系统优化。
风、水系统配合是本设备的一个核心点，也是一个不断优化的过程，只有在风、水系统达到一个恰当比例，设备才能达到高效运行。
5）首次应用尝试。
该表面蒸发式空冷器技术在石化裂解装置上首次应用。
1）节电。
原空冷器EH-202、EH-203共8台，单台采用30 kW电机驱动风机强制通风进行冷却。
改造后表面蒸发空冷器共7台，单台采用2.2 kW水泵和15 kW风机进行冷却配合。
每年按运行7500 h计算，可节约用电：〔8×30 kW-5×（2.2 kW+15 kW）〕×7500 h=1 155 000 kW·h。
按1 kW·h电为0.68元计算，年可节约费用约为：1 155 000 kW·h×0.68元=785 400元。
2）节水。
原8台空冷器夏季高温季节（7、8、9月份）3个月采用喷淋脱盐水，来降低急冷水温度，喷淋的脱盐水无法回收，直接流入污水系统。
按单台空冷每天消耗20 t脱盐水。
改造后表面蒸发空冷，单台每天消耗脱盐水3 t，每年投用喷淋5个月计算，年可节约脱盐水为：（8台×90 d× 20 t）-（5×150 d×3 t）=12 150 t。
按每吨脱盐水10元计算，每年节约费用约为12 150 t×10元/t=121 500元。
3）节省清洗费用。
为保证裂解装置老区夏季高温季节正常生产，向空冷器上喷淋脱盐水的时候，也正是柳絮飘飞的时候。
由于喷淋脱盐水的作用，被鼓风式风机吹入的柳絮会在翅片管之间沉积，造成空冷器换热效率下降。
为满足正常生产需要，更加需要向空冷器上喷淋脱盐水。
这样就造成了恶性循环，给装置保持满负荷生产带来了困难。
因此每年都需要对空冷器管束进行清洗，单台管束换热面积4024.8 m2，8台共32 198.4 m2，清洗费用按10元/ m2计算，共节省清洗费321 984元。
4）解决了安全隐患。
彻底解决了原空冷器喷洒喷淋脱盐水造成设备及管线腐蚀，从而解决了装置的安全隐患问题。
空气冷却器通过技术改造创新在化工一厂成功实施后，运行稳定、效果较好，解决了裂解装置的生产瓶颈问题，同时降低了装置的能耗。
既节约了水、电，又解决了因脱盐水造成设备及管线腐蚀影响装置安全运行的隐患问题，其社会效益巨大。