浅谈天然气长输管道工程中冷却塔系统的优化设计

摘要：以国内已建天然气长输管道工程建设为例，分析中压大功率变频电驱压缩机组出现的问题，需要针对外部循环冷却水系统系统，提出了防冻、优化流程、优化工艺设计对策。

关键词：天然气长输管道；循环冷却水；闭式冷却塔

中图分类号：TE8 文献识别码：A文章编号：

随着电力电子技术的发展，中压大功率变频调速技术日趋成熟，变频电机驱动压缩机组因技术含量高、设备运行平稳可靠、效率高、操作维护简单、运行维护成本低、经济环保节能等优点，在外电源可靠地情况下已逐步应用到天然气长输管道增压领域，代替了传统的燃气轮机，成为天然气长输管道增压驱动设备的首选。

根据目前我国西气东输工程的稳定运行，各机组在运行的经验表明，制约电驱机组长期稳定运行的瓶颈不是机组本身，而是外部循环水、采暖通风等辅助系统。因此外部循环水在电驱压缩机稳定运行过程中起到重要作用。

天然气长输管道工程主要由动设备及管道组成，其中核心动设备为压缩机，压缩机按照驱动方式分为燃机驱动（简称燃驱）和电机驱动（简称电驱）。变频电驱压缩机组是指由变频电机驱动的压缩机，由高压变频调速装置、高速防爆同步电机、管道压缩机、机组综合控制系统、辅助系统等部分组成。变频电机驱动方式以体积小、维护简单、高效节能、无污染等优点成为行业首选。

电驱压缩机由于整体功率大，同时大功率电子元件多，运行过程中发热量大，为了保证设备的稳定运行，需要循环冷却系统持续高效的运行，给电机和变频器以充分冷却，确保压缩机不因为元件过热而无法正常运行。因此压缩机设备要求冷却塔冷却出水温度能够达到压缩机稳定运行所要求的温度。

目前天然气长输管道工程中，常用的冷却设备主要有冷却塔。根据冷却方式的不同分为开式冷却塔和闭式冷却塔。 开式冷却塔的冷却原理就是，通过将循环水以喷雾方式，喷淋到玻璃纤维的填料上，通过水与空气的接触，达到换热，再有风机带动塔内气流循环，将与水换热后的热气流带出，从而达到冷却。  闭式冷却塔的冷却原理是，简单来说是两个循环：一个内循环、一个外循环。没有填料，主核心部分为紫铜管表冷器。 ①内循环：与对象设备对接，构成一个封闭式的循环系统（循环介质为软水）。为对象设备进行冷却，将对象设备中的热量带出到冷却机组。 ②外循环：在冷却塔中，为冷却塔本身进行降温。不与内循环水相接触，只是通过冷却塔内的紫铜管表冷器进行换热散热。 在此种冷却方式下，通过自动控制，根据水温设置电机的运行。 针对目前常用的冷却塔进行分析比较：

开放式塔优点：开塔造价成本比较低，为闭式塔三分之一的价格。 

开放式塔缺点：需要开挖1-2个20立方的地下水池，由于水落差和开放式扬程损耗，耗电比闭式塔多，需要配2套水泵，耗电量大。

闭式冷却塔优点：1、整个管路系统为封闭式循环，循环水为蒸馏水，可以使真空炉体换热器和细小管路不结垢、不污染、不腐蚀，几乎可以使真空炉增加一倍使用寿命。2、循环水几乎没有水消耗，同型号设备每年节水约有7000吨。 3、闭式冷却塔设有智能控制，同型号设备每年可以节约点有30000度电。4、安装简单，无需开挖地下水池，管道使用方便，由于是密闭式循环，管损小需要的管道为DN200，使用开塔必须使用DN300或者是两DN200的管道。 

闭式塔的缺点：闭式冷却塔造价为开放式塔的三倍。（但闭式塔十年后的回收价值为8-10万，开塔几乎没有价值）。 

在天然气长输管道工程中，从环保节能方面、设备使用寿命和维护方面共同考虑，选用了闭式冷却塔。 但在目前运行的长输管道工程中，闭式冷却塔仍然存在着一些问题，使得循环冷却水系统不能长期稳定的运行从而影响了压缩机设备的稳定运行。根据对国内已建天然气长输管道冷却水系统运行情况的调研，闭式冷却塔系统在运行中主要存在以下问题：1.循环水管路中结冰问题2.流程不完善问题3.循环水管结垢。

1.冷却塔结冰问题优化：

闭式循环冷却塔在外界温度较低的情况下，开启风冷已能够保证冷却效果，无需再开启外部水冷系统，因此外部需要将外部循环水进行放空，同时确保内循环中循环水能够不结冰。针对以上思路，设计中进行以下优化：

（1）排掉冷却塔内的水

一般情况下，冷却塔都有最低放水点，即在冬季不使用使用的情况下将塔内水放掉， 以防止冬季外界气温过低，造成盘管冻坏。

（2）安装技巧

为防止盘管内水放不干净，残留水在极端天气的情况下冷冻，造成盘管破

裂，在施工时对冷却塔的安装水平度做稍微调整，尽量使盘管放水点在最低点，达到减少水的残留量的目的。

（3）伴热电缆防冻

由于生产工艺需要在冬季使用冷却塔，在设计中会在冷却水管中加入伴热电缆，自动调节水管水温，防止盘管冻坏。电伴热电缆由导电高分子复合材料( 塑料) 和两根平行金属导线及绝缘护套构成的扁形带状电缆电伴热对消防管道，水输送管道的冬季防冻保温来保障管道的畅通，是一种有效的方法，采用自限温电热带。优点是：温控电伴热带电缆相应被伴热体系具有自动调节输出功率，因此不会因自身发热而烧毁，却因实际需要热量进行补偿，因此为新一代节能型恒温加热器。低温状态快速启动，温度均匀，每一局部皆可因其被伴热处的温度变化自动调节。安装简便，维护简单，自动化水平高，运行及维护费用低。安全可靠，不污染环境，寿命长，不仅用于普通区、危险区，且可用于腐蚀区。

（4）冬季加防冻液

在一些气候极端地区，为防止冬季闭式冷却塔内残留部分水，温度极低的情况下将盘管冻裂，可在冷却塔内加人防冻液，即在施工时预留防冻液添加口，根据本地区冬季最低温度值实际情况在冬季添加相应量的防冻液。

2.设计流程优化：

根据目前天然气长输管道工程中闭式循环冷却塔的使用经验来看，冷却水处理能力应该有1倍以上的富余量，以保证机组间切换和备用机组循环水需要。为了保证运行灵活性，冷却塔配置流程中采用既能互为备用又能同时使用，既能串联使用又能并联使用的流程，循环水泵采用一用一备并自动切换的模式，避免运行中循环水泵故障导致停机。同时针对工程对可靠性的要求，设置每台冷却塔单独对应一台压缩机，同时每台冷却塔配置2台循环水泵（1用1备）并单独设置1台冷却塔作为备用，确保每台压缩机都能有相应的冷却塔以及备用冷却塔，最大限度的保证了循环冷却水系统的可靠性。

为了方便运行维护，对循环水管路系统中设置低点排污、防冻液添加、空气吹扫、高点排气等设施，增加检修维护流程，使得冷却水系统能够及时有效的排出故障，同时内循环冷却水和喷淋水系统均设置自动补水装置，节省日常运行维护中的人力物力。

3.循环水水质及材料优化

在初期运行的过程中，循环水采用未经处理的水，导致管路内易结垢，且换热效果差。在内循环水选用软化水作为循环水，同时站内设置软化水装置1套软化水制备，同时对喷淋水进行软化，提高水质，减少管路内结垢现象，加强换热效果。

与此同时，对管路材质进行优化，采用不锈钢、玻璃钢或塑料管等非金属材料来替代之前的普通碳钢，避免了因为管材内壁腐蚀导致的水质污染。

通过对已建天然气长输管道工程中循环冷水系统中出现的问题进行总结优化，有效的避免相同问题在今后工程中的重复出现，为今后在天然气长输管道工程设计中积累宝贵的经验。

[参考文献]

1.吕开钧；变频电驱压缩机组工程建设应注意的问题[D]；西气东输管道公司； 2007年

2.林森；西气东输二线电驱压缩机组驱动方式比选[D]；中石油天然气管道工程有限公司； 2012年