1. Введение: способ охлаждения влияет на эффективность сжатия, энергопотребление и общее энергопотребление установки
В многоступенчатом процессе сжатия хлора межступенчатое охлаждение является неотъемлемой технологической стадией. После сжатия в предыдущей ступени температура газа значительно повышается. Если газ без охлаждения поступает в следующую ступень, это приводит к увеличению энергопотребления, снижению объёмного КПД, а в тяжёлых случаях — к нарушению безопасной работы агрегата. Основная задача межступенчатого охлаждения — снизить температуру хлора до рационального диапазона перед входом в следующую ступень сжатия. В настоящее время в промышленности применяются два основных способа: водяное и воздушное охлаждение. Они существенно различаются по эффективности теплопередачи, структуре энергопотребления, требованиям к обслуживанию и адаптивности к условиям окружающей среды.
2. Системы водяного охлаждения
В системах водяного охлаждения обычно применяются кожухотрубные или пластинчатые теплообменники, в качестве охлаждающей среды используется оборотная или охлаждённая вода; теплота сжатия хлора передаётся охлаждающей воде через теплообмен через разделительную стенку.
Преимущество системы водяного охлаждения состоит в том, что коэффициент теплопередачи воды значительно выше, чем у воздуха. При одинаковой тепловой нагрузке требуемая площадь теплообмена меньше, а оборудование компактнее. При стабильной температуре охлаждающей воды водяное охлаждение позволяет достичь относительно низкой температуры нагнетания: обычно хлор между ступенями охлаждается до 40–50 °C и даже ниже, что способствует снижению энергопотребления последующих ступеней сжатия. Кроме того, охлаждающий эффект системы водяного охлаждения практически не зависит от колебаний температуры окружающей среды, что обеспечивает хорошую стабильность работы.
Однако работа системы водяного охлаждения в значительной степени зависит от нормального снабжения системой оборотной воды. Требуется сооружение градирен, насосов оборотной воды и установок водоподготовки. Хотя сам теплообменник может быть относительно экономичным, совокупные капитальные затраты на всю водяную систему нельзя игнорировать. При длительной эксплуатации в охлаждающей воде возникают накипеобразование, коррозия и микробиологическое обрастание, что требует периодической обработки воды и очистки теплообменников; затраты на водоподготовку становятся постоянными эксплуатационными расходами. В холодных районах зимой необходимо также предусматривать меры защиты системы оборотной воды от замерзания.
3. Системы воздушного охлаждения
В системах воздушного охлаждения в качестве охлаждающего оборудования применяются аппараты воздушного охлаждения (АВО) с оребрёнными трубами. Несколько осевых вентиляторов принудительно направляют поток окружающего воздуха поперёк пучков оребрённых труб; теплота хлора отводится конвективным теплообменом.
Ключевое преимущество системы воздушного охлаждения — полное отсутствие зависимости от водных ресурсов. В процессе работы вода не расходуется, отсутствуют проблемы, связанные с качеством воды, такие как накипеобразование и коррозия, а объём работ по обслуживанию значительно снижается. Эксплуатационные затраты в основном состоят из электропотребления вентиляторов и обычно ниже совокупного энергопотребления насосов оборотной воды и вентиляторов градирни в системе водяного охлаждения. Для площадок с дефицитом воды или сложностями водозабора воздушное охлаждение является единственным осуществимым вариантом.
Однако охлаждающая способность системы воздушного охлаждения напрямую зависит от температуры окружающего воздуха по сухому термометру. В жаркий летний период при повышении температуры окружающего воздуха температура хлора на выходе АВО также повышается, и охлаждающий эффект заметно снижается, что может привести к завышенной температуре на входе компрессора между ступенями и увеличению энергопотребления. Для достижения той же глубины охлаждения требуемая площадь теплообмена АВО значительно больше, чем у водяного теплообменника, что обусловливает большие габариты оборудования и существенное увеличение занимаемой площади. Кроме того, одновременная работа нескольких вентиляторов создаёт повышенный уровень шума, требующий мер звукоизоляции и шумоглушения.
4. Сравнение комплексных характеристик и факторов окружающей среды
С точки зрения первоначальных капиталовложений, если сравнивать только теплообменное оборудование, стоимость водяного теплообменника ниже, чем оребрённого пучка АВО. Однако при учёте общих инвестиций в систему оборотной воды разница между ними сокращается. С точки зрения эксплуатационных расходов, долгосрочные затраты на водоподготовку, подпитку воды и обслуживание оборудования в системе водяного охлаждения в сумме оказываются весьма значительными; эксплуатационные расходы системы воздушного охлаждения в основном сводятся к электропотреблению, обслуживание простое, а долгосрочные эксплуатационные затраты относительно низки.
Влияние температуры окружающей среды на оба способа различается по направленности. Охлаждающая способность системы воздушного охлаждения строго ограничена температурой окружающего воздуха по сухому термометру; в летнюю жару температура хлора на выходе может подниматься выше 60 °C, что соответственно увеличивает энергопотребление компрессора. Охлаждающая способность системы водяного охлаждения зависит от температуры воды на выходе градирни, которая ближе к температуре окружающего воздуха по мокрому термометру и обычно может поддерживаться на уровне 32–38 °C, сохраняя определённый запас даже в жаркий сезон. В засушливых районах системы водяного охлаждения сталкиваются с ограничениями по лимитам водозабора и с нагрузкой по очистке сбросов; в районах с высокой влажностью преимущества систем воздушного охлаждения относительно возрастают.
Для условий с высокой температурой окружающей среды и жёсткими требованиями к глубине охлаждения можно рассмотреть комбинированную схему, сочетающую воздушное охлаждение с предварительным охлаждением распылением воды. То есть в жаркие периоды в воздух на входе АВО впрыскивается небольшое количество распылённой воды; теплота, поглощаемая при испарении воды, снижает температуру входного воздуха и компенсирует недостаточную охлаждающую способность воздушного охлаждения. Эта схема большую часть времени работает в режиме воздушного охлаждения и включает водяное распыление только в периоды экстремально высоких температур, обеспечивая баланс между экономией воды и адаптацией к высоким температурам.
5. Рекомендации по выбору
На заводах с достаточными водными ресурсами и строгим контролем энергопотребления компрессора следует отдавать предпочтение схеме водяного охлаждения. Водяное охлаждение способно стабильно обеспечивать относительно низкую температуру на входе между ступенями и эффективно снижать энергопотребление при многоступенчатом сжатии высокого давления.
На площадках в районах с дефицитом воды или при строгих ограничениях экологической политики по водозабору и сбросу следует выбирать схему воздушного охлаждения. Хотя воздушное охлаждение в жаркий летний период обеспечивает ограниченную глубину охлаждения, рациональное проектирование запаса по теплообмену и применение технологий интенсификации теплообмена с оребрёнными трубами позволяют удовлетворить требования большинства рабочих режимов.
Для крупных компрессорных агрегатов хлора можно рассмотреть гибридную стратегию охлаждения с преобладанием воздушного охлаждения и вспомогательным распылением воды в периоды экстремально высоких температур, комплексно балансируя водопотребление и энергопотребление. Независимо от выбранного способа необходимо выполнить детальный теплотехнико-экономический расчёт с учётом среднегодовой температуры, максимальной температуры, условий водоснабжения, а также тарифов на электроэнергию и воду в месте размещения завода, чтобы определить оптимальную схему охлаждения на протяжении всего жизненного цикла.
