化工厂冷冻站的优化设计与经济运行探讨

吴云峰

（浙江美阳国际工程设计有限公司，浙江杭州 310015）

化工厂冷冻站的优化设计与经济运行探讨

吴云峰

（浙江美阳国际工程设计有限公司，浙江杭州 310015）

冷冻站是化工厂建设中不可缺少的重要内容，结合一些工程实际案例以及对我国化工厂现有冷冻站系统设计进行调查后发现，存在着众多的不足之处。设计人员在化工厂冷冻站设计工作开展过程中，需要从化工与冷冻两方面进行思考，综合性的进行配置、整合冷冻站的全面设计。同时还需要注重提升化工厂冷冻站运行的经济性，缩减化工厂冷冻站运行成本投入，为促进化工厂冷冻站进一步发展奠定良好基础。主要对化工厂冷冻站优化设计与经济运行进行深入分析，希望对相关设计人员以及药厂使用部门有所启示。

化工厂冷冻站；运行分析；优化设计；经济运行

通过文献查寻发现，目前有关化工厂冷冻站设计的文献资料较少，化工厂冷冻站设计水平还需要进一步提升。本文通过实际调查与丰富的工作经验，认为化工厂冷冻站设计工作开展过程中需要明确热负荷，以化工厂冷冻站建设规模与投资额度为基础，保证应用设备选择的合理性、科学性，避免化工厂冷冻站运行对环境造成不良影响。设计人员需要有针对性的对化工厂冷冻站设计进行优化，并且促进其运行经济性提升。对该内容进行深入分析是具有现实意义的，下面就对相关内容进行详细阐述。

1 化工厂冷冻站建设运行中存在的不良问题以及因素分析

笔者对江苏某化工集团西部厂区的公用工程规模，设备选型，工艺设计等。针对地区气温状况，雨水情况等气候特点，在工艺系统设计，设备安装，管道布置等过程中采用经济合理的优化措施，使公用工程节能高效运行，保障了厂区其他装置安全可靠运行。

对冷冻站运行进行了深入调查，发现其中存在众多不良问题。冷冻站实际运行后，冷媒温度与预期设计要求存在一定差距，需要将所有的制冷设备全部开启后才能达到相应要求。这样冷冻站将没有备用设备存在，不仅对化工企业产品生产质量和生产效率造成了一定不良影响，而且化工厂运行电力能源消耗程度较差，冷冻站运行成本投入增加。这些不良问题产生主要归根于以下因素，第一方面就是化工厂冷冻站设计过程中设备选型不当。设计人员没有依据化工厂生产的实际需求进行设备选型。还有冷凝器设备选择不够合理，原本设备的冷凝器确定为立体式的结构，但是考虑到冷冻站建设成本控制要求，单位面积用水量需求较大，冷凝负荷不够合理，这样使得冷冻站冷却水量需求增长，能量应用效率较差。总而言之，原有的化工厂冷冻站设计方案存在较多不足之处，需要对设计进行优化和改良，降低化工厂冷冻站建设成本和运行成本投入，提升能源应用效率，增强化工企业的经济效益。

2 化工厂冷冻站优化设计准备工作分析

化工厂冷冻站与食品冷藏、空调制冷等热负荷性质存在较大的差异性，热负荷特点对化工厂冷冻站的优化设备与经济运行也有着较深影响。设计人员在设计工作开展过程中，首先需要做的就是合理科学确定化工装置的热负荷，这样才能为后续优化设计工作开展提供重要依据。设计人员在对化工冷冻站设计进行优化过程中，需要做好充足的准备工作，也就是明确化工企业生产对冷东站性能的实际需求，从而有针对性地对化工冷冻站设计进行优化和改良。

2.1 对热负荷进行计算

化工装置热负荷主要是通过两种方式产生的，第一种就是物理变化致使热负荷产生，例如对多种化工物料进行储存。第二方面就是化学变化产生的热负荷。物理变化过程中产生的热负荷较为稳定，而且负荷大小也较为容易确定。但是化学反应过程中产生的热负荷很难确定，主要是因为化学反应释放热量、生产周期、反应设备运行状态对化学反应热负荷都会造成较深影响，热负荷波动情况较大。

2.2 温度等级需求确定

化工厂冷冻站设计人员在用冷温度等级设计工作开展中，经常会陷入一定设计误区，对化工厂冷冻站运行经济性也造成了非常不良影响。一些化工企业管理人员认为，如果反应温度不能得到降低，可以应用温度较低的盐水，在装置设计阶段过程中没有依据实际热负荷值进行设计，要求设计人员根据低温工况进行设计工作开展。举一个较为简单例子：三甲酯生产，产品生产过程中温度需要控制在50℃以下，对于这种生产需求，如果具有足够的换热面积，只要采用复用水和深井水作为冷源就可以达到温度控制要求。但是深入调查发现，以往设计人员更多是应用低温盐水作为冷源，这种设计方式经济性较差，即使冷冻站设计方案较为优质，也很难保证装置运行呈现出经济性特点。而且，用冷温度等级与化工企业生产效率等内容有着非常紧密联系。在保证反应速率达到一定标准的前提下，如果设计人员为了降低制冷装置的能源消耗，选用较高的用冷温度等级，必定会导致装置运行经济性受到影响。

例如：北方地区冬季及一般过渡季节室外温度仍然较低，对于常年需要冷冻水将温度化工厂来说，充分利用“天然冷源”对循环水降温，完全可以替代电制冷机制冷，实现“免费”供冷，达到节能效果。

本案例项目位于河北廊坊，现场共设6台冷水机组，其中1 210t冷吨离心式冷水机组2台，1 200t冷吨离心式冷水机组1台，1 000t冷吨螺杆式冷水机组3台；冷冻水循环水泵7台（6用1备），冷却水循环水泵7台（6用1备），冷却水塔6组。对于冷冻站真正是否节能的评价指标就是机房能效，在本项目系统中，将所有设备的电功率进行实时监测和记录，并计算整个冷冻站系统的能耗值，最终得出整个系统的COP。机房能效= Q冷/∑W，相关数据统计见表1：

表1 相关数据统计表

从上面的数据统计表可以看出，制冷剂电功率占了总功率的74%，水泵等相关辅助设备电功率仅为22%。故在冬季及一般过渡季节免开主机，可以达到非常巨大的节能效果。

3 化工冷冻站投资建设规模确定

冷冻站在化工企业建设总投资中占有较大比例，如何控制冷冻站的投资规模，从企业可持续发展角度对冷冻站建设进行规划，都已经成为冷冻站设计人员需要重点思考内容。一些化工企业对其生产产品市场定位认知较差，对企业未来发展前景也没有较多了解，盲目性的投入资金进行冷冻站建设，很有可能导致冷冻站建设完成后处于闲置状态中。冷冻站建设中，土建工程与电气工程消耗资金较多。土建工程设计需要与主机选型、热量损失等众多内容紧密联系起来，从而保证化工厂冷冻站规划建设的合理性、科学性。电气工程建设也需要与电动机匹配、功率因数等众多内容相融合。冷冻站电机运行功率通常需要超过实际功率。一些化工企业也在引入电机变频控制技术，对能源消耗进行控制。

4 化工冷冻站设备选择分析

设计人员做好充足的准备工作后，需要对众多信息数据进行整理和分析，最终明确化工冷冻站设备选择参照标准。依据工艺需求和工艺条件明确化工厂制冷需求后，有针对性的选择制冷压缩机。冷冻站运行中不能使得所有的制冷压缩机全部开启，要根据季节变化对制冷压缩机运行进行调控，冷冻站运行中必须要存在备用制冷压缩机，从而保证某一制冷压缩机发生不良故障问题后，可以快速进行切换，避免对化工企业生产造成非常不良影响。冷凝器设备选择不能过大，需要通过实际核对，通常情况下设置两台冷凝器设备就可以满足化工企业冷冻站运行的实际需求。并且在原有基础上对冷凝器系统进行改造，两个冷凝器设备长期处于启动状态中，存在一个备用冷凝器设备。设计人员还需要注重对冷却水系统进行改造，降低化工冷冻站运行对冷却水的实际需求，提升水资源应用效率。某一化工冷冻站就对以上内容进行了实际改造，冷冻站运行中电力能源需求程度大幅度降低，改造需要花费的成本化工冷冻站运行一年后全部收回，对化工企业实现可持续发展奠定了良好基础，缩减了化工企业运行中的成本投入，增强了化工企业的经济效益。目前，制冷机可选的类型较多，但在建设投资和运行费用上存在较大差异，见表2：

表2 制冷机类型不同时投资和运行费比较

5 注重提升化工冷冻站运行的生态性、经济性、安全性

大型冷冻机基础采取减震措施，冷冻机使用柔性接头与系统连接，这些措施均能有效降低噪声的产生与传递。在劳动保护方面，应强调工人进入机房时佩带耳塞。注重提升化工冷冻站运行的生态型、经济性、安全性，将化工冷冻站建设的重要作用充分展现出来，为化工企业带来更多可观的经济效益和社会效益。降低化工冷冻站运行产生的噪音污染，使得化工企业生产可以得到社会的肯定，促进化工企业实现可持续发展。

最后笔者分享一些成功案例的心得体会，希望对广大设计人员起到一定的启迪和帮助。主要可以从以下几个方面进行考虑，来提升化工冷冻站系统的效率：

1）在满足工艺负荷需求的条件下，积极提高冷水机组冷冻出水的温度设定值。冷冻水出水温度设定值每升高1℃，冷水机组的运行效率可提高3%左右。

2）通过对冷却水塔风机及冷却水泵的控制，尽量提供主机较低温度的冷却水。冷却水出水温度设定值每降低1℃，冷水机组的运行效率也可提高3%左右。

3）根据当前的室外温湿度及冷水机组的运行负荷大小，并综合各用冷车间的热负荷，确定所有冷水机组的运行台数及备用设置。

4）根据冷水机组的运行效率特性，去控制冷冻水泵/冷却水泵的运行频率，这样既可维持主机的高效运行，同时也降低了水泵及配套设备的综合能耗。

5）在机房管路设计过程中，尽量减少系统的阻力（包括局部阻力和沿程阻力），不同温度、压力、用冷末端的管路应合理规划并独立设置。

6 结束语

开展化工厂冷冻站优化设计工作非常重要，通过该工作可以保证冷冻站设计的优质性、科学性，提升冷冻站运行效率。经济运行是化工厂冷冻站运行管理的必然要求，从而降低冷冻站运行的能源消耗，缩减其运行成本投入，为促进化工厂建设发展奠定良好基础。

[1] 李宏涛.某化工厂氨制冷设备节能设计及改造[J].能源技术与管理，2008，（1）.

[2] 郁庆庆，章学来，柳元，等.提高冷冻机效率的可行性方案分析[J].能源技术，2006，（3）.

[3] 张友科.氨液制冷系统设计及其工程应用[J].石油化工设计，2005，（2）.

[4] 吴建波.冷冻站水系统设计的几个典型问题分析[J].无锡商业职业技术学院学报，2004，（3）.

Discussion on Optimization Design and Economic Operation of Freezing Station in Chemical Plant

Wu Yun-feng

The freezing station is an indispensable part in the construction of chemical plants.Recently，the author has combined some practical cases and investigated the existing refrigeration station system design in China’s chemical plant，and found that there are many shortcomings.Designers in the chemical plant freezing station design work carried out in the process，from the chemical and frozen two aspects of thinking，a comprehensive conf i guration，integration of the comprehensive design of the freezing station.At the same time，we need to focus on improving the economics of the operation of the refrigeration plant in the chemical plant，reducing the operation cost of the refrigeration plant in the chemical plant，and laying a good foundation for further development of the chemical plant freezing station.This article is the chemical plant freezing station optimization design and economic operation in-depth analysis，hope that the relevant design staff and pharmaceutical use departments have enlightenment.

chemical plant freezing station；operation analysis；optimization design；economic operation

TB657

A

1003–6490（2017）03–0169–02

2017–02–15

吴云峰（1982—），男，浙江余姚人，工程师，主要研究方向为暖通设计。