裴紅兵，艾永安，閆小星，張 軻

（北京橡膠工業(yè)研究設(shè)計院有限公司，北京 100143）

烏茲別克斯坦安格連橡膠廠建設(shè)項目是我國在中亞地區(qū)的一帶一路重點項目，該項目工期緊、任務(wù)重、建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)高。在總包單位的精心組織下，設(shè)計單位及鍋爐和污水站等各系統(tǒng)供應(yīng)商在極短的時間內(nèi)相繼完成了公用工程系統(tǒng)（各站房系統(tǒng)）設(shè)計圖，并且設(shè)計圖還按烏茲別克斯坦國家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了轉(zhuǎn)化。作為技術(shù)和設(shè)備總包方，我們在查閱相關(guān)資料，并調(diào)研輪胎企業(yè)公用工程實際運行狀況的基礎(chǔ)上，從系統(tǒng)原理到介質(zhì)用量再到設(shè)備調(diào)試、使用和維護(hù)等各個方面反復(fù)審核公用工程系統(tǒng)設(shè)計圖，經(jīng)過與設(shè)計單位、供應(yīng)商及生產(chǎn)技術(shù)團(tuán)隊等反復(fù)研討，對該項目的公用工程系統(tǒng)設(shè)計進(jìn)行了優(yōu)化，現(xiàn)將優(yōu)化情況簡介如下。

1 基本計算和分析

首先對每小時氮氣消耗量進(jìn)行測算。對于不設(shè)置氮氣回收的乘用輪胎硫化系統(tǒng)，每條乘用輪胎硫化的氮氣消耗量以0.8 m3（輪胎廠普遍的實際數(shù)據(jù)）和每條農(nóng)業(yè)輪胎[406 mm（16英寸）]硫化的氮氣消耗量為2.4 m3計，按照本項目300萬套乘用輪胎和20萬套農(nóng)業(yè)輪胎的年總產(chǎn)能，可推算出每小時相應(yīng)輪胎的產(chǎn)量分別為405和27條，可得每小時氮氣總消耗量（V1）為

V1＝405×0.8＋27×2.4＝388.8 m3·h-1

而設(shè)計圖提供的計算依據(jù)為該項目共設(shè)置了54臺乘用輪胎硫化機(jī)和14臺農(nóng)業(yè)輪胎硫化機(jī)，每臺硫化機(jī)每小時均需要氮氣10 m3·h-1，由此可得每小時氮氣總消耗量（V2）為

V2＝54×10＋14×10＝680 m3·h-1

在此基礎(chǔ)可選用3臺產(chǎn)能為400 m3·h-1制氮機(jī)（見圖1），按兩用一備運行，每小時氮氣總產(chǎn)量（V3）為

圖1 真空變壓吸附制氮機(jī)Fig.1 Vacuum pressure swing adsorption nitrogen generator

V3＝400×2＝800 m3·h-1

顯然，不同預(yù)算方法的氮氣消耗量差異較大，設(shè)計用量V2約為V1的1.75倍，而經(jīng)過設(shè)備選型又將氮氣產(chǎn)量放大到V1的2倍以上，同時吸附制氮使用的壓縮空氣需求量也隨之增大。在合同總價確定的情況下，物料余量過大不經(jīng)濟(jì)，還會造成后期業(yè)主運行成本的增加。

按照6∶1的空氣/氮氣體積比計算，1臺400 m3·h-1制氮機(jī)需要壓縮空氣2 400 m3·h-1，正好是1臺產(chǎn)能為40 m3·min-1的螺桿空氣壓縮機(jī)（見圖2）的壓縮空氣產(chǎn)量。如果能減小設(shè)計氮氣余量，則空氣壓縮機(jī)的壓縮空氣產(chǎn)量也可以相應(yīng)減小。

圖2 螺桿空氣壓縮機(jī)Fig.2 Screw air compressor

按照氮氣總消耗量V1＝388.8 m3·h-1計，如果考慮20%的氮氣生產(chǎn)余量，則需要氮氣產(chǎn)量為467 m3·h-1，制氮機(jī)可以選擇產(chǎn)能為500 m3·h-1的機(jī)型，如果選擇空氣/氮氣體積比不大于5∶1，1臺該機(jī)型制氮機(jī)需要壓縮空氣約2 500 m3·h-1，基本與產(chǎn)能為400 m3·h-1的機(jī)型（空氣/氮氣體積比為6∶1）相當(dāng)。產(chǎn)能為500 m3·h-1的制氮機(jī)價格雖然比產(chǎn)能為400 m3·h-1的制氮機(jī)高約10%，但如果選2臺產(chǎn)能為500 m3·h-1的制氮機(jī)（一用一備），則可節(jié)約制氮機(jī)投資，同時減小壓縮空氣用量，設(shè)備占地面積也相應(yīng)減小[1-4]。

在以上系統(tǒng)分析和計算的基礎(chǔ)上，確定空氣壓縮站和動力站系統(tǒng)的設(shè)計存在一些問題，再結(jié)合其他站房的問題，提出了相應(yīng)優(yōu)化方案。

2 站房系統(tǒng)設(shè)計問題及優(yōu)化方案

2.1 鍋爐房

（1）全廠冷凝水匯總后排入凝結(jié)水箱，原設(shè)計凝結(jié)水箱前未設(shè)置排污旁路，不便于初期試車和停產(chǎn)檢修后系統(tǒng)重啟時污水排放。優(yōu)化方案在凝結(jié)水總管增設(shè)排污旁路，該旁路接至室外污水井。

（2）原設(shè)計高位熱力除氧器溢流管垂直向下接入水箱間地溝，系統(tǒng)運行時隨著除氧器內(nèi)壓力波動會有蒸汽從溢流口溢出，造成水箱間蒸汽彌漫。優(yōu)化方案在溢流管接近一樓地面處設(shè)置1個高度為5 m的水封，這樣既不影響溢流管的溢流，也能在除氧器內(nèi)部出現(xiàn)0.03 MPa以內(nèi)壓力波動的情況下，不產(chǎn)生蒸汽溢出現(xiàn)象[5]。

（3）由于項目規(guī)模較小，原設(shè)計動力站乏汽和連排罐乏汽等沒有很好的二次利用的方案，只是從集中排放角度考慮將乏汽引至除氧器，而除氧頭僅有1個DN65排氣口，當(dāng)大量乏汽排入時會超過除氧器的處理能力，造成除氧器超壓，安全閥頻繁起跳，影響系統(tǒng)運行。優(yōu)化方案為除氧頭增設(shè)1個DN150排汽口，其配有壓力傳感器和切斷閥等，當(dāng)系統(tǒng)超壓時切斷閥自動打開以放空，可保證除氧器內(nèi)部壓力在工藝要求范圍內(nèi)波動[6-8]。

（4）原設(shè)計軟水箱之前以及軟水箱與凝結(jié)水箱之間沒有自控閥門，各水箱水位不能自動控制，需要操作人員手動控制，很不方便。優(yōu)化方案在軟水箱之前的管段和凝結(jié)水箱的進(jìn)水管上分別設(shè)置電磁閥，通過軟水箱和凝結(jié)水箱的液位設(shè)置對電磁閥進(jìn)行控制，如圖3所示，以自動維持2個水箱的水位。

圖3 水箱水位控制及凝結(jié)水箱分區(qū)示意Fig.3 Diagram of water level control of water tanks and condensate tank partition

（5）原設(shè)計鍋爐節(jié)能器循環(huán)水由凝結(jié)水箱供給并回到凝結(jié)水箱，而凝結(jié)水箱內(nèi)溫度在90 ℃左右，不能很好地滿足節(jié)能器水循環(huán)要求。優(yōu)化方案為單獨設(shè)置循環(huán)水箱或在無法單獨設(shè)置循環(huán)水箱的情況下在凝結(jié)水箱內(nèi)部設(shè)置隔板，并在隔板的最低水位以下開設(shè)一個直徑100 mm的孔，如圖3所示，將水箱分為兩部分，分成熱水區(qū)和冷水區(qū)。循環(huán)水從冷水區(qū)供出，然后回到熱水區(qū)，軟水箱補(bǔ)水時軟化水補(bǔ)到冷水區(qū)，水循環(huán)問題可以得到改善，也不增加投資。

（6）原設(shè)計分汽缸進(jìn)汽及出汽立管閥門以上無排污設(shè)施，易積存凝結(jié)水，在管路啟動時會發(fā)生劇烈震動。優(yōu)化方案在立管靠近閥門上部的位置設(shè)置排水閥并通過管道引至車間地溝，如圖4所示。每次在管路啟動前先排水，以提高系統(tǒng)運行穩(wěn)定性。

圖4 管路排凝結(jié)水示意Fig.4 Diagram of condensate drainage of pipelines

（7）鍋爐給水溫度為104 ℃，在線氧含量檢測儀要求40 ℃以下測試溫度，原設(shè)計沒有檢測降溫設(shè)施，不便于對水的氧含量進(jìn)行監(jiān)測。優(yōu)化方案設(shè)置1臺換熱面積為2 m2的板式換熱器，以常溫循環(huán)水作為冷源，如果沒有常溫水，也可用生產(chǎn)水（每次測量有一定的耗水量），利用換熱器將被檢測的鍋爐給水降至40 ℃以下，以滿足在線氧含量檢測儀的測試條件，如圖5所示，鍋爐給水氧含量測試操作時首先確保給水溫度已經(jīng)降至40 ℃以下，再開啟通向檢測儀的閥門，就可以精確測量出鍋爐給水的氧含量[9]。

圖5 鍋爐給水氧含量在線測試降溫裝置Fig.5 Cooling device for on-line measurement of oxygen concentration of boiler water

2.2 空氣壓縮站及動力站

（1）原設(shè)計制氮系統(tǒng)配置3臺400 m3·h-1制氮機(jī)氮氣生產(chǎn)余量過大，超過了需求量的2倍。優(yōu)化方案選用2臺500 m3·h-1制氮機(jī)，一用一備即可滿足使用要求。

（2）氮氣產(chǎn)量減小后，原設(shè)計空氣壓縮站配置6臺40 m3·min-1空氣壓縮機(jī)（壓縮空氣除用于制氮外，還用于其他生產(chǎn)）過多。優(yōu)化方案為減少1臺空氣壓縮機(jī)及相應(yīng)的過濾器、微熱干燥機(jī)等設(shè)備。

（3）原設(shè)計真空系統(tǒng)水環(huán)真空泵工作液采用的是自來水，易結(jié)垢而造成設(shè)備損壞。優(yōu)化方案改為軟化水作為工作液供給水環(huán)真空泵，如圖6所示，工作液冷卻循環(huán)系統(tǒng)設(shè)置工作液箱、循環(huán)泵和板式換熱器。工作液箱由軟化水補(bǔ)充，工作液與常溫水換熱，保證水環(huán)真空泵運行工藝要求，可以減少設(shè)備結(jié)垢，減少能耗，提高運行穩(wěn)定性和延長使用壽命。

圖6 熱真空工作液系統(tǒng)示意Fig.6 Diagram of hot vacuum working fluiding system

（4）輪胎硫化抽真空時，膠囊內(nèi)為余熱汽體，其經(jīng)過水環(huán)真空泵時導(dǎo)致真空泵工作溫度高，真空泵易損壞，且運行負(fù)荷大，造成電能浪費。優(yōu)化方案在熱真空罐前增設(shè)1臺換熱面積為5.4 m2的管殼換熱器，如圖7所示，將膠囊內(nèi)抽出的余熱汽體冷凝以降低其溫度和減小體積，可以延長真空泵使用壽命和減少能耗[10-12]。

圖7 熱真空罐入口增設(shè)換熱器示意Fig.7 Diagram of adding heat exchanger at inlet of hot vacuum tank

2.3 水泵房及制冷站

（1）原設(shè)計低溫水循環(huán)系統(tǒng)沒有水池，運行中需要間歇向水泵入口補(bǔ)水，入口附近設(shè)置泄壓閥，補(bǔ)水水源為0.4 MPa的生產(chǎn)水，通過自動定壓補(bǔ)水裝置（見圖8）補(bǔ)水。分析可知，為保證低溫水循環(huán)泵（揚(yáng)程50 m）出口壓力不高于0.65 MPa，循環(huán)泵入口壓力應(yīng)不高于0.15 MPa，而該補(bǔ)水裝置的水泵和止回閥不能阻止0.4 MPa的水源進(jìn)入系統(tǒng)，僅靠卸壓閥不能保證循環(huán)泵入口壓力穩(wěn)定在0.15 MPa。如果循環(huán)泵的入口壓力升至0.4 MPa，循環(huán)水經(jīng)過水泵加壓，致使循環(huán)泵出口壓力升至0.9 MPa左右，加之系統(tǒng)壓力波動，會使水泵出口橡膠軟連接（公稱壓力為1.0 MPa）破裂，其他用水工藝設(shè)備也會受到威脅，易造成生產(chǎn)中斷以及影響設(shè)備和水泵房的安全。優(yōu)化方案為如果補(bǔ)水水泵入口無法從水池取水，低溫循環(huán)泵改為電動調(diào)節(jié)閥（見圖9）和電接點壓力表加調(diào)節(jié)器來控制補(bǔ)水，實現(xiàn)循環(huán)泵入口壓力穩(wěn)定在（0.14±0.01）MPa范圍內(nèi)，滿足工藝要求[13]。

圖8 自動定壓補(bǔ)水裝置Fig.8 Automatic constant pressure water replenishment device

圖9 電動調(diào)節(jié)閥Fig.9 Electric control valve

（2）原設(shè)計3臺制冷機(jī)配置的冷卻水泵和冷凍水泵沒有備用泵，任意一臺水泵出現(xiàn)故障，則對應(yīng)制冷機(jī)必須停機(jī)，如果再增設(shè)備用水泵，從設(shè)備和土建投資來說都不經(jīng)濟(jì)。優(yōu)化方案通過增加連通管路來實現(xiàn)冷卻水泵的互為備用以及冷凍水泵的互為備用。具體做法為：增設(shè)1條DN450管路把3臺冷卻水泵出水口串聯(lián)起來，每個連接處設(shè)置1個DN300蝶閥，同理3臺冷凍水泵出水口也采用同樣的辦法串聯(lián)起來，如圖10所示。這樣就可以在個別水泵出現(xiàn)突發(fā)故障時，通過其他制冷機(jī)組的水泵來應(yīng)急供水，實現(xiàn)水泵之間的互為備用，保證生產(chǎn)的連續(xù)性。

圖10 制冷系統(tǒng)同類水泵互為備用示意Fig.10 Diagram of same function water pumps of refrigeration system as standby for each other

2.4 排污處理

（1）原設(shè)計中水回用池未設(shè)置補(bǔ)水管道，在運行初期或是處理水量不足的情況下，沖廁所和澆花系統(tǒng)供水會受影響。優(yōu)化方案從壓泥機(jī)車間供水管引管埋設(shè)至中水回用池，根據(jù)需要及時向中水回用池補(bǔ)水[14]。

（2）原設(shè)計調(diào)節(jié)池提升泵、硝化液回流泵、集水井提升泵以及污泥回流泵未設(shè)置手搖提升裝置，后期水泵巡檢及檢修時只能靠人力提升泵。優(yōu)化方案為各泵增設(shè)相應(yīng)的手搖式提升裝置。

（3）按照我國《大氣污染物綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 16297—2017）、《惡臭污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 14554—1993）和《橡膠制品工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》等規(guī)定，煉膠車間排放的粉塵（炭黑）和廢氣（甲硫醇、甲基苯、苯乙烯、二硫化氫、二硫化碳、氨類化合物）等污染物排放應(yīng)嚴(yán)格控制，通過設(shè)計集氣處理設(shè)施提高對粉塵和廢氣的處理效果，減少污染物排放對環(huán)境的影響[15]。但烏茲別克斯坦目前還沒有相關(guān)的國家標(biāo)準(zhǔn)，原設(shè)計從控制投資角度并沒有設(shè)計集氣處理設(shè)施，優(yōu)化方案提出增加污染物處理設(shè)施。

2.5 變配電室

2號變配電室設(shè)置在A區(qū)輔房部位，離本區(qū)域用電負(fù)荷中心較遠(yuǎn)，同時距離總變電站也較遠(yuǎn)，考慮到A區(qū)用電設(shè)備主要為2條三復(fù)合擠出線和1條兩輥壓延線，且其靠近煉膠車間的位置，優(yōu)化方案通過架空平臺構(gòu)筑，將2號變配電室設(shè)置在A區(qū)靠近煉膠車間的位置，這樣供配電相對合理。

3 結(jié)語

以上優(yōu)化方案使項目的設(shè)計更加合理和經(jīng)濟(jì)，也使設(shè)備的操作和維護(hù)更加便利。這些優(yōu)化方案在項目實施過程中都得到了應(yīng)用，并經(jīng)過了實際使用驗證。當(dāng)然本項目設(shè)計仍存在一些不足之處，但經(jīng)過建設(shè)時施工的適當(dāng)調(diào)整，各系統(tǒng)運行均符合要求。

該公用工程系統(tǒng)設(shè)計優(yōu)化雖是針對安格連橡膠廠項目提出的，但對類似項目公用工程系統(tǒng)設(shè)計都有一定的借鑒意義。