混流式水輪機(jī)替代電動風(fēng)機(jī)的節(jié)能改造

(中海石油化學(xué)股份有限公司，海南 東方 572600)

我公司循環(huán)水冷卻塔為傳統(tǒng)的LF-92Ⅲ型敞開式冷卻塔，共8臺，采用逆流機(jī)械抽風(fēng)，即通過電動風(fēng)機(jī)(J0205C)抽風(fēng)。閉路循環(huán)水設(shè)計(jì)總量32 000 m3/h，單塔設(shè)計(jì)冷卻水量為4 000 m3/h；閉路循環(huán)水給水總管壓力≥0.45 MPa、回水總管壓力≥0.25 MPa，循環(huán)冷卻水給水溫度≤33 ℃、回水溫度≤43 ℃(溫差10 ℃)；2012年3月，利用主裝置停車檢修機(jī)會，將J0205C改為混流式水輪機(jī)，利用循環(huán)水系統(tǒng)中位差勢能及浪費(fèi)的能量(各處閥門節(jié)流的能量)來推動轉(zhuǎn)輪做功，使水能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，從而替代傳統(tǒng)電機(jī)，節(jié)約大量電力費(fèi)用，其效果顯著。現(xiàn)就此項(xiàng)改造作一簡介。

1 現(xiàn)場概況

1.1 冷卻塔原設(shè)計(jì)參數(shù)

1.1.1水泵部分

型號 1 000×700CDGT

數(shù)量 4臺(開3備1)

額定流量 9 500 m3/h

電機(jī)功率 1 650 kW

額定揚(yáng)程 50 m

出口閥門開度 55%

1.1.2風(fēng)機(jī)部分

電機(jī)功率 200 kW

風(fēng)機(jī)直徑 9 140 mm

風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速 127 r/min

風(fēng)量 2 560 km3/h

1.1.3冷卻塔部分

型號 LF-92111

結(jié)構(gòu)型式 方形逆流水泥組合塔

額定流量 4 000 m3/h

額定溫差 10 ℃

數(shù)量 8臺

1.2 實(shí)際工況

循環(huán)水總管流量 28 200 m3/h

單臺塔平均流量 3 525 m3/h

冷卻塔上水壓力 0.46 MPa

冷卻塔回水壓力 0.26 MPa

2 改造依據(jù)及相關(guān)參數(shù)的計(jì)算

據(jù)冷卻塔設(shè)計(jì)原理，氣水比為一定值，多大的流量匹配多大的風(fēng)量；在濕球溫度不變的情況下，富余的風(fēng)量并不會明顯提升冷卻效果。所以，我們可計(jì)算，冷卻塔工作過程中，循環(huán)水(實(shí)際流量)冷卻時所需的實(shí)際風(fēng)量。

(1)冷卻塔設(shè)計(jì)額定流量為4 000 m3/h，設(shè)計(jì)風(fēng)量為2 560 km3/h，據(jù)采用的設(shè)計(jì)風(fēng)量計(jì)算公式“設(shè)計(jì)風(fēng)量=冷卻塔額定流量×氣水比×1 000÷1.2(kg)”，可算得氣水比=2 560 000×1.2÷4 000÷1 000=0.76。

(2)化工系統(tǒng)循環(huán)水實(shí)際流量所需實(shí)際風(fēng)量的計(jì)算。由于化工系統(tǒng)循環(huán)水實(shí)際流量為3 525 m3/h，則按上述公式計(jì)算，所需實(shí)際風(fēng)量=3 525×0.76×1 000÷1.2=2 232 500(m3/h)。

(3)實(shí)際風(fēng)量所需的風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的計(jì)算。已知風(fēng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速N1=127 r/min、風(fēng)機(jī)額定風(fēng)量G1=2 560 km3/h、風(fēng)機(jī)實(shí)際風(fēng)量G2=2 232.5 km3/h，據(jù)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速與風(fēng)量的關(guān)系式N1/N2=G1/G2，則風(fēng)機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速N2=127×2 232 500÷2 560 000=111(r/min)。

據(jù)以上計(jì)算可知，當(dāng)循環(huán)水實(shí)際單塔流量在3 525 m3/h時，所需風(fēng)量為2 232 500 m3/h，理論上風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速111 r/min即可達(dá)到冷卻效果。

(4)采用水輪機(jī)對4 000 m3/h冷卻塔實(shí)施節(jié)能改造時，據(jù)核算，水輪機(jī)進(jìn)水壓頭不低于0.13 MPa、系統(tǒng)冷卻塔回水總管壓力為0.25 MPa，即可滿足水輪機(jī)的工況要求。

3 混流式水輪機(jī)簡介

3.1 水輪機(jī)的工作原理

混流式可調(diào)速水輪機(jī)又叫法蘭西斯式水輪機(jī)，主要工作部件是葉輪，流體的能量驅(qū)動葉輪旋轉(zhuǎn)，帶動風(fēng)機(jī)葉片；其旋轉(zhuǎn)葉片之間水流有自由表面，水流變化較大時適應(yīng)能力較好，轉(zhuǎn)輪前后水流壓差是主要的動能，能量的轉(zhuǎn)換效率較高；增設(shè)尾水管回收能量，并使布水壓力恒定。

3.2 混流式可調(diào)速水輪機(jī)的優(yōu)點(diǎn)

(1)節(jié)電。改造后拆除了風(fēng)機(jī)電機(jī)，節(jié)電效果一目了然。

(2)環(huán)保。冷卻塔改造以后，振動、噪音遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)的機(jī)械通風(fēng)冷卻塔。

(3)冷效高。水輪風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速在壓力不變時與流量的三次方呈正比，風(fēng)量隨之增減，氣水比始終穩(wěn)定在較好狀態(tài)。

(4)可靠性好。水輪機(jī)設(shè)計(jì)嚴(yán)謹(jǐn)合理，運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，易損件少，維修方便；水輪機(jī)的設(shè)計(jì)使用壽命在10 a以上，不存在電機(jī)、減速機(jī)長期暴露在室外易引起電機(jī)漏電、燒毀、短路、漏油等機(jī)械故障。

(5)毋需防爆。混流式水輪機(jī)可適用于冷卻塔任意工況下安全運(yùn)行，毋需增加防爆措施，不僅節(jié)省了費(fèi)用，還增加了生產(chǎn)安全系數(shù)。

4 設(shè)備更新改造內(nèi)容

保持塔體結(jié)構(gòu)不變，將塔內(nèi)部的減速器及其機(jī)座、外部電機(jī)部件拆除，在原減速器機(jī)處安裝混流式可調(diào)速水輪機(jī)；冷卻塔上塔水管升高至塔上與水輪機(jī)進(jìn)水口相接，水輪機(jī)出水口與塔支管相接，并增設(shè)旁路系統(tǒng)(選裝電控閥門)，用來調(diào)節(jié)水輪機(jī)入口流量，進(jìn)而控制轉(zhuǎn)速，以及檢修時使用。另外，設(shè)在線監(jiān)測轉(zhuǎn)速、油溫和振動的DCS系統(tǒng)，利用原有風(fēng)機(jī)油溫、振動探頭(振動監(jiān)測使用三維的)，并新增轉(zhuǎn)速探頭；溫度、振動、轉(zhuǎn)速與旁路電動閥聯(lián)鎖，當(dāng)任何一個參數(shù)超過設(shè)計(jì)值時，旁路電動閥打開，大部分水走原來的管線，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速降低，以便對風(fēng)機(jī)實(shí)施保護(hù)。

安裝水輪機(jī)后冷卻塔墻體剖面如圖1所示。

5 改造效果及經(jīng)濟(jì)效益

改造前，冷卻塔給水壓力0.46 MPa、回水壓力0.26 MPa、循環(huán)水溫差9.7 ℃、循環(huán)水泵電機(jī)電流155 A；改造后則分別為0.48 MPa、0.276 MPa、9.7 ℃、152 A。從上述數(shù)據(jù)可看出，冷卻塔給回水壓力較改造前略有上漲，循環(huán)水泵電機(jī)能耗略有下降，循環(huán)水溫差維持不變。

采用混流式可調(diào)速水輪機(jī)后，每年節(jié)約的電費(fèi)是相當(dāng)可觀的，按300 d/a，電機(jī)功率200 kW，電費(fèi)0.68元/kW·h計(jì)，則1臺水輪機(jī)節(jié)約的電費(fèi)大約是200 kW×24 h/d×300 d/a×0.68元/kW·h=97.92萬元/a。

用水輪機(jī)替代電機(jī)驅(qū)動冷卻塔風(fēng)機(jī)是一項(xiàng)節(jié)能創(chuàng)新技術(shù)，符合國家節(jié)能減排的要求。單塔每年可節(jié)約1 440 000 kW·h電，相當(dāng)于每年可減少二氧化碳排放1 435.68 t、節(jié)約標(biāo)煤576 t(據(jù)中國碳排放計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)：1 kW·h電=0.997 kg二氧化碳、1 kW·h電=0.4 kg標(biāo)煤)。

圖1 安裝水輪機(jī)后冷卻塔墻體剖面示意圖

6 結(jié) 語

采用混流式可調(diào)速水輪機(jī)替代循環(huán)水冷卻塔傳統(tǒng)的電動風(fēng)機(jī)，能夠充分利用循環(huán)水泵富裕揚(yáng)程及余壓達(dá)到節(jié)能的目的，循環(huán)水泵能耗沒有增加，循環(huán)水溫差不變，可滿足工藝需求，具有明顯的經(jīng)濟(jì)、環(huán)保和運(yùn)行管理效益。而是否可行，各廠還要根據(jù)自身實(shí)際情況進(jìn)行論證，并結(jié)合循環(huán)水泵工況正確地選用水輪機(jī)。

參考文獻(xiàn)：

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[2]鄭源，陳德新主編.水輪機(jī)[M].北京：中國水利水電出版社，2011.