水輪機在循環水冷卻塔中的應用

劉 華

(廣東南方堿業股份有限公司，廣東廣州 510760)

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水輪機在循環水冷卻塔中的應用

劉 華

(廣東南方堿業股份有限公司，廣東廣州 510760)

采用水輪機，利用系統富余揚程，改造循環水1#冷卻塔風機。改善系統工況的同時，節約大量電能，取得良好經濟效益。

循環水；水輪機；冷卻塔；節能

1 前 言

我廠熱電循環水系統主要為熱電車間兩臺發電機組的冷凝器供應循環冷卻水，滿足機組正常運行的需要(熱電車間關停后，2014年9月該循環水系統改為供化工生產用)。熱電循環水系統有仿瑪麗600型橫流式冷卻塔兩座，其作用是將循環水系統熱水(循環水回水)降溫，以便循環利用。熱電系統兩座循環水橫流式冷卻塔均采用機械強制通風方式，各有φ8534風機一臺，配用電機160 kW。風機每年運行天數在300天以上，耗電量相當驚人。采用南京星飛的水輪機對1#循環水冷卻塔進行改造，利用循環水系統的富余揚程作為動力，驅動水輪機帶動風機，改電力驅動為水力驅動，節約大量電能，從而達到節能降耗的目的。

2 我廠熱電循環水系統改造的可行性分析

2.1 熱電循環水系統概況

1)冷卻塔部分

結構型式：仿瑪麗型橫流式冷卻塔(兩座：1#、2#冷卻塔)

額定處理能力：2 400 m3/h(單塔)

運行方式：高溫季節，并聯運行一大一小泵(大泵額定流量：2 016 m3/h，小泵額定流量：790 m3/h)，實測系統總流量：4 100 m3/h；其余時間，運行一臺大泵，實測系統總流量2 900 m3/h。

設計溫差：5 ℃

上塔總管管徑：DN800，支管管徑：DN600/400

2)水泵部分

20SH-9雙吸式離心泵兩臺(一用一備)：額定流量2 016 m3/h，揚程59 m，電流64 A，電機功率550 kW。單臺運行，出口壓力33 m，進口壓力2 m，電流53 A。

350S-75A型雙吸式離心泵一臺：額定流量1 170 m3/h，揚程65 m，電流34.5 A，電機功率300 kW。

300S-58型雙吸式離心泵一臺：額定流量790 m3/h，揚程58 m，電流24 A，電機功率220 kW。

3)風機部分

風機直徑8 534 mm，電機功率160 kW，電流289 A，實際運行177 A。

傳動方式：傳動軸、減速機，轉速133 r/min。

2.2 改造對熱電循環水泵工作點的影響

由于工作點是由泵及管路特性共同決定的，因此，改變任一條特性曲線均可達到流量調節的目的。如圖1所示，當調節出口閥開度時，改變了管路特性方程式中的G值。水泵出口閥門關小，使G值變大，流量變小，曲線變陡，工作點向上移動至M1，系統流量減小，揚程升高。水泵出口閥門開大，則反之，工作點下移至M2，系統流量增加，揚程降低。熱電循環水系統單臺大泵運行的工況下，流量在2 900 m3/h，從20SH-9離心水泵特性曲線圖中(見圖1)，可見此時水泵工作點已經下移在高效區(1 700～2 300 m3/h)以外。水泵運行于“大流量、小揚程”工況。經測算兩臺并聯泵運行的工況也是如此。熱電循環水系統在“大流量，小揚程”的不經濟的狀態下，長期運行。進行冷卻塔節能改造，在回水管中以串聯的方式增加水輪機，相當于關小出口閥門的狀況，G值將變大。系統的工作點將向高效區方向移動。即進行節能改造將使系統流量相應減小，揚程相應提高，水泵“大流量、小揚程”運行工況將因此得到改善。

圖1 改變出口閥開度時工作點變化

2.3 水泵富余揚程的計算

并不是所有的循環水冷卻塔都能實現水輪機動能風機改造，必須經過實際測量，并進行精確的計算，如果循環水系統富余的能量通過水輪機回收后能夠滿足風機軸功率的要求就能改造，也即是，水輪機能夠輸出的軸功率大于原來的風機的軸功率。在冷卻節能改造過程中，水輪機是靠水泵的富余揚程做功帶動風機，該富余揚程的計算公式為：

H富余=H額定-(H出口-H進口)

式中：H額定——水泵額定壓力，m；H出口——水泵出口壓力，m；H進口——水泵進口壓力，m。

單臺大泵運行工況：H額定=59 m，H出口=33 m(實測表壓)，H進口=2 m，則H富余=59-(33-2)=28 m。

一大一小泵運行工況：H額定=56 m(按水泵并聯計算)，H出口=35 m(實測表壓)，H進口=2 m，則H富余=56-(35-2)=23 m。

2.4 水輪機輸出功率的計算(按單塔計算)

P水輸=9.81QHη

式中：9.81——水的容重；Q——流量，m3/s；H——富余揚程，m；η——水輪機效率=93%。

單臺大泵運行工況：Q=2 900 m3/h÷2÷3 600 s=0.40 m3/s，H富余=28 m，P水輸1=9.81×0.40×28×0.93=102.18 kW。

一大一小泵運行工況：Q=4 100 m3/h÷2÷3 600 s=0.57 m3/s，H富余=23 m，P水輸2=9.81×0.57×23×0.93=119.61 kW。

2.5 風機軸功率的計算

式中：U——電機電壓(380 V)；I——電機電流(177 A實測)； COSφ——功率因素(0.85)；η電——電機功率(0.85)；η減——減速機效率(0.90)；η傳——傳動軸效率(0.87)。

P機軸=1.732×0.38×177×0.85×0.85×0.90×0.87=65.9 kW

因此：P水輸1>P機軸，P水輸2>P機軸。

理論計算兩種工況下，熱電循環水系統富余揚程均可滿足風機運行所需水輪機動力要求。

3 循環水1#冷卻塔節能改造

3.1 循環水1#冷卻塔節能改造的方法

采用南京星飛專利產品水輪機取代電機，1#冷卻塔風機由電力驅動改為水力驅動。水輪機安裝在1#冷卻塔原有風機減速機基礎上，靠循環水水泵的富余揚程做功推動水輪機葉輪，從而帶動風機轉動。取消了風機電動力及減速機。水輪機輸出軸直接與風機輪轂配合，帶動風機葉輪。

選用南京雙擊式水輪機：型號SJ2500B10，設計水流量2 400 m3/h，效率93%。

系統改造后工藝流程如圖2所示。

圖2 單塔改造前后示意圖

3.2 項目實施情況及效果

循環水熱電系統1#冷卻塔節能改造項目自2009年9月實施并投入運行至今。作為該項目核心的水輪機運行平穩，振動聲響無異常。循環水熱電系統改造前后運行工藝參數見表1。

表1 循環水熱電系統改造前后運行工藝參數

改造后熱電循環水系統管網壓力升高，流量減小，但水泵運行電流沒有變化。從理論上分析，上述現象是由于水力驅動水輪機，系統管道阻力增加，管道特性曲線上移，泵工作點改變的結果。從2#循環水泵性能曲線圖可看出，改造后工作點向高效區回歸，即離心泵運行較改造前效率更高，其流量與軸功率曲線表明，軸功率隨流量的增大而上升，軸功率應有所下降，可能由于流量與軸功率曲線較平緩，變化不明顯，因此沒有在電機運行電流中反映出來。改造前后回水溫度與給水溫度，數據的收集綜合考慮了氣候條件及工況，最后取平均數所得，具有一定代表性。

3.3 項目取得的經濟效益

改造后，在滿足當前生產需要的前提下，循環水熱電系統可少開一臺160 kW電機(運行電流177 A)，節能效益可觀。按電流法計：0.38×177×1.732=116 kW·h，按每年風機運行350天計，節電97.86萬kW·h/年，年節約電費68.5萬元。一年左右收回項目全部投資。

此外，采用以水輪機為核心技術的冷卻塔改造還具有以下幾方面的優點：

1)低噪聲。水輪機的能量轉換是在水流道內完成的，并且取消了電機及減速機，消除了低頻電磁聲及大幅降低了機械噪音。

2)效率高。水輪機軸直接驅動風機，不需再通過其它減速器等，且隨著水流量的變化而風量相應變化，始終穩定在較好的氣水比，確保循環水冷卻塔散熱效果。

3)使用壽命長。水輪機結構簡單，技術成熟可行，整體設計工作壽命為15年以上。水輪機殼體為鑄造與焊接混合結構，焊接鋼板為含錳量3.5%的進口鍋爐專用鋼板，長時間使用不易銹蝕，葉輪為精鑄成型，并經退火消除應力后再作平衡調整。

4)費用低。使用水輪機的冷卻塔系統故障點少，以一臺水輪機代替電機、減速器和傳動部分，可以實現長時間無故障運行，為使用單位節省大量的維護和更換冷卻塔的電機和減速器的費用和人力。

5)安全。冷卻塔風機電機有漏電傷人，火花爆炸的潛在危險，水輪機不用電，可在高危環境下使用，且質量輕，高處作業不再為起吊、卸下電機、減速器而為難，增加了冷卻塔的運行環境安全性。

6)適用。在我廠舊塔上進行更新水輪機節能改造，具有明顯優勢。安裝簡單，不破壞原有結構，不需要重做設備基礎，不需大量場地，比新購買省去很多麻煩，且可在以后的使用中做到零電費和低維護費運行。該技術屬冷卻塔行業新技術，經實例證明運行穩定并達到節省電能目的。

4 結 語

熱電循環水系統1#冷卻塔采用水輪機進行節能改造，較好利用了原系統中的富余能量，改電力驅動為水力驅動，改善了系統工況，達到了良好的節能效果。同時，取消了風機電動機、減速機、傳動軸，也減少了設備管理和維修保養成本。

TQ114.15

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1005-8370(2016)02-37-03

2014-11-28