循環水冷卻塔水輪機改造技術應用研究

付軍平 劉新利

【摘 要】循環水冷卻塔的作用就是通過將換熱后的熱回水進入塔頂部，經過塔內布水系統噴淋至填料層，增加水與空氣接觸，由蒸發散熱、接觸散熱和輻射散熱三個過程共同作用使得回水溫度降低，冷卻后的循環水收集在水池中，待投加水質穩定藥劑后經過循環水泵加壓再次送至各個工段換熱器繼續為工藝介質降溫，各類水耗損失通過補充水來解決，以保證各系統的正常運行，也是節約水資源是重要途徑之一。

【關鍵詞】循環水；冷卻塔；水輪機；改造技術

一、傳統電機驅動風機

傳統循環水冷卻風機由電機驅動，啟動后電機帶動減速機，經減速和變向帶動冷卻風機葉片，將冷卻塔周邊的空氣經由冷卻塔底部抽吸進入塔內，空氣與熱循環水換熱后在離心力的作用下快速流動，經風筒向上排散。風筒為玻璃鋼拼裝而成，通過粘接防滲漏處理，風筒垂直剖面為雙曲線型，其水平截面最小處為風葉水平中心截面，以確保冷卻風機運行時的風口形成，從而保證冷卻塔的運行效率。

陜西長青能源化工有限公司主裝置循環水冷卻塔風機配用380V電機，功率為200KW，轉速1486r/min，噪音108Db。

二、無電耗水能風機應用的目的、意義

冷卻塔循環水系統中必須用循環水泵加壓將循環水輸送至各個工段，所以必然存在一定的富余能量（20%-25%），在運行時就把這些能量聚集在某個閥門處，久而久之這些能量就白白地流失掉。水能風機（水輪機）的應用就是利用這些“富余能量”轉換為高效機械能，對冷卻塔風機做功，從而100%取代電機對冷卻塔風機的驅動，達到節電目的。

三、外置貫流式水能風機

長青能化公司首次改造采用一臺外置貫流式水能風機替換了循環水主裝T404A3風機電機。

（一）工作原理

水能風機是采用循環水回水的水能轉化為機械能，利用冷卻塔設備所在循環冷卻水系統的冗余水能驅動水輪機運轉代替原電機驅動風機的散熱降溫方法，廢除了傳統的冷卻塔中用電機驅動風機的散熱的方式，無需對原有冷卻塔基礎結構和風筒減速機等進行大范圍改造就可完全取代電機，從而實現“零”電能消耗的新型節能環保冷卻塔。

外置貫流式水輪機如何能達到電機驅動效率的關鍵是：了解冷卻塔循環水系統設計中的富余能量，同時水輪機的葉輪設計也是關鍵，富余能量的組成主要由以下6個部分：

1）循環水系統設計時必須考慮的余量值；

2）換熱設備的勢能利用；

3）水輪機的自身調節能力；

4）循環水系統的動能轉換效率；

5）閥門沒有開啟到位時，被閥門所消耗的能量。

6）低流量通過合并再分流方法滿足系統要求。

（二）結構特點

陜西長青能源化工有限公司循環水主裝置泠卻塔為5000m3/h×4四塔連體，先對三號塔T404A3進行無電耗水能風機節能改造，項目采用GLW-B5000外置貫流式水輪機。其主要設計參數分別為：流量5000m3/h；壓力：0.8～0.13MPa；轉速：1250～1500r/min。

GLW-B5000外置貫流式水輪機性能特點：

1）節能：水輪機利用循環水系統富余水壓驅動水輪機轉輪，從而帶動風葉轉動，既完全省去了冷卻塔配備風機所用的電機，又沒有增加循環水泵的電耗，因此省電達100%。

2）低噪音：無電耗水輪機取消了傳統型冷卻塔配備電機等設備，大大降低了冷卻塔運行時的機械噪音。

3）安全可靠：無電耗水輪機由于不帶電機，特別適用于在防爆、高危環境下運行，避免了電網負荷因素的影響，杜絕了電機的漏電、電控設備、損壞等故障。

4）維護方便：外置式無電耗水輪機冷卻塔直接取代電機，置于電機基礎上，維護使用方便，避免內置式水輪機冷卻塔維護需吊裝整個風機等麻煩。

5）壽命長：無電耗水輪機結構精密，技術先進，正常情況下可長期連續工作達8萬小時以上。

6）環保：無電耗水輪機冷卻塔取消了電機后，降低了因電機的耗電所帶來的二氧化碳的排放量，降低了噪聲所帶來的環境污染。

7）經濟：水輪機取消了電機等設備的配備，不但大大降低了產品成本，同時也大大減少了日常維護和維修成本，提高了企業的經濟效益。

四、安裝運行

循環水是通過循環水泵經加壓至>0.4MPa后送往各工段換熱器進行熱交換的，通過換熱器進口到出口實際消耗不了進水總管的壓力，還有很大一部分的余壓，換熱器出水經管道引入塔頂水輪機進口。而換熱器出口壓力大約有0.35MPa，管路損失約0.05MPa，上冷卻塔位差損耗約0.10MPa，最終水輪機進口水壓約0.20MPa。因各循環水系統對冷卻塔的溫降要求不盡相同，故水輪機進口所需壓力約為0.10～0.15MPa。由此可見，利用這部分余壓完全能夠滿足驅動水輪機做功，達到冷卻塔風機（原所配電機驅動風機式）所需軸功率。水壓越高、流量越大，水輪機的輸出功率也就越大。很顯然，經過計算，GLW-B5000型水輪機完全符合改造安裝的要求。在安裝水輪機時，保留原有冷卻塔外型結構、尺寸不改變，各種技術指標均能達到冷卻塔設計要求，改造安裝可以安全實施。

（一）改造安裝過程

本次T404A3的單臺冷卻塔無電耗水能風機的改造項目于2014年3月實施并完成。改造后僅去除原冷卻塔T404A3電機，保留傳動軸和減速機，保留風機及配套輪轂，保留風筒及原電機基礎，水輪機則安裝在塔頂原電機位置，位于冷卻塔北側的回水管經過改裝后連接到水輪機的進水管，循環水經過水輪機做功后從水輪機出水管引出，出水管連接到原冷卻塔的回水管上，保證循環回水正常通往配水系統。為了保證改造后水輪機運行更平穩，在水輪機進水端和出水端都要安裝軟連接。為了更好的監測水輪機的運行狀態，在水輪機的進水端和出水端都要安裝壓力表、測振和轉速檢測，并遠傳至中央控制室DCS系統，監盤人員可隨時監控。

（二）運行情況

改造結束后經原技術部、生產運行部、機動部、原工程部、安環部等各部門的聯合檢查驗收。于3月25日至28日圓滿通過了72小時性能考核，改造前后循環水系統水量、壓力平穩無變化，循環水泵負荷無增加；水輪機運行穩定，各項參數正常；改造對生產無不利影響，達到了預期節能效果。

五、改造效益

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電機的費用和人力。經濟效益分析如下：

1）計算依據

冷卻塔年運行時間約8000小時，原電機功率分別為200KW，實際運行電流為245A，電價0.55元/度，電機功率因數0.93。

2）節能綜合分析

每臺風機年節電量=U×I×1.732×COSφ×運行時間

=380×245×1.732×0.93×8000≈120萬度/年

每臺風機年節電費用120萬度×0.55元/度=66萬元

3）減排效益

可節約標準煤：3867噸，可減少二氧化碳排放：10053噸，具有良好的節能減排效果。

六、結論

改造經濟高效，節能環保，安全穩定，技術創新，應用推廣意義大，總結為以下幾點：

1）對于原冷卻塔內部結構無任何影響，對循環水系統富裕能量充分利用，解決了原電機驅動冷卻塔風機的耗電的問題；

2）設計巧妙利用了原電機風機的減速箱和電機基礎，安裝在冷卻塔外部，施工簡單易行，改造工期短，不改變塔內、外的現有結構；操作、維護、檢修方便；

3）可根據水量、溫度自主調節風機轉速高低來改變風量大小，實現風機全天候連續運轉，保證水溫平穩。

【參考文獻】

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