循環水系統冷卻塔風機的節能改造

劉宇 楊東

摘 要：介紹了循環水冷卻分機的技改方案與實施措施，技改的節能經濟回報。

關鍵詞：冷卻風機；工藝流程；技改；經濟回報

中圖分類號：TK79 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）17-0003-02

1 技改背景與意義

公司循環水站4臺4×5000m3/h冷卻塔風機，經公司相關技術人員經過考察論證，循環水系統回水富余能量較大，具備節能改造條件。2014年九月循環水站冷卻塔風機實施無電耗技改，十月中旬實現無電耗運行。

此項技改積極響應國家節能減排號召，踐約“力行低碳，締造和美”的企業使命。為了推進全社會節約能源，提高能源利用效率和經濟效益，保護環境，保障國民經濟和社會的發展，國家早在1998年1月就公布實施了《中華人民共和國節約能源法》。在2007年6月24日召開的十屆全國人大常委會第二十八次會議上，新修訂的《節約能源法》中明確了節能在中國經濟社會發展中的戰略地位，出臺了一系列節能管理制度和激勵政策。

此項技改降低了企業生產成本，提高了產品核心競爭力。近幾年來，國內甲醇產能不斷增長，甲醇價格持續低迷，成本不斷攀升，使甲醇行業經濟效益普遍受到影響，投資回報期加長，很多生產企業都徘徊在盈虧平衡點左右。同時，隨著技術裝備水平的提高和管理水平的加強，各大企業降耗空間越來越小，成本控制越來越難，企業競爭越來越激烈。此項技改對于促進公司節能減排，助推長青能化進一步打造煤基清潔能源產業鏈，建設低碳能源基地有重大意義。

2 第一部分：技改方案與可行性

2.1 改造前后工藝流程介紹

流程說明：循環水從塔下水池開始，首先由水泵做功，經過水泵出水閥進入換熱器，循環水從換熱器出來后進入回水總管，再分成4路，分別由4個閥門控制上冷卻塔的水量，滿足系統中各處所需的水量，特別是滿足水輪機的水量以便于對水輪機做功，從而達到風機的運行要求，保證冷卻塔的降溫效果。所改1座塔的循環水從水輪機出來后，再流進這座塔的配水管道，最后進入冷卻塔的噴頭系統，經過噴灑、對流、熱傳遞、蒸發吸熱等的方式對水進行降溫，然后再次流進冷水池中。

2.2 改造內容

改造時僅去除電機，保留傳動軸和減速機、保留風機及配套輪轂，水輪機則安裝在原電機位置，位于冷卻塔外部的進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配水管上，保證循環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。為了實現遠程監控，在水輪機上安裝有轉速、溫度、振動傳感器，將信號傳送到遠程接收監控柜中，能夠遠程監控水輪機的運行狀況。

（1）在水輪機進水端安裝有壓力表，該壓力表的量程為0～0.25MPa，可以在調節水輪機轉速時，供調節人員對照水輪機的轉速值。（2）水輪機出口負壓表。在水輪機出水端安裝有真空壓力表，該壓力表的量程為-0.1～0.15MPa，它既能測量正壓也可測量負壓，通常情況下此壓力表的讀數在-0.04MPa左右。當該壓力表的讀數為負值時，說明水輪機及管路設計合理、使用得當，負壓能帶給水輪機額外的能量。如果此壓力表讀數為正，說明塔內噴頭堵塞嚴重，或者該塔的供水量太大，超過了塔內噴頭的處理能力。（3）遠程監控柜。在合適的地方安裝遠程監控柜，監控柜主要監控水輪機的轉速、軸承溫度、機體振動這三個參數，并設有聲光報警器，報警值可任意設置，當轉速、溫度、振動超過設定值時，聲光報警器發出報警信號。我公司風機所配的電機是4級電機，轉速為1480r/min，所以水輪機的報警轉速可設置成1480r/min，軸承溫度的報警值設置成80℃，機體振動的報警值設置成6.3mm/s，只要不報警，說明設備運行正常。

2.3 水輪機轉速調節

改造完成后，水輪機的轉速與水輪機的進水量成正比，因此調節水輪機的進水量，即調節了水輪機的轉速。水輪機的進水量可通過上塔閥門和進水旁通閥調節，冷卻塔的進塔水管是與水輪機的出水管相連接的，并在進塔水管上安裝有旁通閥，旁通閥的開度可控制進入每臺水輪機的進水量，以任意調節水輪機的轉速在合適范圍內。在循環水系統不停水，但水輪機或者風機需要停機檢修時，可以打開旁通閥，讓循環水不經過水輪機而直接進入冷卻塔，即可以讓水輪機停機，又能讓循環水在塔內循環，并適當降溫。當該冷卻塔的供水量增加，可能導致水輪機轉速過高時，可以適當開啟旁通閥的開度，使多余的水量不進水輪機而直接進入冷卻塔。

改造完工后，技術人員會對水輪機的工作狀態進行調節，在確保水輪機運行效果的同時，通過調節閥門使水輪機冷卻塔和電機冷卻塔的進水量一致，并將調節到位后的閥門刻度記錄存檔，供操作人員隨時查看作為平時操作時調節水量的參考。

水輪機試運行調節后，旁通閥門的開度一般不做調節，只在循環水系統工況變化較大時（比如水泵開啟臺數變化），需要調節旁通閥的開度，來適應新工況的變化。

2.4 所需材料

水輪機主體、連接管道、調節閥、壓力表、固定設施、標準件及緊固件等。

2.5 原系統可利用的設備和系統

由于技改中只拆除電機及電機座，無需再利用到該工程中。但是電機是通用設備，可利用到其他系統中，或者作為其它電機的備用件。

2.6 技術改造理論可行性計算

2.6.1 現場條件

經測量，循環水回水總管壓力為0.298MPa，壓力測點距水輪機安裝位置的高度為19.8米，相當于要0.198MPa的水壓才能將水輸送到水輪機安裝位置。由以上參數可以計算，水輪機的進水壓力可以達到0.298-0.198=0.1MPa。水輪機出水管距離進塔水管的高度>4.8米，這一段的高度差對水輪機有虹吸效果，即給水輪機出口帶來負壓，這個負壓可取-0.04MPa，水輪機的效率為0.9，該冷卻塔設計水量為5000m3/h。

風機所配電機型號：YD355L2-4W，功率100/200KW，實際運行系數0.9，電機的傳動效率0.94（見機械設計手冊第四卷）。

2.6.2 理論計算

（1）電機輸出功率=200×0.9×0.94=169.2KW

（2）水輪機的輸出功率=水量×進出口壓力差×效率

=5000×[0.1-（-0.04）]×0.9×106÷3600÷1000

=175KW

通過理論計算，水輪機的輸出功率大于電機的輸出功率，根據公司目前運行電流，實際電機輸出功率為145kw，所以該冷卻塔完全滿足改造條件。

2.7 與換熱系統的關系

改造后不增加水泵負荷，不減少循環水總量，不改變冷卻塔內部結構，改造后不降低換熱效果。

3 第二部分 技改的實施

3.1 施工計劃

所有水輪機進水端均設有旁通閥，打開旁通閥可以使循環水直接進入冷卻塔內而不進入水輪機，如此設計目的是方便施工和維護工作以及對水輪機工況調節。

由于施工期是冬季并在停運的風機上進行，所以不會影響循環水降溫效果，不會影響生產。

根據現場采集的數據，由供貨商設計相匹配的水輪機，設計圖紙審核及方案確定，約需5天完成。

設備以及相應管道配件的制作，外購件的購買，約需20天完成。

現場停水后，最快可以3天改造完成一臺水輪機施工，3天后投入運行。

完成安裝等工作后，進行檢查通水調試，調試合格后正式運行、驗收。

3.2 施工步驟

（1）測量電機底座高度并記錄數據為H；（2）測量現場數據，為安裝水機輪后制作連接管道提供詳細數據；（3）綜合測量的數據及施工圖紙，預制管道及固定裝置，預制的管道要適當留有誤差余量和安裝余量；（4）按圖紙要求預制檢修平臺和檢修梯；（5）制作水輪機支座，高度與拆卸風機前測量的高度值H相等；（6）關閉循環水系統，關閉風機電源，確保電機不會誤啟動后，才可以做以下工作；（7）拆卸風機用的傳動軸，拆卸后放置在施工現場待用；（8）拆除電機后可將電機轉離施工現場；（9）安裝水輪機機座，要與塔體牢固連接，固定機座的膨脹螺絲擰緊以后，一定要與機座焊為一體，并將螺絲帽焊牢以防松動；（10）用吊車將水輪機吊到待裝位置上空，緩緩放到待裝位置，注意使水輪機的輸出軸與減速機輸入軸同心；（11）將拆卸的傳動軸安裝于水輪機與減速機之間；（12）架磁性百分表，調整水輪機在機座上的位置，直到聯軸器的跳動誤差小于0.08mm；此過程非常重要，調整水輪機左右位置用螺絲頂，上下位置用千斤頂頂，一邊調整一邊看百分表，當聯軸器跳動誤差滿足設計要求后，用墊鐵和銅皮把水輪機與機座間的縫隙墊滿，并把墊鐵焊到水輪機機座上，防止松動；（13）取下千斤頂，擰緊水輪機與機座的連接螺栓；（14）檢查聯軸器跳動誤差，如果發生變動導致不滿足設計要求，需重新調整水輪機上下位置，如果跳動誤差滿足設計要求，則調整完成；（15）按圖紙尺寸將原有上塔管道切斷，如果需要向塔內移位的要切斷一截進塔水管，移到合適位置并與原進塔水管重新連接；（16）將預制好的進水管道安裝在水輪機的進口上，安裝好軟連接，并連接到上塔水管上；（17）將預制好的出水管道安裝在水輪機的出口上，并連接至冷卻塔配水管道上，出水管道末端要安裝越低越好，使水輪機出水暢通，更容易形成負壓從而提高水輪機使用效率；（18）管道連接到位后，就可以焊接管道的連接縫了，焊接水管連接縫時，應先焊接位置低的部位再焊位置高的部位，塔頂平臺以下的焊接部位完成焊接后，可以利用旁通管通水至塔內，即分擔一些循環水降溫任務，又不影響塔頂平臺上面的焊接和其他施工；（19）把壓力表安裝到預制管道時預留的壓力表接頭上，壓力表的表面應對著水輪機標牌一方或者方便觀測的一方；（20）安裝水輪機泄水附件，將泄水引到冷卻塔內，泄水管道要安裝直，看起來要美觀，出水端略低，以便泄水流出管道；（21）焊接檢修平臺、檢修走道和欄桿等；（22）表面除銹，然后刷防銹漆和面漆；（23）在機座螺絲和管道連接螺絲上敷黃油，以保證螺絲不生銹；（24）檢查水輪機各部件是否安裝到位；（25）轉動風機葉片，確保水輪機沒有卡機、異響等不正常現象；（26）通水調試，記錄調試數據。

3.3 調試驗收

（1）檢查設備安裝是否達到要求；（2）對風機傳動軸盤車數圈，確保無異常；（3）開少量水進行通水測試，確保塔外水管無漏水現象；（4）按說明書要求調節水輪機工況，使轉速逐漸達到設計要求；（5）一切正常后通知相關部門進行驗收。

4 第三部分：投資回報

設備總價為130萬元/臺，安裝費：安裝人力，機具，器具，都是本公司檢修力量不計入成本。

4.1 節能計算

冷卻塔年運行時間約8000小時，電機功率為200KW，公司實際運行電流245A，電價0.55元/度，電機功率因數0.9。

4.2 節能綜合分析

年節電量=U×I×1.732×COSφ×運行時間

=380×245×1.732×0.9×8000=116萬度/年

其中U：電壓；

I：電流；

COSφ：功率因數；

年節電費用=116萬度×0.55元/度=63.8萬元。

4.3 國家給予的節能獎勵按15萬元計

通過改造，一臺風機每年可節63.8+15=78.8萬元，投資成本將會在不足兩年時間內即可收回改造成本。