無電耗水輪機在循環(huán)水系統中的推廣應用

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(青海發(fā)投堿業(yè)有限公司, 青海 德令哈 817099)

隨著純堿工業(yè)的迅速發(fā)展，環(huán)境資源對企業(yè)的節(jié)能減排工作提出了更高更嚴的要求，只有不斷地進行節(jié)能生產技術改造、優(yōu)化生產工藝、降低能耗，才能更好地促進企業(yè)和當地經濟發(fā)展。為提高我公司能源、資源利用效益和水平，結合實際生產情況，我公司對循環(huán)水冷卻塔進行節(jié)能技術改造工作?；谑‰姽?jié)能減排的考慮，在循環(huán)水冷卻塔采用的無電耗貫流式水輪機，充分利用循環(huán)水系統中富余的水壓驅動水輪機轉輪，從而利用傳動軸、減速機帶動風葉轉動。既省去了冷卻塔原先配備風機所用的電機，又不額外增加循環(huán)水泵的電耗，因此省電達100%。

1 循環(huán)水系統介紹

青海發(fā)投堿業(yè)有限公司水氣車間五臺4 200 m3/h循環(huán)水冷卻塔，用于生產系統循環(huán)水降溫。具體工藝為：循環(huán)水吸水池經補充水達到規(guī)定液位(≥3.3 m)后，通過循環(huán)水泵加壓，將溫度小于27 ℃、壓力大于0.40 MPa的循環(huán)水送往各生產工序進行降溫，回水溫度降為31～39 ℃、壓力變?yōu)?.08～0.25 MPa，靠余壓回到冷卻塔。改造前循環(huán)水系統五臺冷卻塔風機均由電機帶動，電機功率為132 kW。

調節(jié)循環(huán)水泵是可以調節(jié)循環(huán)水壓力，但為了達到節(jié)電降耗的目的，我公司把水氣車間1#、2#、4#冷卻塔冷卻風機電機拆除，在原電機基礎安裝無電耗水輪機，以此帶動冷卻風機。

2 無電耗水輪機的特點

水輪機是把水流的能量轉換為機械能的動力機械，它屬于流體機械中的透平機械。在循環(huán)水系統中，帶有足夠壓力和能量的水經引水管引向水輪機，推動水輪機葉輪旋轉，帶動冷卻塔風機做功。做完功的水則通過回水管道連接到塔內配水管道上。水壓越高、流量越大，水輪機的輸出功率也就越大。

1)節(jié)能：無電耗貫流式水輪機利用化工循環(huán)水系統富余水壓驅動水輪機轉輪，利用傳動軸、減速機帶動風葉轉動做功，既完全省去了冷卻塔原有風機所用的電機，又不增加循環(huán)水泵的電耗，因此省電達100%。

2)低振動低噪音：取消了傳統型冷卻塔配備電機等設備，降低了冷卻塔運行時的機械振動及噪音；風機以水為動力，消減了水流的能量，喘振小噪音低。

3)防漏電：由于不帶電機，特別適用于在防爆、高危環(huán)境下運行，在一定程度上杜絕了電機的漏電、電控設備、損壞等故障。

4)冷卻效果好：隨著季節(jié)的變化，水輪機的轉速也隨循環(huán)水壓力的增減而增減，風量也隨之增減，使冷卻塔的氣水比穩(wěn)定在最佳狀態(tài)，從而達到冷卻效果最好。

3 無電耗水輪機應用于循環(huán)水冷卻塔

我公司位于青海省海西蒙古族藏族自治州德令哈市，平均海拔2 981.5 m，平均氣壓70.8 kPa， 年平均氣溫4.28 ℃,晝夜溫差和冬夏兩季溫差較大，因此我公司在此次改造過程中充分考慮了高原降效及特殊的環(huán)境因素影響，重點關注設備材質、關鍵元部件等選型問題，而在平原地區(qū)不做特殊要求。

無電耗水輪機技術雖然在純堿行業(yè)被廣泛應用，但受到生產工藝、生產規(guī)模等條件的影響，需對設備材質、關鍵元部件等進行選型。本次改造過程中的水輪機葉輪采用不銹鋼材質；采用質量可靠的進口軸承，并且選用的軸承安全系數較大，保證了使用壽命；水輪機進水端的軸承腔采用機械密封，水輪機出水端的軸承腔采用多重密封加離心甩水的形式；采用DCS控制系統，便于監(jiān)控回水壓力等參數。為了保證改造后水輪機運行更平穩(wěn)，以及減小熱脹冷縮對設備的影響，在水輪機進水端和出水端都要安裝軟連接；為了更好的監(jiān)測水輪機的運行狀態(tài)，在水輪機的進水端和出水端都要安裝壓力表。

3.1 水輪機技術參數

水輪機效率：87%～93%

水輪機進水量：≥4 200 m3/h

水輪機進口壓力：0.06～0.10 MPa

3.2 冷卻塔頂能達到壓力值的測算

1)不改變系統工藝流程

2)不改變循環(huán)水泵出口閥的開度

3)不改變循環(huán)水泵出口壓力

4)不改變循環(huán)水泵電機的運行電流

5)不改變冷卻塔任何結構

圖1 冷卻塔示意圖

表1 循環(huán)水系統正常運行時各壓力測點的數值

結論：在不改變水泵工況的情況下，可以測出冷卻塔回水壓力最高能達到0.21 MPa以上，塔頂電機中心與塔下調節(jié)閥前的壓力表的高度差為12.8 m，用壓力來表示即為0.128 MPa，經過計算塔頂電機中心處的壓力可以達到0.21-0.128=0.082 MPa。此壓力能夠滿足水輪機改造條件轉速達到1 500 r/min。低于此壓力無法帶動水輪機做功，也就達不到將循環(huán)水系統中的富余能量轉換成機械能，再驅動風機做功對熱水降溫的作用。原循環(huán)水溫度調節(jié)只能靠開停風機，這樣水溫變化幅度較大，不利于化工生產操作。改造后水溫整體降低10 ℃，且可以調節(jié)水輪機轉速來調節(jié)水溫，生產更平穩(wěn)。

4 設備安裝

無電耗水輪機改造簡便，用水輪機代替塔頂電機，不涉及循環(huán)水泵及循環(huán)水管線等設備。具體做法是拆除冷卻塔頂電機，保留原有的傳動軸和減速機，風機及配套輪轂，新安裝的水輪機則安裝在塔頂指定位置。循環(huán)冷卻塔頂南側原有進水管先接到水輪機入口，循環(huán)水流經水輪機并對其做功能量轉換后從水輪機出水管引出。出水管連接到冷卻塔的配水系統，循環(huán)水由配水系統進行霧化噴淋冷卻。

為了減小水輪機運行時的輕微振動以及熱脹冷縮的缺陷對設備使用壽命的不良影響，在水輪機進水管線和出水管線處安裝軟連接。為了更好的監(jiān)測水輪機的正常運行狀態(tài)，在水輪機的進水管線和出水管線處都要安裝壓力表。

根據工藝生產布置的要求，水輪機及附屬區(qū)域由水輪機加強機座、管托連接組成。水輪機加強機座充分利用原電機機座，在超出原電機機座的部分可靠連接到塔頂平臺上；平衡管設置到循環(huán)水吸水池壁的正上方，管托支撐到水池壁上，可避免另做基礎的影響。

5 項目效益分析

該項目設備總投資為440萬元。

冷卻塔年運行時間約8 400 h，電機功率為132 kW/臺，實際運行系數約0.85，電價按0.40元/kWh計算。對1#、2#、4#冷卻塔進行改造，項目實施后，理論上每年可節(jié)約用電283萬kWh，電費113萬元。