三元流水輪機冷卻塔在循環水領域的應用

（中海石油寧波大榭石化有限公司 浙江 315812）

當今社會，能源緊張已引起社會、政府和企業的高度關注，我國能源緊張問題尤為突出。大榭石化也是典型的高耗能企業，減少能源消耗就是給企業增效，也是企業管理水平的體現。目前我國循環水系統行業沒有指定主管部門與協會，各生產廠家的標準差異很大，加上專業的交互性處于較低水平，幾乎沒有企業對循環水系統節能進行系統性研究，導致使用循環水系統的企業付出了過多的運行費用，浪費了大量的能源，這些問題在大榭石化同樣不可避免，主要表現在原有水輪機效率低下，真實輸出軸功率較低，改造后冷卻塔風機轉速不達標；水泵泵組整體運行效率偏低，系統損失過大，風機葉片材質原因，轉速不能增加，夏季工況一般難以解決系統水溫過高的問題。

1.三元流水輪機技術

(1)循環水水輪機原理及運行示意

圖1 水輪機涼水塔運行示意圖

水輪機取代傳統的電機作為涼水塔風機動力，使風機由原來的電機驅動改為水力驅動。它把循環水進入布水器時直接將釋放浪費的能量收集利用后驅動風機，省去原來的為風機提供動力的電機，從而達到節能目的。并利用原冷卻循環系統中的富余能量[2]，使水輪機的輸出軸直接與風機連接，從而帶動其旋轉產生冷卻效果，且不增加水泵的功耗，不僅保持了傳統冷卻塔的工作原理，而且保證與原冷卻塔氣水比相同，完全可以滿足換熱設備的工藝要求，理論上能達到100%節能，其運行示意圖見圖1。

(2)可利用余能估算

可利用余能即循環水系統中換熱設備高度高于涼水塔的高度所產生的富余勢能，若換熱設備低于涼水塔高度則使用水輪機時必須提高循環水泵的功率，這時水輪機不僅不節能，更會給循環水泵帶來額外的功率消耗。

回水母管（閥前）表壓為0.26-0.27MPa，標高-3m；噴頭高度11.4m。

假設噴頭的出水面積與上塔管相等（即速度頭不變），忽略壓力表段至閥門的水力損失，可得閥門（含）至出水噴頭的總水力損失為12.6m。

預估除閥門外其他部位的損失為1.6m（主要為布水器的局部損失），則預估可利用水頭約為11m。

由水泵進出口到總管的壓差，仍有部分余能可利用，在換熱設備允許的情況下，可根據情況來釋放余能。

(3)高效水輪機的先進性和優點

圖2 三元流水輪機外形圖

專用于工業領域的高效微型水輪機的研發依托于火箭及航空發動機技術的民用化應用，水輪機由于采用三元流設計理論及水力模型仿真，比原先傳統的二元流更接近流體的實際流通工況，葉型設計更符合流體流通特性，系統阻力更小，損失更小，故采用三元流設計的設備更具高效性，高效水輪機產品與市場上普通水輪機的效率相比，普遍高出約5%-8%左右。同時，高效水輪機驅動的風機噪音更低，震動更小，且不存在因換熱器泄露可燃氣引起爆炸的安全隱患。由于采用的是脂潤滑的方式，避免了電機塔減速機漏油的弊端，根除了循環水污染源的同時減少了塔內電機齒輪箱檢修頻次。

2.三元流水輪機技術在循環水場的應用

(1)循環水場概況

循環水系統設置冷卻塔9座，單間設計循環水量為5000m3/h，溫降10℃，出水溫度33℃，回水溫度43℃。設置循環水泵10臺，包括8臺大泵（單泵Q=6700m3/h，H=50m）和2臺小泵（單泵Q=3400m3/h，H=50m），出水壓力0.45MPa，回水總管壓力0.25MPa。2019年1月前冷卻塔為8間運行，包括中間2臺為設計時期應用的三代水輪機和6間電力風機（電壓為10kV，額定功率200kW，電流10.4A）冷卻塔，另1間為預留框架，2019年1月將預留涼水塔改造成了三元流高效水輪機涼水塔，變為9間涼水塔連續運行，實際循環水量由38000m3/h提高至42000m3/h。

(2)三元流水輪機的安裝

預留涼水塔的框架按電力風機涼水塔的結構進行設計，故本次改造將原有電機基礎和塔內齒輪箱的基礎進行了改造以適應水輪機及管線的安裝。為了實現遠程調節水輪機的轉速，在立管付線上設置了電動調節閥可將過量的循環水通過調節閥直接引至塔內布水總管，并在水輪機內設置了遠傳的溫度、震動及轉數探頭，以監控水輪機運行狀態。

(3)運行效果標定

本項目于1月16日-18日對新建涼水塔進行投用并標定，首先對新建涼水塔布水層進行給水，在塔的額定水量下運行20分鐘，確認涼水塔布水均勻，填料無破損，噴頭未脫落，整個塔體布水情況良好，隨后逐步關閉旁通閥，將上塔水流平緩的引入水輪機，期間保持回水壓力為0.25MPa。在水輪機進水流量分別為1400m3/h、2320m3/h、3050m3/h、3900m3/h時，各運行10分鐘進行觀察，水輪機運行平穩。當水輪機進水量達到4700m3/h時，轉速達到125rpm，未出現任何異常情況，測量風速在13.8～15.3m/s，與電機塔風速相當，優于原有水輪機塔的風速。平穩運行一天后，當日氣溫為8℃，測量新建涼水塔上塔溫度為32℃，冷卻后水溫為17℃，滿足合同要求的各項考核指標。標定期間數據見下表1。

表1 新建涼水塔與現有涼水塔參數對比表

3.經濟效益評價

根據電力風機的實際運行電壓及平均電流，可計算出電機的平均功率計算如下：

W=1.732×U×I×COSφ=1.732×10000×10.4×0.8=144.1（kW）

改用水輪機驅動后，在保證性能不變的情況下，按年運行8400h計算，可節電量為：

Q=8400×144.1=1210440（kW·h）

按照電費單價0.56元/千瓦時計算，則新建水輪機涼水塔每年可節約電費為：（1210440×0.56）/10000=68（萬元）。

通過以上計算分析可知，改用水輪機驅動后，與電機驅動風機相比，單臺水輪機塔可年節約電費68萬元，按投資200萬計算，回收效益期只需不到3年時間。改用水輪機驅動后，由“電機+減速機+風機”模式變為“水輪機+風機”模式，設備數量減少，設備故障點減少，后續維護成本比電機驅動的大幅減少。

4.結論及建議

新建的三元流高效水輪機涼水塔在進水流量為5000m3/h，回水總管壓力為250kPa的條件下，水輪機轉速達到125rpm，并能以震動值低于原電機塔的狀態下持續穩定，且風量、風速和進出水溫差均高于原水輪機塔，并與電機塔的水平接近，證明三元流高效水輪機的性能優于原三代半的水輪機涼水塔，且與電機塔的效果相當。三元流水輪機涼水塔在有回水壓頭富余的循環水系統中是可適用的，并能實現涼水塔的100%節能，極大地提高了企業的能源利用率，降低了運行成本。為進一步提高該水輪機在循環水涼水塔的可適用性，建議；（1）需提高水輪機殼體材質以應對高濕度下的防腐問題；（2）提高葉片材質以進一步提高轉速和風量，打破因轉速過高剪應力過大造成葉片折斷的瓶頸；（3）水輪機轉速是衡量水輪機效果的關鍵參數，建議研究在風筒外測量水輪機轉速的在線監測技術，如光電式、激光式、聲波式傳感器等，減少傳統霍爾式磁感探頭易受塔內環境影響而造成失靈的狀況，進一步減少維修頻次。