水力透平技術在循環水系統節能改造中的應用

梅武豐

（海洋石油富島有限公司，海南東方 572600）

1 概 述

海洋石油富島有限公司（簡稱富島公司）化肥二部循環水裝置主要由冷卻系統、循環水泵系統、旁濾系統和加藥系統四部分組成；其中，冷卻系統采用逆流敞開式冷卻塔，共8座，設計進（冷卻）水量為8×4000m3／h，利用電機驅動風機 （J0205A／B／C／D／E／F／G／H，單臺功率200kW）機械抽風使空氣與水在填料層中進行對流傳熱，達到對循環水冷卻降溫的目的；循環水泵系統由4臺循環水泵（2001JA／B／C／D）采用三開一備的方式向化肥二部合成氨、尿素及甲醛裝置供應循環水，循環水泵揚程50m、（單臺）設計流量9500m3／h，其動力源為2臺中壓蒸汽透平和2臺6kV高壓電機；旁濾系統和加藥系統作為輔助系統，主要完成循環水的除濁和緩蝕阻垢、殺菌滅藻工作。

整個循環水系統循環水量約25000m3／h，給水總管壓力≥0.45MPa、回水總管壓力≥0.25 MPa，給水溫度≤33℃、回水溫度≤43℃，冷卻前后溫差為（10±0.3）℃。循環水系統流程簡圖見圖1。

圖1 循環水系統流程簡圖

2 循環水系統節能改造的必要性

節能降耗是化工企業的生存之本。對于富島公司而言，對化肥二部循環水系統進行節能改造，不僅可以帶來可觀的經濟效益，而且對于解決循環水系統存在的以下問題具有現實意義。

（1）循環水泵系統原始設計時考慮采用“2臺透平泵、1臺電泵運行＋1臺電泵備用”的運行模式。實際生產中，由于蒸汽量不足，只能采用“1臺透平泵、2臺電泵運行＋1臺透平泵備用”的運行模式。后一種運行模式下，一旦出現1臺透平泵或電泵故障跳車將會帶來以下兩個問題：一是蒸汽透平開車操作復雜，啟動前需暖管預熱，啟動耗時在0.5h以上，而用水單元是無法承受循環水量降低1／3的壓力的；二是若出現電泵跳車，由于蒸汽量不足，備用透平泵是否可啟動取決于各蒸汽使用單元能否及時協調出多余的蒸汽，顯然此時備用透平泵能否真正起到備用的作用尚不確定。

（2）冷卻系統風機啟動電流過大（啟動電流為額定電流的6～8倍，即有可能達到2400～3200A），易引起用電設備晃電跳閘。2012年11月18日13：00，啟動風機J0205B時，因啟動電流過大引發1＃變壓器400V進線開關過流跳閘，導致另2臺風機（J0205A、J0205D）和冷凝液泵（2003J）、加藥泵（U0201JA）跳車，同時400V母聯備自投動作合閘；繼續啟動J0205A、J0205B、J0205D，又引發2＃變壓器6kV饋線開關過流跳閘，低壓全部失電，6臺風機J0205A／B／E／F／G／H和冷凝液泵（2003J／JA）、旁濾泵（J0202A）跳車。

（3）2012年8月海南省工信廳下文要求各企業逐步淘汰高耗能設備，使用節能型設備，而富島公司化肥二部循環水系統全年大部分時間運行8臺電動風機，按年運行330d粗略估算，年耗電量為8×200×330×24＝12672000kW·h，能耗較高。

綜合分析上述情況，結合國內同行業在節能領域的經驗，富島公司化肥二部決定采用水力透平技術對循環水系統進行改造。

3 循環水系統改造方案

3.1 改造的可行性分析

3.1.1 水力風機轉速的計算

（1）冷卻塔氣水比。富島公司化肥二部循環水系統冷卻塔單塔設計進水量（Q水）為4000 m3／h，單塔設計風量（Q風）為2568000m3／h，據氣水比（μ）計算公式μ＝Q風ρ氣／（Q水ρ水）（式中：ρ氣為空氣在20℃時的密度，取1.205 kg／m3；ρ水為水的密度，取1000kg／m3），可得冷卻塔設計氣水比μ＝0.774。

（2）冷卻塔的實際風量。富島公司化肥二部循環水系統最大循環水量為26478m3／h，則單塔實際最大進水量（Q水′）為3310m3／h，由氣水比計算公式可得Q風′＝μQ水′ρ水／ρ氣，即單塔實際風量（Q風′）為2126091m3／h。

（3）水力風機的轉速。富島公司化肥二部循環水系統電動風機的額定轉速 （n）為127 r／min，單塔設計風量（Q風）為2568000m3／h、實際風量（Q風′）為2126091m3／h；風機風量與轉速成正比，即Q風／Q風′＝n／n′，可得水力風機的實際轉速（n′）為105r／min。

結論一：當冷卻塔單塔實際進水量為3310 m3／h時，冷卻塔單塔所需風量為2126091m3／h，理論上風機轉速達105r／min即可滿足冷卻要求。

3.1.2 水力風機輸出功率的計算

（1）電動風機輸出功率。富島公司化肥二部循環水系統電動風機電機額定電壓（U）為380V，運行時的平均電流（I）為265A，電機功率因數（cosφ）為0.89，電機效率 （η電機）通常在75%～90%之間，取η電機＝85%，據電機功率計算公式，可得電機功率P＝155kW，則電動風機輸出功率P電機＝Pη電機＝132kW。

（2）水力風機輸出功率。富島公司化肥二部循環水系統冷卻塔單塔實際最大進水量（Q水′）為3310m3／h，冷卻塔高度為13m，尾水管虹吸揚程為3m，回水壓力基本保持在0.265MPa（26.5m），則循環水回水富余揚程H＝26.5-13-（-3）＝16.5m；據水力風機輸出功率計算公式P水力＝9.81Q水′Hη水力／3600［式中：9.81為重力加速度，m／s2；水力透平效率（η水力）可達93% ～95%，取93%］，可得P水力＝138kW。

結論二：由計算可知，P水力＞P電機，表明水力透平利用循環水回水（流體）現有的流量與勢能可產生大于原電動風機電機的輸出功率。

3.1.3 循環水泵運行效率的計算

實際生產中，循環水泵的實際循環水量一般低于銘牌數據的10% ～20%，這就導致循環水泵存在能耗浪費。富島公司化肥二部循環水泵系統4臺循環水泵采用三開一備的方式運行，供水量可達3×9500m3／h，而實際運行時循環水量控制在23007～26478m3／h，即每臺循環水泵有674～1831m3／h的余量。

結論三：循環水泵能量損耗為7.1% ～19.3%，適當削減循環水泵的葉輪直徑，可降低循環水泵的額定流量，從而可有效提高循環水泵的運行效率，達到節能的目的。

3.2 改造內容

3.2.1 冷卻塔系統的改造

保持冷卻塔塔體結構不變，將塔內部的減速器及其機座、外部電機拆除，在原減速器平臺處安裝水力透平機組；冷卻塔上塔管升高至塔上與水力透平進水口相接，水力透平出水口與塔內布水總管相接，增設旁路管與原有進塔配水管相接，一方面方便停運水力透平機組時的檢修，另一方面可通過控制旁路閥開度調節水力透平入口流量以控制其轉速；設置水力透平機組轉速、油溫和振動的在線監測系統，由DCS對其運行參數進行實時監控。

3.2.2 循環水泵系統的改造

將循環水泵系統由“1臺透平泵、2臺電泵運行＋1臺透平泵備用”的運行模式改為“1臺透平泵、2臺電泵運行＋1臺電泵備用”的運行模式，因此需拆除1臺蒸汽透平機組、新增1臺高壓電機。具體內容為：保持循環水泵2001JB泵體部分整體不變，將動力源部分轉速5200 r／min的中壓蒸汽透平機組及其附屬蒸汽管線、油系統、減速器拆除，對原透平機組基座進行改造，將其作為新增6kV高壓電機的安裝平臺，循環水泵2001JB由6kV高壓電機通過聯軸節直接帶動運行；此外，為提高循環水泵的運行效率，適當削減循環水泵的葉輪直徑。

3.3 改造實施情況

2012年4月—2013年1月，富島公司化肥二部逐步完成了水力透平取代電機驅動風機J0205C／E／G的改造。由于J0205C／E／G改造后存在水力透平尾水排出沖擊冷卻塔填料層的問題，經研究決定將水力透平進出水方式由“一進一出”調整為“一進四出”。2019年年初對剩余的5臺風機J0205A／B／D／F／H進行水力透平取代電機驅動改造時，采用了“一進四出”的改進型水力透平。此外，在2019年5月大修期間，將循環水泵2001JB的動力源由蒸汽透平改為6kV的高壓電機，并完成了4臺循環水泵（2001JA／B／C／D）葉輪削減的節能改造工作。2020年5月將風機J0205C／E／G的原水力透平機組也更換為了改進型水力透平機組。

3.4 改造效果

（1）對改造前后冷卻塔進水量、給回水溫差、風機轉速、循環水泵電機電流等進行測定，結果見表1?？梢钥闯觯焊脑旌?，雖然給水壓力、回水壓力、循環水泵出口壓力以及風機轉速（運行8臺風機時）略有降低，但冷卻塔的降溫效果并未受到影響；改造后循環水泵電機電流略有降低，表明循環水泵的能耗在降低。

表1 改造前后循環水系統運行參數的對比

（2）從現場的運行情況來看，改造后循環水系統運行狀況良好，達到了預期效果，解決了不少問題：高溫天氣時運行7臺風機與運行8臺風機的冷卻降溫效果一樣，由此可備用1臺風機，消除改造前風機全部處于運行狀態而無備機的運行風險；循環水泵系統采用“1臺透平泵、2臺電泵運行＋1臺電泵備用”的運行模式，電泵作為備用泵可在極短時間內啟動運行，避免循環水出現長時間供應不足而影響用水單位的用水，從而消除了生產隱患；循環水系統排污量和補水量明顯降低，表明冷卻塔飄逸損失大幅減少，節水效果明顯。

（3）對于循環水冷卻系統而言，風機進行100%無電化改造后，粗略估算每年可節電12672000kW·h，相當于節約1557.39t標煤；電價以0.615元／（kW·h）計，每年可節約用電成本約779.328萬元，經濟效益十分可觀。

4 結束語

綜上所述，富島公司化肥二部循環水系統通過采用水力透平技術進行節能改造，使冷卻塔風機實現了100%無電化運行，達到了節能降耗的目的。雖然循環水系統在工藝生產中不產生直接經濟效益，且存在能耗高、運行效率低、能源浪費嚴重的缺點，但其是工藝生產系統不可缺少的組成部分，如何在企業節能降耗工作中充分地挖掘其潛力，值得業內同仁深思和交流學習。