水力透平在循環水節能改造中的應用

魏一平

(云南天安化工有限公司 合成氨制造中心，云南 安寧 650309)

云南天安化工有限公司采用SELL煤氣化工藝制合成氨，設計產能50萬t/a，2008年6月開車投產，配套 40000 m3/h 循環水裝置。

循環水冷卻系統采用美國馬利逆流敞開式冷卻塔，共9座，單塔設計進(冷卻)水量為 4500 m3/h，采用電驅動風機 (單臺功率 185 kW)機械抽風，使空氣與水在填料層中進行對流傳熱，達到循環水冷卻降溫的目的。循環水系統由6臺循環水泵(5開1備)向熱電、空分、煤氣化、合成氨裝置供應循環水，循環水泵揚程 46 m、設計流量 8000 m3/h，采用 6 kV 高壓電機驅動；旁濾、加藥輔助系統，主要完成循環水殺菌滅藻、緩蝕阻垢等工作。

整個循環水系統循環水量約 40000 m3/h，給水壓力 0.4 MPa、回水壓力0.25至 0.28 MPa，給水溫度 ≤28 ℃、回水溫度 ≤40 ℃，給水與回水溫差約 8 ℃。循環水系統流程簡圖見圖1。

圖1 循環水系統流程簡圖

系統風機電機和水泵電機能耗較大，風機電機和減速機維護費用也較高。為了節約能源和提高企業經濟效益，決定對系統冷卻塔一臺風機進行實驗性節能改造，采用混流式水輪透平替代原風機電機，作為風機動力源，達到節能的目的。

1 改造可行性分析

1.1 軸功率匹配校核

冷卻塔節能改造只有在“水輪機輸出軸功率≥原電機輸出軸功率”的條件下，才具備實施改造的技術條件[1]。

1)風機軸功率計算(W電)。

W電=(W×I2×η)/I1

=(185×275×0.83)/333

=126.8(kW)

式中：I1為風機電機額定電流 (333 A)；I2為風機電機最大運行電流 (275 A)；W為電機額定功率(185 kW)；η為傳動裝置效率(η電機×η減速機×η傳動軸=0.94×0.9×0.98=0.83)。

2)水輪機做功壓力(h1)計算。

h1=W電/(9.81×Q×η)

=126.8/(9.81×1.25×0.92)

=11.2(m)

式中：g為水容重(9.81×103kg/m3)；Q為水輪機進水流量 (4500 m3/h=1.25 m3/s)；η為水輪機效率(0.92)。

依據以上計算，水輪機轉速達到額定轉速所需的做功壓力為 11.2 m。

3)水輪機入水壓力(表壓)(h2)計算。

h2=水輪機做功壓力-水輪機出水口至布水器位差+布水壓力

=11.2-4+1.5=8.7 m

4)改造后系統運行狀況分析

改造后水輪機達到額定轉速所需的回水壓力(以冷卻塔上水管閥前壓力表為參考點)：

①該系統塔頂至上水管閥前壓力表位差：H1=17 m-1.4 m=15.6 m(壓力表離地 1.4 m)；②水輪機進水管道中心離塔頂高度：H2=1.0 m；③水輪機入水壓力：H3=8.7 m。

故改造后以回水母管為參考點的回水壓力計算如下：

H1+H2+H3

=15.6+1.0+8.7

=25.3 m

壓力點分布圖示如圖2。

圖2 壓力點分布圖

1.2 改造可行性結論

冷卻塔改造后水輪機達到最大運行功率風機的額定轉速所需回水壓力(以冷卻塔上塔管閥前壓力表為參考點)為 25.3 m，現系統回水壓力為 28 m，現回水壓力遠大于水輪機滿負荷運行所需的回水壓力要求，因此該系統完全具備水輪機改造條件，改造是可行的。

2 水力透平優勢

2.1 驅動方式比較

水輪機為軟驅動(水驅動)，啟動速度是隨著閥門逐漸開啟，對水輪機和風機和相關設備損傷較小，如設備(風機等)有故障，水輪機可停轉或轉速減緩，減少設備損失[2]。

電機塔啟動速度和風機額定轉速一致，對風機、減速機，傳動裝置和電機沖擊較大[3]，啟動電流較高，所以對電氣及機械設備損傷也較大，如設備有故障，電機還照常運轉，對設備來說是破壞性的。

2.2 結構形式比較

水輪機結構比較簡單，轉動裝置由一根軸和兩副軸承組成，運轉速度也較低，只要按時保養注油，運行故障率較低。

靜壓B軸能輕松實現0.0001°的進給精度，且B軸驅動系統以水冷式高轉矩電機為基礎，確保了高水平的轉矩。VARIA可在鎖緊及非鎖緊狀態下正常工作，并實現了X/Z/B的三軸聯動（需配備KELLENBERGER專利技術的砂輪自動測量系統KEL-SET）。

電機塔結構較復雜，有電控和機械傳動兩大部分，傳動部分由電機高速通過減速機減速達到風機的額定轉速，傳動部件的傳動軸和減速齒輪是最大的故障點[4]。另外，電控裝置的電機和控制器材也是加大的故障點，故障率遠大于水輪機。

2.3 潤滑方式比較

水輪機由于轉速低，潤滑采用潤滑脂潤滑，漏油可能性較小。

電機塔減速箱配置齒輪減速，初級齒輪轉速和電機的高速一致，潤滑需采用稀油潤滑，稀油容易滲漏，如缺油齒輪損壞較快。

3 改造方案

3.1 改造工藝流程

具有一定壓力的循環水回水總管之回水→上塔立管及閥門(DN900)→經彎頭進水輪機(XG-HL-4500)→具有一定流量(4500 m3/h)一定壓力(8.7 m)的水流推動水輪機轉輪驅動風機旋轉→水流經水輪機下部出水管(DN450)進入冷卻塔的配水系統→水流經噴頭均勻地噴灑到填料上部→水流經填料孔隙成水膜狀淋到塔下水池。

3.2 安裝布置圖

安裝布置如圖3。

圖3 安裝布置圖

3.3 現場改造

1)改造時，原框架結構基本不變，只拆除減速機、傳動軸、電動機和略微調整減速機基礎高度；2)對上塔水管進行調整，使循環水在經過水輪機以后再流入布水系統再進行布水；3)改進水管為旁通管，通過旁通閥控制停開風機或因環境變化而控制風機轉速；4)進出水管、水輪機底座做支撐，風筒開孔并加固；5)管道防腐處理；6)開機調試。

4 改造效果

4.1 經濟效益

1)風機電機節省能耗計算

冷卻塔技改前單臺電機運行功率 166.67 kW，單臺冷卻塔技改后可節省功耗為 166.67 kW/h。

2)節電量計算

每年使用時間按 8000 h 計算，年總節電量為：166.67×8000=1333360(kWh)。

3)每年節省費用

①綜合電價按0.32元/kWh計，則每年可節省費用為：1333360×0.32=42.7(萬元)；②每年降低風機減速箱等運維費用1.5萬元。

4.2 社會效益

發展低碳經濟，建設綠色工廠，推動可持續發展是當下所有企業共同的社會責任。在企業帶來可觀的經濟效益的同時，也在為社會節能減排做出巨大的貢獻。

1)CO2減排分析

據計算，如果直接消耗1度電，則間接向大氣排放 0.997 kg CO2。1臺冷卻塔風機技改年總節電量為 1333360 kWh，因此可算出每年可減少向大氣中排放的CO2總量為：

1333360×0.997=1329(t)

2)標準煤節約分析

據計算如果直接消耗1度電，則間接消耗 0.404 kg 標準煤。1臺冷卻塔風機技改年總節電量為 1333360 kWh，因此可算出每年可節約標準煤的使用量為：

1333360×0.404=538.7(t)

5 結束語

此次改造非常成功，不僅滿足了生產，而且節能、減排、增收效果明顯，降低了運行成本，達到了實驗性改造的目的。此次水力透平改造也為循環水進一步節能改造提供成功經驗，同時提高了企業的經濟效益與社會效益，為水處理裝置的安全、經濟、高效運行提供保障。