水輪機在循環(huán)水冷卻塔中的應用

劉 華

(廣東南方堿業(yè)股份有限公司，廣東廣州 510760)

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水輪機在循環(huán)水冷卻塔中的應用

劉 華

(廣東南方堿業(yè)股份有限公司，廣東廣州 510760)

采用水輪機，利用系統(tǒng)富余揚程，改造循環(huán)水1#冷卻塔風機。改善系統(tǒng)工況的同時，節(jié)約大量電能，取得良好經濟效益。

循環(huán)水；水輪機；冷卻塔；節(jié)能

1 前 言

我廠熱電循環(huán)水系統(tǒng)主要為熱電車間兩臺發(fā)電機組的冷凝器供應循環(huán)冷卻水，滿足機組正常運行的需要(熱電車間關停后，2014年9月該循環(huán)水系統(tǒng)改為供化工生產用)。熱電循環(huán)水系統(tǒng)有仿瑪麗600型橫流式冷卻塔兩座，其作用是將循環(huán)水系統(tǒng)熱水(循環(huán)水回水)降溫，以便循環(huán)利用。熱電系統(tǒng)兩座循環(huán)水橫流式冷卻塔均采用機械強制通風方式，各有φ8534風機一臺，配用電機160 kW。風機每年運行天數(shù)在300天以上，耗電量相當驚人。采用南京星飛的水輪機對1#循環(huán)水冷卻塔進行改造，利用循環(huán)水系統(tǒng)的富余揚程作為動力，驅動水輪機帶動風機，改電力驅動為水力驅動，節(jié)約大量電能，從而達到節(jié)能降耗的目的。

2 我廠熱電循環(huán)水系統(tǒng)改造的可行性分析

2.1 熱電循環(huán)水系統(tǒng)概況

1)冷卻塔部分

結構型式：仿瑪麗型橫流式冷卻塔(兩座：1#、2#冷卻塔)

額定處理能力：2 400 m3/h(單塔)

運行方式：高溫季節(jié)，并聯(lián)運行一大一小泵(大泵額定流量：2 016 m3/h，小泵額定流量：790 m3/h)，實測系統(tǒng)總流量：4 100 m3/h；其余時間，運行一臺大泵，實測系統(tǒng)總流量2 900 m3/h。

設計溫差：5 ℃

上塔總管管徑：DN800，支管管徑：DN600/400

2)水泵部分

20SH-9雙吸式離心泵兩臺(一用一備)：額定流量2 016 m3/h，揚程59 m，電流64 A，電機功率550 kW。單臺運行，出口壓力33 m，進口壓力2 m，電流53 A。

350S-75A型雙吸式離心泵一臺：額定流量1 170 m3/h，揚程65 m，電流34.5 A，電機功率300 kW。

300S-58型雙吸式離心泵一臺：額定流量790 m3/h，揚程58 m，電流24 A，電機功率220 kW。

3)風機部分

風機直徑8 534 mm，電機功率160 kW，電流289 A，實際運行177 A。

傳動方式：傳動軸、減速機，轉速133 r/min。

2.2 改造對熱電循環(huán)水泵工作點的影響

由于工作點是由泵及管路特性共同決定的，因此，改變任一條特性曲線均可達到流量調節(jié)的目的。如圖1所示，當調節(jié)出口閥開度時，改變了管路特性方程式中的G值。水泵出口閥門關小，使G值變大，流量變小，曲線變陡，工作點向上移動至M1，系統(tǒng)流量減小，揚程升高。水泵出口閥門開大，則反之，工作點下移至M2，系統(tǒng)流量增加，揚程降低。熱電循環(huán)水系統(tǒng)單臺大泵運行的工況下，流量在2 900 m3/h，從20SH-9離心水泵特性曲線圖中(見圖1)，可見此時水泵工作點已經下移在高效區(qū)(1 700～2 300 m3/h)以外。水泵運行于“大流量、小揚程”工況。經測算兩臺并聯(lián)泵運行的工況也是如此。熱電循環(huán)水系統(tǒng)在“大流量，小揚程”的不經濟的狀態(tài)下，長期運行。進行冷卻塔節(jié)能改造，在回水管中以串聯(lián)的方式增加水輪機，相當于關小出口閥門的狀況，G值將變大。系統(tǒng)的工作點將向高效區(qū)方向移動。即進行節(jié)能改造將使系統(tǒng)流量相應減小，揚程相應提高，水泵“大流量、小揚程”運行工況將因此得到改善。

圖1 改變出口閥開度時工作點變化

2.3 水泵富余揚程的計算

并不是所有的循環(huán)水冷卻塔都能實現(xiàn)水輪機動能風機改造，必須經過實際測量，并進行精確的計算，如果循環(huán)水系統(tǒng)富余的能量通過水輪機回收后能夠滿足風機軸功率的要求就能改造，也即是，水輪機能夠輸出的軸功率大于原來的風機的軸功率。在冷卻節(jié)能改造過程中，水輪機是靠水泵的富余揚程做功帶動風機，該富余揚程的計算公式為：

H富余=H額定-(H出口-H進口)

式中：H額定——水泵額定壓力，m；H出口——水泵出口壓力，m；H進口——水泵進口壓力，m。

單臺大泵運行工況：H額定=59 m，H出口=33 m(實測表壓)，H進口=2 m，則H富余=59-(33-2)=28 m。

一大一小泵運行工況：H額定=56 m(按水泵并聯(lián)計算)，H出口=35 m(實測表壓)，H進口=2 m，則H富余=56-(35-2)=23 m。

2.4 水輪機輸出功率的計算(按單塔計算)

P水輸=9.81QHη

式中：9.81——水的容重；Q——流量，m3/s；H——富余揚程，m；η——水輪機效率=93%。

單臺大泵運行工況：Q=2 900 m3/h÷2÷3 600 s=0.40 m3/s，H富余=28 m，P水輸1=9.81×0.40×28×0.93=102.18 kW。

一大一小泵運行工況：Q=4 100 m3/h÷2÷3 600 s=0.57 m3/s，H富余=23 m，P水輸2=9.81×0.57×23×0.93=119.61 kW。

2.5 風機軸功率的計算

式中：U——電機電壓(380 V)；I——電機電流(177 A實測)； COSφ——功率因素(0.85)；η電——電機功率(0.85)；η減——減速機效率(0.90)；η傳——傳動軸效率(0.87)。

P機軸=1.732×0.38×177×0.85×0.85×0.90×0.87=65.9 kW

因此：P水輸1>P機軸，P水輸2>P機軸。

理論計算兩種工況下，熱電循環(huán)水系統(tǒng)富余揚程均可滿足風機運行所需水輪機動力要求。

3 循環(huán)水1#冷卻塔節(jié)能改造

3.1 循環(huán)水1#冷卻塔節(jié)能改造的方法

采用南京星飛專利產品水輪機取代電機，1#冷卻塔風機由電力驅動改為水力驅動。水輪機安裝在1#冷卻塔原有風機減速機基礎上，靠循環(huán)水水泵的富余揚程做功推動水輪機葉輪，從而帶動風機轉動。取消了風機電動力及減速機。水輪機輸出軸直接與風機輪轂配合，帶動風機葉輪。

選用南京雙擊式水輪機：型號SJ2500B10，設計水流量2 400 m3/h，效率93%。

系統(tǒng)改造后工藝流程如圖2所示。

圖2 單塔改造前后示意圖

3.2 項目實施情況及效果

循環(huán)水熱電系統(tǒng)1#冷卻塔節(jié)能改造項目自2009年9月實施并投入運行至今。作為該項目核心的水輪機運行平穩(wěn)，振動聲響無異常。循環(huán)水熱電系統(tǒng)改造前后運行工藝參數(shù)見表1。

表1 循環(huán)水熱電系統(tǒng)改造前后運行工藝參數(shù)

改造后熱電循環(huán)水系統(tǒng)管網壓力升高，流量減小，但水泵運行電流沒有變化。從理論上分析，上述現(xiàn)象是由于水力驅動水輪機，系統(tǒng)管道阻力增加，管道特性曲線上移，泵工作點改變的結果。從2#循環(huán)水泵性能曲線圖可看出，改造后工作點向高效區(qū)回歸，即離心泵運行較改造前效率更高，其流量與軸功率曲線表明，軸功率隨流量的增大而上升，軸功率應有所下降，可能由于流量與軸功率曲線較平緩，變化不明顯，因此沒有在電機運行電流中反映出來。改造前后回水溫度與給水溫度，數(shù)據(jù)的收集綜合考慮了氣候條件及工況，最后取平均數(shù)所得，具有一定代表性。

3.3 項目取得的經濟效益

改造后，在滿足當前生產需要的前提下，循環(huán)水熱電系統(tǒng)可少開一臺160 kW電機(運行電流177 A)，節(jié)能效益可觀。按電流法計：0.38×177×1.732=116 kW·h，按每年風機運行350天計，節(jié)電97.86萬kW·h/年，年節(jié)約電費68.5萬元。一年左右收回項目全部投資。

此外，采用以水輪機為核心技術的冷卻塔改造還具有以下幾方面的優(yōu)點：

1)低噪聲。水輪機的能量轉換是在水流道內完成的，并且取消了電機及減速機，消除了低頻電磁聲及大幅降低了機械噪音。

2)效率高。水輪機軸直接驅動風機，不需再通過其它減速器等，且隨著水流量的變化而風量相應變化，始終穩(wěn)定在較好的氣水比，確保循環(huán)水冷卻塔散熱效果。

3)使用壽命長。水輪機結構簡單，技術成熟可行，整體設計工作壽命為15年以上。水輪機殼體為鑄造與焊接混合結構，焊接鋼板為含錳量3.5%的進口鍋爐專用鋼板，長時間使用不易銹蝕，葉輪為精鑄成型，并經退火消除應力后再作平衡調整。

4)費用低。使用水輪機的冷卻塔系統(tǒng)故障點少，以一臺水輪機代替電機、減速器和傳動部分，可以實現(xiàn)長時間無故障運行，為使用單位節(jié)省大量的維護和更換冷卻塔的電機和減速器的費用和人力。

5)安全。冷卻塔風機電機有漏電傷人，火花爆炸的潛在危險，水輪機不用電，可在高危環(huán)境下使用，且質量輕，高處作業(yè)不再為起吊、卸下電機、減速器而為難，增加了冷卻塔的運行環(huán)境安全性。

6)適用。在我廠舊塔上進行更新水輪機節(jié)能改造，具有明顯優(yōu)勢。安裝簡單，不破壞原有結構，不需要重做設備基礎，不需大量場地，比新購買省去很多麻煩，且可在以后的使用中做到零電費和低維護費運行。該技術屬冷卻塔行業(yè)新技術，經實例證明運行穩(wěn)定并達到節(jié)省電能目的。

4 結 語

熱電循環(huán)水系統(tǒng)1#冷卻塔采用水輪機進行節(jié)能改造，較好利用了原系統(tǒng)中的富余能量，改電力驅動為水力驅動，改善了系統(tǒng)工況，達到了良好的節(jié)能效果。同時，取消了風機電動機、減速機、傳動軸，也減少了設備管理和維修保養(yǎng)成本。

TQ114.15

B

1005-8370(2016)02-37-03

2014-11-28