無電耗貫流式水輪機在循環水中的應用

閆芳 王濤 魏玉宏(中國石油玉門油田煉油化工總廠，甘肅 玉門 735200)

0 引言

我廠動力車間是負責全廠公用工程的主要車間，其中的循環冷卻水系統是重要公用工程，是保證我廠生產裝置安全、穩定、長周期、滿負荷運轉的必要條件之一。東區循環水崗位于1994年建成使用至今，建成之初為傳統的冷卻塔，是將從生產裝置取熱回來的循環回水通過塔上部的布水器，均勻的散落在塔內，在風筒內的風機由電動機通過聯軸器、傳動軸、減速器來驅動，使進入冷卻塔的水流快速散熱冷卻，從而使水的溫度達到一定程度的降低。此種形式的冷卻塔歷史悠久，對煉油行業的水處理在一定時期內發揮了巨大的作用。循環水冷卻塔在設計、制造、選型及使用中，由于每個循環水系統中的水量很難實現精準的計算，為了安全生產及各方面的因素考慮，在計算系統水流量時，都會在滿足最大需求水量的基礎上加至少10%～20%的余量來確定水的流量，所以說整個系統的水量一定是富裕的，但這些能量在系統里也存在一定的浪費。總廠質量技術科和動力車間經過對動力車間東區循環水崗位實地考察，發現東區循環水崗位正常生產時運行風機4臺，供水壓力0.68MPa，回水壓力0.24MPa，供水壓力略有富余，為了充分利用這部分壓力能，結合總廠生產實際情況，提出了通過采用無電耗貫流式水輪機的節能技術改造設想并于2019年檢修期間由西安瑞恩水務技術有限責任公司負責實施水輪機節能技術改造。

1 水輪機工作原理

水輪機不制造能量，而是實現能量的轉化。它是利用循環水系統中本身就存在的富裕的能量來推動水輪機，帶動風扇轉動做功的。每臺冷卻塔在單位時間內產生的熱量是一定的，同時也需要一定的水量把這些熱量轉移到空氣中去，已達到滿足生產的需求。

傳統的冷卻塔是由電機驅動風機，對循環水降溫后由布水器排出，順塔體內落下進行冷卻后再循環利用。在循環水系統中，如果將水輪機代替電機驅動風機的技術運用到循環水冷卻塔上，將帶有一定壓力的循環回水經管線引至水輪機，推動水輪機轉輪旋轉，通過主軸帶動冷卻塔風機旋轉做功。做完功的水再通過管道連接到塔內配水管道上，通過低壓噴頭噴出進行降溫。回水壓力越高、流量越大，水輪機的輸出功率也就越大，能夠更好地實現節能的效果，且水輪機的轉速易于控制，操作簡單。

2 冷卻塔改造前后的對比

改造前循環水從集水池進入循環水泵，使得循環水提升后通過水泵出口閥，再由分配器分配至各個用水單位供給不同的換熱設備，以冷熱物流熱交換形式帶走物料熱量，通過回水管線回到循環水裝置，再進入冷卻塔由噴頭均勻噴灑到塔內，水流向下，同時由風機轉動所產生的冷空氣從冷卻塔下部進入塔內，與向下的熱水流對流進行熱傳遞，同時蒸發吸熱形成熱蒸汽和對流時的熱傳遞兩種方式帶走循環回水中的熱量以達到對循環水降溫的目的。東區循環水冷卻塔改造前塔頂的風機是由電動機驅動，由風機帶走塔內熱量，改造前的冷卻塔示意圖如圖1所示。

圖1 改造前的冷卻塔示意圖

在不改變現有循環水泵工況的前提下，測出循環水冷卻塔回水包壓力為0.26MPa，塔頂電機中心與回水包調節閥前的壓力表高差13.9m，用壓力來表示即為0.139MPa，風機所在位置可利用的壓力：0.26MPa-0.139MPa=0.121MPa，冷卻塔頂最高能達到0.12MPa的水壓，此壓力滿足水輪機技改條件。

2019年8月檢修期間對東區循環水#1風機的電機進行改造，保留原有的傳動軸、減速機構、風機及配套輪轂，并在原地水平調整180°，使風機傳動軸由原來的向北改為向南側。在塔頂風筒原電機對稱南側的位置安裝水輪機。并將位于冷卻塔南側的上塔回水管延長接為水輪機的進水管。循環水經過水輪機并對轉輪做功后從水輪機出水管引出。水輪機出水管連接到原冷卻塔布水支管上，確保循環水正常通往布水器通過低壓噴頭進行霧化。檢修期間完成所有工作量，9月10日東區循環水冷卻塔水輪機首次投用并成功運行。

此次無電耗水輪機技術的改造，將我廠循環水系統中的富余能量通過水輪機轉輪轉換成機械能，驅動風機轉動，實現對循環回水的降溫效果。從而可以有效利用循環水系統的富余能量，實現節能降耗的目的。原有的循環回水在進入冷卻塔之前的工藝流程沒做任何改變，只將循環水回水進塔水管連接到水輪機，對水輪機做功后再進入塔內布水器，與冷卻塔原有的布水系統相連接。水輪機完成改造后上塔的循環回水的一部分能量傳遞給了水輪機，所以進入噴頭的循環回水壓力低于改造前的循環回水壓力，就將#1涼水塔中所配套使用的噴頭改為低壓噴頭。為了保證改造后水輪機運行更平穩，同時為了更好的監測水輪機的運行狀態，在水輪機的進水端和出水端都要安裝壓力表，并配有調節閥門用來調節水輪機的轉速。為了減小熱脹冷縮對設備造成的影響，在水輪機進水端和出水端都安裝了膨脹節，改造后的冷卻塔如圖2所示。

圖2 改造后的冷卻塔示意圖

3 無電耗貫流式水輪機在東區循環節能效果分析

我廠東區循環水裝置由東、西兩個供水系統組成。西供水系統：主要負責二套常減壓、重整加氫、航煤加氫、聚丙烯、東區風、碳三等裝置的循環水使用。主要設備有2500m3無填料冷卻塔四具、旁濾器一具、400SS85離心泵6臺、無閥過濾器2具、旁濾泵1臺，現最大供水能力為7000m3/h。東供水系統：主要供重催、250(三套常壓)、酮苯、氣分等裝置循環水的使用，主要設備有500S98A離心泵3臺、填料冷卻塔一具，最大供水能力3000m3/h。

西邊共有#1-#4號4具冷卻塔，每具冷卻塔上配有一個由電機驅動的風機，每個電機的功率有三檔，分別為132kW、66kW、22kW。每具2500m3/h冷卻塔年運行時間約8000h，一臺風機的電機功率為132kW，實際運行系數約0.85，電價按0.48元/度計算。一臺水輪機可節約電量為132×8000×0.85×1=897600(度)，可節約電費897600×0.48=43.1(萬元)。另外可節約冷卻塔一年的電器設備維護保養費約1.22萬元。因此全年節能節約計算合計43.1+1.22=44.32(萬元/年)。

4 無電耗貫流式水輪機的優點

4.1 節能

無電耗貫流式水輪機是利用循環水系統中有壓回水存在的富余水壓驅動水輪機，通過傳動軸、減速機等機構帶動風機轉動，既完全省去了冷卻塔的風機原來所配電機的耗電量，又未增加循環水泵的電耗，實現100%的節能。

4.2 低噪音

由于無電耗貫流式水輪機取代了傳統型冷卻塔配備電機等設備，減少了設備在轉動時產生的摩擦，降低了冷卻塔運行時的機械噪音。改造后的#1冷卻塔是以水為動能，能量轉換在水流道內完成，控制了喘振而不會發出干擾噪音。

4.3 低振動

無電耗貫流式水輪機取代了原有的電機驅動，大大降低了運行中帶來的振動，使得塔體更加穩固，運行更安全。

4.4 安全可靠

無電耗貫流式水輪機由于不帶電機，特別適用于在需要防爆和高危工作的環境下運行，從根源上杜絕了電機的漏電、電控設備、損壞等故障，也可將事故消滅在萌芽階段。

4.5 方便調節

由循環回水經管道推動水輪機，水輪機帶動風機運行，風機轉速可通過調節進入水輪機的水量進行控制，水輪機出水沿管道進入涼水塔內噴頭，由噴頭噴出與空氣進行換熱，降溫后回到集水池。

4.6 環保

無電耗貫流式水輪機冷卻塔取消了電機后，降低了因電機的耗電所帶來的二氧化碳的排放量，降低了噪聲所帶來的環境污染。

4.7 冷效好

隨著季節的變化，無電耗貫流式水輪機的轉速是隨循環回水的壓力和流量的變化而變化的，通過水輪機的流量越大，風機轉速越高，風量也隨增加，所以通過調整水輪機的進水量可以方便的控制風機轉速，使冷卻塔在穩定地氣水比的狀態下運行，達到的冷卻效果最好。

4.8 減少了維護管理工作量

冷卻塔的日常維護管理，除適當時間更換填料、防止噴嘴堵塞和管道內異物沉積等之外，大量的、較多的是電動機、傳動變速系統的日常維護管理工作。如電機不轉、發熱、產生異常噪聲、達不到轉速；變速箱出現噪聲、齒輪磨損、皮帶打滑、油位太低等。現電機、變速裝置系統等均取消了，大大減少了維護管理工作量。

5 結語

用無電耗貫流式水輪機代替現有的一臺電動機的設想并在大檢修期間完成改造，在開廠后投入使用。通過一段時間的使用，有了明顯的節能效果。通過計算可以得出：一臺水輪機每年可節約電費和電器設備維護保養費合計43.1+1.22=44.32(萬元/年)。無電耗貫流式水輪機還可通過調節轉速靈活控制循環水的供水溫度，保證供水平穩。后期可將東區循環水剩余#2-5風機均進行改造，更好地實現節能目的。