韓元培

(河南能源化工集團 開封龍宇化工有限公司 ， 河南 開封 475200)

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混流式水輪機在工業(yè)循環(huán)水冷卻塔上的應用

韓元培

(河南能源化工集團 開封龍宇化工有限公司 ， 河南 開封 475200)

介紹了水輪機技術的原理及其在循環(huán)水系統(tǒng)的開發(fā)概況，結合改造實例探討了混流式水輪機技術在工業(yè)循環(huán)水中的可行性、實施注意事項及應用效果，并對水輪機的發(fā)展及應用前景進行展望。

水輪機 ； 循環(huán)水 ； 冷卻塔 ； 節(jié)能

0 前言

開封龍宇化工有限公司聚甲醛裝置循環(huán)水系統(tǒng)主要作用是將全公司各生產裝置冷卻設備的溫升水通過機械通風逆流式冷卻塔降低水溫后，由循環(huán)水泵加壓，再供給不同的冷卻設備循環(huán)使用。同時，通過加藥設備對該循環(huán)冷卻水進行水質穩(wěn)定處理，通過旁濾池控制循環(huán)水懸浮物含量，保證工藝冷卻設備的熱效率。主要裝置是2座循環(huán)冷卻水塔、4臺循環(huán)水泵、2臺旁濾過濾器、1套加酸裝置和2套加緩蝕阻垢劑裝置，系統(tǒng)冷卻水量為9 000 m3/h。來自管網的循環(huán)冷卻回水(≥0.2 MPa)直接進入冷卻塔，經噴頭、填料與空氣換熱后落入塔底水池，被循環(huán)水泵提升壓力后，分別供給各生產裝置使用。

冷卻塔風機采用的是185 kW/75 kW的高效軸流雙速風機供給空氣。風機啟動后，在風機下部形成負壓，冷空氣便由下部進風口進入塔內。風機采用的是玻璃鋼材質動能回收型風筒，由下到上分為來流收縮段、風機工作段和動壓回收段。通過冷卻塔淋水段的氣流經過收縮段的整理，使之能均勻收縮過渡到風機工作段，通過風機葉片做功被提升到動壓回收段，對氣流進行導流擴散，使出風筒氣流動壓損失降低?，F有冷卻塔是用電動機通過聯軸器、傳動軸、減速器來驅動冷卻塔的風機，風機的抽風使進入冷卻塔的水流快速散熱冷卻，然后又由水泵加壓將水流輸送到需要用水冷卻的設備后再進入冷卻塔冷卻，達到冷卻水循環(huán)使用。

由于循環(huán)水冷卻塔風機控制手段較少，造成循環(huán)水水溫供、回水溫度調節(jié)不夠平穩(wěn),基本上在6～10 ℃波動，對生產操作和系統(tǒng)的穩(wěn)定性產生了一定的不利影響，而且循環(huán)水回塔時帶0.2～0.25 MPa的壓力，在一定程度上存在能量浪費。

表1 冷卻塔的性能參數

圖1 冷卻塔示意圖

1 水輪機在工業(yè)循環(huán)水系統(tǒng)中開發(fā)

水輪機是把水流的能量轉換為旋轉機械能的動力機械，它屬于流體機械中的透平機械。到目前為止，僅有4種類型的水輪機可以應用到冷卻塔上。以風筒為界可將這4種類型的水輪機分成內置式和外置式兩大類。內置式包括混流式、軸流式和雙擊式三種；外置式僅有貫流式一種。

華北水利水電學院陳德新等[1]提出了工業(yè)冷卻塔用水輪機的選擇原則，超低比轉速的混流式水輪機適合工業(yè)冷卻塔。河海大學張麗敏等[2]通過物理模擬實驗證明了超低比轉數混流式節(jié)能水輪機尺寸能夠滿足冷卻塔的要求，效率高，性能穩(wěn)定。

混流式水輪機外圍是蝸殼，中間是葉輪，底部是尾水管，安裝在風筒內，運行在水汽環(huán)境中，蝸殼尺寸較大，尾水管從底部引出使機體高度較高。由于這種結構的水輪機是中轉速，要直接驅動風機做功還需在主軸上安裝減速裝置。機體本身高度較高再加上要在主軸上安裝減速裝置，整體高度還會更高。蝸殼配水均勻，水輪機效率較高，但在主軸上安裝減速裝置又會降低傳遞效率；機體太高，若用于改造塔必須降低塔體風機底座或者升高導風筒。

2 原理

水輪機的工作動力來自循環(huán)冷卻水系統(tǒng)水的重力勢能以及循環(huán)水泵的富余揚程，在不增加循環(huán)水泵輸出功率的前提下，利用循環(huán)水系統(tǒng)中的富裕能量來驅動水輪機做功，從而帶動風機旋轉，可把原來的風機電機去掉，水輪機的輸出軸直接與風機連接并帶動其轉動，節(jié)省風機電機原有的能耗。

混流式水輪機轉輪區(qū)內的水流在通過轉輪葉片流道時，始終是連續(xù)充滿整個轉輪的有壓流動，并在轉輪空間曲面型葉片的約束下，連續(xù)不斷地改變流速大小和方向，從而對轉輪葉片產生一個反作用力，驅動轉輪旋轉。當水流通過水輪機后，其動能和勢能大部分被轉換成水輪機的旋轉機械能。之后水流經過水輪機的出水口流入原冷卻塔布水管。水動風機冷卻塔的能量主要由四大部分組成：設計余量、勢能、水泵的自身調節(jié)能力、閥門上浪費的能量。

用水輪機來替代原風葉電機，可在供水系統(tǒng)不變的前提下充分利用循環(huán)水系統(tǒng)回水的富余能量來推動水輪機帶動風機，實現氣水熱交換，從而達到冷卻塔百分之百無電耗運行；而且可以根據工藝生產的需要調節(jié)風機轉速，實現對循環(huán)水水溫的穩(wěn)定調節(jié)。

當系統(tǒng)加上水輪機后，將進塔閥逐漸打開直至系統(tǒng)流量到需要值。因水泵功率與流量成正相關系，流量變化時水泵功率才變化，流量不變化時水泵電機功率也不變化。

3 技術改造的實施

根據循環(huán)水系統(tǒng)及生產裝置運行實際情況，對冷卻塔上的其中一臺冷卻風機進行水力驅動改造，達到既節(jié)能又滿足生產需求的目的。改造后滿足冷卻塔風葉電機為無電耗水輪機驅動風機的目標，實現循環(huán)水水量的自動調節(jié)和水溫自動控制以及主控室內風機轉速、振動、流量等重要參數的監(jiān)控。水輪機效率>90%、冷卻塔的飄水損失率<0.0001%、連續(xù)工作時間>7×104h且使用壽命≥10年；在回水量為5 600 t/h、回水上塔壓力0.2 MPa時，水力驅動風機全速時>135 r/min；材質方面，旁路調節(jié)系統(tǒng)采用碳鋼材質，可以方便調整風機轉速，所有螺栓連接件、懸吊件均為不銹鋼。水輪機設計制造時，按照夏季氣溫最高、生產負荷最高的情況下進行設計。

從簽訂合同到完工共45 d，其中現場施工控制在15 d以內，保證了能夠利用公司大修時間，在不影響正常生產的情況下完成該項目的改造。圖2為本項目混流式水輪機安裝示意圖。

圖2 水輪機安裝示意圖

4 應用效果

項目完成后，循環(huán)水泵的控制及運行方式沒有改變，循環(huán)水泵電流沒有增加，水輪機各項性能達標，能夠滿足生產需要，循環(huán)水系統(tǒng)經受住了夏季炎熱高溫天氣的考驗。

4.1 經濟效益

循環(huán)水冷卻塔使用水輪機替代原電機運行后，可實現冷卻塔風機的無電化運行，設備年運行時間8 000 h計算，冷卻塔改造后節(jié)約電能為148×104kW·h。電價按0.62元計算，則每年可節(jié)約電費約91.76萬元。

4.2 社會及環(huán)境效益

根據電力折標煤系數，該項目年節(jié)電148×104kW·h ，折標煤為181.9 t，可減少二氧化碳排放480.1 t，減少二氧化硫排放4.42 t，減少氮氧化物排放1.29 t。

5 結論

化工、冶煉等行業(yè)有重力勢能可利用的機械通風式冷卻塔都可以進行水輪機技術改造，水輪機與傳統(tǒng)電力驅動風機相比，具有振動小、噪聲低、節(jié)能的特點，因此具有廣闊的推廣應用前景。由于水輪機對水壓有一定的要求，也限制了其推廣應用范圍。據統(tǒng)計，全國現有冷卻塔可進行水輪機改造的總容量約為24 157萬t，如果未來5年推廣10%，全國可改造6 000余套，年節(jié)能以標煤計，約為240萬t，年碳減排能力634萬t。

[1] 陳德新,張文俊,楊 陽.冷卻塔風機驅動水輪機的工作特點與形式選擇[J].水力發(fā)電,2010,36(12):54-56.

[2] 張麗敏,鄭 源,張成華,等.用于冷卻塔德超低比轉數混流式水輪機設計[J].農業(yè)機械學報,2010,41(9):39-42.

2016-08-16

韓元培(1985-)，男，工程師，從事化工新材料的生產與技術管理工作，E-mail:hanyuanpei@126.com。

TQ051.5

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1003-3467(2016)11-0043-03