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(jī)在循環(huán)水冷卻塔中的應(yīng)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(jī)，利用系統(tǒng)富余揚(yáng)程，改造循環(huán)水1#冷卻塔風(fēng)機(jī)。改善系統(tǒng)工況的同時(shí)，節(jié)約大量電能，取得良好經(jīng)濟(jì)效益。

循環(huán)水；水輪機(jī)；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(tái)發(fā)電機(jī)組的冷凝器供應(yīng)循環(huán)冷卻水，滿足機(jī)組正常運(yùn)行的需要(熱電車間關(guān)停后，2014年9月該循環(huán)水系統(tǒng)改為供化工生產(chǎn)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(jī)械強(qiáng)制通風(fēng)方式，各有φ8534風(fēng)機(jī)一臺(tái)，配用電機(jī)160 kW。風(fēng)機(jī)每年運(yùn)行天數(shù)在300天以上，耗電量相當(dāng)驚人。采用南京星飛的水輪機(jī)對(duì)1#循環(huán)水冷卻塔進(jìn)行改造，利用循環(huán)水系統(tǒng)的富余揚(yáng)程作為動(dòng)力，驅(qū)動(dòng)水輪機(jī)帶動(dòng)風(fēng)機(jī)，改電力驅(qū)動(dòng)為水力驅(qū)動(dòng)，節(jié)約大量電能，從而達(dá)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(jié)構(gòu)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(yùn)行方式：高溫季節(jié)，并聯(lián)運(yùn)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(shí)測系統(tǒng)總流量：4 100 m3/h；其余時(shí)間，運(yùn)行一臺(tái)大泵，實(shí)測系統(tǒng)總流量2 900 m3/h。

設(shè)計(jì)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(tái)(一用一備)：額定流量2 016 m3/h，揚(yáng)程59 m，電流64 A，電機(jī)功率550 kW。單臺(tái)運(yùn)行，出口壓力33 m，進(jìn)口壓力2 m，電流53 A。

350S-75A型雙吸式離心泵一臺(tái)：額定流量1 170 m3/h，揚(yáng)程65 m，電流34.5 A，電機(jī)功率300 kW。

300S-58型雙吸式離心泵一臺(tái)：額定流量790 m3/h，揚(yáng)程58 m，電流24 A，電機(jī)功率220 kW。

3)風(fēng)機(jī)部分

風(fēng)機(jī)直徑8 534 mm，電機(jī)功率160 kW，電流289 A，實(shí)際運(yùn)行177 A。

傳動(dòng)方式：傳動(dòng)軸、減速機(jī)，轉(zhuǎn)速133 r/min。

2.2 改造對(duì)熱電循環(huán)水泵工作點(diǎn)的影響

由于工作點(diǎn)是由泵及管路特性共同決定的，因此，改變?nèi)我粭l特性曲線均可達(dá)到流量調(diào)節(jié)的目的。如圖1所示，當(dāng)調(diào)節(jié)出口閥開度時(shí)，改變了管路特性方程式中的G值。水泵出口閥門關(guān)小，使G值變大，流量變小，曲線變陡，工作點(diǎn)向上移動(dòng)至M1，系統(tǒng)流量減小，揚(yáng)程升高。水泵出口閥門開大，則反之，工作點(diǎn)下移至M2，系統(tǒng)流量增加，揚(yáng)程降低。熱電循環(huán)水系統(tǒng)單臺(tái)大泵運(yùn)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(shí)水泵工作點(diǎn)已經(jīng)下移在高效區(qū)(1 700～2 300 m3/h)以外。水泵運(yùn)行于“大流量、小揚(yáng)程”工況。經(jīng)測算兩臺(tái)并聯(lián)泵運(yùn)行的工況也是如此。熱電循環(huán)水系統(tǒng)在“大流量，小揚(yáng)程”的不經(jīng)濟(jì)的狀態(tài)下，長期運(yùn)行。進(jìn)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(jī)，相當(dāng)于關(guān)小出口閥門的狀況，G值將變大。系統(tǒng)的工作點(diǎn)將向高效區(qū)方向移動(dòng)。即進(jìn)行節(jié)能改造將使系統(tǒng)流量相應(yīng)減小，揚(yáng)程相應(yīng)提高，水泵“大流量、小揚(yáng)程”運(yùn)行工況將因此得到改善。

圖1 改變出口閥開度時(shí)工作點(diǎn)變化

2.3 水泵富余揚(yáng)程的計(jì)算

并不是所有的循環(huán)水冷卻塔都能實(shí)現(xiàn)水輪機(jī)動(dòng)能風(fēng)機(jī)改造，必須經(jīng)過實(shí)際測量，并進(jìn)行精確的計(jì)算，如果循環(huán)水系統(tǒng)富余的能量通過水輪機(jī)回收后能夠滿足風(fēng)機(jī)軸功率的要求就能改造，也即是，水輪機(jī)能夠輸出的軸功率大于原來的風(fēng)機(jī)的軸功率。在冷卻節(jié)能改造過程中，水輪機(jī)是靠水泵的富余揚(yáng)程做功帶動(dòng)風(fēng)機(jī)，該富余揚(yáng)程的計(jì)算公式為：

H富余=H額定-(H出口-H進(jìn)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(jìn)口——水泵進(jìn)口壓力，m。

單臺(tái)大泵運(yùn)行工況：H額定=59 m，H出口=33 m(實(shí)測表壓)，H進(jìn)口=2 m，則H富余=59-(33-2)=28 m。

一大一小泵運(yùn)行工況：H額定=56 m(按水泵并聯(lián)計(jì)算)，H出口=35 m(實(shí)測表壓)，H進(jìn)口=2 m，則H富余=56-(35-2)=23 m。

2.4 水輪機(jī)輸出功率的計(jì)算(按單塔計(jì)算)

P水輸=9.81QHη

式中：9.81——水的容重；Q——流量，m3/s；H——富余揚(yáng)程，m；η——水輪機(jī)效率=93%。

單臺(tái)大泵運(yùn)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(yùn)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(fēng)機(jī)軸功率的計(jì)算

式中：U——電機(jī)電壓(380 V)；I——電機(jī)電流(177 A實(shí)測)； COSφ——功率因素(0.85)；η電——電機(jī)功率(0.85)；η減——減速機(jī)效率(0.90)；η傳——傳動(dòng)軸效率(0.87)。

P機(jī)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(jī)軸，P水輸2>P機(jī)軸。

理論計(jì)算兩種工況下，熱電循環(huán)水系統(tǒng)富余揚(yáng)程均可滿足風(fēng)機(jī)運(yùn)行所需水輪機(jī)動(dòng)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(chǎn)品水輪機(jī)取代電機(jī)，1#冷卻塔風(fēng)機(jī)由電力驅(qū)動(dòng)改為水力驅(qū)動(dòng)。水輪機(jī)安裝在1#冷卻塔原有風(fēng)機(jī)減速機(jī)基礎(chǔ)上，靠循環(huán)水水泵的富余揚(yáng)程做功推動(dòng)水輪機(jī)葉輪，從而帶動(dòng)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。取消了風(fēng)機(jī)電動(dòng)力及減速機(jī)。水輪機(jī)輸出軸直接與風(fēng)機(jī)輪轂配合，帶動(dòng)風(fēng)機(jī)葉輪。

選用南京雙擊式水輪機(jī)：型號(hào)SJ2500B10，設(shè)計(jì)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(xiàng)目實(shí)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(xiàng)目自2009年9月實(shí)施并投入運(yùn)行至今。作為該項(xiàng)目核心的水輪機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)，振動(dòng)聲響無異常。循環(huán)水熱電系統(tǒng)改造前后運(yùn)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(yùn)行工藝參數(shù)

改造后熱電循環(huán)水系統(tǒng)管網(wǎng)壓力升高，流量減小，但水泵運(yùn)行電流沒有變化。從理論上分析，上述現(xiàn)象是由于水力驅(qū)動(dòng)水輪機(jī)，系統(tǒng)管道阻力增加，管道特性曲線上移，泵工作點(diǎn)改變的結(jié)果。從2#循環(huán)水泵性能曲線圖可看出，改造后工作點(diǎn)向高效區(qū)回歸，即離心泵運(yùn)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(yīng)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(jī)運(yùn)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(xiàng)目取得的經(jīng)濟(jì)效益

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

此外，采用以水輪機(jī)為核心技術(shù)的冷卻塔改造還具有以下幾方面的優(yōu)點(diǎn)：

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

2)效率高。水輪機(jī)軸直接驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)，不需再通過其它減速器等，且隨著水流量的變化而風(fēng)量相應(yīng)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(jī)結(jié)構(gòu)簡單，技術(shù)成熟可行，整體設(shè)計(jì)工作壽命為15年以上。水輪機(jī)殼體為鑄造與焊接混合結(jié)構(gòu)，焊接鋼板為含錳量3.5%的進(jìn)口鍋爐專用鋼板，長時(shí)間使用不易銹蝕，葉輪為精鑄成型，并經(jīng)退火消除應(yīng)力后再作平衡調(diào)整。

4)費(fèi)用低。使用水輪機(jī)的冷卻塔系統(tǒng)故障點(diǎn)少，以一臺(tái)水輪機(jī)代替電機(jī)、減速器和傳動(dòng)部分，可以實(shí)現(xiàn)長時(shí)間無故障運(yùn)行，為使用單位節(jié)省大量的維護(hù)和更換冷卻塔的電機(jī)和減速器的費(fèi)用和人力。

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

6)適用。在我廠舊塔上進(jìn)行更新水輪機(jī)節(jié)能改造，具有明顯優(yōu)勢。安裝簡單，不破壞原有結(jié)構(gòu)，不需要重做設(shè)備基礎(chǔ)，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(fèi)和低維護(hù)費(fèi)運(yùn)行。該技術(shù)屬冷卻塔行業(yè)新技術(shù)，經(jīng)實(shí)例證明運(yùn)行穩(wěn)定并達(dá)到節(jié)省電能目的。

4 結(jié) 語

熱電循環(huán)水系統(tǒng)1#冷卻塔采用水輪機(jī)進(jìn)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(qū)動(dòng)為水力驅(qū)動(dòng)，改善了系統(tǒng)工況，達(dá)到了良好的節(jié)能效果。同時(shí)，取消了風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)、減速機(jī)、傳動(dòng)軸，也減少了設(shè)備管理和維修保養(yǎng)成本。

TQ114.15

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1005-8370(2016)02-37-03

2014-11-28