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        高效水輪機(jī)在循環(huán)水系統(tǒng)的節(jié)能應(yīng)用

        2017-08-20 07:48:28孫玉亮趙永彬
        氮肥與合成氣 2017年7期
        關(guān)鍵詞:軸功率減速機(jī)冷卻塔

        孫玉亮,趙永彬

        (新能鳳凰〔滕州〕能源有限公司,山東滕州 277527)

        化工行業(yè)(尤其是化肥行業(yè))的循環(huán)水系統(tǒng)大多采用集中供水模式,由于眾多換熱裝置離供水裝置有遠(yuǎn)近、高低之分,供水的工藝參數(shù)(主要是壓力)一般需要以最高端或最遠(yuǎn)端的換熱裝置為設(shè)計(jì)條件,采用低位置處和近距離處裝置的流量控制,有的企業(yè)采用裝置端設(shè)置的閥門控制,有的企業(yè)是通過(guò)回水上塔閥門控制,無(wú)論采用何種控制方式都存在著閥門控制的能量損失。本文通過(guò)分析論證,將各種閥門控制的能量損失予以回收利用。

        1 改造實(shí)施前系統(tǒng)工況

        新能鳳凰(滕州)能源有限公司有3套循環(huán)水系統(tǒng),一循(一、二期)、二循、三循分別有6臺(tái)、6臺(tái)、4臺(tái)4 500 m3/h冷卻塔,工程實(shí)施的內(nèi)容是通過(guò)對(duì)系統(tǒng)裝置進(jìn)行優(yōu)化處理,將出水控制閥門的能量損失合理地轉(zhuǎn)移給回水,使這些能耗有效地轉(zhuǎn)移給配套設(shè)計(jì)的水輪機(jī),以達(dá)到回收能量的目的,而整個(gè)改造過(guò)程不會(huì)對(duì)原系統(tǒng)的的運(yùn)行工況產(chǎn)生任何不利影響。改造實(shí)施前系統(tǒng)工況見(jiàn)表1。

        2 水輪機(jī)設(shè)計(jì)理論依據(jù)

        軸功率匹配原則:當(dāng)水輪機(jī)做功輸出軸功率W水≥原風(fēng)機(jī)運(yùn)行所需軸功率W電,則改造后水輪機(jī)驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速可達(dá)到原風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的要求。水輪機(jī)輸出軸功率理論公式如下[1- 2]:

        W水=g×Q×H×η水

        表1 改造實(shí)施前系統(tǒng)工況

        式中:W水——水輪機(jī)輸出功率,kW;

        g——水容重,取9 810 kg/m3;

        H——水輪機(jī)做功壓力,mH2O;

        Q——水輪機(jī)進(jìn)水流量,m3/s;

        η水——水輪機(jī)效率。

        風(fēng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速時(shí)所需軸功率公式如下:

        式中:W電——風(fēng)機(jī)運(yùn)行所需軸功率,kW;

        I——電機(jī)運(yùn)行電流,A;

        V——電機(jī)運(yùn)行電壓,V;

        cosφ——電機(jī)功率因數(shù);

        η電機(jī)—電機(jī)效率;

        η減速機(jī)—減速機(jī)效率;

        η傳動(dòng)軸—傳動(dòng)軸效率。

        3 改造過(guò)程論證

        3.1 冷卻塔風(fēng)機(jī)軸功率校核

        3.1.1 電動(dòng)風(fēng)機(jī)軸功率計(jì)算

        一循一期電動(dòng)風(fēng)機(jī)軸功率W1:

        W1=(W×I2×η)/I1

        式中:I1——電機(jī)額定電流,A;

        I2——電機(jī)運(yùn)行電流,A;

        W——電機(jī)額定功率,kW;

        η——傳動(dòng)裝置效率,取0.81。

        則W1=(220×11.0×0.81)/16.3=120.3(kW)。同理,求得一循二期、二循、三循電動(dòng)風(fēng)機(jī)軸功率分別為102.8,120.3,102.8 kW。

        3.1.2 水輪機(jī)輸出軸功率計(jì)算

        (1)經(jīng)系統(tǒng)優(yōu)化后,3套循環(huán)水系統(tǒng)回水分別可供水輪機(jī)的壓力計(jì)算

        一循一期水輪機(jī)入口壓力=回水壓力-水輪機(jī)入水管中心至回水母管中心位差=0.22-0.145=0.075(MPa);同理,求得一循二期、二循、三循水輪機(jī)入口壓力分別為0.075,0.085,0.095 MPa。

        (2)3套循環(huán)水系統(tǒng)回水分別可供水輪機(jī)的做功壓力計(jì)算

        一循一期水輪機(jī)做功壓力=水輪機(jī)入口壓力+水輪機(jī)出口至布水干管的水柱虹吸壓力=0.075+0.030=0.105(MPa);同理,求得一循二期、二循、三循水輪機(jī)做功壓力分別為0.105,0.115,0.120 MPa。

        (3)依據(jù)原風(fēng)機(jī)運(yùn)行軸功率和系統(tǒng)提供的水輪機(jī)做功壓力,推算出水輪機(jī)的過(guò)流量(取值整數(shù)),保證風(fēng)機(jī)的參數(shù)達(dá)到原設(shè)計(jì)值。一循一期、一循二期、二循、三循水輪機(jī)進(jìn)水流量分別為4 700,4 000,4 300,3 500 m3/h,一循一期、一循二期、二循、三循水輪機(jī)做功壓力折合水柱分別為10.5,10.5,11.5,12.0 mH2O,水輪機(jī)效率為0.9,則可計(jì)算得到一循一期、一循二期、二循、三循的設(shè)計(jì)水輪機(jī)輸出軸功率分別為120.5,102.9,120.8,102.8 kW。

        3.1.3 軸功率匹配驗(yàn)證

        軸功率匹配驗(yàn)證見(jiàn)表2。

        表2 軸功率匹配驗(yàn)證

        由表2可以看出,水輪機(jī)輸出軸功率≥風(fēng)機(jī)軸功率,驗(yàn)證改造是可行的。

        3.2 水輪機(jī)過(guò)流量校核及改造方式

        各循環(huán)水系統(tǒng)冷卻塔改造臺(tái)數(shù)見(jiàn)表3。

        表3 各循環(huán)水系統(tǒng)冷卻塔改造臺(tái)數(shù)

        考慮到回水壓力和系統(tǒng)流量的綜合因素,為了使水輪機(jī)有足夠的做功水量,需采用“流量整合”模式,將不改造的塔上塔流量分流一部分給水輪機(jī),水輪機(jī)做功后再分流相同的流量給不改造的塔,使改造后各塔布水量達(dá)到原運(yùn)行參數(shù)[3]。改造后水輪機(jī)結(jié)構(gòu)示意見(jiàn)圖1。

        4 水輪機(jī)的“量身定制”

        循環(huán)水系統(tǒng)冷卻塔節(jié)能改造的成敗與否很大程度上取決于前期是否經(jīng)過(guò)充分的技術(shù)論證,也取決于改造所用的節(jié)能設(shè)備水輪機(jī)參數(shù)能否與冷卻塔運(yùn)行參數(shù)之間達(dá)到理想的匹配,即“量身定制”。在考慮到回水壓力的前提下,達(dá)到要求的水輪機(jī)軸功率時(shí),水輪機(jī)的過(guò)水量及有關(guān)的流通截面就成為定值,水輪機(jī)的基本結(jié)構(gòu)就可以初步確定,由此可以進(jìn)行有關(guān)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造工作。設(shè)計(jì)過(guò)程要以系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行工況為依據(jù)即“量身定制”,輔以流體軟件CFD生成結(jié)構(gòu)件相關(guān)尺寸,再以案例的“數(shù)據(jù)庫(kù)”進(jìn)行修正,這樣制造出的水輪機(jī)才能達(dá)到每臺(tái)冷卻塔的技術(shù)條件,且效率也最高。本案例特定的水輪機(jī)工藝參數(shù)見(jiàn)表4。

        表4 各循環(huán)水系統(tǒng)冷卻塔水輪機(jī)工藝參數(shù)

        注:設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速均為117 r/min,效率均為90%

        圖1 改造后水輪機(jī)結(jié)構(gòu)示意

        5 改造后運(yùn)行特點(diǎn)

        (1)安全可靠

        水輪機(jī)設(shè)計(jì)嚴(yán)謹(jǐn),結(jié)構(gòu)合理,運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn),可靠性高,省去了驅(qū)動(dòng)電機(jī),根本杜絕了電機(jī)、電控和減速機(jī)漏電、漏油、燒毀和損壞的故障,為安全持續(xù)運(yùn)行提供了保障,可在任何需防爆的環(huán)境下安全運(yùn)行。

        (2)冷效好

        隨著季節(jié)的變化,水輪機(jī)的轉(zhuǎn)速可通過(guò)設(shè)置的旁通閥來(lái)調(diào)控,可以根除因環(huán)境溫度變化頻繁開(kāi)停電動(dòng)風(fēng)機(jī)而引起的水溫變化,使冷卻塔的氣水比及水溫處于穩(wěn)定狀態(tài),以達(dá)到最佳效果。

        (3)環(huán)保

        因取消了電機(jī)和減速機(jī),降低了冷卻塔運(yùn)行時(shí)機(jī)械噪聲,通過(guò)權(quán)威部門檢測(cè),水動(dòng)風(fēng)機(jī)冷卻塔噪聲比傳統(tǒng)冷卻塔降低10%左右。

        (4)減少飄水

        因春秋冬季環(huán)境溫度低,水輪機(jī)轉(zhuǎn)速可根據(jù)環(huán)境狀況調(diào)節(jié),降低風(fēng)壓,同時(shí)也降低飄水率,而電機(jī)塔不可調(diào)速(除非增加成本使用變頻調(diào)速),則飄水率不會(huì)降低。

        (5)運(yùn)行成本下降

        由于取消了電機(jī)、傳動(dòng)軸、減速機(jī),因而減少了日常維護(hù)、檢修工作,大大降低了運(yùn)行成本。

        6 改造效果及效益分析

        改造前、后系統(tǒng)工藝參數(shù)對(duì)比見(jiàn)表5。

        表5 改造前、后系統(tǒng)工藝參數(shù)對(duì)比

        從表5看出:改造前后系統(tǒng)流量、壓力、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速?zèng)]有改變,機(jī)組運(yùn)行振動(dòng)值較改造前有所降低, 且風(fēng)機(jī)電機(jī)拆除,節(jié)省了電機(jī)能耗。

        由于一循、二循和三循分別改造了4臺(tái)、3臺(tái)和2臺(tái)冷卻塔,故電機(jī)運(yùn)行電耗分別節(jié)省了615.4 kW、485.8 kW和291.5 kW,合計(jì)節(jié)省電耗1 392.7 kW;按電價(jià)0.75元/(kW·h)、年運(yùn)行8 000 h計(jì),則年可節(jié)省電費(fèi)835.6萬(wàn)元。每臺(tái)水輪機(jī)改造費(fèi)用80萬(wàn)元,總投資為720萬(wàn)元,1年內(nèi)即可收回全部投資,加上后續(xù)減少維護(hù)使用的費(fèi)用,其投資效益還會(huì)更高。另外,改造9臺(tái)冷卻塔節(jié)電換算成標(biāo)煤,則年可節(jié)約標(biāo)煤11 108 t,減少二氧化碳排放3 710 t,環(huán)保效益顯著。

        7 結(jié)語(yǔ)

        經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地考察和前期的充分論證,并根據(jù)回水壓力和總的回水流量,最終選擇了南京峽谷能源科技有限公司“量身定制”的高效水輪機(jī)。改造后,系統(tǒng)運(yùn)行各項(xiàng)指標(biāo)均能滿足系統(tǒng)運(yùn)行的技術(shù)要求,且節(jié)省了冷卻塔風(fēng)機(jī)電機(jī)的能耗,原理上是可行的,改造也是成功的,不僅給企業(yè)帶來(lái)了可觀的經(jīng)濟(jì)效益,同時(shí)節(jié)能減排的社會(huì)效益也十分顯著。

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