張爾東

（中國石油天然氣股份有限公司哈爾濱石化分公司，黑龍江 哈爾濱 150056）

1 冷卻塔運行狀況及分析

1.1 冷卻塔運行狀況

哈爾濱石化公司三循涼水塔原有2間4 000 m3/h大型工業(yè)電機驅(qū)動風機式逆流冷卻塔，2012年公司響應國家節(jié)能減排要求分別將風機驅(qū)動改造為水輪機驅(qū)動風機，改造后當風機轉(zhuǎn)速大于100 rpm時，（正常類似風機設(shè)計轉(zhuǎn)速127 rpm），冷卻塔風筒振動值嚴重超標，最大值達到18.5 mm/s，比規(guī)范設(shè)計要求超3倍，嚴重影響冷卻塔長周期安全運行，且風機轉(zhuǎn)速達不到風機的額定轉(zhuǎn)速，冷卻塔的冷卻效果受到嚴重限制，特別在夏季更嚴重影響正常生產(chǎn)工藝指標，由于上述問題是個較大的技術(shù)難題，公司也咨詢并邀請了國內(nèi)幾家權(quán)威機構(gòu)來現(xiàn)場查看診斷，但最終都無法找到問題的原因及徹底解決的方案[1]。幾年來此冷卻塔進入夏季僅能靠補充冷水和減小負荷的辦法維持生產(chǎn)。2019年改造水輪機后冷卻塔運行工況測試數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 改造水輪機后現(xiàn)場冷卻塔檢測振動數(shù)據(jù)表

1.2 最終診斷結(jié)果

從目前上述運行狀況來看：現(xiàn)場的振感比原電機驅(qū)動塔振動強烈得多，較為明顯的是從冷卻塔風機轉(zhuǎn)速改變來看，在100 rpm以下轉(zhuǎn)動相對平穩(wěn)，當風機轉(zhuǎn)速逐漸提升時，冷卻塔風筒和塔頂振幅明顯加大，特別達到額定轉(zhuǎn)速120 rpm左右時，風筒振動更加強烈；從現(xiàn)場檢測數(shù)據(jù)來看，隨著風機轉(zhuǎn)速從100 rpm至122 rpm時，風筒振動值飆升至18.5 mm/s，此種狀態(tài)運行對冷卻塔長周期安全運行有較大的影響。

1.3 綜合導致振動原因的分析

1.3.1 風機因素

現(xiàn)風機葉片數(shù)量為6片，按9 140 mm風機直徑來算，風機夾角偏大，風速相對不均勻，風場波動性較大，易產(chǎn)生較大振動，另風機為玻璃鋼材質(zhì)風機，本體較重，當負載時葉尖下沉較大，從而改變原風機的葉型，打破風機的平衡，并產(chǎn)生一定振動，而碳纖維風機可改變現(xiàn)狀，其重量僅玻璃鋼風機的1/3，性能強度是玻璃鋼的5倍，負載時葉型變化量較小，運行效率相對玻璃鋼可提高15%，故建議更換為8片碳纖維風機，這也是消除振動方法之一。

1.3.2 風筒因素

目前現(xiàn)冷卻塔的風筒由于已超出玻璃鋼產(chǎn)品的使用壽命（玻璃鋼的使用壽命一般均在15年），并且根據(jù)現(xiàn)場測量風筒的局部厚度太薄，易導致冷卻塔風筒振動。

1.3.3 水輪機因素

（1）水輪機是風機運行的動力源，如水輪機振動則影響到冷卻塔的振動，現(xiàn)水輪機帶減速裝置，減速機為行星齒輪結(jié)構(gòu)，受潤滑油和密封限制，容易失油，齒輪易磨損或損壞，如磨損或損壞，易產(chǎn)生振動，從現(xiàn)場觀察水輪機端蓋上存積一定的潤滑油，說明減速箱是漏油，如在低轉(zhuǎn)速時，磨損相對好點，如高速運行則易損壞。

（2）在減速箱上端有一減速傳動軸，且較短，軸承如有磨損擺動較大，易產(chǎn)生振動。

（3）由于水輪機結(jié)構(gòu)問題，造成整體高度較高，重心偏高，振動擴大。

（4）水輪機本體靠出水框支撐，支撐強度較差，應加強水輪機支撐強度，即在渦殼加裝4只支撐腿。

1.3.4 水輪機附件因素

附件主要分析水輪機出水框和出水管，現(xiàn)出水管為2支DN600的螺旋管，出水分流相對較差，使水輪機轉(zhuǎn)輪出水不均勻，易使轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)動不平衡，另還增加水輪機出水壓力，阻礙水輪機轉(zhuǎn)速，如要出水分流均勻，可采用4支DN400分流管，如采納可降低水輪機高度，降低振動，也使風機位置靠近風筒喉部。

另水輪機底座-出水框與底梁對接無任何緊固件，處于浮動狀態(tài)，當水輪機負載時，僅依靠兩只出水管來穩(wěn)定運行狀態(tài)，易產(chǎn)生振動。

1.3.5 風機與風筒相對位置不合理

現(xiàn)風機位置離風筒喉部上沿約450 mm，偏離較大，風機葉尖距離風筒壁遠大于有關(guān)規(guī)定30～40 mm，造成風機上端的正壓風沿風筒壁回流至風機下端的負壓區(qū)，這樣就產(chǎn)生擾流現(xiàn)象，由于風機葉片少，擾流現(xiàn)象很不均勻，易造成風筒振動。另風筒強度不足時，也易產(chǎn)生振動。

1.3.6 循環(huán)水回水壓力過高因素

由于系統(tǒng)回水壓力較高和水輪機做功需要一定的壓力，當回水中的氣泡集聚到一定的量和壓力時，在水輪機出水時瞬間釋放，就造成湍流現(xiàn)象，從而造成冷卻塔橫向振動，從現(xiàn)場觀察這不是主要振動源，如對水輪機改造，可改善振動。

2 根據(jù)排查原因進行整改

（1）由于水輪機運行周期已較長，為了摸清水輪機內(nèi)的磨損件磨損程度，打開水輪機內(nèi)轉(zhuǎn)動部件，詳細檢查發(fā)現(xiàn)相關(guān)磨損件，全部進行更換解除或降低振動源。（2）更換過期及強度弱玻璃鋼冷卻塔風筒，RC-92型風筒模壓工藝成型，梯形空腹加強筋結(jié)構(gòu)，端中兩處均設(shè)環(huán)向?qū)嵭募訌娊?，風筒片間聯(lián)結(jié)采用扣接式，板間連接嚴密無縫隙，整體強度高，表面光滑美觀，不龜裂、不褪色，緊固件均為不銹鋼材質(zhì)，厚度不小于10 mm，風筒壁承受的風載荷大于0.8 kPa，壽命20年以上。（3）風機改為碳纖維風機，由原來6片改為8片風葉，風機由單板結(jié)構(gòu)改為雙夾板結(jié)構(gòu)，可降低風機高度；減小塔的震動（4）降低水輪機的安裝高度；（5）改造水輪機出水框，由原來的2支出水管改為4支出水管，出水管與布水器對接方式由原來的與布水支管對接改為干管對接，這樣能夠減輕布水支管的承載和降低對接點區(qū)域的對噴頭的直接沖擊；（6）水輪機改造，加裝4只支撐柱，增設(shè)放氣裝置；（7）水輪機底座加固。

3 整改技術(shù)方案

3.1 更換加厚型高強度玻璃鋼風筒

風筒采用玻璃鋼材質(zhì)動能回收型，能適應當?shù)氐臍庀髼l件，具有較強的抗風載荷能力，抗風載荷大于960 Pa。風筒結(jié)構(gòu)應采用T型大端面空腹加強筋，應力集中段和聯(lián)接端埋有預制件以保證風機整體強度和運行強度，風筒應拼裝嚴密，風筒動能回收值不得小于30%，風筒緊固件采用不銹鋼材質(zhì)，風筒外表面應不龜裂、不褪色，其表面膠衣應采用進口膠衣并能抗紫外線的長期照射，風筒內(nèi)表面要求光滑[2]。

3.2 原強度弱震動大純玻璃鋼葉片改為強度高碳纖維復合材料風機葉片

目前國內(nèi)外軸流風機葉片的材質(zhì)，主要有鋁合金、玻璃鋼及碳纖維三種。鋁合金因為易變形、質(zhì)量大，只用在小直徑風機。玻璃鋼（FRP）材質(zhì)葉片由于在濕熱、酸堿等惡劣環(huán)境及抗變形等多方面的諸多優(yōu)秀表現(xiàn)，而得到廣泛應用，現(xiàn)在即使小風機的葉片也逐步被玻璃鋼代替。

新材料的選擇及應用也為本次改造降低震動值起到較大作用。

3.3 降低水輪機安裝高度

由于水輪機本體結(jié)構(gòu)不可動，降低安裝高度只能從風機和出水框來實現(xiàn)，風機結(jié)構(gòu)形式由原來的單板改為雙板，風機高度可降低100 mm左右；出水框由原來的雙管出水改為四管出水，出水框高度可降低200 mm，總體可降低水輪機安裝高度300 mm；

3.4 改造水輪機出水框出水管數(shù)量

水輪機出水框由原來的2支DN600出水管整改為4支DN450出水管，提高水輪機轉(zhuǎn)輪出水流場的均勻度，降低振動；

3.5 改造水輪機

由于原水輪機支撐緊靠出水框支撐，支撐點所占面積較小，穩(wěn)定性較差，故加裝4只支撐柱；另外，循環(huán)水中的氣體也無泄放點易產(chǎn)生振動，故加裝一放氣裝置，此裝置建議在檢修時加裝；

3.6 水輪機底座與基礎(chǔ)對接方式

由于基礎(chǔ)面較小，基礎(chǔ)厚度較薄，水輪機底座與基礎(chǔ)對接螺栓無預埋孔位置，現(xiàn)利用十字梁采用對夾方式緊固底座；

3.7 水輪機出水管與布水器對接方式

出水管2根管合并成一支管，再與布水器干管對接；

4 整改后技術(shù)指標

（1）整改后風機轉(zhuǎn)速能平穩(wěn)安全的達到設(shè)計要求的127 rpm；

（2）改造后的2個冷卻塔的振動值經(jīng)過有關(guān)部門實塔測試風筒的震動值分別為3.28 mm/s和2.83 mm/s 塔頂震動值分別為0.35 mm/s和0.16 mm/s 與同型運行的電機驅(qū)動塔比較能降低50%以上震動。

（3）改造后的冷卻能力恢復、甚至超過原設(shè)計水平，夏季最炎熱期間冷卻后水溫比2013年至2018年同期降低2～3 ℃，為三循所帶各裝置高效生產(chǎn)運行提供了可靠保障。

改造后溫度情況如表2所示。

表2 改造后溫度情況表