梅武豐

（海洋石油富島有限公司，海南東方 572600）

1 概 述

海洋石油富島有限公司（簡(jiǎn)稱富島公司）化肥二部循環(huán)水裝置主要由冷卻系統(tǒng)、循環(huán)水泵系統(tǒng)、旁濾系統(tǒng)和加藥系統(tǒng)四部分組成；其中，冷卻系統(tǒng)采用逆流敞開(kāi)式冷卻塔，共8座，設(shè)計(jì)進(jìn)（冷卻）水量為8×4000m3／h，利用電機(jī)驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī) （J0205A／B／C／D／E／F／G／H，單臺(tái)功率200kW）機(jī)械抽風(fēng)使空氣與水在填料層中進(jìn)行對(duì)流傳熱，達(dá)到對(duì)循環(huán)水冷卻降溫的目的；循環(huán)水泵系統(tǒng)由4臺(tái)循環(huán)水泵（2001JA／B／C／D）采用三開(kāi)一備的方式向化肥二部合成氨、尿素及甲醛裝置供應(yīng)循環(huán)水，循環(huán)水泵揚(yáng)程50m、（單臺(tái)）設(shè)計(jì)流量9500m3／h，其動(dòng)力源為2臺(tái)中壓蒸汽透平和2臺(tái)6kV高壓電機(jī)；旁濾系統(tǒng)和加藥系統(tǒng)作為輔助系統(tǒng)，主要完成循環(huán)水的除濁和緩蝕阻垢、殺菌滅藻工作。

整個(gè)循環(huán)水系統(tǒng)循環(huán)水量約25000m3／h，給水總管壓力≥0.45MPa、回水總管壓力≥0.25 MPa，給水溫度≤33℃、回水溫度≤43℃，冷卻前后溫差為（10±0.3）℃。循環(huán)水系統(tǒng)流程簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖1。

圖1 循環(huán)水系統(tǒng)流程簡(jiǎn)圖

2 循環(huán)水系統(tǒng)節(jié)能改造的必要性

節(jié)能降耗是化工企業(yè)的生存之本。對(duì)于富島公司而言，對(duì)化肥二部循環(huán)水系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能改造，不僅可以帶來(lái)可觀的經(jīng)濟(jì)效益，而且對(duì)于解決循環(huán)水系統(tǒng)存在的以下問(wèn)題具有現(xiàn)實(shí)意義。

（1）循環(huán)水泵系統(tǒng)原始設(shè)計(jì)時(shí)考慮采用“2臺(tái)透平泵、1臺(tái)電泵運(yùn)行＋1臺(tái)電泵備用”的運(yùn)行模式。實(shí)際生產(chǎn)中，由于蒸汽量不足，只能采用“1臺(tái)透平泵、2臺(tái)電泵運(yùn)行＋1臺(tái)透平泵備用”的運(yùn)行模式。后一種運(yùn)行模式下，一旦出現(xiàn)1臺(tái)透平泵或電泵故障跳車將會(huì)帶來(lái)以下兩個(gè)問(wèn)題：一是蒸汽透平開(kāi)車操作復(fù)雜，啟動(dòng)前需暖管預(yù)熱，啟動(dòng)耗時(shí)在0.5h以上，而用水單元是無(wú)法承受循環(huán)水量降低1／3的壓力的；二是若出現(xiàn)電泵跳車，由于蒸汽量不足，備用透平泵是否可啟動(dòng)取決于各蒸汽使用單元能否及時(shí)協(xié)調(diào)出多余的蒸汽，顯然此時(shí)備用透平泵能否真正起到備用的作用尚不確定。

（2）冷卻系統(tǒng)風(fēng)機(jī)啟動(dòng)電流過(guò)大（啟動(dòng)電流為額定電流的6～8倍，即有可能達(dá)到2400～3200A），易引起用電設(shè)備晃電跳閘。2012年11月18日13：00，啟動(dòng)風(fēng)機(jī)J0205B時(shí)，因啟動(dòng)電流過(guò)大引發(fā)1＃變壓器400V進(jìn)線開(kāi)關(guān)過(guò)流跳閘，導(dǎo)致另2臺(tái)風(fēng)機(jī)（J0205A、J0205D）和冷凝液泵（2003J）、加藥泵（U0201JA）跳車，同時(shí)400V母聯(lián)備自投動(dòng)作合閘；繼續(xù)啟動(dòng)J0205A、J0205B、J0205D，又引發(fā)2＃變壓器6kV饋線開(kāi)關(guān)過(guò)流跳閘，低壓全部失電，6臺(tái)風(fēng)機(jī)J0205A／B／E／F／G／H和冷凝液泵（2003J／JA）、旁濾泵（J0202A）跳車。

（3）2012年8月海南省工信廳下文要求各企業(yè)逐步淘汰高耗能設(shè)備，使用節(jié)能型設(shè)備，而富島公司化肥二部循環(huán)水系統(tǒng)全年大部分時(shí)間運(yùn)行8臺(tái)電動(dòng)風(fēng)機(jī)，按年運(yùn)行330d粗略估算，年耗電量為8×200×330×24＝12672000kW·h，能耗較高。

綜合分析上述情況，結(jié)合國(guó)內(nèi)同行業(yè)在節(jié)能領(lǐng)域的經(jīng)驗(yàn)，富島公司化肥二部決定采用水力透平技術(shù)對(duì)循環(huán)水系統(tǒng)進(jìn)行改造。

3 循環(huán)水系統(tǒng)改造方案

3.1 改造的可行性分析

3.1.1 水力風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的計(jì)算

（1）冷卻塔氣水比。富島公司化肥二部循環(huán)水系統(tǒng)冷卻塔單塔設(shè)計(jì)進(jìn)水量（Q水）為4000 m3／h，單塔設(shè)計(jì)風(fēng)量（Q風(fēng)）為2568000m3／h，據(jù)氣水比（μ）計(jì)算公式μ＝Q風(fēng)ρ氣／（Q水ρ水）（式中：ρ氣為空氣在20℃時(shí)的密度，取1.205 kg／m3；ρ水為水的密度，取1000kg／m3），可得冷卻塔設(shè)計(jì)氣水比μ＝0.774。

（2）冷卻塔的實(shí)際風(fēng)量。富島公司化肥二部循環(huán)水系統(tǒng)最大循環(huán)水量為26478m3／h，則單塔實(shí)際最大進(jìn)水量（Q水′）為3310m3／h，由氣水比計(jì)算公式可得Q風(fēng)′＝μQ水′ρ水／ρ氣，即單塔實(shí)際風(fēng)量（Q風(fēng)′）為2126091m3／h。

（3）水力風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。富島公司化肥二部循環(huán)水系統(tǒng)電動(dòng)風(fēng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速 （n）為127 r／min，單塔設(shè)計(jì)風(fēng)量（Q風(fēng)）為2568000m3／h、實(shí)際風(fēng)量（Q風(fēng)′）為2126091m3／h；風(fēng)機(jī)風(fēng)量與轉(zhuǎn)速成正比，即Q風(fēng)／Q風(fēng)′＝n／n′，可得水力風(fēng)機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速（n′）為105r／min。

結(jié)論一：當(dāng)冷卻塔單塔實(shí)際進(jìn)水量為3310 m3／h時(shí)，冷卻塔單塔所需風(fēng)量為2126091m3／h，理論上風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)105r／min即可滿足冷卻要求。

3.1.2 水力風(fēng)機(jī)輸出功率的計(jì)算

（1）電動(dòng)風(fēng)機(jī)輸出功率。富島公司化肥二部循環(huán)水系統(tǒng)電動(dòng)風(fēng)機(jī)電機(jī)額定電壓（U）為380V，運(yùn)行時(shí)的平均電流（I）為265A，電機(jī)功率因數(shù)（cosφ）為0.89，電機(jī)效率 （η電機(jī)）通常在75%～90%之間，取η電機(jī)＝85%，據(jù)電機(jī)功率計(jì)算公式，可得電機(jī)功率P＝155kW，則電動(dòng)風(fēng)機(jī)輸出功率P電機(jī)＝Pη電機(jī)＝132kW。

（2）水力風(fēng)機(jī)輸出功率。富島公司化肥二部循環(huán)水系統(tǒng)冷卻塔單塔實(shí)際最大進(jìn)水量（Q水′）為3310m3／h，冷卻塔高度為13m，尾水管虹吸揚(yáng)程為3m，回水壓力基本保持在0.265MPa（26.5m），則循環(huán)水回水富余揚(yáng)程H＝26.5-13-（-3）＝16.5m；據(jù)水力風(fēng)機(jī)輸出功率計(jì)算公式P水力＝9.81Q水′Hη水力／3600［式中：9.81為重力加速度，m／s2；水力透平效率（η水力）可達(dá)93% ～95%，取93%］，可得P水力＝138kW。

結(jié)論二：由計(jì)算可知，P水力＞P電機(jī)，表明水力透平利用循環(huán)水回水（流體）現(xiàn)有的流量與勢(shì)能可產(chǎn)生大于原電動(dòng)風(fēng)機(jī)電機(jī)的輸出功率。

3.1.3 循環(huán)水泵運(yùn)行效率的計(jì)算

實(shí)際生產(chǎn)中，循環(huán)水泵的實(shí)際循環(huán)水量一般低于銘牌數(shù)據(jù)的10% ～20%，這就導(dǎo)致循環(huán)水泵存在能耗浪費(fèi)。富島公司化肥二部循環(huán)水泵系統(tǒng)4臺(tái)循環(huán)水泵采用三開(kāi)一備的方式運(yùn)行，供水量可達(dá)3×9500m3／h，而實(shí)際運(yùn)行時(shí)循環(huán)水量控制在23007～26478m3／h，即每臺(tái)循環(huán)水泵有674～1831m3／h的余量。

結(jié)論三：循環(huán)水泵能量損耗為7.1% ～19.3%，適當(dāng)削減循環(huán)水泵的葉輪直徑，可降低循環(huán)水泵的額定流量，從而可有效提高循環(huán)水泵的運(yùn)行效率，達(dá)到節(jié)能的目的。

3.2 改造內(nèi)容

3.2.1 冷卻塔系統(tǒng)的改造

保持冷卻塔塔體結(jié)構(gòu)不變，將塔內(nèi)部的減速器及其機(jī)座、外部電機(jī)拆除，在原減速器平臺(tái)處安裝水力透平機(jī)組；冷卻塔上塔管升高至塔上與水力透平進(jìn)水口相接，水力透平出水口與塔內(nèi)布水總管相接，增設(shè)旁路管與原有進(jìn)塔配水管相接，一方面方便停運(yùn)水力透平機(jī)組時(shí)的檢修，另一方面可通過(guò)控制旁路閥開(kāi)度調(diào)節(jié)水力透平入口流量以控制其轉(zhuǎn)速；設(shè)置水力透平機(jī)組轉(zhuǎn)速、油溫和振動(dòng)的在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，由DCS對(duì)其運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。

3.2.2 循環(huán)水泵系統(tǒng)的改造

將循環(huán)水泵系統(tǒng)由“1臺(tái)透平泵、2臺(tái)電泵運(yùn)行＋1臺(tái)透平泵備用”的運(yùn)行模式改為“1臺(tái)透平泵、2臺(tái)電泵運(yùn)行＋1臺(tái)電泵備用”的運(yùn)行模式，因此需拆除1臺(tái)蒸汽透平機(jī)組、新增1臺(tái)高壓電機(jī)。具體內(nèi)容為：保持循環(huán)水泵2001JB泵體部分整體不變，將動(dòng)力源部分轉(zhuǎn)速5200 r／min的中壓蒸汽透平機(jī)組及其附屬蒸汽管線、油系統(tǒng)、減速器拆除，對(duì)原透平機(jī)組基座進(jìn)行改造，將其作為新增6kV高壓電機(jī)的安裝平臺(tái)，循環(huán)水泵2001JB由6kV高壓電機(jī)通過(guò)聯(lián)軸節(jié)直接帶動(dòng)運(yùn)行；此外，為提高循環(huán)水泵的運(yùn)行效率，適當(dāng)削減循環(huán)水泵的葉輪直徑。

3.3 改造實(shí)施情況

2012年4月—2013年1月，富島公司化肥二部逐步完成了水力透平取代電機(jī)驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)J0205C／E／G的改造。由于J0205C／E／G改造后存在水力透平尾水排出沖擊冷卻塔填料層的問(wèn)題，經(jīng)研究決定將水力透平進(jìn)出水方式由“一進(jìn)一出”調(diào)整為“一進(jìn)四出”。2019年年初對(duì)剩余的5臺(tái)風(fēng)機(jī)J0205A／B／D／F／H進(jìn)行水力透平取代電機(jī)驅(qū)動(dòng)改造時(shí)，采用了“一進(jìn)四出”的改進(jìn)型水力透平。此外，在2019年5月大修期間，將循環(huán)水泵2001JB的動(dòng)力源由蒸汽透平改為6kV的高壓電機(jī)，并完成了4臺(tái)循環(huán)水泵（2001JA／B／C／D）葉輪削減的節(jié)能改造工作。2020年5月將風(fēng)機(jī)J0205C／E／G的原水力透平機(jī)組也更換為了改進(jìn)型水力透平機(jī)組。

3.4 改造效果

（1）對(duì)改造前后冷卻塔進(jìn)水量、給回水溫差、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、循環(huán)水泵電機(jī)電流等進(jìn)行測(cè)定，結(jié)果見(jiàn)表1?？梢钥闯觯焊脑旌螅m然給水壓力、回水壓力、循環(huán)水泵出口壓力以及風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速（運(yùn)行8臺(tái)風(fēng)機(jī)時(shí)）略有降低，但冷卻塔的降溫效果并未受到影響；改造后循環(huán)水泵電機(jī)電流略有降低，表明循環(huán)水泵的能耗在降低。

表1 改造前后循環(huán)水系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)的對(duì)比

（2）從現(xiàn)場(chǎng)的運(yùn)行情況來(lái)看，改造后循環(huán)水系統(tǒng)運(yùn)行狀況良好，達(dá)到了預(yù)期效果，解決了不少問(wèn)題：高溫天氣時(shí)運(yùn)行7臺(tái)風(fēng)機(jī)與運(yùn)行8臺(tái)風(fēng)機(jī)的冷卻降溫效果一樣，由此可備用1臺(tái)風(fēng)機(jī)，消除改造前風(fēng)機(jī)全部處于運(yùn)行狀態(tài)而無(wú)備機(jī)的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)；循環(huán)水泵系統(tǒng)采用“1臺(tái)透平泵、2臺(tái)電泵運(yùn)行＋1臺(tái)電泵備用”的運(yùn)行模式，電泵作為備用泵可在極短時(shí)間內(nèi)啟動(dòng)運(yùn)行，避免循環(huán)水出現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間供應(yīng)不足而影響用水單位的用水，從而消除了生產(chǎn)隱患；循環(huán)水系統(tǒng)排污量和補(bǔ)水量明顯降低，表明冷卻塔飄逸損失大幅減少，節(jié)水效果明顯。

（3）對(duì)于循環(huán)水冷卻系統(tǒng)而言，風(fēng)機(jī)進(jìn)行100%無(wú)電化改造后，粗略估算每年可節(jié)電12672000kW·h，相當(dāng)于節(jié)約1557.39t標(biāo)煤；電價(jià)以0.615元／（kW·h）計(jì)，每年可節(jié)約用電成本約779.328萬(wàn)元，經(jīng)濟(jì)效益十分可觀。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，富島公司化肥二部循環(huán)水系統(tǒng)通過(guò)采用水力透平技術(shù)進(jìn)行節(jié)能改造，使冷卻塔風(fēng)機(jī)實(shí)現(xiàn)了100%無(wú)電化運(yùn)行，達(dá)到了節(jié)能降耗的目的。雖然循環(huán)水系統(tǒng)在工藝生產(chǎn)中不產(chǎn)生直接經(jīng)濟(jì)效益，且存在能耗高、運(yùn)行效率低、能源浪費(fèi)嚴(yán)重的缺點(diǎn)，但其是工藝生產(chǎn)系統(tǒng)不可缺少的組成部分，如何在企業(yè)節(jié)能降耗工作中充分地挖掘其潛力，值得業(yè)內(nèi)同仁深思和交流學(xué)習(xí)。