王琳， 汪炎， 張輝

（東華工程科技股份有限公司， 合肥 230024）

在石油化工、 鋼鐵、 電力等行業(yè)， 開(kāi)式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)是普遍應(yīng)用的一種冷卻技術(shù)， 逆流式機(jī)械通風(fēng)冷卻塔又是該系統(tǒng)中最常用的一種。 隨著碳達(dá)峰碳中和目標(biāo)的提出以及科技進(jìn)步， 節(jié)能、 綠色發(fā)展將是必然趨勢(shì)。 近年來(lái)， 針對(duì)循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的運(yùn)行特點(diǎn)， 水輪機(jī)驅(qū)動(dòng)的風(fēng)機(jī)在冷卻塔中的應(yīng)用技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。 水輪機(jī)的發(fā)展已經(jīng)歷了幾代［1］， 有學(xué)者研發(fā)出了結(jié)構(gòu)小巧， 可直接安裝在冷卻塔內(nèi)部的特性蝸殼水輪機(jī)［2］。 不管何種型式的水輪機(jī)， 其在冷卻塔中運(yùn)行的穩(wěn)定性、 適用性及出現(xiàn)的問(wèn)題均是行業(yè)內(nèi)關(guān)注的焦點(diǎn)， 為此調(diào)研了3 家不同行業(yè)的生產(chǎn)企業(yè)， 分析了水輪機(jī)在冷卻塔中的運(yùn)行情況。

1 水輪機(jī)驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)的冷卻塔工作原理

水輪機(jī)驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)的冷卻塔是水輪機(jī)利用循環(huán)冷卻水系統(tǒng)中的富余能量驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)的冷卻塔。 水輪機(jī)驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)的冷卻塔是一種新型高效節(jié)能產(chǎn)品， 其核心技術(shù)是高效率水輪機(jī)取代傳統(tǒng)的電機(jī)作為風(fēng)機(jī)動(dòng)力， 使風(fēng)機(jī)由原來(lái)的電力驅(qū)動(dòng)改為水力驅(qū)動(dòng)，達(dá)到節(jié)能目的［3］。 水輪機(jī)的輸出軸直接與風(fēng)機(jī)連接， 從而帶動(dòng)其旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生冷卻效果， 并不增加水泵的功耗， 不僅保持了傳統(tǒng)冷卻塔的工作原理， 而且保證與原冷卻塔氣水比相同， 可以滿足換熱設(shè)備的工藝要求， 這種節(jié)能改造是“系統(tǒng)能量的二次利用或回收”。

2 水輪機(jī)在冷卻塔中的運(yùn)行情況

2.1 某石油化工廠應(yīng)用實(shí)例

某石油化工廠的循環(huán)水站設(shè)計(jì)規(guī)模為12 000 m3／h， 設(shè)有3 臺(tái)逆流式機(jī)械通風(fēng)冷卻塔， 單臺(tái)塔設(shè)計(jì)流量為4 000 m3／h。 風(fēng)機(jī)直徑為9 144 mm， 1 臺(tái)采用變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)， 1 臺(tái)采用非變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)， 電機(jī)功率是185 kW， 另外1 臺(tái)采用水輪機(jī)驅(qū)動(dòng)。 設(shè)計(jì)供水壓力為0.45 MPa， 回水壓力為0.25 MPa， 給水溫度為33 ℃， 回水溫度為43 ℃， 工藝裝置換熱器最高25 m。 本項(xiàng)目新建時(shí)就采用了1臺(tái)水輪機(jī)。

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行循環(huán)冷卻水量約為10 100 m3／h，供水壓力為0.40 MPa， 回水壓力為0.24 MPa， 給水溫度為29.6 ℃， 回水溫度為35.6 ℃。 現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)調(diào)節(jié)循環(huán)回水管的閥門(mén)調(diào)配流量， 保證水輪機(jī)的轉(zhuǎn)速n ≤127 r／min， 水輪機(jī)驅(qū)動(dòng)的進(jìn)水閥門(mén)開(kāi)度約50%， 電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的進(jìn)水閥門(mén)開(kāi)度約25%。 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)水輪機(jī)轉(zhuǎn)速n ≤122 r／min， 2 臺(tái)風(fēng)機(jī)的電機(jī)均在工頻運(yùn)行。

目前冷卻塔已經(jīng)運(yùn)行5 a， 在運(yùn)行過(guò)程中一般不調(diào)整水輪機(jī)的轉(zhuǎn)速， 冬季氣溫低時(shí)， 首選開(kāi)啟水輪機(jī)運(yùn)行， 其次是變頻電機(jī)。 在這5 a 的運(yùn)行過(guò)程中， 水輪機(jī)的轉(zhuǎn)速表失靈過(guò)， 需要基礎(chǔ)的維保工作如常規(guī)巡檢記錄， 更換機(jī)油等， 沒(méi)有其他特殊的維護(hù)。 但現(xiàn)場(chǎng)人員對(duì)循環(huán)水站全部風(fēng)機(jī)均由水輪機(jī)驅(qū)動(dòng)仍存在顧慮， 擔(dān)心夏季水輪機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)不正常會(huì)影響生產(chǎn)， 認(rèn)為部分水輪機(jī)驅(qū)動(dòng)部分電機(jī)驅(qū)動(dòng)的模式更為合適， 既節(jié)能， 又穩(wěn)定。

2.2 某化工廠應(yīng)用實(shí)例

某化工廠循環(huán)水站設(shè)計(jì)規(guī)模為12 000 m3／h，設(shè)有3 臺(tái)逆流式機(jī)械通風(fēng)冷卻塔， 單臺(tái)塔設(shè)計(jì)流量為4 000 m3／h。 3 臺(tái)冷卻塔風(fēng)機(jī)全部采用水輪機(jī)驅(qū)動(dòng)。 設(shè)計(jì)供水壓力為0.35 MPa， 水輪機(jī)進(jìn)口壓力為0.06 MPa。 給水溫度為33 ℃， 回水溫度為41 ℃，工藝裝置換熱器最高23 m。 本項(xiàng)目新建時(shí)就全部采用了水輪機(jī)。

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行循環(huán)冷卻水量約為5 800 m3／h，供水壓力約為0.30 MPa， 回水壓力為0.17 MPa， 水輪機(jī)進(jìn)口壓力為0.008 MPa， 給水溫度為31.8 ℃，回水溫度為36.7 ℃。 實(shí)際的運(yùn)行水量?jī)H為設(shè)計(jì)水量的一半左右， 現(xiàn)場(chǎng)的3 臺(tái)冷卻塔全部在運(yùn)行當(dāng)中， 實(shí)測(cè)水輪機(jī)的轉(zhuǎn)速為98 r／min（設(shè)計(jì)值為127 r／min）。 冷卻塔已經(jīng)運(yùn)行1 a 多， 因?yàn)槟壳肮に囇b置的負(fù)荷較低， 循環(huán)冷卻水量較少， 2 臺(tái)循環(huán)水泵在均低頻運(yùn)行， 3 臺(tái)冷卻塔全部運(yùn)行。 現(xiàn)場(chǎng)人員表示現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行以滿足工藝的需求， 盡量減少運(yùn)行工況及工藝換熱裝置的調(diào)整為原則， 所以即使水輪機(jī)的轉(zhuǎn)速較低， 冷卻塔的開(kāi)啟數(shù)量也沒(méi)有做相應(yīng)的調(diào)整。

該化工廠的水輪機(jī)一直處于低負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)，為了驗(yàn)證在不同狀態(tài)下的冷卻效果以及不同流量壓力狀態(tài)下系統(tǒng)的詳細(xì)情況， 對(duì)循環(huán)冷卻水進(jìn)行了一次驗(yàn)證性工況調(diào)整。 系統(tǒng)調(diào)整過(guò)程中僅是關(guān)閉了其中1 臺(tái)冷卻塔的上塔閥門(mén)， 讓剩余2 臺(tái)冷卻塔提高運(yùn)行負(fù)荷， 其他未做任何調(diào)整。 調(diào)整后的水輪機(jī)轉(zhuǎn)速分別是133 r／min 和126 r／min， 接近額定工況127 r／min。 關(guān)閉1 臺(tái)冷卻塔后， 水輪機(jī)的運(yùn)行效率提高， 循環(huán)水泵的電流下降1 A， 相應(yīng)水泵運(yùn)行功率降低十幾千瓦， 此次調(diào)整持續(xù)了3 h， 滿足生產(chǎn)要求。

2.3 某精細(xì)化工廠應(yīng)用實(shí)例

某精細(xì)化工廠循環(huán)水站設(shè)計(jì)規(guī)模為21 000 m3／h， 設(shè)有7 臺(tái)逆流式機(jī)械通風(fēng)冷卻塔， 單臺(tái)塔設(shè)計(jì)流量為3 000 m3／h。 7 臺(tái)冷卻塔中6 臺(tái)風(fēng)機(jī)采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)， 1 臺(tái)風(fēng)機(jī)采用水輪機(jī)驅(qū)動(dòng)， 水輪機(jī)選取的設(shè)計(jì)流量比單塔流量略大， 為4 000 m3／h。 設(shè)計(jì)供水壓力為0.58 MPa， 給水溫度為33 ℃， 回水溫度為41 ℃。 本項(xiàng)目的水輪機(jī)是后來(lái)改造時(shí)代替原來(lái)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的。

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行循環(huán)冷卻水量約為16 000 m3／h，供水壓力為0.412 MPa， 回水壓力為0.258 MPa， 給水溫度為30.58 ℃， 回水溫度為34.46 ℃。 現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)調(diào)節(jié)循環(huán)回水管的閥門(mén)調(diào)配流量， 保證水輪機(jī)的轉(zhuǎn)速， 水輪機(jī)驅(qū)動(dòng)的進(jìn)水閥門(mén)開(kāi)度約為40%， 其他電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的進(jìn)水閥門(mén)開(kāi)度分別約為11.4%、7.8%、 18.4%、 12.1% 和11.3%。 鄰近水輪機(jī)的1臺(tái)電機(jī)驅(qū)動(dòng)冷卻塔的進(jìn)水閥門(mén)未開(kāi)， 這2 臺(tái)塔的進(jìn)水均通過(guò)水輪機(jī)后， 經(jīng)連通管配置到另外1 臺(tái)冷卻塔中。 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)水輪機(jī)轉(zhuǎn)速為113 r／min。 為保證水輪機(jī)的轉(zhuǎn)速不超速， 設(shè)置了旁路， 當(dāng)水輪機(jī)的轉(zhuǎn)速超出上限值時(shí)， 報(bào)警并連鎖開(kāi)啟旁路的電動(dòng)閥門(mén)。

目前該廠冷卻塔已經(jīng)運(yùn)行近5 a， 夏季冷卻塔均正常運(yùn)行， 冬季氣溫低的時(shí)候， 水輪機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)， 電機(jī)驅(qū)動(dòng)的冷卻塔循環(huán)冷卻水僅上塔不開(kāi)風(fēng)機(jī)， 可以節(jié)能。

綜上， 電機(jī)驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)與水輪機(jī)驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)運(yùn)行維護(hù)對(duì)比分析見(jiàn)表1。

表1 電機(jī)驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)與水輪機(jī)驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)運(yùn)行維護(hù)對(duì)比分析Tab. 1 Constrast and analysis of operation and maintenance of draught fan driven by motor or water turbine

3 結(jié)語(yǔ)

（1） 調(diào)研的3 個(gè)廠的水輪機(jī)有新建有改造， 有全部使用水輪機(jī)也有部分使用水輪機(jī)的， 有基本在設(shè)計(jì)工況運(yùn)行的， 也有離設(shè)計(jì)工況偏差較大的， 從現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行來(lái)看， 存在能力富余的情況下， 水輪機(jī)驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)的冷卻塔運(yùn)行穩(wěn)定， 可以達(dá)到節(jié)能目的。

（2） 就現(xiàn)場(chǎng)反饋來(lái)看， 水輪機(jī)的運(yùn)行調(diào)節(jié)匹配與電機(jī)相比要求較高， 水輪機(jī)調(diào)節(jié)的關(guān)鍵參數(shù)是轉(zhuǎn)數(shù)， 在水輪機(jī)額定轉(zhuǎn)數(shù)下運(yùn)行高效且穩(wěn)定， 在實(shí)際運(yùn)行與設(shè)計(jì)工況差別較大時(shí)， 會(huì)給現(xiàn)場(chǎng)的調(diào)試帶來(lái)挑戰(zhàn)。 就市場(chǎng)應(yīng)用而言， 大規(guī)模循環(huán)水站全部使用水輪機(jī)驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)的案例較少， 多數(shù)情況是部分電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分水輪機(jī)驅(qū)動(dòng)的“混搭”模式。

（3） 在運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)流量波動(dòng)或季節(jié)更替時(shí)， 現(xiàn)場(chǎng)通常的做法是能滿足工藝運(yùn)行即可， 而不是調(diào)節(jié)到水輪機(jī)運(yùn)行和換熱器運(yùn)行匹配的最佳狀態(tài)。 運(yùn)行中的系統(tǒng)調(diào)整會(huì)增加現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試的工作量，需要現(xiàn)場(chǎng)工藝車(chē)間、 循環(huán)冷卻水車(chē)間等多工段、 多部門(mén)配合才能完成。

（4） 采用水輪機(jī)驅(qū)動(dòng)的循環(huán)冷卻水系統(tǒng)可能會(huì)對(duì)目前循環(huán)冷卻水系統(tǒng)調(diào)試模式造成改變， 目前尚缺乏全系統(tǒng)調(diào)試的經(jīng)驗(yàn)， 建議從這方面入手， 積累成熟的調(diào)試數(shù)據(jù)， 編制操作手冊(cè)， 以此為突破推廣水輪機(jī)驅(qū)動(dòng)的風(fēng)機(jī)在冷卻塔中的應(yīng)用， 節(jié)能降耗，助力碳達(dá)峰碳中和。