魏一平

(云南天安化工有限公司 合成氨制造中心，云南 安寧 650309)

云南天安化工有限公司采用SELL煤氣化工藝制合成氨，設(shè)計(jì)產(chǎn)能50萬t/a，2008年6月開車投產(chǎn)，配套 40000 m3/h 循環(huán)水裝置。

循環(huán)水冷卻系統(tǒng)采用美國馬利逆流敞開式冷卻塔，共9座，單塔設(shè)計(jì)進(jìn)(冷卻)水量為 4500 m3/h，采用電驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī) (單臺(tái)功率 185 kW)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)到循環(huán)水冷卻降溫的目的。循環(huán)水系統(tǒng)由6臺(tái)循環(huán)水泵(5開1備)向熱電、空分、煤氣化、合成氨裝置供應(yīng)循環(huán)水，循環(huán)水泵揚(yáng)程 46 m、設(shè)計(jì)流量 8000 m3/h，采用 6 kV 高壓電機(jī)驅(qū)動(dòng)；旁濾、加藥輔助系統(tǒng)，主要完成循環(huán)水殺菌滅藻、緩蝕阻垢等工作。

整個(gè)循環(huán)水系統(tǒng)循環(huán)水量約 40000 m3/h，給水壓力 0.4 MPa、回水壓力0.25至 0.28 MPa，給水溫度 ≤28 ℃、回水溫度 ≤40 ℃，給水與回水溫差約 8 ℃。循環(huán)水系統(tǒng)流程簡(jiǎn)圖見圖1。

圖1 循環(huán)水系統(tǒng)流程簡(jiǎn)圖

系統(tǒng)風(fēng)機(jī)電機(jī)和水泵電機(jī)能耗較大，風(fēng)機(jī)電機(jī)和減速機(jī)維護(hù)費(fèi)用也較高。為了節(jié)約能源和提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益，決定對(duì)系統(tǒng)冷卻塔一臺(tái)風(fēng)機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)性節(jié)能改造，采用混流式水輪透平替代原風(fēng)機(jī)電機(jī)，作為風(fēng)機(jī)動(dòng)力源，達(dá)到節(jié)能的目的。

1 改造可行性分析

1.1 軸功率匹配校核

冷卻塔節(jié)能改造只有在“水輪機(jī)輸出軸功率≥原電機(jī)輸出軸功率”的條件下，才具備實(shí)施改造的技術(shù)條件[1]。

1)風(fēng)機(jī)軸功率計(jì)算(W電)。

W電=(W×I2×η)/I1

=(185×275×0.83)/333

=126.8(kW)

式中：I1為風(fēng)機(jī)電機(jī)額定電流 (333 A)；I2為風(fēng)機(jī)電機(jī)最大運(yùn)行電流 (275 A)；W為電機(jī)額定功率(185 kW)；η為傳動(dòng)裝置效率(η電機(jī)×η減速機(jī)×η傳動(dòng)軸=0.94×0.9×0.98=0.83)。

2)水輪機(jī)做功壓力(h1)計(jì)算。

h1=W電/(9.81×Q×η)

=126.8/(9.81×1.25×0.92)

=11.2(m)

式中：g為水容重(9.81×103kg/m3)；Q為水輪機(jī)進(jìn)水流量 (4500 m3/h=1.25 m3/s)；η為水輪機(jī)效率(0.92)。

依據(jù)以上計(jì)算，水輪機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到額定轉(zhuǎn)速所需的做功壓力為 11.2 m。

3)水輪機(jī)入水壓力(表壓)(h2)計(jì)算。

h2=水輪機(jī)做功壓力-水輪機(jī)出水口至布水器位差+布水壓力

=11.2-4+1.5=8.7 m

4)改造后系統(tǒng)運(yùn)行狀況分析

改造后水輪機(jī)達(dá)到額定轉(zhuǎn)速所需的回水壓力(以冷卻塔上水管閥前壓力表為參考點(diǎn))：

①該系統(tǒng)塔頂至上水管閥前壓力表位差：H1=17 m-1.4 m=15.6 m(壓力表離地 1.4 m)；②水輪機(jī)進(jìn)水管道中心離塔頂高度：H2=1.0 m；③水輪機(jī)入水壓力：H3=8.7 m。

故改造后以回水母管為參考點(diǎn)的回水壓力計(jì)算如下：

H1+H2+H3

=15.6+1.0+8.7

=25.3 m

壓力點(diǎn)分布圖示如圖2。

圖2 壓力點(diǎn)分布圖

1.2 改造可行性結(jié)論

冷卻塔改造后水輪機(jī)達(dá)到最大運(yùn)行功率風(fēng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速所需回水壓力(以冷卻塔上塔管閥前壓力表為參考點(diǎn))為 25.3 m，現(xiàn)系統(tǒng)回水壓力為 28 m，現(xiàn)回水壓力遠(yuǎn)大于水輪機(jī)滿負(fù)荷運(yùn)行所需的回水壓力要求，因此該系統(tǒng)完全具備水輪機(jī)改造條件，改造是可行的。

2 水力透平優(yōu)勢(shì)

2.1 驅(qū)動(dòng)方式比較

水輪機(jī)為軟驅(qū)動(dòng)(水驅(qū)動(dòng))，啟動(dòng)速度是隨著閥門逐漸開啟，對(duì)水輪機(jī)和風(fēng)機(jī)和相關(guān)設(shè)備損傷較小，如設(shè)備(風(fēng)機(jī)等)有故障，水輪機(jī)可停轉(zhuǎn)或轉(zhuǎn)速減緩，減少設(shè)備損失[2]。

電機(jī)塔啟動(dòng)速度和風(fēng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速一致，對(duì)風(fēng)機(jī)、減速機(jī)，傳動(dòng)裝置和電機(jī)沖擊較大[3]，啟動(dòng)電流較高，所以對(duì)電氣及機(jī)械設(shè)備損傷也較大，如設(shè)備有故障，電機(jī)還照常運(yùn)轉(zhuǎn)，對(duì)設(shè)備來說是破壞性的。

2.2 結(jié)構(gòu)形式比較

水輪機(jī)結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，轉(zhuǎn)動(dòng)裝置由一根軸和兩副軸承組成，運(yùn)轉(zhuǎn)速度也較低，只要按時(shí)保養(yǎng)注油，運(yùn)行故障率較低。

靜壓B軸能輕松實(shí)現(xiàn)0.0001°的進(jìn)給精度，且B軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)以水冷式高轉(zhuǎn)矩電機(jī)為基礎(chǔ)，確保了高水平的轉(zhuǎn)矩。VARIA可在鎖緊及非鎖緊狀態(tài)下正常工作，并實(shí)現(xiàn)了X/Z/B的三軸聯(lián)動(dòng)（需配備KELLENBERGER專利技術(shù)的砂輪自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)KEL-SET）。

電機(jī)塔結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，有電控和機(jī)械傳動(dòng)兩大部分，傳動(dòng)部分由電機(jī)高速通過減速機(jī)減速達(dá)到風(fēng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速，傳動(dòng)部件的傳動(dòng)軸和減速齒輪是最大的故障點(diǎn)[4]。另外，電控裝置的電機(jī)和控制器材也是加大的故障點(diǎn)，故障率遠(yuǎn)大于水輪機(jī)。

2.3 潤(rùn)滑方式比較

水輪機(jī)由于轉(zhuǎn)速低，潤(rùn)滑采用潤(rùn)滑脂潤(rùn)滑，漏油可能性較小。

電機(jī)塔減速箱配置齒輪減速，初級(jí)齒輪轉(zhuǎn)速和電機(jī)的高速一致，潤(rùn)滑需采用稀油潤(rùn)滑，稀油容易滲漏，如缺油齒輪損壞較快。

3 改造方案

3.1 改造工藝流程

具有一定壓力的循環(huán)水回水總管之回水→上塔立管及閥門(DN900)→經(jīng)彎頭進(jìn)水輪機(jī)(XG-HL-4500)→具有一定流量(4500 m3/h)一定壓力(8.7 m)的水流推動(dòng)水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)→水流經(jīng)水輪機(jī)下部出水管(DN450)進(jìn)入冷卻塔的配水系統(tǒng)→水流經(jīng)噴頭均勻地噴灑到填料上部→水流經(jīng)填料孔隙成水膜狀淋到塔下水池。

3.2 安裝布置圖

安裝布置如圖3。

圖3 安裝布置圖

3.3 現(xiàn)場(chǎng)改造

1)改造時(shí)，原框架結(jié)構(gòu)基本不變，只拆除減速機(jī)、傳動(dòng)軸、電動(dòng)機(jī)和略微調(diào)整減速機(jī)基礎(chǔ)高度；2)對(duì)上塔水管進(jìn)行調(diào)整，使循環(huán)水在經(jīng)過水輪機(jī)以后再流入布水系統(tǒng)再進(jìn)行布水；3)改進(jìn)水管為旁通管，通過旁通閥控制停開風(fēng)機(jī)或因環(huán)境變化而控制風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速；4)進(jìn)出水管、水輪機(jī)底座做支撐，風(fēng)筒開孔并加固；5)管道防腐處理；6)開機(jī)調(diào)試。

4 改造效果

4.1 經(jīng)濟(jì)效益

1)風(fēng)機(jī)電機(jī)節(jié)省能耗計(jì)算

冷卻塔技改前單臺(tái)電機(jī)運(yùn)行功率 166.67 kW，單臺(tái)冷卻塔技改后可節(jié)省功耗為 166.67 kW/h。

2)節(jié)電量計(jì)算

每年使用時(shí)間按 8000 h 計(jì)算，年總節(jié)電量為：166.67×8000=1333360(kWh)。

3)每年節(jié)省費(fèi)用

①綜合電價(jià)按0.32元/kWh計(jì)，則每年可節(jié)省費(fèi)用為：1333360×0.32=42.7(萬元)；②每年降低風(fēng)機(jī)減速箱等運(yùn)維費(fèi)用1.5萬元。

4.2 社會(huì)效益

發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)，建設(shè)綠色工廠，推動(dòng)可持續(xù)發(fā)展是當(dāng)下所有企業(yè)共同的社會(huì)責(zé)任。在企業(yè)帶來可觀的經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，也在為社會(huì)節(jié)能減排做出巨大的貢獻(xiàn)。

1)CO2減排分析

據(jù)計(jì)算，如果直接消耗1度電，則間接向大氣排放 0.997 kg CO2。1臺(tái)冷卻塔風(fēng)機(jī)技改年總節(jié)電量為 1333360 kWh，因此可算出每年可減少向大氣中排放的CO2總量為：

1333360×0.997=1329(t)

2)標(biāo)準(zhǔn)煤節(jié)約分析

據(jù)計(jì)算如果直接消耗1度電，則間接消耗 0.404 kg 標(biāo)準(zhǔn)煤。1臺(tái)冷卻塔風(fēng)機(jī)技改年總節(jié)電量為 1333360 kWh，因此可算出每年可節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤的使用量為：

1333360×0.404=538.7(t)

5 結(jié)束語

此次改造非常成功，不僅滿足了生產(chǎn)，而且節(jié)能、減排、增收效果明顯，降低了運(yùn)行成本，達(dá)到了實(shí)驗(yàn)性改造的目的。此次水力透平改造也為循環(huán)水進(jìn)一步節(jié)能改造提供成功經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)提高了企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益，為水處理裝置的安全、經(jīng)濟(jì)、高效運(yùn)行提供保障。