混流式水轮机替代电动风机的节能改造

(中海石油化学股份有限公司，海南 东方 572600)

我公司循环水冷却塔为传统的LF-92Ⅲ型敞开式冷却塔，共8台，采用逆流机械抽风，即通过电动风机(J0205C)抽风。闭路循环水设计总量32 000 m3/h，单塔设计冷却水量为4 000 m3/h；闭路循环水给水总管压力≥0.45 MPa、回水总管压力≥0.25 MPa，循环冷却水给水温度≤33 ℃、回水温度≤43 ℃(温差10 ℃)；2012年3月，利用主装置停车检修机会，将J0205C改为混流式水轮机，利用循环水系统中位差势能及浪费的能量(各处阀门节流的能量)来推动转轮做功，使水能转换成机械能，从而替代传统电机，节约大量电力费用，其效果显著。现就此项改造作一简介。

1 现场概况

1.1 冷却塔原设计参数

1.1.1水泵部分

型号 1 000×700CDGT

数量 4台(开3备1)

额定流量 9 500 m3/h

电机功率 1 650 kW

额定扬程 50 m

出口阀门开度 55%

1.1.2风机部分

电机功率 200 kW

风机直径 9 140 mm

风机转速 127 r/min

风量 2 560 km3/h

1.1.3冷却塔部分

型号 LF-92111

结构型式 方形逆流水泥组合塔

额定流量 4 000 m3/h

额定温差 10 ℃

数量 8台

1.2 实际工况

循环水总管流量 28 200 m3/h

单台塔平均流量 3 525 m3/h

冷却塔上水压力 0.46 MPa

冷却塔回水压力 0.26 MPa

2 改造依据及相关参数的计算

据冷却塔设计原理，气水比为一定值，多大的流量匹配多大的风量；在湿球温度不变的情况下，富余的风量并不会明显提升冷却效果。所以，我们可计算，冷却塔工作过程中，循环水(实际流量)冷却时所需的实际风量。

(1)冷却塔设计额定流量为4 000 m3/h，设计风量为2 560 km3/h，据采用的设计风量计算公式“设计风量=冷却塔额定流量×气水比×1 000÷1.2(kg)”，可算得气水比=2 560 000×1.2÷4 000÷1 000=0.76。

(2)化工系统循环水实际流量所需实际风量的计算。由于化工系统循环水实际流量为3 525 m3/h，则按上述公式计算，所需实际风量=3 525×0.76×1 000÷1.2=2 232 500(m3/h)。

(3)实际风量所需的风机转速的计算。已知风机额定转速N1=127 r/min、风机额定风量G1=2 560 km3/h、风机实际风量G2=2 232.5 km3/h，据风机转速与风量的关系式N1/N2=G1/G2，则风机实际转速N2=127×2 232 500÷2 560 000=111(r/min)。

据以上计算可知，当循环水实际单塔流量在3 525 m3/h时，所需风量为2 232 500 m3/h，理论上风机转速111 r/min即可达到冷却效果。

(4)采用水轮机对4 000 m3/h冷却塔实施节能改造时，据核算，水轮机进水压头不低于0.13 MPa、系统冷却塔回水总管压力为0.25 MPa，即可满足水轮机的工况要求。

3 混流式水轮机简介

3.1 水轮机的工作原理

混流式可调速水轮机又叫法兰西斯式水轮机，主要工作部件是叶轮，流体的能量驱动叶轮旋转，带动风机叶片；其旋转叶片之间水流有自由表面，水流变化较大时适应能力较好，转轮前后水流压差是主要的动能，能量的转换效率较高；增设尾水管回收能量，并使布水压力恒定。

3.2 混流式可调速水轮机的优点

(1)节电。改造后拆除了风机电机，节电效果一目了然。

(2)环保。冷却塔改造以后，振动、噪音远远小于传统的机械通风冷却塔。

(3)冷效高。水轮风机转速在压力不变时与流量的三次方呈正比，风量随之增减，气水比始终稳定在较好状态。

(4)可靠性好。水轮机设计严谨合理，运转平稳，易损件少，维修方便；水轮机的设计使用寿命在10 a以上，不存在电机、减速机长期暴露在室外易引起电机漏电、烧毁、短路、漏油等机械故障。

(5)毋需防爆。混流式水轮机可适用于冷却塔任意工况下安全运行，毋需增加防爆措施，不仅节省了费用，还增加了生产安全系数。

4 设备更新改造内容

保持塔体结构不变，将塔内部的减速器及其机座、外部电机部件拆除，在原减速器机处安装混流式可调速水轮机；冷却塔上塔水管升高至塔上与水轮机进水口相接，水轮机出水口与塔支管相接，并增设旁路系统(选装电控阀门)，用来调节水轮机入口流量，进而控制转速，以及检修时使用。另外，设在线监测转速、油温和振动的DCS系统，利用原有风机油温、振动探头(振动监测使用三维的)，并新增转速探头；温度、振动、转速与旁路电动阀联锁，当任何一个参数超过设计值时，旁路电动阀打开，大部分水走原来的管线，风机转速降低，以便对风机实施保护。

安装水轮机后冷却塔墙体剖面如图1所示。

5 改造效果及经济效益

改造前，冷却塔给水压力0.46 MPa、回水压力0.26 MPa、循环水温差9.7 ℃、循环水泵电机电流155 A；改造后则分别为0.48 MPa、0.276 MPa、9.7 ℃、152 A。从上述数据可看出，冷却塔给回水压力较改造前略有上涨，循环水泵电机能耗略有下降，循环水温差维持不变。

采用混流式可调速水轮机后，每年节约的电费是相当可观的，按300 d/a，电机功率200 kW，电费0.68元/kW·h计，则1台水轮机节约的电费大约是200 kW×24 h/d×300 d/a×0.68元/kW·h=97.92万元/a。

用水轮机替代电机驱动冷却塔风机是一项节能创新技术，符合国家节能减排的要求。单塔每年可节约1 440 000 kW·h电，相当于每年可减少二氧化碳排放1 435.68 t、节约标煤576 t(据中国碳排放计算标准：1 kW·h电=0.997 kg二氧化碳、1 kW·h电=0.4 kg标煤)。

图1 安装水轮机后冷却塔墙体剖面示意图

6 结 语

采用混流式可调速水轮机替代循环水冷却塔传统的电动风机，能够充分利用循环水泵富裕扬程及余压达到节能的目的，循环水泵能耗没有增加，循环水温差不变，可满足工艺需求，具有明显的经济、环保和运行管理效益。而是否可行，各厂还要根据自身实际情况进行论证，并结合循环水泵工况正确地选用水轮机。

参考文献：

[1]周本省主编.工业水处理技术(第二版)[M].北京：化学工业出版社，2003.

[2]郑源，陈德新主编.水轮机[M].北京：中国水利水电出版社，2011.