无电耗水轮机在循环水系统中的推广应用

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(青海发投碱业有限公司, 青海 德令哈 817099)

随着纯碱工业的迅速发展，环境资源对企业的节能减排工作提出了更高更严的要求，只有不断地进行节能生产技术改造、优化生产工艺、降低能耗，才能更好地促进企业和当地经济发展。为提高我公司能源、资源利用效益和水平，结合实际生产情况，我公司对循环水冷却塔进行节能技术改造工作。基于省电节能减排的考虑，在循环水冷却塔采用的无电耗贯流式水轮机，充分利用循环水系统中富余的水压驱动水轮机转轮，从而利用传动轴、减速机带动风叶转动。既省去了冷却塔原先配备风机所用的电机，又不额外增加循环水泵的电耗，因此省电达100%。

1 循环水系统介绍

青海发投碱业有限公司水气车间五台4 200 m3/h循环水冷却塔，用于生产系统循环水降温。具体工艺为：循环水吸水池经补充水达到规定液位(≥3.3 m)后，通过循环水泵加压，将温度小于27 ℃、压力大于0.40 MPa的循环水送往各生产工序进行降温，回水温度降为31～39 ℃、压力变为0.08～0.25 MPa，靠余压回到冷却塔。改造前循环水系统五台冷却塔风机均由电机带动，电机功率为132 kW。

调节循环水泵是可以调节循环水压力，但为了达到节电降耗的目的，我公司把水气车间1#、2#、4#冷却塔冷却风机电机拆除，在原电机基础安装无电耗水轮机，以此带动冷却风机。

2 无电耗水轮机的特点

水轮机是把水流的能量转换为机械能的动力机械，它属于流体机械中的透平机械。在循环水系统中，带有足够压力和能量的水经引水管引向水轮机，推动水轮机叶轮旋转，带动冷却塔风机做功。做完功的水则通过回水管道连接到塔内配水管道上。水压越高、流量越大，水轮机的输出功率也就越大。

1)节能：无电耗贯流式水轮机利用化工循环水系统富余水压驱动水轮机转轮，利用传动轴、减速机带动风叶转动做功，既完全省去了冷却塔原有风机所用的电机，又不增加循环水泵的电耗，因此省电达100%。

2)低振动低噪音：取消了传统型冷却塔配备电机等设备，降低了冷却塔运行时的机械振动及噪音；风机以水为动力，消减了水流的能量，喘振小噪音低。

3)防漏电：由于不带电机，特别适用于在防爆、高危环境下运行，在一定程度上杜绝了电机的漏电、电控设备、损坏等故障。

4)冷却效果好：随着季节的变化，水轮机的转速也随循环水压力的增减而增减，风量也随之增减，使冷却塔的气水比稳定在最佳状态，从而达到冷却效果最好。

3 无电耗水轮机应用于循环水冷却塔

我公司位于青海省海西蒙古族藏族自治州德令哈市，平均海拔2 981.5 m，平均气压70.8 kPa， 年平均气温4.28 ℃,昼夜温差和冬夏两季温差较大，因此我公司在此次改造过程中充分考虑了高原降效及特殊的环境因素影响，重点关注设备材质、关键元部件等选型问题，而在平原地区不做特殊要求。

无电耗水轮机技术虽然在纯碱行业被广泛应用，但受到生产工艺、生产规模等条件的影响，需对设备材质、关键元部件等进行选型。本次改造过程中的水轮机叶轮采用不锈钢材质；采用质量可靠的进口轴承，并且选用的轴承安全系数较大，保证了使用寿命；水轮机进水端的轴承腔采用机械密封，水轮机出水端的轴承腔采用多重密封加离心甩水的形式；采用DCS控制系统，便于监控回水压力等参数。为了保证改造后水轮机运行更平稳，以及减小热胀冷缩对设备的影响，在水轮机进水端和出水端都要安装软连接；为了更好的监测水轮机的运行状态，在水轮机的进水端和出水端都要安装压力表。

3.1 水轮机技术参数

水轮机效率：87%～93%

水轮机进水量：≥4 200 m3/h

水轮机进口压力：0.06～0.10 MPa

3.2 冷却塔顶能达到压力值的测算

1)不改变系统工艺流程

2)不改变循环水泵出口阀的开度

3)不改变循环水泵出口压力

4)不改变循环水泵电机的运行电流

5)不改变冷却塔任何结构

图1 冷却塔示意图

表1 循环水系统正常运行时各压力测点的数值

结论：在不改变水泵工况的情况下，可以测出冷却塔回水压力最高能达到0.21 MPa以上，塔顶电机中心与塔下调节阀前的压力表的高度差为12.8 m，用压力来表示即为0.128 MPa，经过计算塔顶电机中心处的压力可以达到0.21-0.128=0.082 MPa。此压力能够满足水轮机改造条件转速达到1 500 r/min。低于此压力无法带动水轮机做功，也就达不到将循环水系统中的富余能量转换成机械能，再驱动风机做功对热水降温的作用。原循环水温度调节只能靠开停风机，这样水温变化幅度较大，不利于化工生产操作。改造后水温整体降低10 ℃，且可以调节水轮机转速来调节水温，生产更平稳。

4 设备安装

无电耗水轮机改造简便，用水轮机代替塔顶电机，不涉及循环水泵及循环水管线等设备。具体做法是拆除冷却塔顶电机，保留原有的传动轴和减速机，风机及配套轮毂，新安装的水轮机则安装在塔顶指定位置。循环冷却塔顶南侧原有进水管先接到水轮机入口，循环水流经水轮机并对其做功能量转换后从水轮机出水管引出。出水管连接到冷却塔的配水系统，循环水由配水系统进行雾化喷淋冷却。

为了减小水轮机运行时的轻微振动以及热胀冷缩的缺陷对设备使用寿命的不良影响，在水轮机进水管线和出水管线处安装软连接。为了更好的监测水轮机的正常运行状态，在水轮机的进水管线和出水管线处都要安装压力表。

根据工艺生产布置的要求，水轮机及附属区域由水轮机加强机座、管托连接组成。水轮机加强机座充分利用原电机机座，在超出原电机机座的部分可靠连接到塔顶平台上；平衡管设置到循环水吸水池壁的正上方，管托支撑到水池壁上，可避免另做基础的影响。

5 项目效益分析

该项目设备总投资为440万元。

冷却塔年运行时间约8 400 h，电机功率为132 kW/台，实际运行系数约0.85，电价按0.40元/kWh计算。对1#、2#、4#冷却塔进行改造，项目实施后，理论上每年可节约用电283万kWh，电费113万元。