工业凉水塔水轮机技术改造分析

2020-08-26刘秀廷

化工设计通讯 2020年9期

刘秀廷

（中海石油化学股份有限公司，海南东方 572600）

1 项目背景

中海石油化学股份有限公司一期循环水凉水塔风机自投产到现在已经运行18a，凉水塔风机主要由电机驱动，单台电机额定功率为160kW。凉水塔风机在正常情况下八开一备，遇到高温天气九台风机全部运行才能满足后系统生产要求。每台凉水塔风机平均每年按330d运行，单台电机平均耗电量高达1 077 120kW·h。

在凉水塔的循环水泵系统设计的热力学、传热学计算中，由于考虑到设备和系统管道的阻损，一般都要有一些设计余量，在水泵选型时还要在此基础上再乘1.1至1.3作为水泵选型的依据，而在具体选型时往往很难凑巧选到参数完全一致的水泵，根据就高不就低的原则，一般选择扬程较大的水泵。由于上述几种情况的叠加，因此在水泵循环系统中都存在着大量的富余扬程和流量。为了充分回收利用富余扬程，实现节能降耗、保证安全生产的要求，公司决定采用先进水轮机技术，替代传统的电机驱动风机技术。本文简要介绍了风机电机改造为水轮机的过程及效果分析。

2 水轮机的选择

凉水塔风机电机改造为水轮机的技术的核心是水轮机，水轮机的效率决定改造的成功与否，而影响水轮机效率的因素从水轮机选型到工艺结构都对节能改造的系统富余能量的有效利用起着决定性的作用。

2.1 水轮机的分类

水轮机按工作原理可分为冲击式水轮机和反击式水轮机两大类，如图1所示。

图1 水轮机实例图

冲击式水轮机工作原理：冲击式水轮机的转轮因受到水流的冲击而旋转，收缩喷嘴，能把水流能量转变为高速射流的动能，主要是动能的转换。反击式水轮机工作原理：反击式水轮机内的转轮在水中受到水流的反作用力而旋转，工作过程中水流的势能和动能均有改变，主要是势能的转换，其中反击式混流水轮机是最新研究成果。

2.2 水轮机的对比

2.2.1 水轮机能量比较

冲击式水轮机能量计算公式：

对于冲击式水轮机而言，需尽可能减小管道面积以输出更多的能量。对所有的冲击式水轮机而言进水口处都有明显的变径如图1（b）所示，也就相当于在管道上增加了一个阀门，多消耗了一部分能量。

反击式水轮机能量计算公式：

对于反击式水轮机而言，需尽可能增加势能以输出更多的能量。通过反击式水轮机的转轮来增加势能，满足输出功率要求，没有管道变径如图1（a），不存在额外的能量损耗。

对循环水系统而言，反击式水轮机高效率地利用系统中的流量和扬程提供的势能较冲击式水轮机减小管道面积获得更高动能更可取。

2.2.2 水轮机效率及其他比较

两种水轮机对比见表1。

表1 市场反击式混流水轮机与冲击式水轮机对比

如表1所示，反击式混流水轮机效率高于冲击式水轮机，回水压力在0.2～0.3MPa，换算后水头满足反击式混流水轮机水头。根据凉水塔节能技改所应用工业循环水系统的特性，利用循环水系统富余能量驱动水轮机运转，在工业循环水中较小流量和较小压头的前提下，系统能量的有效利用是建立在水轮机高效率的基础上。在相同的流量和水头下，选用效率更高的反击式混流水轮机，可提供更大的轴功率和更高的转速。

2.3 水轮机选型计算

水轮机效率的高低主要看水轮机的转轮，水轮机的转轮是大型发电机组厂家经过多次的试验和改型确定的，其叶片的形状是不可以轻易改变的，对于一定形状的叶片，分别给出三个参数：单位流量（Q1）、单位转速（n1）和单位功率（N1），同一种叶片形状做成不同大小的转轮其上述参数不变。对于特定的转轮，选定了转轮直径（D）和水轮机的利用水头（H）后，水轮机的输出转速（n）、过流量（Q）和输出功率（N）可通过下面的公式求得：

对于选定的转轮型号，即选定水轮机的上述参数后，再选定转轮直径，并根据实际水轮机利用的水头计算水轮机的过流量和输出功率，在过流量和输出功率满足要求的流量和风机轴功率时，则水轮机型号选择合适，如不能满足要求，则更换转轮直径和水轮机型号，直到合适为止。

2.4 改造过程及分析

2.4.1 改造可行性计算凉水塔风机无电化改造的关键是改造后水轮机实际输出轴功率大于改造前风机轴功率（即P输出＞P风机）。

2.4.2 风机轴功率计算

循环水系统为3 000m3/h凉水塔，所配风机电机功率为160kW，风机额定电压为380V，风机实际电流为180A。受电机效率、传动轴效率、减速机效率等机械效率影响，则风机实际轴功率约为：

即风机实际轴功率约为84.42kW

说明：减速机效率为0.91（详见机械设计手册第四卷），电机效率为0.94（详见机械设计手册第四卷），传动轴效率为0.98（详见机械设计手册第二卷）。

2.4.3 不同阀门开启度消耗压头计算

系统阀门的关闭就是富余能量的表现，每个阀门对应不同的流量及开度，目前上塔阀门没有完全打开，上塔阀门开度为18°。对凉水塔进行节能改造后将上塔阀门完全打开，则调整以后系统可以释放出阀门所消耗的扬程和功率，可以用下述公式计算：

其中V为流体速度；g为重力加速度

功率：P=ρ×g×Q×H÷3600

ρ为水的密度；g为重力加速度；Q为流量；H为扬程

假设将上塔阀门完全打开：

富余能量计算：

系统富余能量P=ρ×g×Q×H÷3 600

1）当上塔阀门全部打开时：

水轮机输出轴功率：

可改造条件判断：

从计算结果看，改造P输出/P风机＜1，不满足单台改造的条件，采用并水做功，可以改造8台塔中的4台，以达到节电的目的。

2）当上塔阀门所消耗的压头为10.6m（即开度为18°的上塔阀门所消耗的压力）

8台凉水塔阀门所耗的总功率：

即：水轮机利用的富余功率为：P水轮机=415.92kW

水轮机输出轴功率：

可改造判断：

从计算结果可以看出，改造4台凉水塔能量很充足，改造后系统还有富余能量的存在。

2.5 改造过程中工艺要求

为生产稳定起见，对凉水塔一台风机进行改造，内容是将风机电机驱动改为水轮机驱动，包括进出水管的配置等。实际工艺操作参数如表2所示。

表2 实际工艺操作参数

改造过程需满足系统实际要求，在相同工况的条件下满足工艺指标（如表3所示）。水轮机配套进出水管使用玻璃钢管道，充分核算水轮机及配套管道重量、振动等因素，确保水轮机运行时不影响塔体强度及其他设备的运行。

表3 系统指标控制

2.6 改造工程简述

2.6.1 改造内容

将F凉水塔中电动风机实施节能改造，以反击式混流水轮机取代电机（包括传动轴、减速机）作为风机动力源，使风机驱动方式由电力改为水力。同时，相应地修改循环冷却回水上塔管道的配管，增设旁通管道，安装用于切断检修、运行切换的阀门。经过改造，循环冷却回水先通过水轮机后，再进入凉水塔的配水系统。具体情况如图2所示。

图2中虚线为原进水管，实线为改造后进水管，在图2中原进水管线位置一处安装阀门，切断原进水，改为原管线上方新安装管线进水。

2.6.2 水轮机主要技术参数及安装要点

（1）在本次改造工程中，选用的水轮机主要技术参数如下：

①型式：反击式混流水轮机；

②型号：KER-3000；