三元流水轮机冷却塔在循环水领域的应用

（中海石油宁波大榭石化有限公司 浙江 315812）

当今社会，能源紧张已引起社会、政府和企业的高度关注，我国能源紧张问题尤为突出。大榭石化也是典型的高耗能企业，减少能源消耗就是给企业增效，也是企业管理水平的体现。目前我国循环水系统行业没有指定主管部门与协会，各生产厂家的标准差异很大，加上专业的交互性处于较低水平，几乎没有企业对循环水系统节能进行系统性研究，导致使用循环水系统的企业付出了过多的运行费用，浪费了大量的能源，这些问题在大榭石化同样不可避免，主要表现在原有水轮机效率低下，真实输出轴功率较低，改造后冷却塔风机转速不达标；水泵泵组整体运行效率偏低，系统损失过大，风机叶片材质原因，转速不能增加，夏季工况一般难以解决系统水温过高的问题。

1.三元流水轮机技术

(1)循环水水轮机原理及运行示意

图1 水轮机凉水塔运行示意图

水轮机取代传统的电机作为凉水塔风机动力，使风机由原来的电机驱动改为水力驱动。它把循环水进入布水器时直接将释放浪费的能量收集利用后驱动风机，省去原来的为风机提供动力的电机，从而达到节能目的。并利用原冷却循环系统中的富余能量[2]，使水轮机的输出轴直接与风机连接，从而带动其旋转产生冷却效果，且不增加水泵的功耗，不仅保持了传统冷却塔的工作原理，而且保证与原冷却塔气水比相同，完全可以满足换热设备的工艺要求，理论上能达到100%节能，其运行示意图见图1。

(2)可利用余能估算

可利用余能即循环水系统中换热设备高度高于凉水塔的高度所产生的富余势能，若换热设备低于凉水塔高度则使用水轮机时必须提高循环水泵的功率，这时水轮机不仅不节能，更会给循环水泵带来额外的功率消耗。

回水母管（阀前）表压为0.26-0.27MPa，标高-3m；喷头高度11.4m。

假设喷头的出水面积与上塔管相等（即速度头不变），忽略压力表段至阀门的水力损失，可得阀门（含）至出水喷头的总水力损失为12.6m。

预估除阀门外其他部位的损失为1.6m（主要为布水器的局部损失），则预估可利用水头约为11m。

由水泵进出口到总管的压差，仍有部分余能可利用，在换热设备允许的情况下，可根据情况来释放余能。

(3)高效水轮机的先进性和优点

图2 三元流水轮机外形图

专用于工业领域的高效微型水轮机的研发依托于火箭及航空发动机技术的民用化应用，水轮机由于采用三元流设计理论及水力模型仿真，比原先传统的二元流更接近流体的实际流通工况，叶型设计更符合流体流通特性，系统阻力更小，损失更小，故采用三元流设计的设备更具高效性，高效水轮机产品与市场上普通水轮机的效率相比，普遍高出约5%-8%左右。同时，高效水轮机驱动的风机噪音更低，震动更小，且不存在因换热器泄露可燃气引起爆炸的安全隐患。由于采用的是脂润滑的方式，避免了电机塔减速机漏油的弊端，根除了循环水污染源的同时减少了塔内电机齿轮箱检修频次。

2.三元流水轮机技术在循环水场的应用

(1)循环水场概况

循环水系统设置冷却塔9座，单间设计循环水量为5000m³/h，温降10℃，出水温度33℃，回水温度43℃。设置循环水泵10台，包括8台大泵（单泵Q=6700m³/h，H=50m）和2台小泵（单泵Q=3400m³/h，H=50m），出水压力0.45MPa，回水总管压力0.25MPa。2019年1月前冷却塔为8间运行，包括中间2台为设计时期应用的三代水轮机和6间电力风机（电压为10kV，额定功率200kW，电流10.4A）冷却塔，另1间为预留框架，2019年1月将预留凉水塔改造成了三元流高效水轮机凉水塔，变为9间凉水塔连续运行，实际循环水量由38000m³/h提高至42000m³/h。

(2)三元流水轮机的安装

预留凉水塔的框架按电力风机凉水塔的结构进行设计，故本次改造将原有电机基础和塔内齿轮箱的基础进行了改造以适应水轮机及管线的安装。为了实现远程调节水轮机的转速，在立管付线上设置了电动调节阀可将过量的循环水通过调节阀直接引至塔内布水总管，并在水轮机内设置了远传的温度、震动及转数探头，以监控水轮机运行状态。

(3)运行效果标定

本项目于1月16日-18日对新建凉水塔进行投用并标定，首先对新建凉水塔布水层进行给水，在塔的额定水量下运行20分钟，确认凉水塔布水均匀，填料无破损，喷头未脱落，整个塔体布水情况良好，随后逐步关闭旁通阀，将上塔水流平缓的引入水轮机，期间保持回水压力为0.25MPa。在水轮机进水流量分别为1400m³/h、2320m³/h、3050m³/h、3900m³/h时，各运行10分钟进行观察，水轮机运行平稳。当水轮机进水量达到4700m³/h时，转速达到125rpm，未出现任何异常情况，测量风速在13.8～15.3m/s，与电机塔风速相当，优于原有水轮机塔的风速。平稳运行一天后，当日气温为8℃，测量新建凉水塔上塔温度为32℃，冷却后水温为17℃，满足合同要求的各项考核指标。标定期间数据见下表1。

表1 新建凉水塔与现有凉水塔参数对比表

3.经济效益评价

根据电力风机的实际运行电压及平均电流，可计算出电机的平均功率计算如下：

W=1.732×U×I×COSφ=1.732×10000×10.4×0.8=144.1（kW）

改用水轮机驱动后，在保证性能不变的情况下，按年运行8400h计算，可节电量为：

Q=8400×144.1=1210440（kW·h）

按照电费单价0.56元/千瓦时计算，则新建水轮机凉水塔每年可节约电费为：（1210440×0.56）/10000=68（万元）。

通过以上计算分析可知，改用水轮机驱动后，与电机驱动风机相比，单台水轮机塔可年节约电费68万元，按投资200万计算，回收效益期只需不到3年时间。改用水轮机驱动后，由“电机+减速机+风机”模式变为“水轮机+风机”模式，设备数量减少，设备故障点减少，后续维护成本比电机驱动的大幅减少。

4.结论及建议

新建的三元流高效水轮机凉水塔在进水流量为5000m³/h，回水总管压力为250kPa的条件下，水轮机转速达到125rpm，并能以震动值低于原电机塔的状态下持续稳定，且风量、风速和进出水温差均高于原水轮机塔，并与电机塔的水平接近，证明三元流高效水轮机的性能优于原三代半的水轮机凉水塔，且与电机塔的效果相当。三元流水轮机凉水塔在有回水压头富余的循环水系统中是可适用的，并能实现凉水塔的100%节能，极大地提高了企业的能源利用率，降低了运行成本。为进一步提高该水轮机在循环水凉水塔的可适用性，建议；（1）需提高水轮机壳体材质以应对高湿度下的防腐问题；（2）提高叶片材质以进一步提高转速和风量，打破因转速过高剪应力过大造成叶片折断的瓶颈；（3）水轮机转速是衡量水轮机效果的关键参数，建议研究在风筒外测量水轮机转速的在线监测技术，如光电式、激光式、声波式传感器等，减少传统霍尔式磁感探头易受塔内环境影响而造成失灵的状况，进一步减少维修频次。