灯泡贯流式余压发电机组在循环水系统中的应用

江 平

(中海石油华鹤煤化有限公司， 黑龙江鹤岗 154100)

中海石油华鹤煤化有限公司(简称华鹤公司)位于北纬48°东经130°，多年平均气温为3.2 ℃，7月平均温度为21.9 ℃，极端高温为37.7 ℃，极端低温为-38.8 ℃，冻结天数190 d。循环水系统共6 台循环水泵，额定体积流量均为10 000 m3/h，设计5开1备;设计10台逆流式循环水冷却塔，单塔设计最大处理能力为5 000 m3/h，正常工况下处理能力为4 500 m3/h，循环冷却水进塔操作温度为40 ℃、出塔温度为30 ℃，循环水系统夏季和冬季供给体积流量分别为44 000 m3/h和 42 200 m3/h[1]。循环水系统设计5%的循环冷却水不经过冷却塔直接进入旁滤装置，因此夏季和冬季分别有42 180 m3/h和40 090 m3/h的循环冷却水进入冷却塔，夏季和冬季每台冷却塔的过水体积流量为4 218 m3/h和4 009 m3/h。在夏季极端高温的7月、8月启动10台风机运行，在冬季极端低温的1月、2月启动2～3台风机运行，每台风机驱动电机额定功率为183 kW,循环水通过上塔蝶阀控制开度在20%～30%节流控制回水总管压力，循环水回水余压被上塔蝶阀节流减压消耗。

1 循环水回水余压分析

受极端环境温度影响，在夏季运行时循环水回水压力为0.28 MPa，在冬季运行时循环水回水压力为0.31 MPa，冷却塔喷头距地面高差H1为7.8 m，循环水测压点位置距地面高差H2为-1.2 m。循环水冷却塔为逆流塔，为保证循环水喷淋雾化效果，冷却塔分布器喷头余压头H3为1.0 m，考虑水能利用，取增加阀门管道阻力压头HDP1为3.0 m，运行设备分配调整水能消耗阻力压头HDP2为2.0 m，则可用理论最小水头H0为：

H0=p/ρg-(H1+H3+HDP1+HDP2)+H2

(1)

式中：p为循环水回水压力，kPa；ρ为循环水密度，取1 g/cm3;g为重力加速度，取9.8 m/s2。

将各项数据代入式(1)可得:在夏季运行工况下,可用理论最小水头为15.97 m;在冬季运行工况下,可用理论最小水头为19.03 m。

循环水回水小时可利用水力能P为：

P=ρgqVH0

(2)

式中：qV为循环水系统实际供给体积流量，m3/h；g为重力加速度,m/s2。

利用水轮机驱动循环水回水余压进行发电或驱动冷却塔风机，则循环水回水夏季小时可用水力能(10台)为1 835.6 kW，循环水回水冬季小时可用水力能(10台)为2 078.0 kW。

2 循环水回水余压利用方式

当前循环水回水余压利用的成熟方式有2种：(1) 使用循环水回水余压带动冷却塔水轮机驱动冷却塔风机(简称直驱循环冷却塔风机)；(2) 使用循环水回水余压带动水轮机驱动发电机进行发电(简称水轮机发电)。

2.1 直驱循环冷却塔风机

当前电机驱动冷却塔风机功率P风为：

P风=P电η3

(3)

式中:P电为电机额定功率，kW;η3为当前电机驱动传动效率,取0.92。

直驱循环冷却塔风机功率P单为：

P单=Pη1η2

(4)

式中:η1为循环水回水驱动水轮机效率,取0.9;η2为直驱水轮机传动效率,取0.92。

在夏季工况下，直驱循环水冷却塔风机功率约为152 kW,小于当前电机驱动冷却塔风机功率(168 kW)，不满足冷却塔风机驱动设计需求。在冬季工况下，直驱循环水冷却塔风机功率约为172 kW，大于当前电机驱动冷却塔风机功率，满足风机所需功率(168 kW),冬季循环水冷却塔仅开3台风机，余压不能充分回收。因此,直驱循环水冷却塔风机方式不满足循环水回水余压水力能回收要求。

2.2 水轮机发电

使用水轮机发电可以实现变负荷调整，全年可以实现循环水回水余压水力能回收。水轮机发电负荷可以根据工况进行调整，适应系统变负荷能力较强，可以根据夏季工况、冬季工况、开停车工况的循环水系统负荷及时调整开停水轮机台数以满足循环水回水余压水力能回收要求。

3 水轮机发电机组选型

按照水轮机运行转速小于1 500 r/min的要求，根据夏季工况和冬季工况水头对水轮机进行选型,选型表见表1[2]。

表1 各型水轮机选型适应范围

根据水轮机选型表和余压压头，选择反击型贯流转桨式或贯流定桨式水轮机。

贯流式水轮机是反击型贯流转桨(定桨)式卧轴式水轮机，即水流在流道内基本上沿着水平轴向运动，主要适用于 2～25 m 的水头，是低水头、大流量水电站的一种专用机型。通过导叶角度与转轮叶片角度的调整配合可使水轮机运行在最优状态。灯泡贯流式水轮机组由于水流在流道内基本上沿水平轴向运动，不转弯，具有结构紧凑、角度稳的特点，而且与转轮叶片角度的调整配合可使水轮机运行在最优状态，因此该项目选择灯泡贯流式水轮机，其结构见图1。

图1 灯泡贯流式水轮机结构示意图

3.1 单台水轮机发电功率测算

(5)

通过计算可得单台水轮机发电效率为0.8。

(6)

循环水回水余压在水轮机驱动发电机模式下，发电机在运行负荷大于额定负荷10%，可以实现并网发电，夏季可用水力能为1 835.6 kW，冬季可用水力能为2 078.0 kW，单塔回水发电功率理论可调范围为18.36～207.80 kW。通过计算可得在夏季工况下，单台水轮机发电功率为147 kW；在冬季工况下，单台水轮机发电功率为166 kW。

3.2 水轮机参数和效率确定

水轮机参数见表2,其中，最大出力按冬季无HDP2计算。

表2 水轮机参数表

根据水轮机参数，形成水轮机运行图，见图2[3]。

图2 灯泡贯流式水轮机性能运行图

由图2可得:

(1) 夏季、冬季及最大出力工况，水轮机均处于安全运行范围，不会发生空泡现象，机组运行安全。

(2) 水轮机直径与水轮机比转速关系合理，水轮机效率区域均大于等于94%。

(3) 选取的水轮机比转速适合当前机械加工工艺，对主要部件材料没有特殊要求，工艺成熟，制造难度低。

4 发电机选型

发电机型式包括2类，即异步发电机与同步发电机。

2种发电机应用于工业循环水回水余压回收发电装置的优缺点分析见表3。

表3 异步发电机与同步发电机技术比对

同步发电机由于安装尺寸大，占用冷却塔风机叶片检修空间,日常维护工作量大于异步发电机,且不能在潮湿环境工作,故根据2种发电机特点比对，选择异步发电机与灯泡贯流式水轮机配套，回收循环水回水余压水力能。

与同步发电机相比：异步发电机由于不需要直流励磁系统及同期装置，投资费用低;由于无集电环、电刷、转子励磁绕组，因此异步发电机的维护及运行费用低;异步发电机转子为隐极且没有与同步发电机类似的转子绕组，因此一般效率高于同容量、同转速的同步发电机；异步发电机占地面积小；异步发电机正常维护工作量小[4]。

5 灯泡贯流式水轮机余压发电机组在循环水系统中的应用

灯泡贯流式余压发电机组外形尺寸及安装方式见图3。灯泡贯流式余压发电机组平行于循环水回水管线安装，机组进水蝶阀和循环水冷却塔上水蝶阀增设联锁，机组运行故障可以实现循环水上水无扰动切换，避免故障间断水流冲击循环水分布器与填料。灯泡贯流机组平行于回水管线垂直于地面安装，可以实现占地面积最小，为冷却塔风机叶片预留检修作业面。同时，该安装方式使用水流轴向推力平衡异步发电机转子重力，降低发电机径向轴承轴向受力，避免使用浸油式止推轴承，增加润滑油系统，同时延长径向轴承使用寿命。

图3 灯泡贯流式余压发电机组外形尺寸及安装方式

2019年9月17日，华鹤公司组织对10台灯泡贯流式余压发电机组进行性能测试，使用8#机组进行单机测试。水轮机水头与发电功率关系试验验证见图4。8#机组单机测试数据见表4。

图4 水轮机水头与发电功率关系试验验证图

试验按照其他9台冷却塔上水条件不变，通过改变8#灯泡贯流水轮发电机进水阀，改变发电机输出功率，按照每10 kW左右功率进行递增，验证水轮机理论计算水头与发电功率关系。

由表4可以看出：通过8#水轮机单机测试，实际运行性能与设计结果吻合较好，水轮机本体性能达到预期设计效果，验证灯泡贯流式余压发电机组在化工装置循环水回水系统回收水力能应用成功。

表4 8#机组测试数据

6 结语

华鹤公司结合公司所处区域位置和循环水冷却水塔不同季节运行工况，对循环水回水余压回收水轮机选型进行缜密分析，将水利发电行业的灯泡贯流式水轮机引入化工领域，改进灯泡贯流式水轮机结构形式，形成轴伸式布置，以及使用新型赛龙柔性导轴承避免润滑油污染，实现撬装，简化了现场布局，水轮机运行出口流体压力恒定，对发电机选择更具有针对性。

通过缜密分析，打破传统通过水轮机驱动风机回收富余能量的单一方案，规避了水轮机故障检修、水轮机在冷却塔顶布置占用出冷却风流通面积，影响水汽交换换热效率，回水压力波动风机出力不足等弊端。目前,10台机组满发功率超过1 760 kW，各机组实现免维护正常运行，机组运行效率高于设计效率，为华鹤公司节能减排和化工行业回收循环水回水余压创造性地开拓了新的方法。