混流式水輪機(jī)在工業(yè)循環(huán)水冷卻塔上的應(yīng)用

韓元培

(河南能源化工集團(tuán) 開封龍宇化工有限公司 ， 河南 開封 475200)

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混流式水輪機(jī)在工業(yè)循環(huán)水冷卻塔上的應(yīng)用

韓元培

(河南能源化工集團(tuán) 開封龍宇化工有限公司 ， 河南 開封 475200)

介紹了水輪機(jī)技術(shù)的原理及其在循環(huán)水系統(tǒng)的開發(fā)概況，結(jié)合改造實(shí)例探討了混流式水輪機(jī)技術(shù)在工業(yè)循環(huán)水中的可行性、實(shí)施注意事項(xiàng)及應(yīng)用效果，并對水輪機(jī)的發(fā)展及應(yīng)用前景進(jìn)行展望。

水輪機(jī) ； 循環(huán)水 ； 冷卻塔 ； 節(jié)能

0 前言

開封龍宇化工有限公司聚甲醛裝置循環(huán)水系統(tǒng)主要作用是將全公司各生產(chǎn)裝置冷卻設(shè)備的溫升水通過機(jī)械通風(fēng)逆流式冷卻塔降低水溫后，由循環(huán)水泵加壓，再供給不同的冷卻設(shè)備循環(huán)使用。同時(shí)，通過加藥設(shè)備對該循環(huán)冷卻水進(jìn)行水質(zhì)穩(wěn)定處理，通過旁濾池控制循環(huán)水懸浮物含量，保證工藝?yán)鋮s設(shè)備的熱效率。主要裝置是2座循環(huán)冷卻水塔、4臺(tái)循環(huán)水泵、2臺(tái)旁濾過濾器、1套加酸裝置和2套加緩蝕阻垢劑裝置，系統(tǒng)冷卻水量為9 000 m3/h。來自管網(wǎng)的循環(huán)冷卻回水(≥0.2 MPa)直接進(jìn)入冷卻塔，經(jīng)噴頭、填料與空氣換熱后落入塔底水池，被循環(huán)水泵提升壓力后，分別供給各生產(chǎn)裝置使用。

冷卻塔風(fēng)機(jī)采用的是185 kW/75 kW的高效軸流雙速風(fēng)機(jī)供給空氣。風(fēng)機(jī)啟動(dòng)后，在風(fēng)機(jī)下部形成負(fù)壓，冷空氣便由下部進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入塔內(nèi)。風(fēng)機(jī)采用的是玻璃鋼材質(zhì)動(dòng)能回收型風(fēng)筒，由下到上分為來流收縮段、風(fēng)機(jī)工作段和動(dòng)壓回收段。通過冷卻塔淋水段的氣流經(jīng)過收縮段的整理，使之能均勻收縮過渡到風(fēng)機(jī)工作段，通過風(fēng)機(jī)葉片做功被提升到動(dòng)壓回收段，對氣流進(jìn)行導(dǎo)流擴(kuò)散，使出風(fēng)筒氣流動(dòng)壓損失降低?，F(xiàn)有冷卻塔是用電動(dòng)機(jī)通過聯(lián)軸器、傳動(dòng)軸、減速器來驅(qū)動(dòng)冷卻塔的風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)的抽風(fēng)使進(jìn)入冷卻塔的水流快速散熱冷卻，然后又由水泵加壓將水流輸送到需要用水冷卻的設(shè)備后再進(jìn)入冷卻塔冷卻，達(dá)到冷卻水循環(huán)使用。

由于循環(huán)水冷卻塔風(fēng)機(jī)控制手段較少，造成循環(huán)水水溫供、回水溫度調(diào)節(jié)不夠平穩(wěn),基本上在6～10 ℃波動(dòng)，對生產(chǎn)操作和系統(tǒng)的穩(wěn)定性產(chǎn)生了一定的不利影響，而且循環(huán)水回塔時(shí)帶0.2～0.25 MPa的壓力，在一定程度上存在能量浪費(fèi)。

表1 冷卻塔的性能參數(shù)

圖1 冷卻塔示意圖

1 水輪機(jī)在工業(yè)循環(huán)水系統(tǒng)中開發(fā)

水輪機(jī)是把水流的能量轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)機(jī)械能的動(dòng)力機(jī)械，它屬于流體機(jī)械中的透平機(jī)械。到目前為止，僅有4種類型的水輪機(jī)可以應(yīng)用到冷卻塔上。以風(fēng)筒為界可將這4種類型的水輪機(jī)分成內(nèi)置式和外置式兩大類。內(nèi)置式包括混流式、軸流式和雙擊式三種；外置式僅有貫流式一種。

華北水利水電學(xué)院陳德新等[1]提出了工業(yè)冷卻塔用水輪機(jī)的選擇原則，超低比轉(zhuǎn)速的混流式水輪機(jī)適合工業(yè)冷卻塔。河海大學(xué)張麗敏等[2]通過物理模擬實(shí)驗(yàn)證明了超低比轉(zhuǎn)數(shù)混流式節(jié)能水輪機(jī)尺寸能夠滿足冷卻塔的要求，效率高，性能穩(wěn)定。

混流式水輪機(jī)外圍是蝸殼，中間是葉輪，底部是尾水管，安裝在風(fēng)筒內(nèi)，運(yùn)行在水汽環(huán)境中，蝸殼尺寸較大，尾水管從底部引出使機(jī)體高度較高。由于這種結(jié)構(gòu)的水輪機(jī)是中轉(zhuǎn)速，要直接驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)做功還需在主軸上安裝減速裝置。機(jī)體本身高度較高再加上要在主軸上安裝減速裝置，整體高度還會(huì)更高。蝸殼配水均勻，水輪機(jī)效率較高，但在主軸上安裝減速裝置又會(huì)降低傳遞效率；機(jī)體太高，若用于改造塔必須降低塔體風(fēng)機(jī)底座或者升高導(dǎo)風(fēng)筒。

2 原理

水輪機(jī)的工作動(dòng)力來自循環(huán)冷卻水系統(tǒng)水的重力勢能以及循環(huán)水泵的富余揚(yáng)程，在不增加循環(huán)水泵輸出功率的前提下，利用循環(huán)水系統(tǒng)中的富裕能量來驅(qū)動(dòng)水輪機(jī)做功，從而帶動(dòng)風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)，可把原來的風(fēng)機(jī)電機(jī)去掉，水輪機(jī)的輸出軸直接與風(fēng)機(jī)連接并帶動(dòng)其轉(zhuǎn)動(dòng)，節(jié)省風(fēng)機(jī)電機(jī)原有的能耗。

混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪區(qū)內(nèi)的水流在通過轉(zhuǎn)輪葉片流道時(shí)，始終是連續(xù)充滿整個(gè)轉(zhuǎn)輪的有壓流動(dòng)，并在轉(zhuǎn)輪空間曲面型葉片的約束下，連續(xù)不斷地改變流速大小和方向，從而對轉(zhuǎn)輪葉片產(chǎn)生一個(gè)反作用力，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)。當(dāng)水流通過水輪機(jī)后，其動(dòng)能和勢能大部分被轉(zhuǎn)換成水輪機(jī)的旋轉(zhuǎn)機(jī)械能。之后水流經(jīng)過水輪機(jī)的出水口流入原冷卻塔布水管。水動(dòng)風(fēng)機(jī)冷卻塔的能量主要由四大部分組成：設(shè)計(jì)余量、勢能、水泵的自身調(diào)節(jié)能力、閥門上浪費(fèi)的能量。

用水輪機(jī)來替代原風(fēng)葉電機(jī)，可在供水系統(tǒng)不變的前提下充分利用循環(huán)水系統(tǒng)回水的富余能量來推動(dòng)水輪機(jī)帶動(dòng)風(fēng)機(jī)，實(shí)現(xiàn)氣水熱交換，從而達(dá)到冷卻塔百分之百無電耗運(yùn)行；而且可以根據(jù)工藝生產(chǎn)的需要調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)對循環(huán)水水溫的穩(wěn)定調(diào)節(jié)。

當(dāng)系統(tǒng)加上水輪機(jī)后，將進(jìn)塔閥逐漸打開直至系統(tǒng)流量到需要值。因水泵功率與流量成正相關(guān)系，流量變化時(shí)水泵功率才變化，流量不變化時(shí)水泵電機(jī)功率也不變化。

3 技術(shù)改造的實(shí)施

根據(jù)循環(huán)水系統(tǒng)及生產(chǎn)裝置運(yùn)行實(shí)際情況，對冷卻塔上的其中一臺(tái)冷卻風(fēng)機(jī)進(jìn)行水力驅(qū)動(dòng)改造，達(dá)到既節(jié)能又滿足生產(chǎn)需求的目的。改造后滿足冷卻塔風(fēng)葉電機(jī)為無電耗水輪機(jī)驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)的目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)循環(huán)水水量的自動(dòng)調(diào)節(jié)和水溫自動(dòng)控制以及主控室內(nèi)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、振動(dòng)、流量等重要參數(shù)的監(jiān)控。水輪機(jī)效率>90%、冷卻塔的飄水損失率<0.0001%、連續(xù)工作時(shí)間>7×104h且使用壽命≥10年；在回水量為5 600 t/h、回水上塔壓力0.2 MPa時(shí)，水力驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)全速時(shí)>135 r/min；材質(zhì)方面，旁路調(diào)節(jié)系統(tǒng)采用碳鋼材質(zhì)，可以方便調(diào)整風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，所有螺栓連接件、懸吊件均為不銹鋼。水輪機(jī)設(shè)計(jì)制造時(shí)，按照夏季氣溫最高、生產(chǎn)負(fù)荷最高的情況下進(jìn)行設(shè)計(jì)。

從簽訂合同到完工共45 d，其中現(xiàn)場施工控制在15 d以內(nèi)，保證了能夠利用公司大修時(shí)間，在不影響正常生產(chǎn)的情況下完成該項(xiàng)目的改造。圖2為本項(xiàng)目混流式水輪機(jī)安裝示意圖。

圖2 水輪機(jī)安裝示意圖

4 應(yīng)用效果

項(xiàng)目完成后，循環(huán)水泵的控制及運(yùn)行方式?jīng)]有改變，循環(huán)水泵電流沒有增加，水輪機(jī)各項(xiàng)性能達(dá)標(biāo)，能夠滿足生產(chǎn)需要，循環(huán)水系統(tǒng)經(jīng)受住了夏季炎熱高溫天氣的考驗(yàn)。

4.1 經(jīng)濟(jì)效益

循環(huán)水冷卻塔使用水輪機(jī)替代原電機(jī)運(yùn)行后，可實(shí)現(xiàn)冷卻塔風(fēng)機(jī)的無電化運(yùn)行，設(shè)備年運(yùn)行時(shí)間8 000 h計(jì)算，冷卻塔改造后節(jié)約電能為148×104kW·h。電價(jià)按0.62元計(jì)算，則每年可節(jié)約電費(fèi)約91.76萬元。

4.2 社會(huì)及環(huán)境效益

根據(jù)電力折標(biāo)煤系數(shù)，該項(xiàng)目年節(jié)電148×104kW·h ，折標(biāo)煤為181.9 t，可減少二氧化碳排放480.1 t，減少二氧化硫排放4.42 t，減少氮氧化物排放1.29 t。

5 結(jié)論

化工、冶煉等行業(yè)有重力勢能可利用的機(jī)械通風(fēng)式冷卻塔都可以進(jìn)行水輪機(jī)技術(shù)改造，水輪機(jī)與傳統(tǒng)電力驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)相比，具有振動(dòng)小、噪聲低、節(jié)能的特點(diǎn)，因此具有廣闊的推廣應(yīng)用前景。由于水輪機(jī)對水壓有一定的要求，也限制了其推廣應(yīng)用范圍。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全國現(xiàn)有冷卻塔可進(jìn)行水輪機(jī)改造的總?cè)萘考s為24 157萬t，如果未來5年推廣10%，全國可改造6 000余套，年節(jié)能以標(biāo)煤計(jì)，約為240萬t，年碳減排能力634萬t。

[1] 陳德新,張文俊,楊 陽.冷卻塔風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)水輪機(jī)的工作特點(diǎn)與形式選擇[J].水力發(fā)電,2010,36(12):54-56.

[2] 張麗敏,鄭 源,張成華,等.用于冷卻塔德超低比轉(zhuǎn)數(shù)混流式水輪機(jī)設(shè)計(jì)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2010,41(9):39-42.

2016-08-16

韓元培(1985-)，男，工程師，從事化工新材料的生產(chǎn)與技術(shù)管理工作，E-mail:hanyuanpei@126.com。

TQ051.5

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1003-3467(2016)11-0043-03