高效水輪機(jī)在循環(huán)水系統(tǒng)的節(jié)能應(yīng)用

孫玉亮，趙永彬

(新能鳳凰〔滕州〕能源有限公司，山東滕州 277527)

化工行業(yè)(尤其是化肥行業(yè))的循環(huán)水系統(tǒng)大多采用集中供水模式，由于眾多換熱裝置離供水裝置有遠(yuǎn)近、高低之分，供水的工藝參數(shù)(主要是壓力)一般需要以最高端或最遠(yuǎn)端的換熱裝置為設(shè)計(jì)條件，采用低位置處和近距離處裝置的流量控制，有的企業(yè)采用裝置端設(shè)置的閥門控制，有的企業(yè)是通過回水上塔閥門控制，無論采用何種控制方式都存在著閥門控制的能量損失。本文通過分析論證，將各種閥門控制的能量損失予以回收利用。

1 改造實(shí)施前系統(tǒng)工況

新能鳳凰(滕州)能源有限公司有3套循環(huán)水系統(tǒng)，一循(一、二期)、二循、三循分別有6臺(tái)、6臺(tái)、4臺(tái)4 500 m3/h冷卻塔，工程實(shí)施的內(nèi)容是通過對系統(tǒng)裝置進(jìn)行優(yōu)化處理，將出水控制閥門的能量損失合理地轉(zhuǎn)移給回水，使這些能耗有效地轉(zhuǎn)移給配套設(shè)計(jì)的水輪機(jī)，以達(dá)到回收能量的目的，而整個(gè)改造過程不會(huì)對原系統(tǒng)的的運(yùn)行工況產(chǎn)生任何不利影響。改造實(shí)施前系統(tǒng)工況見表1。

2 水輪機(jī)設(shè)計(jì)理論依據(jù)

軸功率匹配原則：當(dāng)水輪機(jī)做功輸出軸功率W水≥原風(fēng)機(jī)運(yùn)行所需軸功率W電，則改造后水輪機(jī)驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速可達(dá)到原風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的要求。水輪機(jī)輸出軸功率理論公式如下[1- 2]：

W水=g×Q×H×η水

表1 改造實(shí)施前系統(tǒng)工況

式中：W水——水輪機(jī)輸出功率，kW；

g——水容重，取9 810 kg/m3；

H——水輪機(jī)做功壓力，mH2O；

Q——水輪機(jī)進(jìn)水流量，m3/s；

η水——水輪機(jī)效率。

風(fēng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速時(shí)所需軸功率公式如下：

式中：W電——風(fēng)機(jī)運(yùn)行所需軸功率，kW；

I——電機(jī)運(yùn)行電流，A；

V——電機(jī)運(yùn)行電壓，V；

cosφ——電機(jī)功率因數(shù)；

η電機(jī)—電機(jī)效率；

η減速機(jī)—減速機(jī)效率；

η傳動(dòng)軸—傳動(dòng)軸效率。

3 改造過程論證

3.1 冷卻塔風(fēng)機(jī)軸功率校核

3.1.1 電動(dòng)風(fēng)機(jī)軸功率計(jì)算

一循一期電動(dòng)風(fēng)機(jī)軸功率W1：

W1=(W×I2×η)/I1

式中：I1——電機(jī)額定電流，A；

I2——電機(jī)運(yùn)行電流，A；

W——電機(jī)額定功率，kW；

η——傳動(dòng)裝置效率，取0.81。

則W1=(220×11.0×0.81)/16.3=120.3(kW)。同理，求得一循二期、二循、三循電動(dòng)風(fēng)機(jī)軸功率分別為102.8，120.3，102.8 kW。

3.1.2 水輪機(jī)輸出軸功率計(jì)算

(1)經(jīng)系統(tǒng)優(yōu)化后，3套循環(huán)水系統(tǒng)回水分別可供水輪機(jī)的壓力計(jì)算

一循一期水輪機(jī)入口壓力=回水壓力-水輪機(jī)入水管中心至回水母管中心位差=0.22-0.145=0.075(MPa)；同理，求得一循二期、二循、三循水輪機(jī)入口壓力分別為0.075，0.085，0.095 MPa。

(2)3套循環(huán)水系統(tǒng)回水分別可供水輪機(jī)的做功壓力計(jì)算

一循一期水輪機(jī)做功壓力=水輪機(jī)入口壓力+水輪機(jī)出口至布水干管的水柱虹吸壓力=0.075+0.030=0.105(MPa)；同理，求得一循二期、二循、三循水輪機(jī)做功壓力分別為0.105，0.115，0.120 MPa。

(3)依據(jù)原風(fēng)機(jī)運(yùn)行軸功率和系統(tǒng)提供的水輪機(jī)做功壓力，推算出水輪機(jī)的過流量(取值整數(shù))，保證風(fēng)機(jī)的參數(shù)達(dá)到原設(shè)計(jì)值。一循一期、一循二期、二循、三循水輪機(jī)進(jìn)水流量分別為4 700，4 000，4 300，3 500 m3/h，一循一期、一循二期、二循、三循水輪機(jī)做功壓力折合水柱分別為10.5，10.5，11.5，12.0 mH2O，水輪機(jī)效率為0.9，則可計(jì)算得到一循一期、一循二期、二循、三循的設(shè)計(jì)水輪機(jī)輸出軸功率分別為120.5，102.9，120.8，102.8 kW。

3.1.3 軸功率匹配驗(yàn)證

軸功率匹配驗(yàn)證見表2。

表2 軸功率匹配驗(yàn)證

由表2可以看出，水輪機(jī)輸出軸功率≥風(fēng)機(jī)軸功率，驗(yàn)證改造是可行的。

3.2 水輪機(jī)過流量校核及改造方式

各循環(huán)水系統(tǒng)冷卻塔改造臺(tái)數(shù)見表3。

表3 各循環(huán)水系統(tǒng)冷卻塔改造臺(tái)數(shù)

考慮到回水壓力和系統(tǒng)流量的綜合因素，為了使水輪機(jī)有足夠的做功水量，需采用“流量整合”模式，將不改造的塔上塔流量分流一部分給水輪機(jī)，水輪機(jī)做功后再分流相同的流量給不改造的塔，使改造后各塔布水量達(dá)到原運(yùn)行參數(shù)[3]。改造后水輪機(jī)結(jié)構(gòu)示意見圖1。

4 水輪機(jī)的“量身定制”

循環(huán)水系統(tǒng)冷卻塔節(jié)能改造的成敗與否很大程度上取決于前期是否經(jīng)過充分的技術(shù)論證，也取決于改造所用的節(jié)能設(shè)備水輪機(jī)參數(shù)能否與冷卻塔運(yùn)行參數(shù)之間達(dá)到理想的匹配，即“量身定制”。在考慮到回水壓力的前提下，達(dá)到要求的水輪機(jī)軸功率時(shí)，水輪機(jī)的過水量及有關(guān)的流通截面就成為定值，水輪機(jī)的基本結(jié)構(gòu)就可以初步確定，由此可以進(jìn)行有關(guān)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造工作。設(shè)計(jì)過程要以系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行工況為依據(jù)即“量身定制”，輔以流體軟件CFD生成結(jié)構(gòu)件相關(guān)尺寸，再以案例的“數(shù)據(jù)庫”進(jìn)行修正，這樣制造出的水輪機(jī)才能達(dá)到每臺(tái)冷卻塔的技術(shù)條件，且效率也最高。本案例特定的水輪機(jī)工藝參數(shù)見表4。

表4 各循環(huán)水系統(tǒng)冷卻塔水輪機(jī)工藝參數(shù)

注：設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速均為117 r/min，效率均為90%

圖1 改造后水輪機(jī)結(jié)構(gòu)示意

5 改造后運(yùn)行特點(diǎn)

(1)安全可靠

水輪機(jī)設(shè)計(jì)嚴(yán)謹(jǐn)，結(jié)構(gòu)合理，運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，可靠性高，省去了驅(qū)動(dòng)電機(jī)，根本杜絕了電機(jī)、電控和減速機(jī)漏電、漏油、燒毀和損壞的故障，為安全持續(xù)運(yùn)行提供了保障，可在任何需防爆的環(huán)境下安全運(yùn)行。

(2)冷效好

隨著季節(jié)的變化，水輪機(jī)的轉(zhuǎn)速可通過設(shè)置的旁通閥來調(diào)控，可以根除因環(huán)境溫度變化頻繁開停電動(dòng)風(fēng)機(jī)而引起的水溫變化，使冷卻塔的氣水比及水溫處于穩(wěn)定狀態(tài)，以達(dá)到最佳效果。

(3)環(huán)保

因取消了電機(jī)和減速機(jī)，降低了冷卻塔運(yùn)行時(shí)機(jī)械噪聲，通過權(quán)威部門檢測，水動(dòng)風(fēng)機(jī)冷卻塔噪聲比傳統(tǒng)冷卻塔降低10%左右。

(4)減少飄水

因春秋冬季環(huán)境溫度低，水輪機(jī)轉(zhuǎn)速可根據(jù)環(huán)境狀況調(diào)節(jié)，降低風(fēng)壓，同時(shí)也降低飄水率，而電機(jī)塔不可調(diào)速(除非增加成本使用變頻調(diào)速)，則飄水率不會(huì)降低。

(5)運(yùn)行成本下降

由于取消了電機(jī)、傳動(dòng)軸、減速機(jī)，因而減少了日常維護(hù)、檢修工作，大大降低了運(yùn)行成本。

6 改造效果及效益分析

改造前、后系統(tǒng)工藝參數(shù)對比見表5。

表5 改造前、后系統(tǒng)工藝參數(shù)對比

從表5看出：改造前后系統(tǒng)流量、壓力、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速?zèng)]有改變，機(jī)組運(yùn)行振動(dòng)值較改造前有所降低， 且風(fēng)機(jī)電機(jī)拆除，節(jié)省了電機(jī)能耗。

由于一循、二循和三循分別改造了4臺(tái)、3臺(tái)和2臺(tái)冷卻塔，故電機(jī)運(yùn)行電耗分別節(jié)省了615.4 kW、485.8 kW和291.5 kW，合計(jì)節(jié)省電耗1 392.7 kW；按電價(jià)0.75元/(kW·h)、年運(yùn)行8 000 h計(jì)，則年可節(jié)省電費(fèi)835.6萬元。每臺(tái)水輪機(jī)改造費(fèi)用80萬元，總投資為720萬元，1年內(nèi)即可收回全部投資，加上后續(xù)減少維護(hù)使用的費(fèi)用，其投資效益還會(huì)更高。另外，改造9臺(tái)冷卻塔節(jié)電換算成標(biāo)煤，則年可節(jié)約標(biāo)煤11 108 t，減少二氧化碳排放3 710 t，環(huán)保效益顯著。

7 結(jié)語

經(jīng)過現(xiàn)場實(shí)地考察和前期的充分論證，并根據(jù)回水壓力和總的回水流量，最終選擇了南京峽谷能源科技有限公司“量身定制”的高效水輪機(jī)。改造后，系統(tǒng)運(yùn)行各項(xiàng)指標(biāo)均能滿足系統(tǒng)運(yùn)行的技術(shù)要求，且節(jié)省了冷卻塔風(fēng)機(jī)電機(jī)的能耗，原理上是可行的，改造也是成功的，不僅給企業(yè)帶來了可觀的經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)節(jié)能減排的社會(huì)效益也十分顯著。