張爾東
(中國石油天然氣股份有限公司哈爾濱石化分公司,黑龍江 哈爾濱 150056)
哈爾濱石化公司三循涼水塔原有2間4 000 m3/h大型工業(yè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)式逆流冷卻塔,2012年公司響應(yīng)國家節(jié)能減排要求分別將風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)改造為水輪機(jī)驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī),改造后當(dāng)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速大于100 rpm時(shí),(正常類似風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速127 rpm),冷卻塔風(fēng)筒振動(dòng)值嚴(yán)重超標(biāo),最大值達(dá)到18.5 mm/s,比規(guī)范設(shè)計(jì)要求超3倍,嚴(yán)重影響冷卻塔長周期安全運(yùn)行,且風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)不到風(fēng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速,冷卻塔的冷卻效果受到嚴(yán)重限制,特別在夏季更嚴(yán)重影響正常生產(chǎn)工藝指標(biāo),由于上述問題是個(gè)較大的技術(shù)難題,公司也咨詢并邀請了國內(nèi)幾家權(quán)威機(jī)構(gòu)來現(xiàn)場查看診斷,但最終都無法找到問題的原因及徹底解決的方案[1]。幾年來此冷卻塔進(jìn)入夏季僅能靠補(bǔ)充冷水和減小負(fù)荷的辦法維持生產(chǎn)。2019年改造水輪機(jī)后冷卻塔運(yùn)行工況測試數(shù)據(jù)如表1所示。
表1 改造水輪機(jī)后現(xiàn)場冷卻塔檢測振動(dòng)數(shù)據(jù)表
從目前上述運(yùn)行狀況來看:現(xiàn)場的振感比原電機(jī)驅(qū)動(dòng)塔振動(dòng)強(qiáng)烈得多,較為明顯的是從冷卻塔風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速改變來看,在100 rpm以下轉(zhuǎn)動(dòng)相對平穩(wěn),當(dāng)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速逐漸提升時(shí),冷卻塔風(fēng)筒和塔頂振幅明顯加大,特別達(dá)到額定轉(zhuǎn)速120 rpm左右時(shí),風(fēng)筒振動(dòng)更加強(qiáng)烈;從現(xiàn)場檢測數(shù)據(jù)來看,隨著風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速從100 rpm至122 rpm時(shí),風(fēng)筒振動(dòng)值飆升至18.5 mm/s,此種狀態(tài)運(yùn)行對冷卻塔長周期安全運(yùn)行有較大的影響。
1.3.1 風(fēng)機(jī)因素
現(xiàn)風(fēng)機(jī)葉片數(shù)量為6片,按9 140 mm風(fēng)機(jī)直徑來算,風(fēng)機(jī)夾角偏大,風(fēng)速相對不均勻,風(fēng)場波動(dòng)性較大,易產(chǎn)生較大振動(dòng),另風(fēng)機(jī)為玻璃鋼材質(zhì)風(fēng)機(jī),本體較重,當(dāng)負(fù)載時(shí)葉尖下沉較大,從而改變原風(fēng)機(jī)的葉型,打破風(fēng)機(jī)的平衡,并產(chǎn)生一定振動(dòng),而碳纖維風(fēng)機(jī)可改變現(xiàn)狀,其重量僅玻璃鋼風(fēng)機(jī)的1/3,性能強(qiáng)度是玻璃鋼的5倍,負(fù)載時(shí)葉型變化量較小,運(yùn)行效率相對玻璃鋼可提高15%,故建議更換為8片碳纖維風(fēng)機(jī),這也是消除振動(dòng)方法之一。
1.3.2 風(fēng)筒因素
目前現(xiàn)冷卻塔的風(fēng)筒由于已超出玻璃鋼產(chǎn)品的使用壽命(玻璃鋼的使用壽命一般均在15年),并且根據(jù)現(xiàn)場測量風(fēng)筒的局部厚度太薄,易導(dǎo)致冷卻塔風(fēng)筒振動(dòng)。
1.3.3 水輪機(jī)因素
(1)水輪機(jī)是風(fēng)機(jī)運(yùn)行的動(dòng)力源,如水輪機(jī)振動(dòng)則影響到冷卻塔的振動(dòng),現(xiàn)水輪機(jī)帶減速裝置,減速機(jī)為行星齒輪結(jié)構(gòu),受潤滑油和密封限制,容易失油,齒輪易磨損或損壞,如磨損或損壞,易產(chǎn)生振動(dòng),從現(xiàn)場觀察水輪機(jī)端蓋上存積一定的潤滑油,說明減速箱是漏油,如在低轉(zhuǎn)速時(shí),磨損相對好點(diǎn),如高速運(yùn)行則易損壞。
(2)在減速箱上端有一減速傳動(dòng)軸,且較短,軸承如有磨損擺動(dòng)較大,易產(chǎn)生振動(dòng)。
(3)由于水輪機(jī)結(jié)構(gòu)問題,造成整體高度較高,重心偏高,振動(dòng)擴(kuò)大。
(4)水輪機(jī)本體靠出水框支撐,支撐強(qiáng)度較差,應(yīng)加強(qiáng)水輪機(jī)支撐強(qiáng)度,即在渦殼加裝4只支撐腿。
1.3.4 水輪機(jī)附件因素
附件主要分析水輪機(jī)出水框和出水管,現(xiàn)出水管為2支DN600的螺旋管,出水分流相對較差,使水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪出水不均勻,易使轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)動(dòng)不平衡,另還增加水輪機(jī)出水壓力,阻礙水輪機(jī)轉(zhuǎn)速,如要出水分流均勻,可采用4支DN400分流管,如采納可降低水輪機(jī)高度,降低振動(dòng),也使風(fēng)機(jī)位置靠近風(fēng)筒喉部。
另水輪機(jī)底座-出水框與底梁對接無任何緊固件,處于浮動(dòng)狀態(tài),當(dāng)水輪機(jī)負(fù)載時(shí),僅依靠兩只出水管來穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài),易產(chǎn)生振動(dòng)。
1.3.5 風(fēng)機(jī)與風(fēng)筒相對位置不合理
現(xiàn)風(fēng)機(jī)位置離風(fēng)筒喉部上沿約450 mm,偏離較大,風(fēng)機(jī)葉尖距離風(fēng)筒壁遠(yuǎn)大于有關(guān)規(guī)定30~40 mm,造成風(fēng)機(jī)上端的正壓風(fēng)沿風(fēng)筒壁回流至風(fēng)機(jī)下端的負(fù)壓區(qū),這樣就產(chǎn)生擾流現(xiàn)象,由于風(fēng)機(jī)葉片少,擾流現(xiàn)象很不均勻,易造成風(fēng)筒振動(dòng)。另風(fēng)筒強(qiáng)度不足時(shí),也易產(chǎn)生振動(dòng)。
1.3.6 循環(huán)水回水壓力過高因素
由于系統(tǒng)回水壓力較高和水輪機(jī)做功需要一定的壓力,當(dāng)回水中的氣泡集聚到一定的量和壓力時(shí),在水輪機(jī)出水時(shí)瞬間釋放,就造成湍流現(xiàn)象,從而造成冷卻塔橫向振動(dòng),從現(xiàn)場觀察這不是主要振動(dòng)源,如對水輪機(jī)改造,可改善振動(dòng)。
(1)由于水輪機(jī)運(yùn)行周期已較長,為了摸清水輪機(jī)內(nèi)的磨損件磨損程度,打開水輪機(jī)內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)部件,詳細(xì)檢查發(fā)現(xiàn)相關(guān)磨損件,全部進(jìn)行更換解除或降低振動(dòng)源。(2)更換過期及強(qiáng)度弱玻璃鋼冷卻塔風(fēng)筒,RC-92型風(fēng)筒模壓工藝成型,梯形空腹加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu),端中兩處均設(shè)環(huán)向?qū)嵭募訌?qiáng)筋,風(fēng)筒片間聯(lián)結(jié)采用扣接式,板間連接嚴(yán)密無縫隙,整體強(qiáng)度高,表面光滑美觀,不龜裂、不褪色,緊固件均為不銹鋼材質(zhì),厚度不小于10 mm,風(fēng)筒壁承受的風(fēng)載荷大于0.8 kPa,壽命20年以上。(3)風(fēng)機(jī)改為碳纖維風(fēng)機(jī),由原來6片改為8片風(fēng)葉,風(fēng)機(jī)由單板結(jié)構(gòu)改為雙夾板結(jié)構(gòu),可降低風(fēng)機(jī)高度;減小塔的震動(dòng)(4)降低水輪機(jī)的安裝高度;(5)改造水輪機(jī)出水框,由原來的2支出水管改為4支出水管,出水管與布水器對接方式由原來的與布水支管對接改為干管對接,這樣能夠減輕布水支管的承載和降低對接點(diǎn)區(qū)域的對噴頭的直接沖擊;(6)水輪機(jī)改造,加裝4只支撐柱,增設(shè)放氣裝置;(7)水輪機(jī)底座加固。
風(fēng)筒采用玻璃鋼材質(zhì)動(dòng)能回收型,能適應(yīng)當(dāng)?shù)氐臍庀髼l件,具有較強(qiáng)的抗風(fēng)載荷能力,抗風(fēng)載荷大于960 Pa。風(fēng)筒結(jié)構(gòu)應(yīng)采用T型大端面空腹加強(qiáng)筋,應(yīng)力集中段和聯(lián)接端埋有預(yù)制件以保證風(fēng)機(jī)整體強(qiáng)度和運(yùn)行強(qiáng)度,風(fēng)筒應(yīng)拼裝嚴(yán)密,風(fēng)筒動(dòng)能回收值不得小于30%,風(fēng)筒緊固件采用不銹鋼材質(zhì),風(fēng)筒外表面應(yīng)不龜裂、不褪色,其表面膠衣應(yīng)采用進(jìn)口膠衣并能抗紫外線的長期照射,風(fēng)筒內(nèi)表面要求光滑[2]。
目前國內(nèi)外軸流風(fēng)機(jī)葉片的材質(zhì),主要有鋁合金、玻璃鋼及碳纖維三種。鋁合金因?yàn)橐鬃冃巍①|(zhì)量大,只用在小直徑風(fēng)機(jī)。玻璃鋼(FRP)材質(zhì)葉片由于在濕熱、酸堿等惡劣環(huán)境及抗變形等多方面的諸多優(yōu)秀表現(xiàn),而得到廣泛應(yīng)用,現(xiàn)在即使小風(fēng)機(jī)的葉片也逐步被玻璃鋼代替。
新材料的選擇及應(yīng)用也為本次改造降低震動(dòng)值起到較大作用。
由于水輪機(jī)本體結(jié)構(gòu)不可動(dòng),降低安裝高度只能從風(fēng)機(jī)和出水框來實(shí)現(xiàn),風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)形式由原來的單板改為雙板,風(fēng)機(jī)高度可降低100 mm左右;出水框由原來的雙管出水改為四管出水,出水框高度可降低200 mm,總體可降低水輪機(jī)安裝高度300 mm;
水輪機(jī)出水框由原來的2支DN600出水管整改為4支DN450出水管,提高水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪出水流場的均勻度,降低振動(dòng);
由于原水輪機(jī)支撐緊靠出水框支撐,支撐點(diǎn)所占面積較小,穩(wěn)定性較差,故加裝4只支撐柱;另外,循環(huán)水中的氣體也無泄放點(diǎn)易產(chǎn)生振動(dòng),故加裝一放氣裝置,此裝置建議在檢修時(shí)加裝;
由于基礎(chǔ)面較小,基礎(chǔ)厚度較薄,水輪機(jī)底座與基礎(chǔ)對接螺栓無預(yù)埋孔位置,現(xiàn)利用十字梁采用對夾方式緊固底座;
出水管2根管合并成一支管,再與布水器干管對接;
(1)整改后風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速能平穩(wěn)安全的達(dá)到設(shè)計(jì)要求的127 rpm;
(2)改造后的2個(gè)冷卻塔的振動(dòng)值經(jīng)過有關(guān)部門實(shí)塔測試風(fēng)筒的震動(dòng)值分別為3.28 mm/s和2.83 mm/s 塔頂震動(dòng)值分別為0.35 mm/s和0.16 mm/s 與同型運(yùn)行的電機(jī)驅(qū)動(dòng)塔比較能降低50%以上震動(dòng)。
(3)改造后的冷卻能力恢復(fù)、甚至超過原設(shè)計(jì)水平,夏季最炎熱期間冷卻后水溫比2013年至2018年同期降低2~3 ℃,為三循所帶各裝置高效生產(chǎn)運(yùn)行提供了可靠保障。
改造后溫度情況如表2所示。
表2 改造后溫度情況表