水力透平技術(shù)在循環(huán)水系統(tǒng)節(jié)能改造中的應(yīng)用

梅武豐

（海洋石油富島有限公司，海南東方 572600）

1 概 述

海洋石油富島有限公司（簡稱富島公司）化肥二部循環(huán)水裝置主要由冷卻系統(tǒng)、循環(huán)水泵系統(tǒng)、旁濾系統(tǒng)和加藥系統(tǒng)四部分組成；其中，冷卻系統(tǒng)采用逆流敞開式冷卻塔，共8座，設(shè)計進（冷卻）水量為8×4000m3／h，利用電機驅(qū)動風機 （J0205A／B／C／D／E／F／G／H，單臺功率200kW）機械抽風使空氣與水在填料層中進行對流傳熱，達到對循環(huán)水冷卻降溫的目的；循環(huán)水泵系統(tǒng)由4臺循環(huán)水泵（2001JA／B／C／D）采用三開一備的方式向化肥二部合成氨、尿素及甲醛裝置供應(yīng)循環(huán)水，循環(huán)水泵揚程50m、（單臺）設(shè)計流量9500m3／h，其動力源為2臺中壓蒸汽透平和2臺6kV高壓電機；旁濾系統(tǒng)和加藥系統(tǒng)作為輔助系統(tǒng)，主要完成循環(huán)水的除濁和緩蝕阻垢、殺菌滅藻工作。

整個循環(huán)水系統(tǒng)循環(huán)水量約25000m3／h，給水總管壓力≥0.45MPa、回水總管壓力≥0.25 MPa，給水溫度≤33℃、回水溫度≤43℃，冷卻前后溫差為（10±0.3）℃。循環(huán)水系統(tǒng)流程簡圖見圖1。

圖1 循環(huán)水系統(tǒng)流程簡圖

2 循環(huán)水系統(tǒng)節(jié)能改造的必要性

節(jié)能降耗是化工企業(yè)的生存之本。對于富島公司而言，對化肥二部循環(huán)水系統(tǒng)進行節(jié)能改造，不僅可以帶來可觀的經(jīng)濟效益，而且對于解決循環(huán)水系統(tǒng)存在的以下問題具有現(xiàn)實意義。

（1）循環(huán)水泵系統(tǒng)原始設(shè)計時考慮采用“2臺透平泵、1臺電泵運行＋1臺電泵備用”的運行模式。實際生產(chǎn)中，由于蒸汽量不足，只能采用“1臺透平泵、2臺電泵運行＋1臺透平泵備用”的運行模式。后一種運行模式下，一旦出現(xiàn)1臺透平泵或電泵故障跳車將會帶來以下兩個問題：一是蒸汽透平開車操作復(fù)雜，啟動前需暖管預(yù)熱，啟動耗時在0.5h以上，而用水單元是無法承受循環(huán)水量降低1／3的壓力的；二是若出現(xiàn)電泵跳車，由于蒸汽量不足，備用透平泵是否可啟動取決于各蒸汽使用單元能否及時協(xié)調(diào)出多余的蒸汽，顯然此時備用透平泵能否真正起到備用的作用尚不確定。

（2）冷卻系統(tǒng)風機啟動電流過大（啟動電流為額定電流的6～8倍，即有可能達到2400～3200A），易引起用電設(shè)備晃電跳閘。2012年11月18日13：00，啟動風機J0205B時，因啟動電流過大引發(fā)1＃變壓器400V進線開關(guān)過流跳閘，導(dǎo)致另2臺風機（J0205A、J0205D）和冷凝液泵（2003J）、加藥泵（U0201JA）跳車，同時400V母聯(lián)備自投動作合閘；繼續(xù)啟動J0205A、J0205B、J0205D，又引發(fā)2＃變壓器6kV饋線開關(guān)過流跳閘，低壓全部失電，6臺風機J0205A／B／E／F／G／H和冷凝液泵（2003J／JA）、旁濾泵（J0202A）跳車。

（3）2012年8月海南省工信廳下文要求各企業(yè)逐步淘汰高耗能設(shè)備，使用節(jié)能型設(shè)備，而富島公司化肥二部循環(huán)水系統(tǒng)全年大部分時間運行8臺電動風機，按年運行330d粗略估算，年耗電量為8×200×330×24＝12672000kW·h，能耗較高。

綜合分析上述情況，結(jié)合國內(nèi)同行業(yè)在節(jié)能領(lǐng)域的經(jīng)驗，富島公司化肥二部決定采用水力透平技術(shù)對循環(huán)水系統(tǒng)進行改造。

3 循環(huán)水系統(tǒng)改造方案

3.1 改造的可行性分析

3.1.1 水力風機轉(zhuǎn)速的計算

（1）冷卻塔氣水比。富島公司化肥二部循環(huán)水系統(tǒng)冷卻塔單塔設(shè)計進水量（Q水）為4000 m3／h，單塔設(shè)計風量（Q風）為2568000m3／h，據(jù)氣水比（μ）計算公式μ＝Q風ρ氣／（Q水ρ水）（式中：ρ氣為空氣在20℃時的密度，取1.205 kg／m3；ρ水為水的密度，取1000kg／m3），可得冷卻塔設(shè)計氣水比μ＝0.774。

（2）冷卻塔的實際風量。富島公司化肥二部循環(huán)水系統(tǒng)最大循環(huán)水量為26478m3／h，則單塔實際最大進水量（Q水′）為3310m3／h，由氣水比計算公式可得Q風′＝μQ水′ρ水／ρ氣，即單塔實際風量（Q風′）為2126091m3／h。

（3）水力風機的轉(zhuǎn)速。富島公司化肥二部循環(huán)水系統(tǒng)電動風機的額定轉(zhuǎn)速 （n）為127 r／min，單塔設(shè)計風量（Q風）為2568000m3／h、實際風量（Q風′）為2126091m3／h；風機風量與轉(zhuǎn)速成正比，即Q風／Q風′＝n／n′，可得水力風機的實際轉(zhuǎn)速（n′）為105r／min。

結(jié)論一：當冷卻塔單塔實際進水量為3310 m3／h時，冷卻塔單塔所需風量為2126091m3／h，理論上風機轉(zhuǎn)速達105r／min即可滿足冷卻要求。

3.1.2 水力風機輸出功率的計算

（1）電動風機輸出功率。富島公司化肥二部循環(huán)水系統(tǒng)電動風機電機額定電壓（U）為380V，運行時的平均電流（I）為265A，電機功率因數(shù)（cosφ）為0.89，電機效率 （η電機）通常在75%～90%之間，取η電機＝85%，據(jù)電機功率計算公式，可得電機功率P＝155kW，則電動風機輸出功率P電機＝Pη電機＝132kW。

（2）水力風機輸出功率。富島公司化肥二部循環(huán)水系統(tǒng)冷卻塔單塔實際最大進水量（Q水′）為3310m3／h，冷卻塔高度為13m，尾水管虹吸揚程為3m，回水壓力基本保持在0.265MPa（26.5m），則循環(huán)水回水富余揚程H＝26.5-13-（-3）＝16.5m；據(jù)水力風機輸出功率計算公式P水力＝9.81Q水′Hη水力／3600［式中：9.81為重力加速度，m／s2；水力透平效率（η水力）可達93% ～95%，取93%］，可得P水力＝138kW。

結(jié)論二：由計算可知，P水力＞P電機，表明水力透平利用循環(huán)水回水（流體）現(xiàn)有的流量與勢能可產(chǎn)生大于原電動風機電機的輸出功率。

3.1.3 循環(huán)水泵運行效率的計算

實際生產(chǎn)中，循環(huán)水泵的實際循環(huán)水量一般低于銘牌數(shù)據(jù)的10% ～20%，這就導(dǎo)致循環(huán)水泵存在能耗浪費。富島公司化肥二部循環(huán)水泵系統(tǒng)4臺循環(huán)水泵采用三開一備的方式運行，供水量可達3×9500m3／h，而實際運行時循環(huán)水量控制在23007～26478m3／h，即每臺循環(huán)水泵有674～1831m3／h的余量。

結(jié)論三：循環(huán)水泵能量損耗為7.1% ～19.3%，適當削減循環(huán)水泵的葉輪直徑，可降低循環(huán)水泵的額定流量，從而可有效提高循環(huán)水泵的運行效率，達到節(jié)能的目的。

3.2 改造內(nèi)容

3.2.1 冷卻塔系統(tǒng)的改造

保持冷卻塔塔體結(jié)構(gòu)不變，將塔內(nèi)部的減速器及其機座、外部電機拆除，在原減速器平臺處安裝水力透平機組；冷卻塔上塔管升高至塔上與水力透平進水口相接，水力透平出水口與塔內(nèi)布水總管相接，增設(shè)旁路管與原有進塔配水管相接，一方面方便停運水力透平機組時的檢修，另一方面可通過控制旁路閥開度調(diào)節(jié)水力透平入口流量以控制其轉(zhuǎn)速；設(shè)置水力透平機組轉(zhuǎn)速、油溫和振動的在線監(jiān)測系統(tǒng)，由DCS對其運行參數(shù)進行實時監(jiān)控。

3.2.2 循環(huán)水泵系統(tǒng)的改造

將循環(huán)水泵系統(tǒng)由“1臺透平泵、2臺電泵運行＋1臺透平泵備用”的運行模式改為“1臺透平泵、2臺電泵運行＋1臺電泵備用”的運行模式，因此需拆除1臺蒸汽透平機組、新增1臺高壓電機。具體內(nèi)容為：保持循環(huán)水泵2001JB泵體部分整體不變，將動力源部分轉(zhuǎn)速5200 r／min的中壓蒸汽透平機組及其附屬蒸汽管線、油系統(tǒng)、減速器拆除，對原透平機組基座進行改造，將其作為新增6kV高壓電機的安裝平臺，循環(huán)水泵2001JB由6kV高壓電機通過聯(lián)軸節(jié)直接帶動運行；此外，為提高循環(huán)水泵的運行效率，適當削減循環(huán)水泵的葉輪直徑。

3.3 改造實施情況

2012年4月—2013年1月，富島公司化肥二部逐步完成了水力透平取代電機驅(qū)動風機J0205C／E／G的改造。由于J0205C／E／G改造后存在水力透平尾水排出沖擊冷卻塔填料層的問題，經(jīng)研究決定將水力透平進出水方式由“一進一出”調(diào)整為“一進四出”。2019年年初對剩余的5臺風機J0205A／B／D／F／H進行水力透平取代電機驅(qū)動改造時，采用了“一進四出”的改進型水力透平。此外，在2019年5月大修期間，將循環(huán)水泵2001JB的動力源由蒸汽透平改為6kV的高壓電機，并完成了4臺循環(huán)水泵（2001JA／B／C／D）葉輪削減的節(jié)能改造工作。2020年5月將風機J0205C／E／G的原水力透平機組也更換為了改進型水力透平機組。

3.4 改造效果

（1）對改造前后冷卻塔進水量、給回水溫差、風機轉(zhuǎn)速、循環(huán)水泵電機電流等進行測定，結(jié)果見表1?？梢钥闯觯焊脑旌?，雖然給水壓力、回水壓力、循環(huán)水泵出口壓力以及風機轉(zhuǎn)速（運行8臺風機時）略有降低，但冷卻塔的降溫效果并未受到影響；改造后循環(huán)水泵電機電流略有降低，表明循環(huán)水泵的能耗在降低。

表1 改造前后循環(huán)水系統(tǒng)運行參數(shù)的對比

（2）從現(xiàn)場的運行情況來看，改造后循環(huán)水系統(tǒng)運行狀況良好，達到了預(yù)期效果，解決了不少問題：高溫天氣時運行7臺風機與運行8臺風機的冷卻降溫效果一樣，由此可備用1臺風機，消除改造前風機全部處于運行狀態(tài)而無備機的運行風險；循環(huán)水泵系統(tǒng)采用“1臺透平泵、2臺電泵運行＋1臺電泵備用”的運行模式，電泵作為備用泵可在極短時間內(nèi)啟動運行，避免循環(huán)水出現(xiàn)長時間供應(yīng)不足而影響用水單位的用水，從而消除了生產(chǎn)隱患；循環(huán)水系統(tǒng)排污量和補水量明顯降低，表明冷卻塔飄逸損失大幅減少，節(jié)水效果明顯。

（3）對于循環(huán)水冷卻系統(tǒng)而言，風機進行100%無電化改造后，粗略估算每年可節(jié)電12672000kW·h，相當于節(jié)約1557.39t標煤；電價以0.615元／（kW·h）計，每年可節(jié)約用電成本約779.328萬元，經(jīng)濟效益十分可觀。

4 結(jié)束語

綜上所述，富島公司化肥二部循環(huán)水系統(tǒng)通過采用水力透平技術(shù)進行節(jié)能改造，使冷卻塔風機實現(xiàn)了100%無電化運行，達到了節(jié)能降耗的目的。雖然循環(huán)水系統(tǒng)在工藝生產(chǎn)中不產(chǎn)生直接經(jīng)濟效益，且存在能耗高、運行效率低、能源浪費嚴重的缺點，但其是工藝生產(chǎn)系統(tǒng)不可缺少的組成部分，如何在企業(yè)節(jié)能降耗工作中充分地挖掘其潛力，值得業(yè)內(nèi)同仁深思和交流學習。