工業(yè)涼水塔水輪機(jī)技術(shù)改造分析

劉秀廷

（中海石油化學(xué)股份有限公司，海南東方 572600）

1 項(xiàng)目背景

中海石油化學(xué)股份有限公司一期循環(huán)水涼水塔風(fēng)機(jī)自投產(chǎn)到現(xiàn)在已經(jīng)運(yùn)行18a，涼水塔風(fēng)機(jī)主要由電機(jī)驅(qū)動，單臺電機(jī)額定功率為160kW。涼水塔風(fēng)機(jī)在正常情況下八開一備，遇到高溫天氣九臺風(fēng)機(jī)全部運(yùn)行才能滿足后系統(tǒng)生產(chǎn)要求。每臺涼水塔風(fēng)機(jī)平均每年按330d運(yùn)行，單臺電機(jī)平均耗電量高達(dá)1 077 120kW·h。

在涼水塔的循環(huán)水泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)的熱力學(xué)、傳熱學(xué)計(jì)算中，由于考慮到設(shè)備和系統(tǒng)管道的阻損，一般都要有一些設(shè)計(jì)余量，在水泵選型時還要在此基礎(chǔ)上再乘1.1至1.3作為水泵選型的依據(jù)，而在具體選型時往往很難湊巧選到參數(shù)完全一致的水泵，根據(jù)就高不就低的原則，一般選擇揚(yáng)程較大的水泵。由于上述幾種情況的疊加，因此在水泵循環(huán)系統(tǒng)中都存在著大量的富余揚(yáng)程和流量。為了充分回收利用富余揚(yáng)程，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗、保證安全生產(chǎn)的要求，公司決定采用先進(jìn)水輪機(jī)技術(shù)，替代傳統(tǒng)的電機(jī)驅(qū)動風(fēng)機(jī)技術(shù)。本文簡要介紹了風(fēng)機(jī)電機(jī)改造為水輪機(jī)的過程及效果分析。

2 水輪機(jī)的選擇

涼水塔風(fēng)機(jī)電機(jī)改造為水輪機(jī)的技術(shù)的核心是水輪機(jī)，水輪機(jī)的效率決定改造的成功與否，而影響水輪機(jī)效率的因素從水輪機(jī)選型到工藝結(jié)構(gòu)都對節(jié)能改造的系統(tǒng)富余能量的有效利用起著決定性的作用。

2.1 水輪機(jī)的分類

水輪機(jī)按工作原理可分為沖擊式水輪機(jī)和反擊式水輪機(jī)兩大類，如圖1所示。

圖1 水輪機(jī)實(shí)例圖

沖擊式水輪機(jī)工作原理：沖擊式水輪機(jī)的轉(zhuǎn)輪因受到水流的沖擊而旋轉(zhuǎn)，收縮噴嘴，能把水流能量轉(zhuǎn)變?yōu)楦咚偕淞鞯膭幽?，主要是動能的轉(zhuǎn)換。反擊式水輪機(jī)工作原理：反擊式水輪機(jī)內(nèi)的轉(zhuǎn)輪在水中受到水流的反作用力而旋轉(zhuǎn)，工作過程中水流的勢能和動能均有改變，主要是勢能的轉(zhuǎn)換，其中反擊式混流水輪機(jī)是最新研究成果。

2.2 水輪機(jī)的對比

2.2.1 水輪機(jī)能量比較

沖擊式水輪機(jī)能量計(jì)算公式：

對于沖擊式水輪機(jī)而言，需盡可能減小管道面積以輸出更多的能量。對所有的沖擊式水輪機(jī)而言進(jìn)水口處都有明顯的變徑如圖1（b）所示，也就相當(dāng)于在管道上增加了一個閥門，多消耗了一部分能量。

反擊式水輪機(jī)能量計(jì)算公式：

對于反擊式水輪機(jī)而言，需盡可能增加勢能以輸出更多的能量。通過反擊式水輪機(jī)的轉(zhuǎn)輪來增加勢能，滿足輸出功率要求，沒有管道變徑如圖1（a），不存在額外的能量損耗。

對循環(huán)水系統(tǒng)而言，反擊式水輪機(jī)高效率地利用系統(tǒng)中的流量和揚(yáng)程提供的勢能較沖擊式水輪機(jī)減小管道面積獲得更高動能更可取。

2.2.2 水輪機(jī)效率及其他比較

兩種水輪機(jī)對比見表1。

表1 市場反擊式混流水輪機(jī)與沖擊式水輪機(jī)對比

如表1所示，反擊式混流水輪機(jī)效率高于沖擊式水輪機(jī)，回水壓力在0.2～0.3MPa，換算后水頭滿足反擊式混流水輪機(jī)水頭。根據(jù)涼水塔節(jié)能技改所應(yīng)用工業(yè)循環(huán)水系統(tǒng)的特性，利用循環(huán)水系統(tǒng)富余能量驅(qū)動水輪機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，在工業(yè)循環(huán)水中較小流量和較小壓頭的前提下，系統(tǒng)能量的有效利用是建立在水輪機(jī)高效率的基礎(chǔ)上。在相同的流量和水頭下，選用效率更高的反擊式混流水輪機(jī)，可提供更大的軸功率和更高的轉(zhuǎn)速。

2.3 水輪機(jī)選型計(jì)算

水輪機(jī)效率的高低主要看水輪機(jī)的轉(zhuǎn)輪，水輪機(jī)的轉(zhuǎn)輪是大型發(fā)電機(jī)組廠家經(jīng)過多次的試驗(yàn)和改型確定的，其葉片的形狀是不可以輕易改變的，對于一定形狀的葉片，分別給出三個參數(shù)：單位流量（Q1）、單位轉(zhuǎn)速（n1）和單位功率（N1），同一種葉片形狀做成不同大小的轉(zhuǎn)輪其上述參數(shù)不變。對于特定的轉(zhuǎn)輪，選定了轉(zhuǎn)輪直徑（D）和水輪機(jī)的利用水頭（H）后，水輪機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速（n）、過流量（Q）和輸出功率（N）可通過下面的公式求得：

對于選定的轉(zhuǎn)輪型號，即選定水輪機(jī)的上述參數(shù)后，再選定轉(zhuǎn)輪直徑，并根據(jù)實(shí)際水輪機(jī)利用的水頭計(jì)算水輪機(jī)的過流量和輸出功率，在過流量和輸出功率滿足要求的流量和風(fēng)機(jī)軸功率時，則水輪機(jī)型號選擇合適，如不能滿足要求，則更換轉(zhuǎn)輪直徑和水輪機(jī)型號，直到合適為止。

2.4 改造過程及分析

2.4.1 改造可行性計(jì)算涼水塔風(fēng)機(jī)無電化改造的關(guān)鍵是改造后水輪機(jī)實(shí)際輸出軸功率大于改造前風(fēng)機(jī)軸功率（即P輸出＞P風(fēng)機(jī)）。

2.4.2 風(fēng)機(jī)軸功率計(jì)算

循環(huán)水系統(tǒng)為3 000m3/h涼水塔，所配風(fēng)機(jī)電機(jī)功率為160kW，風(fēng)機(jī)額定電壓為380V，風(fēng)機(jī)實(shí)際電流為180A。受電機(jī)效率、傳動軸效率、減速機(jī)效率等機(jī)械效率影響，則風(fēng)機(jī)實(shí)際軸功率約為：

即風(fēng)機(jī)實(shí)際軸功率約為84.42kW

說明：減速機(jī)效率為0.91（詳見機(jī)械設(shè)計(jì)手冊第四卷），電機(jī)效率為0.94（詳見機(jī)械設(shè)計(jì)手冊第四卷），傳動軸效率為0.98（詳見機(jī)械設(shè)計(jì)手冊第二卷）。

2.4.3 不同閥門開啟度消耗壓頭計(jì)算

系統(tǒng)閥門的關(guān)閉就是富余能量的表現(xiàn)，每個閥門對應(yīng)不同的流量及開度，目前上塔閥門沒有完全打開，上塔閥門開度為18°。對涼水塔進(jìn)行節(jié)能改造后將上塔閥門完全打開，則調(diào)整以后系統(tǒng)可以釋放出閥門所消耗的揚(yáng)程和功率，可以用下述公式計(jì)算：

其中V為流體速度；g為重力加速度

功率：P=ρ×g×Q×H÷3600

ρ為水的密度；g為重力加速度；Q為流量；H為揚(yáng)程

假設(shè)將上塔閥門完全打開：

富余能量計(jì)算：

系統(tǒng)富余能量P=ρ×g×Q×H÷3 600

1）當(dāng)上塔閥門全部打開時：

水輪機(jī)輸出軸功率：

可改造條件判斷：

從計(jì)算結(jié)果看，改造P輸出/P風(fēng)機(jī)＜1，不滿足單臺改造的條件，采用并水做功，可以改造8臺塔中的4臺，以達(dá)到節(jié)電的目的。

2）當(dāng)上塔閥門所消耗的壓頭為10.6m（即開度為18°的上塔閥門所消耗的壓力）

8臺涼水塔閥門所耗的總功率：

即：水輪機(jī)利用的富余功率為：P水輪機(jī)=415.92kW

水輪機(jī)輸出軸功率：

可改造判斷：

從計(jì)算結(jié)果可以看出，改造4臺涼水塔能量很充足，改造后系統(tǒng)還有富余能量的存在。

2.5 改造過程中工藝要求

為生產(chǎn)穩(wěn)定起見，對涼水塔一臺風(fēng)機(jī)進(jìn)行改造，內(nèi)容是將風(fēng)機(jī)電機(jī)驅(qū)動改為水輪機(jī)驅(qū)動，包括進(jìn)出水管的配置等。實(shí)際工藝操作參數(shù)如表2所示。

表2 實(shí)際工藝操作參數(shù)

改造過程需滿足系統(tǒng)實(shí)際要求，在相同工況的條件下滿足工藝指標(biāo)（如表3所示）。水輪機(jī)配套進(jìn)出水管使用玻璃鋼管道，充分核算水輪機(jī)及配套管道重量、振動等因素，確保水輪機(jī)運(yùn)行時不影響塔體強(qiáng)度及其他設(shè)備的運(yùn)行。

表3 系統(tǒng)指標(biāo)控制

2.6 改造工程簡述

2.6.1 改造內(nèi)容

將F涼水塔中電動風(fēng)機(jī)實(shí)施節(jié)能改造，以反擊式混流水輪機(jī)取代電機(jī)（包括傳動軸、減速機(jī)）作為風(fēng)機(jī)動力源，使風(fēng)機(jī)驅(qū)動方式由電力改為水力。同時，相應(yīng)地修改循環(huán)冷卻回水上塔管道的配管，增設(shè)旁通管道，安裝用于切斷檢修、運(yùn)行切換的閥門。經(jīng)過改造，循環(huán)冷卻回水先通過水輪機(jī)后，再進(jìn)入涼水塔的配水系統(tǒng)。具體情況如圖2所示。

圖2中虛線為原進(jìn)水管，實(shí)線為改造后進(jìn)水管，在圖2中原進(jìn)水管線位置一處安裝閥門，切斷原進(jìn)水，改為原管線上方新安裝管線進(jìn)水。

2.6.2 水輪機(jī)主要技術(shù)參數(shù)及安裝要點(diǎn)

（1）在本次改造工程中，選用的水輪機(jī)主要技術(shù)參數(shù)如下：

①型式：反擊式混流水輪機(jī)；

②型號：KER-3000；

圖2 改造前后冷水塔

③減速箱潤滑油：220；

④額定轉(zhuǎn)速：135r/min；

⑤減速機(jī)型號：L61.0。

（2）在本次改造工程中，水輪機(jī)安裝要點(diǎn)如下：

①水輪機(jī)進(jìn)水口處一定要安裝一個軟接頭。水輪機(jī)不得承受其他外力，以免設(shè)備受力變形，損壞設(shè)備。

②水輪機(jī)的底部要和基礎(chǔ)連接牢固。根據(jù)需要增加支撐。進(jìn)出水管道的重量不得由水輪機(jī)承受，要獨(dú)立支撐。

③安裝的風(fēng)機(jī)風(fēng)葉每片角度要保證一致。

④安裝的風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速不得超過額定的轉(zhuǎn)速，如果有超過的現(xiàn)象必須調(diào)節(jié)，保證設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

⑤吊裝水輪機(jī)時嚴(yán)禁使用主軸上的螺孔。必須使用端蓋和殼體上的吊裝孔。

2.7 改造后的測試及經(jīng)濟(jì)分析

2.7.1 改造后工藝狀況

改造后工藝指標(biāo)測量數(shù)據(jù)如表4所示，各項(xiàng)參數(shù)滿足生產(chǎn)要求，其波動也在參數(shù)允許范圍內(nèi)。

表4 工藝指標(biāo)測量

2.7.2 改造后的經(jīng)濟(jì)分析

對改造前后現(xiàn)場循環(huán)水水泵進(jìn)行測量，數(shù)據(jù)如表5，表6所示，同時對改造前風(fēng)機(jī)電機(jī)進(jìn)行測量如表7所示。

表5 水輪機(jī)改造前循環(huán)水泵電量考核表

表6 水輪機(jī)改造后循環(huán)水泵電量考核表

表7 風(fēng)機(jī)改造水輪機(jī)前后參數(shù)對比

從表5與表6得知：在未啟動水輪機(jī)時，五臺循環(huán)水泵運(yùn)行24h，總耗電量為114 960kW·h，平均每小時耗電4 790kW·h。在啟動水輪機(jī)時，五臺循環(huán)水泵運(yùn)行為72h，總耗電量為346 920kW·h，平均每小時耗電4 818kW·h。在水輪機(jī)運(yùn)行時，循環(huán)水泵每小時多耗電28kW·h。

一臺風(fēng)機(jī)功率從表7可計(jì)算得知：

日節(jié)電量：

綜合所述，水輪機(jī)每日節(jié)電量：

單臺水輪機(jī)按330天運(yùn)行，每年節(jié)電量：

年節(jié)約電力消耗= 年減少電力實(shí)際消耗量×電力折算系數(shù)

=70.587 0×1.229

=86.75（噸標(biāo)準(zhǔn)煤）

每年單臺水輪機(jī)節(jié)省電費(fèi)以每度電0.68元計(jì)：

年可節(jié)約705 870×0.68=47.999 16（萬元）

根據(jù)節(jié)能計(jì)算結(jié)果，改造一臺風(fēng)機(jī)電機(jī)后，每年節(jié)約電費(fèi)47.999 16萬元，相當(dāng)于燃燒86.75t標(biāo)準(zhǔn)煤。如果考慮電機(jī)、傳動軸、減速機(jī)的維護(hù)、檢修費(fèi)用，則每年節(jié)約的費(fèi)用更加可觀。

3 結(jié)語

水輪機(jī)改造項(xiàng)目達(dá)到了工藝參數(shù)不變的情況下，穩(wěn)定生產(chǎn)。改造后近4a的時間中，水輪機(jī)運(yùn)行可靠，操作方便，沒有出現(xiàn)過影響生產(chǎn)的大型故障。此次改造成功達(dá)到節(jié)能降耗的預(yù)期目標(biāo)，每年節(jié)約耗電705 870kW·h，折合人民幣47.999 16萬元。