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端的換熱裝置為設計條件，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、6臺、4臺4 500 m3/h冷卻塔，工程實施的內容是通過對系統(tǒng)裝置進行優(yōu)化處理，將出水控制閥門的能量損失合理地轉移給回水，使這些能耗有效地轉移給配套設計的水輪機，以達到回收能量的目的，而整個改造過程不會對原系統(tǒng)的的運行工況產(chǎn)生任何不利影響。改造實施前系統(tǒng)工況見表1。

2 水輪機設計理論依據(jù)

軸功率匹配原則：當水輪機做功輸出軸功率W水≥原風機運行所需軸功率W電，則改造后水輪機驅動風機轉速可達到原風機轉速的要求。水輪機輸出軸功率理論公式如下[1- 2]：

W水=g×Q×H×η水

表1 改造實施前系統(tǒng)工況

式中：W水——水輪機輸出功率，kW；

g——水容重，取9 810 kg/m3；

H——水輪機做功壓力，mH2O；

Q——水輪機進水流量，m3/s；

η水——水輪機效率。

風機額定轉速時所需軸功率公式如下：

式中：W電——風機運行所需軸功率，kW；

I——電機運行電流，A；

V——電機運行電壓，V；

cosφ——電機功率因數(shù)；

η電機—電機效率；

η減速機—減速機效率；

η傳動軸—傳動軸效率。

3 改造過程論證

3.1 冷卻塔風機軸功率校核

3.1.1 電動風機軸功率計算

一循一期電動風機軸功率W1：

W1=(W×I2×η)/I1

式中：I1——電機額定電流，A；

I2——電機運行電流，A；

W——電機額定功率，kW；

η——傳動裝置效率，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、三循電動風機軸功率分別為102.8，120.3，102.8 kW。

3.1.2 水輪機輸出軸功率計算

(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的壓力計算

一循一期水輪機入口壓力=回水壓力-水輪機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的做功壓力計算

一循一期水輪機做功壓力=水輪機入口壓力+水輪機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、三循水輪機做功壓力分別為0.105，0.115，0.120 MPa。

(3)依據(jù)原風機運行軸功率和系統(tǒng)提供的水輪機做功壓力，推算出水輪機的過流量(取值整數(shù))，保證風機的參數(shù)達到原設計值。一循一期、一循二期、二循、三循水輪機進水流量分別為4 700，4 000，4 300，3 500 m3/h，一循一期、一循二期、二循、三循水輪機做功壓力折合水柱分別為10.5，10.5，11.5，12.0 mH2O，水輪機效率為0.9，則可計算得到一循一期、一循二期、二循、三循的設計水輪機輸出軸功率分別為120.5，102.9，120.8，102.8 kW。

3.1.3 軸功率匹配驗證

軸功率匹配驗證見表2。

表2 軸功率匹配驗證

由表2可以看出，水輪機輸出軸功率≥風機軸功率，驗證改造是可行的。

3.2 水輪機過流量校核及改造方式

各循環(huán)水系統(tǒng)冷卻塔改造臺數(shù)見表3。

表3 各循環(huán)水系統(tǒng)冷卻塔改造臺數(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，水輪機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到原運行參數(shù)[3]。改造后水輪機結構示意見圖1。

4 水輪機的“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)過充分的技術論證，也取決于改造所用的節(jié)能設備水輪機參數(shù)能否與冷卻塔運行參數(shù)之間達到理想的匹配，即“量身定制”。在考慮到回水壓力的前提下，達到要求的水輪機軸功率時，水輪機的過水量及有關的流通截面就成為定值，水輪機的基本結構就可以初步確定，由此可以進行有關的結構設計和制造工作。設計過程要以系統(tǒng)實際運行工況為依據(jù)即“量身定制”，輔以流體軟件CFD生成結構件相關尺寸，再以案例的“數(shù)據(jù)庫”進行修正，這樣制造出的水輪機才能達到每臺冷卻塔的技術條件，且效率也最高。本案例特定的水輪機工藝參數(shù)見表4。

表4 各循環(huán)水系統(tǒng)冷卻塔水輪機工藝參數(shù)

注：設計轉速均為117 r/min，效率均為90%

圖1 改造后水輪機結構示意

5 改造后運行特點

(1)安全可靠

水輪機設計嚴謹，結構合理，運轉平穩(wěn)，可靠性高，省去了驅動電機，根本杜絕了電機、電控和減速機漏電、漏油、燒毀和損壞的故障，為安全持續(xù)運行提供了保障，可在任何需防爆的環(huán)境下安全運行。

(2)冷效好

隨著季節(jié)的變化，水輪機的轉速可通過設置的旁通閥來調控，可以根除因環(huán)境溫度變化頻繁開停電動風機而引起的水溫變化，使冷卻塔的氣水比及水溫處于穩(wěn)定狀態(tài)，以達到最佳效果。

(3)環(huán)保

因取消了電機和減速機，降低了冷卻塔運行時機械噪聲，通過權威部門檢測，水動風機冷卻塔噪聲比傳統(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，水輪機轉速可根據(jù)環(huán)境狀況調節(jié)，降低風壓，同時也降低飄水率，而電機塔不可調速(除非增加成本使用變頻調速)，則飄水率不會降低。

(5)運行成本下降

由于取消了電機、傳動軸、減速機，因而減少了日常維護、檢修工作，大大降低了運行成本。

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、風機轉速沒有改變，機組運行振動值較改造前有所降低， 且風機電機拆除，節(jié)省了電機能耗。

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

7 結語

經(jīng)過現(xiàn)場實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。改造后，系統(tǒng)運行各項指標均能滿足系統(tǒng)運行的技術要求，且節(jié)省了冷卻塔風機電機的能耗，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)濟效益，同時節(jié)能減排的社會效益也十分顯著。