江 平

(中海石油華鶴煤化有限公司， 黑龍江鶴崗 154100)

中海石油華鶴煤化有限公司(簡稱華鶴公司)位于北緯48°東經(jīng)130°，多年平均氣溫為3.2 ℃，7月平均溫度為21.9 ℃，極端高溫為37.7 ℃，極端低溫為-38.8 ℃，凍結(jié)天數(shù)190 d。循環(huán)水系統(tǒng)共6 臺循環(huán)水泵，額定體積流量均為10 000 m3/h，設(shè)計5開1備;設(shè)計10臺逆流式循環(huán)水冷卻塔，單塔設(shè)計最大處理能力為5 000 m3/h，正常工況下處理能力為4 500 m3/h，循環(huán)冷卻水進(jìn)塔操作溫度為40 ℃、出塔溫度為30 ℃，循環(huán)水系統(tǒng)夏季和冬季供給體積流量分別為44 000 m3/h和 42 200 m3/h[1]。循環(huán)水系統(tǒng)設(shè)計5%的循環(huán)冷卻水不經(jīng)過冷卻塔直接進(jìn)入旁濾裝置，因此夏季和冬季分別有42 180 m3/h和40 090 m3/h的循環(huán)冷卻水進(jìn)入冷卻塔，夏季和冬季每臺冷卻塔的過水體積流量為4 218 m3/h和4 009 m3/h。在夏季極端高溫的7月、8月啟動10臺風(fēng)機(jī)運行，在冬季極端低溫的1月、2月啟動2～3臺風(fēng)機(jī)運行，每臺風(fēng)機(jī)驅(qū)動電機(jī)額定功率為183 kW,循環(huán)水通過上塔蝶閥控制開度在20%～30%節(jié)流控制回水總管壓力，循環(huán)水回水余壓被上塔蝶閥節(jié)流減壓消耗。

1 循環(huán)水回水余壓分析

受極端環(huán)境溫度影響，在夏季運行時循環(huán)水回水壓力為0.28 MPa，在冬季運行時循環(huán)水回水壓力為0.31 MPa，冷卻塔噴頭距地面高差H1為7.8 m，循環(huán)水測壓點位置距地面高差H2為-1.2 m。循環(huán)水冷卻塔為逆流塔，為保證循環(huán)水噴淋霧化效果，冷卻塔分布器噴頭余壓頭H3為1.0 m，考慮水能利用，取增加閥門管道阻力壓頭HDP1為3.0 m，運行設(shè)備分配調(diào)整水能消耗阻力壓頭HDP2為2.0 m，則可用理論最小水頭H0為：

H0=p/ρg-(H1+H3+HDP1+HDP2)+H2

(1)

式中：p為循環(huán)水回水壓力，kPa；ρ為循環(huán)水密度，取1 g/cm3;g為重力加速度，取9.8 m/s2。

將各項數(shù)據(jù)代入式(1)可得:在夏季運行工況下,可用理論最小水頭為15.97 m;在冬季運行工況下,可用理論最小水頭為19.03 m。

循環(huán)水回水小時可利用水力能P為：

P=ρgqVH0

(2)

式中：qV為循環(huán)水系統(tǒng)實際供給體積流量，m3/h；g為重力加速度,m/s2。

利用水輪機(jī)驅(qū)動循環(huán)水回水余壓進(jìn)行發(fā)電或驅(qū)動冷卻塔風(fēng)機(jī)，則循環(huán)水回水夏季小時可用水力能(10臺)為1 835.6 kW，循環(huán)水回水冬季小時可用水力能(10臺)為2 078.0 kW。

2 循環(huán)水回水余壓利用方式

當(dāng)前循環(huán)水回水余壓利用的成熟方式有2種：(1) 使用循環(huán)水回水余壓帶動冷卻塔水輪機(jī)驅(qū)動冷卻塔風(fēng)機(jī)(簡稱直驅(qū)循環(huán)冷卻塔風(fēng)機(jī))；(2) 使用循環(huán)水回水余壓帶動水輪機(jī)驅(qū)動發(fā)電機(jī)進(jìn)行發(fā)電(簡稱水輪機(jī)發(fā)電)。

2.1 直驅(qū)循環(huán)冷卻塔風(fēng)機(jī)

當(dāng)前電機(jī)驅(qū)動冷卻塔風(fēng)機(jī)功率P風(fēng)為：

P風(fēng)=P電η3

(3)

式中:P電為電機(jī)額定功率，kW;η3為當(dāng)前電機(jī)驅(qū)動傳動效率,取0.92。

直驅(qū)循環(huán)冷卻塔風(fēng)機(jī)功率P單為：

P單=Pη1η2

(4)

式中:η1為循環(huán)水回水驅(qū)動水輪機(jī)效率,取0.9;η2為直驅(qū)水輪機(jī)傳動效率,取0.92。

在夏季工況下，直驅(qū)循環(huán)水冷卻塔風(fēng)機(jī)功率約為152 kW,小于當(dāng)前電機(jī)驅(qū)動冷卻塔風(fēng)機(jī)功率(168 kW)，不滿足冷卻塔風(fēng)機(jī)驅(qū)動設(shè)計需求。在冬季工況下，直驅(qū)循環(huán)水冷卻塔風(fēng)機(jī)功率約為172 kW，大于當(dāng)前電機(jī)驅(qū)動冷卻塔風(fēng)機(jī)功率，滿足風(fēng)機(jī)所需功率(168 kW),冬季循環(huán)水冷卻塔僅開3臺風(fēng)機(jī)，余壓不能充分回收。因此,直驅(qū)循環(huán)水冷卻塔風(fēng)機(jī)方式不滿足循環(huán)水回水余壓水力能回收要求。

2.2 水輪機(jī)發(fā)電

使用水輪機(jī)發(fā)電可以實現(xiàn)變負(fù)荷調(diào)整，全年可以實現(xiàn)循環(huán)水回水余壓水力能回收。水輪機(jī)發(fā)電負(fù)荷可以根據(jù)工況進(jìn)行調(diào)整，適應(yīng)系統(tǒng)變負(fù)荷能力較強(qiáng)，可以根據(jù)夏季工況、冬季工況、開停車工況的循環(huán)水系統(tǒng)負(fù)荷及時調(diào)整開停水輪機(jī)臺數(shù)以滿足循環(huán)水回水余壓水力能回收要求。

3 水輪機(jī)發(fā)電機(jī)組選型

按照水輪機(jī)運行轉(zhuǎn)速小于1 500 r/min的要求，根據(jù)夏季工況和冬季工況水頭對水輪機(jī)進(jìn)行選型,選型表見表1[2]。

表1 各型水輪機(jī)選型適應(yīng)范圍

根據(jù)水輪機(jī)選型表和余壓壓頭，選擇反擊型貫流轉(zhuǎn)槳式或貫流定槳式水輪機(jī)。

貫流式水輪機(jī)是反擊型貫流轉(zhuǎn)槳(定槳)式臥軸式水輪機(jī)，即水流在流道內(nèi)基本上沿著水平軸向運動，主要適用于 2～25 m 的水頭，是低水頭、大流量水電站的一種專用機(jī)型。通過導(dǎo)葉角度與轉(zhuǎn)輪葉片角度的調(diào)整配合可使水輪機(jī)運行在最優(yōu)狀態(tài)。燈泡貫流式水輪機(jī)組由于水流在流道內(nèi)基本上沿水平軸向運動，不轉(zhuǎn)彎，具有結(jié)構(gòu)緊湊、角度穩(wěn)的特點，而且與轉(zhuǎn)輪葉片角度的調(diào)整配合可使水輪機(jī)運行在最優(yōu)狀態(tài)，因此該項目選擇燈泡貫流式水輪機(jī)，其結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 燈泡貫流式水輪機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

3.1 單臺水輪機(jī)發(fā)電功率測算

(5)

通過計算可得單臺水輪機(jī)發(fā)電效率為0.8。

(6)

循環(huán)水回水余壓在水輪機(jī)驅(qū)動發(fā)電機(jī)模式下，發(fā)電機(jī)在運行負(fù)荷大于額定負(fù)荷10%，可以實現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電，夏季可用水力能為1 835.6 kW，冬季可用水力能為2 078.0 kW，單塔回水發(fā)電功率理論可調(diào)范圍為18.36～207.80 kW。通過計算可得在夏季工況下，單臺水輪機(jī)發(fā)電功率為147 kW；在冬季工況下，單臺水輪機(jī)發(fā)電功率為166 kW。

3.2 水輪機(jī)參數(shù)和效率確定

水輪機(jī)參數(shù)見表2,其中，最大出力按冬季無HDP2計算。

表2 水輪機(jī)參數(shù)表

根據(jù)水輪機(jī)參數(shù)，形成水輪機(jī)運行圖，見圖2[3]。

圖2 燈泡貫流式水輪機(jī)性能運行圖

由圖2可得:

(1) 夏季、冬季及最大出力工況，水輪機(jī)均處于安全運行范圍，不會發(fā)生空泡現(xiàn)象，機(jī)組運行安全。

(2) 水輪機(jī)直徑與水輪機(jī)比轉(zhuǎn)速關(guān)系合理，水輪機(jī)效率區(qū)域均大于等于94%。

(3) 選取的水輪機(jī)比轉(zhuǎn)速適合當(dāng)前機(jī)械加工工藝，對主要部件材料沒有特殊要求，工藝成熟，制造難度低。

4 發(fā)電機(jī)選型

發(fā)電機(jī)型式包括2類，即異步發(fā)電機(jī)與同步發(fā)電機(jī)。

2種發(fā)電機(jī)應(yīng)用于工業(yè)循環(huán)水回水余壓回收發(fā)電裝置的優(yōu)缺點分析見表3。

表3 異步發(fā)電機(jī)與同步發(fā)電機(jī)技術(shù)比對

同步發(fā)電機(jī)由于安裝尺寸大，占用冷卻塔風(fēng)機(jī)葉片檢修空間,日常維護(hù)工作量大于異步發(fā)電機(jī),且不能在潮濕環(huán)境工作,故根據(jù)2種發(fā)電機(jī)特點比對，選擇異步發(fā)電機(jī)與燈泡貫流式水輪機(jī)配套，回收循環(huán)水回水余壓水力能。

與同步發(fā)電機(jī)相比：異步發(fā)電機(jī)由于不需要直流勵磁系統(tǒng)及同期裝置，投資費用低;由于無集電環(huán)、電刷、轉(zhuǎn)子勵磁繞組，因此異步發(fā)電機(jī)的維護(hù)及運行費用低;異步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子為隱極且沒有與同步發(fā)電機(jī)類似的轉(zhuǎn)子繞組，因此一般效率高于同容量、同轉(zhuǎn)速的同步發(fā)電機(jī)；異步發(fā)電機(jī)占地面積??；異步發(fā)電機(jī)正常維護(hù)工作量小[4]。

5 燈泡貫流式水輪機(jī)余壓發(fā)電機(jī)組在循環(huán)水系統(tǒng)中的應(yīng)用

燈泡貫流式余壓發(fā)電機(jī)組外形尺寸及安裝方式見圖3。燈泡貫流式余壓發(fā)電機(jī)組平行于循環(huán)水回水管線安裝，機(jī)組進(jìn)水蝶閥和循環(huán)水冷卻塔上水蝶閥增設(shè)聯(lián)鎖，機(jī)組運行故障可以實現(xiàn)循環(huán)水上水無擾動切換，避免故障間斷水流沖擊循環(huán)水分布器與填料。燈泡貫流機(jī)組平行于回水管線垂直于地面安裝，可以實現(xiàn)占地面積最小，為冷卻塔風(fēng)機(jī)葉片預(yù)留檢修作業(yè)面。同時，該安裝方式使用水流軸向推力平衡異步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子重力，降低發(fā)電機(jī)徑向軸承軸向受力，避免使用浸油式止推軸承，增加潤滑油系統(tǒng)，同時延長徑向軸承使用壽命。

圖3 燈泡貫流式余壓發(fā)電機(jī)組外形尺寸及安裝方式

2019年9月17日，華鶴公司組織對10臺燈泡貫流式余壓發(fā)電機(jī)組進(jìn)行性能測試，使用8#機(jī)組進(jìn)行單機(jī)測試。水輪機(jī)水頭與發(fā)電功率關(guān)系試驗驗證見圖4。8#機(jī)組單機(jī)測試數(shù)據(jù)見表4。

圖4 水輪機(jī)水頭與發(fā)電功率關(guān)系試驗驗證圖

試驗按照其他9臺冷卻塔上水條件不變，通過改變8#燈泡貫流水輪發(fā)電機(jī)進(jìn)水閥，改變發(fā)電機(jī)輸出功率，按照每10 kW左右功率進(jìn)行遞增，驗證水輪機(jī)理論計算水頭與發(fā)電功率關(guān)系。

由表4可以看出：通過8#水輪機(jī)單機(jī)測試，實際運行性能與設(shè)計結(jié)果吻合較好，水輪機(jī)本體性能達(dá)到預(yù)期設(shè)計效果，驗證燈泡貫流式余壓發(fā)電機(jī)組在化工裝置循環(huán)水回水系統(tǒng)回收水力能應(yīng)用成功。

表4 8#機(jī)組測試數(shù)據(jù)

6 結(jié)語

華鶴公司結(jié)合公司所處區(qū)域位置和循環(huán)水冷卻水塔不同季節(jié)運行工況，對循環(huán)水回水余壓回收水輪機(jī)選型進(jìn)行縝密分析，將水利發(fā)電行業(yè)的燈泡貫流式水輪機(jī)引入化工領(lǐng)域，改進(jìn)燈泡貫流式水輪機(jī)結(jié)構(gòu)形式，形成軸伸式布置，以及使用新型賽龍柔性導(dǎo)軸承避免潤滑油污染，實現(xiàn)撬裝，簡化了現(xiàn)場布局，水輪機(jī)運行出口流體壓力恒定，對發(fā)電機(jī)選擇更具有針對性。

通過縝密分析，打破傳統(tǒng)通過水輪機(jī)驅(qū)動風(fēng)機(jī)回收富余能量的單一方案，規(guī)避了水輪機(jī)故障檢修、水輪機(jī)在冷卻塔頂布置占用出冷卻風(fēng)流通面積，影響水汽交換換熱效率，回水壓力波動風(fēng)機(jī)出力不足等弊端。目前,10臺機(jī)組滿發(fā)功率超過1 760 kW，各機(jī)組實現(xiàn)免維護(hù)正常運行，機(jī)組運行效率高于設(shè)計效率，為華鶴公司節(jié)能減排和化工行業(yè)回收循環(huán)水回水余壓創(chuàng)造性地開拓了新的方法。