王琳， 汪炎， 張輝

（東華工程科技股份有限公司， 合肥 230024）

在石油化工、 鋼鐵、 電力等行業(yè)， 開式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)是普遍應(yīng)用的一種冷卻技術(shù)， 逆流式機械通風冷卻塔又是該系統(tǒng)中最常用的一種。 隨著碳達峰碳中和目標的提出以及科技進步， 節(jié)能、 綠色發(fā)展將是必然趨勢。 近年來， 針對循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的運行特點， 水輪機驅(qū)動的風機在冷卻塔中的應(yīng)用技術(shù)應(yīng)運而生。 水輪機的發(fā)展已經(jīng)歷了幾代［1］， 有學(xué)者研發(fā)出了結(jié)構(gòu)小巧， 可直接安裝在冷卻塔內(nèi)部的特性蝸殼水輪機［2］。 不管何種型式的水輪機， 其在冷卻塔中運行的穩(wěn)定性、 適用性及出現(xiàn)的問題均是行業(yè)內(nèi)關(guān)注的焦點， 為此調(diào)研了3 家不同行業(yè)的生產(chǎn)企業(yè)， 分析了水輪機在冷卻塔中的運行情況。

1 水輪機驅(qū)動風機的冷卻塔工作原理

水輪機驅(qū)動風機的冷卻塔是水輪機利用循環(huán)冷卻水系統(tǒng)中的富余能量驅(qū)動風機的冷卻塔。 水輪機驅(qū)動風機的冷卻塔是一種新型高效節(jié)能產(chǎn)品， 其核心技術(shù)是高效率水輪機取代傳統(tǒng)的電機作為風機動力， 使風機由原來的電力驅(qū)動改為水力驅(qū)動，達到節(jié)能目的［3］。 水輪機的輸出軸直接與風機連接， 從而帶動其旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生冷卻效果， 并不增加水泵的功耗， 不僅保持了傳統(tǒng)冷卻塔的工作原理， 而且保證與原冷卻塔氣水比相同， 可以滿足換熱設(shè)備的工藝要求， 這種節(jié)能改造是“系統(tǒng)能量的二次利用或回收”。

2 水輪機在冷卻塔中的運行情況

2.1 某石油化工廠應(yīng)用實例

某石油化工廠的循環(huán)水站設(shè)計規(guī)模為12 000 m3／h， 設(shè)有3 臺逆流式機械通風冷卻塔， 單臺塔設(shè)計流量為4 000 m3／h。 風機直徑為9 144 mm， 1 臺采用變頻電機驅(qū)動風機， 1 臺采用非變頻電機驅(qū)動風機， 電機功率是185 kW， 另外1 臺采用水輪機驅(qū)動。 設(shè)計供水壓力為0.45 MPa， 回水壓力為0.25 MPa， 給水溫度為33 ℃， 回水溫度為43 ℃， 工藝裝置換熱器最高25 m。 本項目新建時就采用了1臺水輪機。

現(xiàn)場實際運行循環(huán)冷卻水量約為10 100 m3／h，供水壓力為0.40 MPa， 回水壓力為0.24 MPa， 給水溫度為29.6 ℃， 回水溫度為35.6 ℃。 現(xiàn)場通過調(diào)節(jié)循環(huán)回水管的閥門調(diào)配流量， 保證水輪機的轉(zhuǎn)速n ≤127 r／min， 水輪機驅(qū)動的進水閥門開度約50%， 電動機驅(qū)動的進水閥門開度約25%。 現(xiàn)場實測水輪機轉(zhuǎn)速n ≤122 r／min， 2 臺風機的電機均在工頻運行。

目前冷卻塔已經(jīng)運行5 a， 在運行過程中一般不調(diào)整水輪機的轉(zhuǎn)速， 冬季氣溫低時， 首選開啟水輪機運行， 其次是變頻電機。 在這5 a 的運行過程中， 水輪機的轉(zhuǎn)速表失靈過， 需要基礎(chǔ)的維保工作如常規(guī)巡檢記錄， 更換機油等， 沒有其他特殊的維護。 但現(xiàn)場人員對循環(huán)水站全部風機均由水輪機驅(qū)動仍存在顧慮， 擔心夏季水輪機的運轉(zhuǎn)不正常會影響生產(chǎn)， 認為部分水輪機驅(qū)動部分電機驅(qū)動的模式更為合適， 既節(jié)能， 又穩(wěn)定。

2.2 某化工廠應(yīng)用實例

某化工廠循環(huán)水站設(shè)計規(guī)模為12 000 m3／h，設(shè)有3 臺逆流式機械通風冷卻塔， 單臺塔設(shè)計流量為4 000 m3／h。 3 臺冷卻塔風機全部采用水輪機驅(qū)動。 設(shè)計供水壓力為0.35 MPa， 水輪機進口壓力為0.06 MPa。 給水溫度為33 ℃， 回水溫度為41 ℃，工藝裝置換熱器最高23 m。 本項目新建時就全部采用了水輪機。

現(xiàn)場實際運行循環(huán)冷卻水量約為5 800 m3／h，供水壓力約為0.30 MPa， 回水壓力為0.17 MPa， 水輪機進口壓力為0.008 MPa， 給水溫度為31.8 ℃，回水溫度為36.7 ℃。 實際的運行水量僅為設(shè)計水量的一半左右， 現(xiàn)場的3 臺冷卻塔全部在運行當中， 實測水輪機的轉(zhuǎn)速為98 r／min（設(shè)計值為127 r／min）。 冷卻塔已經(jīng)運行1 a 多， 因為目前工藝裝置的負荷較低， 循環(huán)冷卻水量較少， 2 臺循環(huán)水泵在均低頻運行， 3 臺冷卻塔全部運行。 現(xiàn)場人員表示現(xiàn)場運行以滿足工藝的需求， 盡量減少運行工況及工藝換熱裝置的調(diào)整為原則， 所以即使水輪機的轉(zhuǎn)速較低， 冷卻塔的開啟數(shù)量也沒有做相應(yīng)的調(diào)整。

該化工廠的水輪機一直處于低負荷運行狀態(tài)，為了驗證在不同狀態(tài)下的冷卻效果以及不同流量壓力狀態(tài)下系統(tǒng)的詳細情況， 對循環(huán)冷卻水進行了一次驗證性工況調(diào)整。 系統(tǒng)調(diào)整過程中僅是關(guān)閉了其中1 臺冷卻塔的上塔閥門， 讓剩余2 臺冷卻塔提高運行負荷， 其他未做任何調(diào)整。 調(diào)整后的水輪機轉(zhuǎn)速分別是133 r／min 和126 r／min， 接近額定工況127 r／min。 關(guān)閉1 臺冷卻塔后， 水輪機的運行效率提高， 循環(huán)水泵的電流下降1 A， 相應(yīng)水泵運行功率降低十幾千瓦， 此次調(diào)整持續(xù)了3 h， 滿足生產(chǎn)要求。

2.3 某精細化工廠應(yīng)用實例

某精細化工廠循環(huán)水站設(shè)計規(guī)模為21 000 m3／h， 設(shè)有7 臺逆流式機械通風冷卻塔， 單臺塔設(shè)計流量為3 000 m3／h。 7 臺冷卻塔中6 臺風機采用電機驅(qū)動， 1 臺風機采用水輪機驅(qū)動， 水輪機選取的設(shè)計流量比單塔流量略大， 為4 000 m3／h。 設(shè)計供水壓力為0.58 MPa， 給水溫度為33 ℃， 回水溫度為41 ℃。 本項目的水輪機是后來改造時代替原來電機驅(qū)動的。

現(xiàn)場實際運行循環(huán)冷卻水量約為16 000 m3／h，供水壓力為0.412 MPa， 回水壓力為0.258 MPa， 給水溫度為30.58 ℃， 回水溫度為34.46 ℃。 現(xiàn)場通過調(diào)節(jié)循環(huán)回水管的閥門調(diào)配流量， 保證水輪機的轉(zhuǎn)速， 水輪機驅(qū)動的進水閥門開度約為40%， 其他電動機驅(qū)動的進水閥門開度分別約為11.4%、7.8%、 18.4%、 12.1% 和11.3%。 鄰近水輪機的1臺電機驅(qū)動冷卻塔的進水閥門未開， 這2 臺塔的進水均通過水輪機后， 經(jīng)連通管配置到另外1 臺冷卻塔中。 現(xiàn)場實測水輪機轉(zhuǎn)速為113 r／min。 為保證水輪機的轉(zhuǎn)速不超速， 設(shè)置了旁路， 當水輪機的轉(zhuǎn)速超出上限值時， 報警并連鎖開啟旁路的電動閥門。

目前該廠冷卻塔已經(jīng)運行近5 a， 夏季冷卻塔均正常運行， 冬季氣溫低的時候， 水輪機正常運轉(zhuǎn)， 電機驅(qū)動的冷卻塔循環(huán)冷卻水僅上塔不開風機， 可以節(jié)能。

綜上， 電機驅(qū)動風機與水輪機驅(qū)動風機運行維護對比分析見表1。

表1 電機驅(qū)動風機與水輪機驅(qū)動風機運行維護對比分析Tab. 1 Constrast and analysis of operation and maintenance of draught fan driven by motor or water turbine

3 結(jié)語

（1） 調(diào)研的3 個廠的水輪機有新建有改造， 有全部使用水輪機也有部分使用水輪機的， 有基本在設(shè)計工況運行的， 也有離設(shè)計工況偏差較大的， 從現(xiàn)場運行來看， 存在能力富余的情況下， 水輪機驅(qū)動風機的冷卻塔運行穩(wěn)定， 可以達到節(jié)能目的。

（2） 就現(xiàn)場反饋來看， 水輪機的運行調(diào)節(jié)匹配與電機相比要求較高， 水輪機調(diào)節(jié)的關(guān)鍵參數(shù)是轉(zhuǎn)數(shù)， 在水輪機額定轉(zhuǎn)數(shù)下運行高效且穩(wěn)定， 在實際運行與設(shè)計工況差別較大時， 會給現(xiàn)場的調(diào)試帶來挑戰(zhàn)。 就市場應(yīng)用而言， 大規(guī)模循環(huán)水站全部使用水輪機驅(qū)動風機的案例較少， 多數(shù)情況是部分電機驅(qū)動部分水輪機驅(qū)動的“混搭”模式。

（3） 在運行過程中出現(xiàn)流量波動或季節(jié)更替時， 現(xiàn)場通常的做法是能滿足工藝運行即可， 而不是調(diào)節(jié)到水輪機運行和換熱器運行匹配的最佳狀態(tài)。 運行中的系統(tǒng)調(diào)整會增加現(xiàn)場調(diào)試的工作量，需要現(xiàn)場工藝車間、 循環(huán)冷卻水車間等多工段、 多部門配合才能完成。

（4） 采用水輪機驅(qū)動的循環(huán)冷卻水系統(tǒng)可能會對目前循環(huán)冷卻水系統(tǒng)調(diào)試模式造成改變， 目前尚缺乏全系統(tǒng)調(diào)試的經(jīng)驗， 建議從這方面入手， 積累成熟的調(diào)試數(shù)據(jù)， 編制操作手冊， 以此為突破推廣水輪機驅(qū)動的風機在冷卻塔中的應(yīng)用， 節(jié)能降耗，助力碳達峰碳中和。