循环水冷却塔水轮机改造技术应用研究
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付军平 刘新利
【摘 要】循环水冷却塔的作用就是通过将换热后的热回水进入塔顶部，经过塔内布水系统喷淋至填料层，增加水与空气接触，由蒸发散热、接触散热和辐射散热三个过程共同作用使得回水温度降低，冷却后的循环水收集在水池中，待投加水质稳定药剂后经过循环水泵加压再次送至各个工段换热器继续为工艺介质降温，各类水耗损失通过补充水来解决，以保证各系统的正常运行，也是节约水资源是重要途径之一。
【关键词】循环水；冷却塔；水轮机；改造技术
一、传统电机驱动风机
传统循环水冷却风机由电机驱动，启动后电机带动减速机，经减速和变向带动冷却风机叶片，将冷却塔周边的空气经由冷却塔底部抽吸进入塔内，空气与热循环水换热后在离心力的作用下快速流动，经风筒向上排散。风筒为玻璃钢拼装而成，通过粘接防渗漏处理，风筒垂直剖面为双曲线型，其水平截面最小处为风叶水平中心截面，以确保冷却风机运行时的风口形成，从而保证冷却塔的运行效率。
陕西长青能源化工有限公司主装置循环水冷却塔风机配用380V电机，功率为200KW，转速1486r/min，噪音108Db。
二、无电耗水能风机应用的目的、意义
冷却塔循环水系统中必须用循环水泵加压将循环水输送至各个工段，所以必然存在一定的富余能量（20%-25%），在运行时就把这些能量聚集在某个阀门处，久而久之这些能量就白白地流失掉。水能风机（水轮机）的应用就是利用这些＂富余能量＂转换为高效机械能，对冷却塔风机做功，从而100%取代电机对冷却塔风机的驱动，达到节电目的。
三、外置贯流式水能风机
长青能化公司首次改造采用一台外置贯流式水能风机替换了循环水主装T404A3风机电机。
（一）工作原理
水能风机是采用循环水回水的水能转化为机械能，利用冷却塔设备所在循环冷却水系统的冗余水能驱动水轮机运转代替原电机驱动风机的散热降温方法，废除了传统的冷却塔中用电机驱动风机的散热的方式，无需对原有冷却塔基础结构和风筒减速机等进行大范围改造就可完全取代电机，从而实现＂零＂电能消耗的新型节能环保冷却塔。
外置贯流式水轮机如何能达到电机驱动效率的关键是：了解冷却塔循环水系统设计中的富余能量，同时水轮机的叶轮设计也是关键，富余能量的组成主要由以下6个部分：
1）循环水系统设计时必须考虑的余量值；
2）换热设备的势能利用；
3）水轮机的自身调节能力；
4）循环水系统的动能转换效率；
5）阀门没有开启到位时，被阀门所消耗的能量。
6）低流量通过合并再分流方法满足系统要求。
（二）结构特点
陕西长青能源化工有限公司循环水主装置泠却塔为5000m3/h×4四塔连体，先对三号塔T404A3进行无电耗水能风机节能改造，项目采用GLW-B5000外置贯流式水轮机。其主要设计参数分别为：流量5000m3/h；压力：0.8～0.13MPa；转速：1250～1500r/min。
GLW-B5000外置贯流式水轮机性能特点：
1）节能：水轮机利用循环水系统富余水压驱动水轮机转轮，从而带动风叶转动，既完全省去了冷却塔配备风机所用的电机，又没有增加循环水泵的电耗，因此省电达100%。
2）低噪音：无电耗水轮机取消了传统型冷却塔配备电机等设备，大大降低了冷却塔运行时的机械噪音。
3）安全可靠：无电耗水輪机由于不带电机，特别适用于在防爆、高危环境下运行，避免了电网负荷因素的影响，杜绝了电机的漏电、电控设备、损坏等故障。
4）维护方便：外置式无电耗水轮机冷却塔直接取代电机，置于电机基础上，维护使用方便，避免内置式水轮机冷却塔维护需吊装整个风机等麻烦。
5）寿命长：无电耗水轮机结构精密，技术先进，正常情况下可长期连续工作达8万小时以上。
6）环保：无电耗水轮机冷却塔取消了电机后，降低了因电机的耗电所带来的二氧化碳的排放量，降低了噪声所带来的环境污染。
7）经济：水轮机取消了电机等设备的配备，不但大大降低了产品成本，同时也大大减少了日常维护和维修成本，提高了企业的经济效益。
四、安装运行
循环水是通过循环水泵经加压至>0.4MPa后送往各工段换热器进行热交换的，通过换热器进口到出口实际消耗不了进水总管的压力，还有很大一部分的余压，换热器出水经管道引入塔顶水轮机进口。而换热器出口压力大约有0.35MPa，管路损失约0.05MPa，上冷却塔位差损耗约0.10MPa，最终水轮机进口水压约0.20MPa。因各循环水系统对冷却塔的温降要求不尽相同，故水轮机进口所需压力约为0.10～0.15MPa。由此可见，利用这部分余压完全能够满足驱动水轮机做功，达到冷却塔风机（原所配电机驱动风机式）所需轴功率。水压越高、流量越大，水轮机的输出功率也就越大。很显然，经过计算，GLW-B5000型水轮机完全符合改造安装的要求。在安装水轮机时，保留原有冷却塔外型结构、尺寸不改变，各种技术指标均能达到冷却塔设计要求，改造安装可以安全实施。
（一）改造安装过程
本次T404A3的单台冷却塔无电耗水能风机的改造项目于2014年3月实施并完成。改造后仅去除原冷却塔T404A3电机，保留传动轴和减速机，保留风机及配套轮毂，保留风筒及原电机基础，水轮机则安装在塔顶原电机位置，位于冷却塔北侧的回水管经过改装后连接到水轮机的进水管，循环水经过水轮机做功后从水轮机出水管引出，出水管连接到原冷却塔的回水管上，保证循环回水正常通往配水系统。为了保证改造后水轮机运行更平稳，在水轮机进水端和出水端都要安装软连接。为了更好的监测水轮机的运行状态，在水轮机的进水端和出水端都要安装压力表、测振和转速检测，并远传至中央控制室DCS系统，监盘人员可随时监控。
（二）运行情况
改造结束后经原技术部、生产运行部、机动部、原工程部、安环部等各部门的联合检查验收。于3月25日至28日圆满通过了72小时性能考核，改造前后循环水系统水量、压力平稳无变化，循环水泵负荷无增加；水轮机运行稳定，各项参数正常；改造对生产无不利影响，达到了预期节能效果。
五、改造效益
使用水轮机的冷却塔系统故障点少，以一台水轮机代替电机、减速器和传动部分，可以实现长时间无故障运行，为使用单位节省大量的维护和更换冷却塔电机的费用和人力。经济效益分析如下：
1）计算依据
冷却塔年运行时间约8000小时，原电机功率分别为200KW，实际运行电流为245A，电价0.55元/度，电机功率因数0.93。
2）节能综合分析
每台风机年节电量=U×I×1.732×COSφ×运行时间
=380×245×1.732×0.93×8000≈120万度/年
每台风机年节电费用120万度×0.55元/度=66万元
3）减排效益
可节约标准煤：3867吨，可减少二氧化碳排放：10053吨，具有良好的节能减排效果。
六、结论
改造经济高效，节能环保，安全稳定，技术创新，应用推广意义大，总结为以下几点：
1）对于原冷却塔内部结构无任何影响，对循环水系统富裕能量充分利用，解决了原电机驱动冷却塔风机的耗电的问题；
2）设计巧妙利用了原电机风机的减速箱和电机基础，安装在冷却塔外部，施工简单易行，改造工期短，不改变塔内、外的现有结构；操作、维护、检修方便；
3）可根据水量、温度自主调节风机转速高低来改变风量大小，实现风机全天候连续运转，保证水温平稳。
【参考文献】
[1]汤霞槐.循环水冷却塔内、外置式水轮机应用总结[J].中氮肥，2016（05）：31-33.
[2]杜森肴.混流式水轮机在循环水装置上的应用[J].煤化工，2017，45（03）：80-82+40.