混流式水轮机在工业循环水冷却塔上的应用

韩元培

(河南能源化工集团 开封龙宇化工有限公司 ， 河南 开封 475200)



混流式水轮机在工业循环水冷却塔上的应用

韩元培

(河南能源化工集团 开封龙宇化工有限公司 ， 河南 开封 475200)

介绍了水轮机技术的原理及其在循环水系统的开发概况，结合改造实例探讨了混流式水轮机技术在工业循环水中的可行性、实施注意事项及应用效果，并对水轮机的发展及应用前景进行展望。

水轮机 ； 循环水 ； 冷却塔 ； 节能

0 前言

开封龙宇化工有限公司聚甲醛装置循环水系统主要作用是将全公司各生产装置冷却设备的温升水通过机械通风逆流式冷却塔降低水温后，由循环水泵加压，再供给不同的冷却设备循环使用。同时，通过加药设备对该循环冷却水进行水质稳定处理，通过旁滤池控制循环水悬浮物含量，保证工艺冷却设备的热效率。主要装置是2座循环冷却水塔、4台循环水泵、2台旁滤过滤器、1套加酸装置和2套加缓蚀阻垢剂装置，系统冷却水量为9 000 m3/h。来自管网的循环冷却回水(≥0.2 MPa)直接进入冷却塔，经喷头、填料与空气换热后落入塔底水池，被循环水泵提升压力后，分别供给各生产装置使用。

冷却塔风机采用的是185 kW/75 kW的高效轴流双速风机供给空气。风机启动后，在风机下部形成负压，冷空气便由下部进风口进入塔内。风机采用的是玻璃钢材质动能回收型风筒，由下到上分为来流收缩段、风机工作段和动压回收段。通过冷却塔淋水段的气流经过收缩段的整理，使之能均匀收缩过渡到风机工作段，通过风机叶片做功被提升到动压回收段，对气流进行导流扩散，使出风筒气流动压损失降低。现有冷却塔是用电动机通过联轴器、传动轴、减速器来驱动冷却塔的风机，风机的抽风使进入冷却塔的水流快速散热冷却，然后又由水泵加压将水流输送到需要用水冷却的设备后再进入冷却塔冷却，达到冷却水循环使用。

由于循环水冷却塔风机控制手段较少，造成循环水水温供、回水温度调节不够平稳,基本上在6～10 ℃波动，对生产操作和系统的稳定性产生了一定的不利影响，而且循环水回塔时带0.2～0.25 MPa的压力，在一定程度上存在能量浪费。

表1 冷却塔的性能参数

图1 冷却塔示意图

1 水轮机在工业循环水系统中开发

水轮机是把水流的能量转换为旋转机械能的动力机械，它属于流体机械中的透平机械。到目前为止，仅有4种类型的水轮机可以应用到冷却塔上。以风筒为界可将这4种类型的水轮机分成内置式和外置式两大类。内置式包括混流式、轴流式和双击式三种；外置式仅有贯流式一种。

华北水利水电学院陈德新等[1]提出了工业冷却塔用水轮机的选择原则，超低比转速的混流式水轮机适合工业冷却塔。河海大学张丽敏等[2]通过物理模拟实验证明了超低比转数混流式节能水轮机尺寸能够满足冷却塔的要求，效率高，性能稳定。

混流式水轮机外围是蜗壳，中间是叶轮，底部是尾水管，安装在风筒内，运行在水汽环境中，蜗壳尺寸较大，尾水管从底部引出使机体高度较高。由于这种结构的水轮机是中转速，要直接驱动风机做功还需在主轴上安装减速装置。机体本身高度较高再加上要在主轴上安装减速装置，整体高度还会更高。蜗壳配水均匀，水轮机效率较高，但在主轴上安装减速装置又会降低传递效率；机体太高，若用于改造塔必须降低塔体风机底座或者升高导风筒。

2 原理

水轮机的工作动力来自循环冷却水系统水的重力势能以及循环水泵的富余扬程，在不增加循环水泵输出功率的前提下，利用循环水系统中的富裕能量来驱动水轮机做功，从而带动风机旋转，可把原来的风机电机去掉，水轮机的输出轴直接与风机连接并带动其转动，节省风机电机原有的能耗。

混流式水轮机转轮区内的水流在通过转轮叶片流道时，始终是连续充满整个转轮的有压流动，并在转轮空间曲面型叶片的约束下，连续不断地改变流速大小和方向，从而对转轮叶片产生一个反作用力，驱动转轮旋转。当水流通过水轮机后，其动能和势能大部分被转换成水轮机的旋转机械能。之后水流经过水轮机的出水口流入原冷却塔布水管。水动风机冷却塔的能量主要由四大部分组成：设计余量、势能、水泵的自身调节能力、阀门上浪费的能量。

用水轮机来替代原风叶电机，可在供水系统不变的前提下充分利用循环水系统回水的富余能量来推动水轮机带动风机，实现气水热交换，从而达到冷却塔百分之百无电耗运行；而且可以根据工艺生产的需要调节风机转速，实现对循环水水温的稳定调节。

当系统加上水轮机后，将进塔阀逐渐打开直至系统流量到需要值。因水泵功率与流量成正相关系，流量变化时水泵功率才变化，流量不变化时水泵电机功率也不变化。

3 技术改造的实施

根据循环水系统及生产装置运行实际情况，对冷却塔上的其中一台冷却风机进行水力驱动改造，达到既节能又满足生产需求的目的。改造后满足冷却塔风叶电机为无电耗水轮机驱动风机的目标，实现循环水水量的自动调节和水温自动控制以及主控室内风机转速、振动、流量等重要参数的监控。水轮机效率>90%、冷却塔的飘水损失率<0.0001%、连续工作时间>7×104h且使用寿命≥10年；在回水量为5 600 t/h、回水上塔压力0.2 MPa时，水力驱动风机全速时>135 r/min；材质方面，旁路调节系统采用碳钢材质，可以方便调整风机转速，所有螺栓连接件、悬吊件均为不锈钢。水轮机设计制造时，按照夏季气温最高、生产负荷最高的情况下进行设计。

从签订合同到完工共45 d，其中现场施工控制在15 d以内，保证了能够利用公司大修时间，在不影响正常生产的情况下完成该项目的改造。图2为本项目混流式水轮机安装示意图。

图2 水轮机安装示意图

4 应用效果

项目完成后，循环水泵的控制及运行方式没有改变，循环水泵电流没有增加，水轮机各项性能达标，能够满足生产需要，循环水系统经受住了夏季炎热高温天气的考验。

4.1 经济效益

循环水冷却塔使用水轮机替代原电机运行后，可实现冷却塔风机的无电化运行，设备年运行时间8 000 h计算，冷却塔改造后节约电能为148×104kW·h。电价按0.62元计算，则每年可节约电费约91.76万元。

4.2 社会及环境效益

根据电力折标煤系数，该项目年节电148×104kW·h ，折标煤为181.9 t，可减少二氧化碳排放480.1 t，减少二氧化硫排放4.42 t，减少氮氧化物排放1.29 t。

5 结论

化工、冶炼等行业有重力势能可利用的机械通风式冷却塔都可以进行水轮机技术改造，水轮机与传统电力驱动风机相比，具有振动小、噪声低、节能的特点，因此具有广阔的推广应用前景。由于水轮机对水压有一定的要求，也限制了其推广应用范围。据统计，全国现有冷却塔可进行水轮机改造的总容量约为24 157万t，如果未来5年推广10%，全国可改造6 000余套，年节能以标煤计，约为240万t，年碳减排能力634万t。

[1] 陈德新,张文俊,杨 阳.冷却塔风机驱动水轮机的工作特点与形式选择[J].水力发电,2010,36(12):54-56.

[2] 张丽敏,郑 源,张成华,等.用于冷却塔德超低比转数混流式水轮机设计[J].农业机械学报,2010,41(9):39-42.

2016-08-16

韩元培(1985-)，男，工程师，从事化工新材料的生产与技术管理工作，E-mail:hanyuanpei@126.com。

TQ051.5

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1003-3467(2016)11-0043-03