水轮机在循环水冷却塔中的应用

刘 华

(广东南方碱业股份有限公司，广东广州 510760)



水轮机在循环水冷却塔中的应用

刘 华

(广东南方碱业股份有限公司，广东广州 510760)

采用水轮机，利用系统富余扬程，改造循环水1#冷却塔风机。改善系统工况的同时，节约大量电能，取得良好经济效益。

循环水；水轮机；冷却塔；节能

1 前 言

我厂热电循环水系统主要为热电车间两台发电机组的冷凝器供应循环冷却水，满足机组正常运行的需要(热电车间关停后，2014年9月该循环水系统改为供化工生产用)。热电循环水系统有仿玛丽600型横流式冷却塔两座，其作用是将循环水系统热水(循环水回水)降温，以便循环利用。热电系统两座循环水横流式冷却塔均采用机械强制通风方式，各有φ8534风机一台，配用电机160 kW。风机每年运行天数在300天以上，耗电量相当惊人。采用南京星飞的水轮机对1#循环水冷却塔进行改造，利用循环水系统的富余扬程作为动力，驱动水轮机带动风机，改电力驱动为水力驱动，节约大量电能，从而达到节能降耗的目的。

2 我厂热电循环水系统改造的可行性分析

2.1 热电循环水系统概况

1)冷却塔部分

结构型式：仿玛丽型横流式冷却塔(两座：1#、2#冷却塔)

额定处理能力：2 400 m3/h(单塔)

运行方式：高温季节，并联运行一大一小泵(大泵额定流量：2 016 m3/h，小泵额定流量：790 m3/h)，实测系统总流量：4 100 m3/h；其余时间，运行一台大泵，实测系统总流量2 900 m3/h。

设计温差：5 ℃

上塔总管管径：DN800，支管管径：DN600/400

2)水泵部分

20SH-9双吸式离心泵两台(一用一备)：额定流量2 016 m3/h，扬程59 m，电流64 A，电机功率550 kW。单台运行，出口压力33 m，进口压力2 m，电流53 A。

350S-75A型双吸式离心泵一台：额定流量1 170 m3/h，扬程65 m，电流34.5 A，电机功率300 kW。

300S-58型双吸式离心泵一台：额定流量790 m3/h，扬程58 m，电流24 A，电机功率220 kW。

3)风机部分

风机直径8 534 mm，电机功率160 kW，电流289 A，实际运行177 A。

传动方式：传动轴、减速机，转速133 r/min。

2.2 改造对热电循环水泵工作点的影响

由于工作点是由泵及管路特性共同决定的，因此，改变任一条特性曲线均可达到流量调节的目的。如图1所示，当调节出口阀开度时，改变了管路特性方程式中的G值。水泵出口阀门关小，使G值变大，流量变小，曲线变陡，工作点向上移动至M1，系统流量减小，扬程升高。水泵出口阀门开大，则反之，工作点下移至M2，系统流量增加，扬程降低。热电循环水系统单台大泵运行的工况下，流量在2 900 m3/h，从20SH-9离心水泵特性曲线图中(见图1)，可见此时水泵工作点已经下移在高效区(1 700～2 300 m3/h)以外。水泵运行于“大流量、小扬程”工况。经测算两台并联泵运行的工况也是如此。热电循环水系统在“大流量，小扬程”的不经济的状态下，长期运行。进行冷却塔节能改造，在回水管中以串联的方式增加水轮机，相当于关小出口阀门的状况，G值将变大。系统的工作点将向高效区方向移动。即进行节能改造将使系统流量相应减小，扬程相应提高，水泵“大流量、小扬程”运行工况将因此得到改善。

图1 改变出口阀开度时工作点变化

2.3 水泵富余扬程的计算

并不是所有的循环水冷却塔都能实现水轮机动能风机改造，必须经过实际测量，并进行精确的计算，如果循环水系统富余的能量通过水轮机回收后能够满足风机轴功率的要求就能改造，也即是，水轮机能够输出的轴功率大于原来的风机的轴功率。在冷却节能改造过程中，水轮机是靠水泵的富余扬程做功带动风机，该富余扬程的计算公式为：

H富余=H额定-(H出口-H进口)

式中：H额定——水泵额定压力，m；H出口——水泵出口压力，m；H进口——水泵进口压力，m。

单台大泵运行工况：H额定=59 m，H出口=33 m(实测表压)，H进口=2 m，则H富余=59-(33-2)=28 m。

一大一小泵运行工况：H额定=56 m(按水泵并联计算)，H出口=35 m(实测表压)，H进口=2 m，则H富余=56-(35-2)=23 m。

2.4 水轮机输出功率的计算(按单塔计算)

P水输=9.81QHη

式中：9.81——水的容重；Q——流量，m3/s；H——富余扬程，m；η——水轮机效率=93%。

单台大泵运行工况：Q=2 900 m3/h÷2÷3 600 s=0.40 m3/s，H富余=28 m，P水输1=9.81×0.40×28×0.93=102.18 kW。

一大一小泵运行工况：Q=4 100 m3/h÷2÷3 600 s=0.57 m3/s，H富余=23 m，P水输2=9.81×0.57×23×0.93=119.61 kW。

2.5 风机轴功率的计算

式中：U——电机电压(380 V)；I——电机电流(177 A实测)； COSφ——功率因素(0.85)；η电——电机功率(0.85)；η减——减速机效率(0.90)；η传——传动轴效率(0.87)。

P机轴=1.732×0.38×177×0.85×0.85×0.90×0.87=65.9 kW

因此：P水输1>P机轴，P水输2>P机轴。

理论计算两种工况下，热电循环水系统富余扬程均可满足风机运行所需水轮机动力要求。

3 循环水1#冷却塔节能改造

3.1 循环水1#冷却塔节能改造的方法

采用南京星飞专利产品水轮机取代电机，1#冷却塔风机由电力驱动改为水力驱动。水轮机安装在1#冷却塔原有风机减速机基础上，靠循环水水泵的富余扬程做功推动水轮机叶轮，从而带动风机转动。取消了风机电动力及减速机。水轮机输出轴直接与风机轮毂配合，带动风机叶轮。

选用南京双击式水轮机：型号SJ2500B10，设计水流量2 400 m3/h，效率93%。

系统改造后工艺流程如图2所示。

图2 单塔改造前后示意图

3.2 项目实施情况及效果

循环水热电系统1#冷却塔节能改造项目自2009年9月实施并投入运行至今。作为该项目核心的水轮机运行平稳，振动声响无异常。循环水热电系统改造前后运行工艺参数见表1。

表1 循环水热电系统改造前后运行工艺参数

改造后热电循环水系统管网压力升高，流量减小，但水泵运行电流没有变化。从理论上分析，上述现象是由于水力驱动水轮机，系统管道阻力增加，管道特性曲线上移，泵工作点改变的结果。从2#循环水泵性能曲线图可看出，改造后工作点向高效区回归，即离心泵运行较改造前效率更高，其流量与轴功率曲线表明，轴功率随流量的增大而上升，轴功率应有所下降，可能由于流量与轴功率曲线较平缓，变化不明显，因此没有在电机运行电流中反映出来。改造前后回水温度与给水温度，数据的收集综合考虑了气候条件及工况，最后取平均数所得，具有一定代表性。

3.3 项目取得的经济效益

改造后，在满足当前生产需要的前提下，循环水热电系统可少开一台160 kW电机(运行电流177 A)，节能效益可观。按电流法计：0.38×177×1.732=116 kW·h，按每年风机运行350天计，节电97.86万kW·h/年，年节约电费68.5万元。一年左右收回项目全部投资。

此外，采用以水轮机为核心技术的冷却塔改造还具有以下几方面的优点：

1)低噪声。水轮机的能量转换是在水流道内完成的，并且取消了电机及减速机，消除了低频电磁声及大幅降低了机械噪音。

2)效率高。水轮机轴直接驱动风机，不需再通过其它减速器等，且随着水流量的变化而风量相应变化，始终稳定在较好的气水比，确保循环水冷却塔散热效果。

3)使用寿命长。水轮机结构简单，技术成熟可行，整体设计工作寿命为15年以上。水轮机壳体为铸造与焊接混合结构，焊接钢板为含锰量3.5%的进口锅炉专用钢板，长时间使用不易锈蚀，叶轮为精铸成型，并经退火消除应力后再作平衡调整。

4)费用低。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的电机和减速器的费用和人力。

5)安全。冷却塔风机电机有漏电伤人，火花爆炸的潜在危险，水轮机不用电，可在高危环境下使用，且质量轻，高处作业不再为起吊、卸下电机、减速器而为难，增加了冷却塔的运行环境安全性。

6)适用。在我厂旧塔上进行更新水轮机节能改造，具有明显优势。安装简单，不破坏原有结构，不需要重做设备基础，不需大量场地，比新购买省去很多麻烦，且可在以后的使用中做到零电费和低维护费运行。该技术属冷却塔行业新技术，经实例证明运行稳定并达到节省电能目的。

4 结 语

热电循环水系统1#冷却塔采用水轮机进行节能改造，较好利用了原系统中的富余能量，改电力驱动为水力驱动，改善了系统工况，达到了良好的节能效果。同时，取消了风机电动机、减速机、传动轴，也减少了设备管理和维修保养成本。

TQ114.15

B

1005-8370(2016)02-37-03

2014-11-28