水力透平技术在循环水系统节能改造中的应用

梅武丰

（海洋石油富岛有限公司，海南东方 572600）

1 概 述

海洋石油富岛有限公司（简称富岛公司）化肥二部循环水装置主要由冷却系统、循环水泵系统、旁滤系统和加药系统四部分组成；其中，冷却系统采用逆流敞开式冷却塔，共8座，设计进（冷却）水量为8×4000m3／h，利用电机驱动风机 （J0205A／B／C／D／E／F／G／H，单台功率200kW）机械抽风使空气与水在填料层中进行对流传热，达到对循环水冷却降温的目的；循环水泵系统由4台循环水泵（2001JA／B／C／D）采用三开一备的方式向化肥二部合成氨、尿素及甲醛装置供应循环水，循环水泵扬程50m、（单台）设计流量9500m3／h，其动力源为2台中压蒸汽透平和2台6kV高压电机；旁滤系统和加药系统作为辅助系统，主要完成循环水的除浊和缓蚀阻垢、杀菌灭藻工作。

整个循环水系统循环水量约25000m3／h，给水总管压力≥0.45MPa、回水总管压力≥0.25 MPa，给水温度≤33℃、回水温度≤43℃，冷却前后温差为（10±0.3）℃。循环水系统流程简图见图1。

图1 循环水系统流程简图

2 循环水系统节能改造的必要性

节能降耗是化工企业的生存之本。对于富岛公司而言，对化肥二部循环水系统进行节能改造，不仅可以带来可观的经济效益，而且对于解决循环水系统存在的以下问题具有现实意义。

（1）循环水泵系统原始设计时考虑采用“2台透平泵、1台电泵运行＋1台电泵备用”的运行模式。实际生产中，由于蒸汽量不足，只能采用“1台透平泵、2台电泵运行＋1台透平泵备用”的运行模式。后一种运行模式下，一旦出现1台透平泵或电泵故障跳车将会带来以下两个问题：一是蒸汽透平开车操作复杂，启动前需暖管预热，启动耗时在0.5h以上，而用水单元是无法承受循环水量降低1／3的压力的；二是若出现电泵跳车，由于蒸汽量不足，备用透平泵是否可启动取决于各蒸汽使用单元能否及时协调出多余的蒸汽，显然此时备用透平泵能否真正起到备用的作用尚不确定。

（2）冷却系统风机启动电流过大（启动电流为额定电流的6～8倍，即有可能达到2400～3200A），易引起用电设备晃电跳闸。2012年11月18日13：00，启动风机J0205B时，因启动电流过大引发1＃变压器400V进线开关过流跳闸，导致另2台风机（J0205A、J0205D）和冷凝液泵（2003J）、加药泵（U0201JA）跳车，同时400V母联备自投动作合闸；继续启动J0205A、J0205B、J0205D，又引发2＃变压器6kV馈线开关过流跳闸，低压全部失电，6台风机J0205A／B／E／F／G／H和冷凝液泵（2003J／JA）、旁滤泵（J0202A）跳车。

（3）2012年8月海南省工信厅下文要求各企业逐步淘汰高耗能设备，使用节能型设备，而富岛公司化肥二部循环水系统全年大部分时间运行8台电动风机，按年运行330d粗略估算，年耗电量为8×200×330×24＝12672000kW·h，能耗较高。

综合分析上述情况，结合国内同行业在节能领域的经验，富岛公司化肥二部决定采用水力透平技术对循环水系统进行改造。

3 循环水系统改造方案

3.1 改造的可行性分析

3.1.1 水力风机转速的计算

（1）冷却塔气水比。富岛公司化肥二部循环水系统冷却塔单塔设计进水量（Q水）为4000 m3／h，单塔设计风量（Q风）为2568000m3／h，据气水比（μ）计算公式μ＝Q风ρ气／（Q水ρ水）（式中：ρ气为空气在20℃时的密度，取1.205 kg／m3；ρ水为水的密度，取1000kg／m3），可得冷却塔设计气水比μ＝0.774。

（2）冷却塔的实际风量。富岛公司化肥二部循环水系统最大循环水量为26478m3／h，则单塔实际最大进水量（Q水′）为3310m3／h，由气水比计算公式可得Q风′＝μQ水′ρ水／ρ气，即单塔实际风量（Q风′）为2126091m3／h。

（3）水力风机的转速。富岛公司化肥二部循环水系统电动风机的额定转速 （n）为127 r／min，单塔设计风量（Q风）为2568000m3／h、实际风量（Q风′）为2126091m3／h；风机风量与转速成正比，即Q风／Q风′＝n／n′，可得水力风机的实际转速（n′）为105r／min。

结论一：当冷却塔单塔实际进水量为3310 m3／h时，冷却塔单塔所需风量为2126091m3／h，理论上风机转速达105r／min即可满足冷却要求。

3.1.2 水力风机输出功率的计算

（1）电动风机输出功率。富岛公司化肥二部循环水系统电动风机电机额定电压（U）为380V，运行时的平均电流（I）为265A，电机功率因数（cosφ）为0.89，电机效率 （η电机）通常在75%～90%之间，取η电机＝85%，据电机功率计算公式，可得电机功率P＝155kW，则电动风机输出功率P电机＝Pη电机＝132kW。

（2）水力风机输出功率。富岛公司化肥二部循环水系统冷却塔单塔实际最大进水量（Q水′）为3310m3／h，冷却塔高度为13m，尾水管虹吸扬程为3m，回水压力基本保持在0.265MPa（26.5m），则循环水回水富余扬程H＝26.5-13-（-3）＝16.5m；据水力风机输出功率计算公式P水力＝9.81Q水′Hη水力／3600［式中：9.81为重力加速度，m／s2；水力透平效率（η水力）可达93% ～95%，取93%］，可得P水力＝138kW。

结论二：由计算可知，P水力＞P电机，表明水力透平利用循环水回水（流体）现有的流量与势能可产生大于原电动风机电机的输出功率。

3.1.3 循环水泵运行效率的计算

实际生产中，循环水泵的实际循环水量一般低于铭牌数据的10% ～20%，这就导致循环水泵存在能耗浪费。富岛公司化肥二部循环水泵系统4台循环水泵采用三开一备的方式运行，供水量可达3×9500m3／h，而实际运行时循环水量控制在23007～26478m3／h，即每台循环水泵有674～1831m3／h的余量。

结论三：循环水泵能量损耗为7.1% ～19.3%，适当削减循环水泵的叶轮直径，可降低循环水泵的额定流量，从而可有效提高循环水泵的运行效率，达到节能的目的。

3.2 改造内容

3.2.1 冷却塔系统的改造

保持冷却塔塔体结构不变，将塔内部的减速器及其机座、外部电机拆除，在原减速器平台处安装水力透平机组；冷却塔上塔管升高至塔上与水力透平进水口相接，水力透平出水口与塔内布水总管相接，增设旁路管与原有进塔配水管相接，一方面方便停运水力透平机组时的检修，另一方面可通过控制旁路阀开度调节水力透平入口流量以控制其转速；设置水力透平机组转速、油温和振动的在线监测系统，由DCS对其运行参数进行实时监控。

3.2.2 循环水泵系统的改造

将循环水泵系统由“1台透平泵、2台电泵运行＋1台透平泵备用”的运行模式改为“1台透平泵、2台电泵运行＋1台电泵备用”的运行模式，因此需拆除1台蒸汽透平机组、新增1台高压电机。具体内容为：保持循环水泵2001JB泵体部分整体不变，将动力源部分转速5200 r／min的中压蒸汽透平机组及其附属蒸汽管线、油系统、减速器拆除，对原透平机组基座进行改造，将其作为新增6kV高压电机的安装平台，循环水泵2001JB由6kV高压电机通过联轴节直接带动运行；此外，为提高循环水泵的运行效率，适当削减循环水泵的叶轮直径。

3.3 改造实施情况

2012年4月—2013年1月，富岛公司化肥二部逐步完成了水力透平取代电机驱动风机J0205C／E／G的改造。由于J0205C／E／G改造后存在水力透平尾水排出冲击冷却塔填料层的问题，经研究决定将水力透平进出水方式由“一进一出”调整为“一进四出”。2019年年初对剩余的5台风机J0205A／B／D／F／H进行水力透平取代电机驱动改造时，采用了“一进四出”的改进型水力透平。此外，在2019年5月大修期间，将循环水泵2001JB的动力源由蒸汽透平改为6kV的高压电机，并完成了4台循环水泵（2001JA／B／C／D）叶轮削减的节能改造工作。2020年5月将风机J0205C／E／G的原水力透平机组也更换为了改进型水力透平机组。

3.4 改造效果

（1）对改造前后冷却塔进水量、给回水温差、风机转速、循环水泵电机电流等进行测定，结果见表1。可以看出：改造后，虽然给水压力、回水压力、循环水泵出口压力以及风机转速（运行8台风机时）略有降低，但冷却塔的降温效果并未受到影响；改造后循环水泵电机电流略有降低，表明循环水泵的能耗在降低。

表1 改造前后循环水系统运行参数的对比

（2）从现场的运行情况来看，改造后循环水系统运行状况良好，达到了预期效果，解决了不少问题：高温天气时运行7台风机与运行8台风机的冷却降温效果一样，由此可备用1台风机，消除改造前风机全部处于运行状态而无备机的运行风险；循环水泵系统采用“1台透平泵、2台电泵运行＋1台电泵备用”的运行模式，电泵作为备用泵可在极短时间内启动运行，避免循环水出现长时间供应不足而影响用水单位的用水，从而消除了生产隐患；循环水系统排污量和补水量明显降低，表明冷却塔飘逸损失大幅减少，节水效果明显。

（3）对于循环水冷却系统而言，风机进行100%无电化改造后，粗略估算每年可节电12672000kW·h，相当于节约1557.39t标煤；电价以0.615元／（kW·h）计，每年可节约用电成本约779.328万元，经济效益十分可观。

4 结束语

综上所述，富岛公司化肥二部循环水系统通过采用水力透平技术进行节能改造，使冷却塔风机实现了100%无电化运行，达到了节能降耗的目的。虽然循环水系统在工艺生产中不产生直接经济效益，且存在能耗高、运行效率低、能源浪费严重的缺点，但其是工艺生产系统不可缺少的组成部分，如何在企业节能降耗工作中充分地挖掘其潜力，值得业内同仁深思和交流学习。