1 概述

中國(guó)石油寧夏石化分公司二化循環(huán)水共有冷卻塔11間，設(shè)計(jì)能力為每臺(tái)4000m3/h。冷卻塔采用風(fēng)冷形式冷卻循環(huán)水：從系統(tǒng)經(jīng)過(guò)各換熱器回來(lái)的循環(huán)水(熱水)回到冷卻塔上，由分配管到布水槽再經(jīng)噴頭自上而下流到塔池，風(fēng)機(jī)抽進(jìn)的冷空氣自下而上與熱水在塔內(nèi)進(jìn)行換熱，將熱水冷卻后再循環(huán)送到各換熱器。風(fēng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)采用傳統(tǒng)的電機(jī)帶動(dòng)減速機(jī)驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。

循環(huán)水流程示意如下：

圖1

2 問(wèn)題的提出

現(xiàn)循環(huán)水系統(tǒng)已運(yùn)行多年，其中冷卻塔風(fēng)機(jī)電機(jī)和減速機(jī)故障較多，維修困難且費(fèi)用較高，每年消耗的電量也很大，對(duì)節(jié)能降耗、降低生產(chǎn)成本產(chǎn)生很大影響。為此，計(jì)劃通過(guò)設(shè)備更新改造，降低生產(chǎn)成本。

傳統(tǒng)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)減速機(jī)帶動(dòng)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，與新型節(jié)能的冷卻塔專用水輪機(jī)相比能耗較高，為了節(jié)約能源，降低成本，增加效益，有必要對(duì)原有的循環(huán)水冷卻塔風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)改造，用冷卻塔專用水輪機(jī)取代電機(jī)。從原來(lái)的電力驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)改變成高效的水力驅(qū)動(dòng)，在保證循環(huán)水冷卻溫度的基礎(chǔ)上，不改變涼水塔冷卻效果，但卻很好地達(dá)到節(jié)電降耗的目的。

3 可行性研究

3.1 原理介紹

水動(dòng)風(fēng)機(jī)是以水力驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)，而不是傳統(tǒng)的電力。在水動(dòng)風(fēng)機(jī)冷卻塔中，是以水輪機(jī)取代電機(jī)作為風(fēng)機(jī)動(dòng)力源。水輪機(jī)的工作動(dòng)力來(lái)自系統(tǒng)的富余流量和富余揚(yáng)程。水輪機(jī)的輸出軸直接與風(fēng)機(jī)相連，進(jìn)而帶動(dòng)風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)。通過(guò)水輪機(jī)的水在剩余動(dòng)能和勢(shì)能的作用下再流向布水器，完成布水。

在冷卻塔的循環(huán)水泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)的熱力學(xué)、傳熱學(xué)計(jì)算中，從換熱設(shè)備熱負(fù)荷、換熱面積到冷卻水需求量的各個(gè)環(huán)節(jié)，由于考慮到設(shè)備和系統(tǒng)管道的阻損，一般都要放一些設(shè)計(jì)余量，在水泵選型時(shí)還要在此基礎(chǔ)上再乘1.1～1.3倍作為水泵選型的依據(jù)，而在具體選型時(shí)往往很難湊巧選到參數(shù)完全一致的水泵，根據(jù)就高不就低的原則，一般選擇揚(yáng)程較大的水泵，由于上述幾種情況的疊加，因此在水泵循環(huán)系統(tǒng)中都存在著大量的富余揚(yáng)程和流量。

由于配用的拖動(dòng)電動(dòng)機(jī)一般定位于最大工作能力情況下，而大量的生產(chǎn)場(chǎng)合由于功率需求始終處于變動(dòng)狀態(tài)，普遍采用閥門調(diào)節(jié)的方式，也就是在輸送流體的管道上利用改變閥門的開(kāi)度來(lái)調(diào)節(jié)泵的流量。這種調(diào)節(jié)方法利用改變管道系統(tǒng)阻力的辦法，變更管道阻力特性曲線，以便獲得適合需要的工作點(diǎn)。但是關(guān)小閥門可以減少流量，拖動(dòng)電動(dòng)機(jī)的軸輸出動(dòng)力基本沒(méi)有改變，有相當(dāng)一部分能量消耗在閥門上，雖然閥門的輸出達(dá)到了工況要求，但是能量的有效比例減少了，而損耗增加了。

在整個(gè)循環(huán)水系統(tǒng)中，每段水管、彎頭都有一定的阻力，冷卻塔的位置高低、換熱部件的阻力及壓力要求都會(huì)在系統(tǒng)中產(chǎn)生阻力，這些阻力值只是一個(gè)大概的數(shù)據(jù)，根據(jù)這個(gè)數(shù)值在選型水泵的揚(yáng)程時(shí)，考慮更安全地滿足生產(chǎn)需求，就在克服所計(jì)算出的阻力數(shù)值的基礎(chǔ)上至少加15%的余量來(lái)選型。

當(dāng)系統(tǒng)加上水輪機(jī)后，將進(jìn)塔閥門逐漸打開(kāi)直至系統(tǒng)流量到需要值。因水泵功率與流量成正相關(guān)關(guān)系，流量變化時(shí)水泵功率才變化，流量不變化時(shí)水泵電機(jī)功率也不變化。

若水輪機(jī)加上后進(jìn)塔閥門完全打開(kāi)富裕揚(yáng)程不夠時(shí)，系統(tǒng)流量會(huì)稍有減小用來(lái)增加富裕揚(yáng)程，流量減小量在3%～5%時(shí)不會(huì)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行有任何影響。

3.2 公司涼水塔系統(tǒng)概況

僅以寧夏石化公司二循環(huán)水7#涼水塔為例進(jìn)行分析：

表1

3.3 系統(tǒng)富余能量及風(fēng)機(jī)電機(jī)功率計(jì)算

水輪機(jī)輸出功率計(jì)算：

W水=9.81×Q水×H富×η水(kW)

式中：

W水——水輪機(jī)輸出功率(kW)

Q水——水輪機(jī)工作流量(m3/s)

H富——富余水頭(m)

η水——水輪機(jī)效率為85%～88%

系統(tǒng)閥門的關(guān)閉就是富余能量的表現(xiàn)，每個(gè)閥門對(duì)應(yīng)不同的流量及開(kāi)度，其消耗的揚(yáng)程及能量用下述公式

計(jì)算：

揚(yáng)程：

式中：

V——流體速度

g——重力加速度

DN900螺旋管此時(shí)的流體速度：V=1.85m/s

綜上，DN900開(kāi)度為20%閥門所消耗的揚(yáng)程為22m。如果將閥門全打開(kāi)可以釋放的揚(yáng)程為：H總=22m。

W水=3000m3/h×9.81×22m×0.85/3600≈152.1kW

對(duì)于4000m3/h冷卻塔屬標(biāo)準(zhǔn)配置，實(shí)測(cè)電流為16A，電壓為6000V，得出風(fēng)機(jī)電機(jī)輸出軸功率可概算為：

式中：

U——電壓為6000V

I——電流為16A

cosφ——功率因素為0.8

η電——電機(jī)效率為0.82

水輪機(jī)輸出功率與風(fēng)機(jī)運(yùn)行功率比較計(jì)算：w軸-p軸>0

從計(jì)算結(jié)果看，水輪機(jī)輸出功率大于風(fēng)機(jī)運(yùn)行功率。因此完全可以取代電機(jī)帶動(dòng)減速機(jī)及風(fēng)機(jī)葉片旋轉(zhuǎn)，并達(dá)到原有的冷卻效果。水輪機(jī)改造需利用系統(tǒng)中的富余能量，此部分能量在未改造前就已經(jīng)存在于系統(tǒng)之中。水輪機(jī)即利用這部分能量來(lái)帶動(dòng)風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)工作。

4 實(shí)施改造

自2009年起，先實(shí)施一臺(tái)涼水塔風(fēng)機(jī)(7#)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的改造，用冷卻塔專用水輪機(jī)取代風(fēng)機(jī)電機(jī)，將原來(lái)的減速機(jī)拆除，改電力驅(qū)動(dòng)為水力驅(qū)動(dòng)，同時(shí)將原來(lái)的進(jìn)塔水總管向上延伸至塔頂?shù)乃啓C(jī)入口，水輪機(jī)出口管線與原塔內(nèi)布水管線連接。改造時(shí)僅對(duì)冷卻塔進(jìn)出水管路做相應(yīng)調(diào)整，塔體結(jié)構(gòu)保持原狀。在原有的4根進(jìn)水管上增加4個(gè)DN400蝶閥作為旁通閥門，在因特殊情況而需停開(kāi)風(fēng)機(jī)時(shí)，將閥門打開(kāi)，使循環(huán)水直接經(jīng)過(guò)原有的進(jìn)水管進(jìn)入布水系統(tǒng)。也保證了冬季水溫較低，不需要啟動(dòng)風(fēng)機(jī)時(shí)，上塔水直接經(jīng)過(guò)旁通閥回到原塔內(nèi)布水管。安裝旁通蝶閥便于檢修和負(fù)荷調(diào)節(jié)，適應(yīng)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，保證對(duì)應(yīng)的流量的風(fēng)量，確保冷卻效果。

以下是管路改造圖：

圖2 塔外管路改造

圖3 塔內(nèi)布水管改造圖

改造實(shí)施后，水輪機(jī)驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速與原電機(jī)帶動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)速基本一致，達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)。之后陸續(xù)又改造了2臺(tái)涼水塔風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。目前3臺(tái)水輪機(jī)運(yùn)行狀況良好，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、循環(huán)水冷卻后溫度都能夠滿足工藝需求。且因?yàn)椴鸪穗姍C(jī)、減速機(jī)、傳動(dòng)軸，減輕了整個(gè)涼水塔的重量，對(duì)整個(gè)塔基也起到了很好的保護(hù)作用。

5 改造后的效果

與傳統(tǒng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)相比，水動(dòng)風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有如下

優(yōu)點(diǎn)：

節(jié)能效果顯著

：冷卻塔風(fēng)機(jī)更新改造后，其節(jié)能效果計(jì)算如下：冷卻塔每天使用按24小時(shí)計(jì)、每年使用時(shí)間按300天計(jì)：185kW×24小時(shí)×300天×1臺(tái)=133.2萬(wàn)kWh/年電價(jià)按企業(yè)工業(yè)電費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)0.32元/度計(jì)，每年每臺(tái)涼水塔節(jié)約電費(fèi)46.1萬(wàn)元。

運(yùn)行可靠性提高：水輪機(jī)結(jié)構(gòu)采用反擊形式，流入的水流相對(duì)于水輪機(jī)的轉(zhuǎn)軸對(duì)稱分布，使對(duì)水輪機(jī)的沖擊平衡，減少水輪機(jī)運(yùn)行的振動(dòng)，使得冷卻塔運(yùn)行更加穩(wěn)定。水動(dòng)風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，可靠性高。因不再使用電機(jī)，從根本上杜絕了電機(jī)、電控的漏電、漏油、燒毀等損壞的故障，為安全持續(xù)運(yùn)行提供了保證。

安全：因不使用電機(jī)，可在有防爆要求的環(huán)境下安全運(yùn)行。水輪機(jī)的重量比已取消的電機(jī)+傳動(dòng)軸+減速機(jī)的要小很多，運(yùn)行環(huán)境比較安全。

經(jīng)濟(jì)：因取消了電機(jī)，從而大大減少了電機(jī)的日常管理和維修保養(yǎng)所產(chǎn)生的費(fèi)用。根據(jù)普查計(jì)算出最低的日常管理和維修保養(yǎng)成本：12元/m3/年(即：12元/m3/年×30000m3/h×1臺(tái)=36000元/年)。

結(jié)論：經(jīng)技改后，單臺(tái)冷卻塔每年即可節(jié)約電費(fèi)46.1萬(wàn)元，再加上每年節(jié)約的電機(jī)和減速器維修和保養(yǎng)費(fèi)用，一年可以節(jié)約49.6萬(wàn)元。如按冷卻塔10年壽命計(jì)，節(jié)約的總費(fèi)用更可觀。

6 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)實(shí)施節(jié)能改造，采用新型的冷卻塔專用水輪機(jī)取代風(fēng)機(jī)電機(jī)，改電力驅(qū)動(dòng)為水力驅(qū)動(dòng)，不僅減少了維修成本，而且大幅度減少電耗，達(dá)到節(jié)能降耗的目的。本項(xiàng)目的實(shí)施，可以有效地解決現(xiàn)有生產(chǎn)設(shè)施存在的主要問(wèn)題，確保生產(chǎn)裝置長(zhǎng)期連續(xù)安全穩(wěn)定運(yùn)行，并實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗的目的，為企業(yè)的發(fā)展做出了巨大貢獻(xiàn)。

參考文獻(xiàn)

[1] 工業(yè)循環(huán)水冷卻設(shè)計(jì)規(guī)范(GB/T50102-2003)[S].

[2] 泵站設(shè)計(jì)規(guī)范(GB/T50265-97)[S].

[3] 化工企業(yè)供電設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定(HG/T20664-1999)[S].

[4] 工業(yè)金屬管道設(shè)計(jì)規(guī)范(GB50316-2000)[S].

[5] 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范(GB50017-2003)[S].

作者簡(jiǎn)介：陳萍(1974—)，女，寧夏人，中國(guó)石油寧夏石化公司機(jī)動(dòng)處工程師，研究方向：化工動(dòng)設(shè)備方面設(shè)備管理。

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