涼水塔風(fēng)機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)節(jié)能的問題和策略
1 概述
中國石油寧夏石化分公司二化循環(huán)水共有冷卻塔11間，設(shè)計能力為每臺4000m3/h。冷卻塔采用風(fēng)冷形式冷卻循環(huán)水：從系統(tǒng)經(jīng)過各換熱器回來的循環(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)動采用傳統(tǒng)的電機(jī)帶動減速機(jī)驅(qū)動風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)動。
循環(huán)水流程示意如下：
圖1
2 問題的提出
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，對節(jié)能降耗、降低生產(chǎn)成本產(chǎn)生很大影響。為此，計劃通過設(shè)備更新改造，降低生產(chǎn)成本。
傳統(tǒng)的電機(jī)驅(qū)動減速機(jī)帶動風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)動，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，有必要對原有的循環(huán)水冷卻塔風(fēng)機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)改造，用冷卻塔專用水輪機(jī)取代電機(jī)。從原來的電力驅(qū)動風(fēng)機(jī)改變成高效的水力驅(qū)動，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
水動風(fēng)機(jī)是以水力驅(qū)動風(fēng)機(jī)，而不是傳統(tǒng)的電力。在水動風(fēng)機(jī)冷卻塔中，是以水輪機(jī)取代電機(jī)作為風(fēng)機(jī)動力源。水輪機(jī)的工作動力來自系統(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)而帶動風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)。通過水輪機(jī)的水在剩余動能和勢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)計的熱力學(xué)、傳熱學(xué)計算中，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)計余量，在水泵選型時還要在此基礎(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。
由于配用的拖動電動機(jī)一般定位于最大工作能力情況下，而大量的生產(chǎn)場合由于功率需求始終處于變動狀態(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度來調(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，拖動電動機(jī)的軸輸出動力基本沒有改變，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在系統(tǒng)中產(chǎn)生阻力，這些阻力值只是一個大概的數(shù)據(jù)，根據(jù)這個數(shù)值在選型水泵的揚(yáng)程時，考慮更安全地滿足生產(chǎn)需求，就在克服所計算出的阻力數(shù)值的基礎(chǔ)上至少加15%的余量來選型。
當(dāng)系統(tǒng)加上水輪機(jī)后，將進(jìn)塔閥門逐漸打開直至系統(tǒng)流量到需要值。因水泵功率與流量成正相關(guān)關(guān)系，流量變化時水泵功率才變化，流量不變化時水泵電機(jī)功率也不變化。
若水輪機(jī)加上后進(jìn)塔閥門完全打開富裕揚(yáng)程不夠時，系統(tǒng)流量會稍有減小用來增加富裕揚(yáng)程，流量減小量在3%～5%時不會對系統(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)功率計算
水輪機(jī)輸出功率計算：
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)，每個閥門對應(yīng)不同的流量及開度，其消耗的揚(yáng)程及能量用下述公式
計算：
揚(yáng)程：
式中：
V——流體速度
g——重力加速度
DN900螺旋管此時的流體速度：V=1.85m/s
綜上，DN900開度為20%閥門所消耗的揚(yáng)程為22m。如果將閥門全打開可以釋放的揚(yáng)程為：H總=22m。
W水=3000m3/h×9.81×22m×0.85/3600≈152.1kW
對于4000m3/h冷卻塔屬標(biāo)準(zhǔn)配置，實(shí)測電流為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)行功率比較計算：w軸-p軸>0
從計算結(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帶動風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)工作。
4 實(shí)施改造
自2009年起，先實(shí)施一臺涼水塔風(fēng)機(jī)(7#)驅(qū)動系統(tǒng)的改造，用冷卻塔專用水輪機(jī)取代風(fēng)機(jī)電機(jī)，將原來的減速機(jī)拆除，改電力驅(qū)動為水力驅(qū)動，同時將原來的進(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。改造時僅對冷卻塔進(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DN400蝶閥作為旁通閥門，在因特殊情況而需停開風(fēng)機(jī)時，將閥門打開，使循環(huán)水直接經(jīng)過原有的進(jìn)水管進(jìn)入布水系統(tǒng)。也保證了冬季水溫較低，不需要啟動風(fēng)機(jī)時，上塔水直接經(jīng)過旁通閥回到原塔內(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)動風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速與原電機(jī)帶動時轉(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臺涼水塔風(fēng)機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)。目前3臺水輪機(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。且因為拆除了電機(jī)、減速機(jī)、傳動軸，減輕了整個涼水塔的重量，對整個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)動相比，水動風(fēng)機(jī)驅(qū)動系統(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)能效果計算如下：冷卻塔每天使用按24小時計、每年使用時間按300天計：185kW×24小時×300天×1臺=133.2萬kWh/年電價按企業(yè)工業(yè)電費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)0.32元/度計，每年每臺涼水塔節(jié)約電費(fèi)46.1萬元。
運(yùn)行可靠性提高：水輪機(jī)結(jié)構(gòu)采用反擊形式，流入的水流相對于水輪機(jī)的轉(zhuǎn)軸對稱分布，使對水輪機(jī)的沖擊平衡，減少水輪機(jī)運(yùn)行的振動，使得冷卻塔運(yùn)行更加穩(wěn)定。水動風(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=36000元/年)。
結(jié)論：經(jīng)技改后，單臺冷卻塔每年即可節(jié)約電費(fèi)46.1萬元，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49.6萬元。如按冷卻塔10年壽命計，節(jié)約的總費(fèi)用更可觀。
6 結(jié)語
通過實(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)動為水力驅(qū)動，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)施存在的主要問題，確保生產(chǎn)裝置長期連續(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)。
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作者簡介：陳萍(1974—)，女，寧夏人，中國石油寧夏石化公司機(jī)動處工程師，研究方向：化工動設(shè)備方面設(shè)備管理。
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