循环水系统冷却塔风机的节能改造

刘宇 杨东

摘 要：介绍了循环水冷却分机的技改方案与实施措施，技改的节能经济回报。

关键词：冷却风机；工艺流程；技改；经济回报

中图分类号：TK79 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2018）17-0003-02

1 技改背景與意义

公司循环水站4台4×5000m3/h冷却塔风机，经公司相关技术人员经过考察论证，循环水系统回水富余能量较大，具备节能改造条件。2014年九月循环水站冷却塔风机实施无电耗技改，十月中旬实现无电耗运行。

此项技改积极响应国家节能减排号召，践约“力行低碳，缔造和美”的企业使命。为了推进全社会节约能源，提高能源利用效率和经济效益，保护环境，保障国民经济和社会的发展，国家早在1998年1月就公布实施了《中华人民共和国节约能源法》。在2007年6月24日召开的十届全国人大常委会第二十八次会议上，新修订的《节约能源法》中明确了节能在中国经济社会发展中的战略地位，出台了一系列节能管理制度和激励政策。

此项技改降低了企业生产成本，提高了产品核心竞争力。近几年来，国内甲醇产能不断增长，甲醇价格持续低迷，成本不断攀升，使甲醇行业经济效益普遍受到影响，投资回报期加长，很多生产企业都徘徊在盈亏平衡点左右。同时，随着技术装备水平的提高和管理水平的加强，各大企业降耗空间越来越小，成本控制越来越难，企业竞争越来越激烈。此项技改对于促进公司节能减排，助推长青能化进一步打造煤基清洁能源产业链，建设低碳能源基地有重大意义。

2 第一部分：技改方案与可行性

2.1 改造前后工艺流程介绍

流程说明：循环水从塔下水池开始，首先由水泵做功，经过水泵出水阀进入换热器，循环水从换热器出来后进入回水总管，再分成4路，分别由4个阀门控制上冷却塔的水量，满足系统中各处所需的水量，特别是满足水轮机的水量以便于对水轮机做功，从而达到风机的运行要求，保证冷却塔的降温效果。所改1座塔的循环水从水轮机出来后，再流进这座塔的配水管道，最后进入冷却塔的喷头系统，经过喷洒、对流、热传递、蒸发吸热等的方式对水进行降温，然后再次流进冷水池中。

2.2 改造内容

改造时仅去除电机，保留传动轴和减速机、保留风机及配套轮毂，水轮机则安装在原电机位置，位于冷却塔外部的进水管经过改装后连接到水轮机的进水管，循环水经过水轮机做功后从水轮机出水管引出，出水管连接到原冷却塔的配水管上，保证循环水正常通往配水系统。为了保证改造后水轮机运行更平稳，在水轮机进水端和出水端都要安装软连接。为了更好的监测水轮机的运行状态，在水轮机的进水端和出水端都要安装压力表。为了实现远程监控，在水轮机上安装有转速、温度、振动传感器，将信号传送到远程接收监控柜中，能够远程监控水轮机的运行状况。

（1）在水轮机进水端安装有压力表，该压力表的量程为0～0.25MPa，可以在调节水轮机转速时，供调节人员对照水轮机的转速值。（2）水轮机出口负压表。在水轮机出水端安装有真空压力表，该压力表的量程为-0.1～0.15MPa，它既能测量正压也可测量负压，通常情况下此压力表的读数在-0.04MPa左右。当该压力表的读数为负值时，说明水轮机及管路设计合理、使用得当，负压能带给水轮机额外的能量。如果此压力表读数为正，说明塔内喷头堵塞严重，或者该塔的供水量太大，超过了塔内喷头的处理能力。（3）远程监控柜。在合适的地方安装远程监控柜，监控柜主要监控水轮机的转速、轴承温度、机体振动这三个参数，并设有声光报警器，报警值可任意设置，当转速、温度、振动超过设定值时，声光报警器发出报警信号。我公司风机所配的电机是4级电机，转速为1480r/min，所以水轮机的报警转速可设置成1480r/min，轴承温度的报警值设置成80℃，机体振动的报警值设置成6.3mm/s，只要不报警，说明设备运行正常。

2.3 水轮机转速调节

改造完成后，水轮机的转速与水轮机的进水量成正比，因此调节水轮机的进水量，即调节了水轮机的转速。水轮机的进水量可通过上塔阀门和进水旁通阀调节，冷却塔的进塔水管是与水轮机的出水管相连接的，并在进塔水管上安装有旁通阀，旁通阀的开度可控制进入每台水轮机的进水量，以任意调节水轮机的转速在合适范围内。在循环水系统不停水，但水轮机或者风机需要停机检修时，可以打开旁通阀，让循环水不经过水轮机而直接进入冷却塔，即可以让水轮机停机，又能让循环水在塔内循环，并适当降温。当该冷却塔的供水量增加，可能导致水轮机转速过高时，可以适当开启旁通阀的开度，使多余的水量不进水轮机而直接进入冷却塔。

改造完工后，技术人员会对水轮机的工作状态进行调节，在确保水轮机运行效果的同时，通过调节阀门使水轮机冷却塔和电机冷却塔的进水量一致，并将调节到位后的阀门刻度记录存档，供操作人员随时查看作为平时操作时调节水量的参考。

水轮机试运行调节后，旁通阀门的开度一般不做调节，只在循环水系统工况变化较大时（比如水泵开启台数变化），需要调节旁通阀的开度，来适应新工况的变化。

2.4 所需材料

水轮机主体、连接管道、调节阀、压力表、固定设施、标准件及紧固件等。

2.5 原系统可利用的设备和系统

由于技改中只拆除电机及电机座，无需再利用到该工程中。但是电机是通用设备，可利用到其他系统中，或者作为其它电机的备用件。

2.6 技术改造理论可行性计算

2.6.1 现场条件

经测量，循环水回水总管压力为0.298MPa，压力测点距水轮机安装位置的高度为19.8米，相当于要0.198MPa的水压才能将水输送到水轮机安装位置。由以上参数可以计算，水轮机的进水压力可以达到0.298-0.198=0.1MPa。水轮机出水管距离进塔水管的高度>4.8米，这一段的高度差对水轮机有虹吸效果，即给水轮机出口带来负压，这个负压可取-0.04MPa，水轮机的效率为0.9，该冷却塔设计水量为5000m3/h。

风机所配电机型号：YD355L2-4W，功率100/200KW，实际运行系数0.9，电机的传动效率0.94（见机械设计手册第四卷）。

2.6.2 理论计算

（1）电机输出功率=200×0.9×0.94=169.2KW

（2）水轮机的输出功率=水量×进出口压力差×效率

=5000×[0.1-（-0.04）]×0.9×106÷3600÷1000

=175KW

通过理论计算，水轮机的输出功率大于电机的输出功率，根据公司目前运行电流，实际电机输出功率为145kw，所以该冷却塔完全满足改造条件。

2.7 与换热系统的关系

改造后不增加水泵负荷，不减少循环水总量，不改变冷却塔内部结构，改造后不降低换热效果。

3 第二部分 技改的实施

3.1 施工计划

所有水轮机进水端均设有旁通阀，打开旁通阀可以使循环水直接进入冷却塔内而不进入水轮机，如此设计目的是方便施工和维护工作以及对水轮机工况调节。

由于施工期是冬季并在停运的风机上进行，所以不会影响循环水降温效果，不会影响生产。

根据现场采集的数据，由供货商设计相匹配的水轮机，设计图纸审核及方案确定，约需5天完成。

设备以及相应管道配件的制作，外购件的购买，约需20天完成。

现场停水后，最快可以3天改造完成一台水轮机施工，3天后投入运行。

完成安装等工作后，进行检查通水调试，调试合格后正式运行、验收。

3.2 施工步骤

（1）测量电机底座高度并记录数据为H；（2）测量现场数据，为安装水机轮后制作连接管道提供详细数据；（3）综合测量的数据及施工图纸，预制管道及固定装置，预制的管道要适当留有误差余量和安装余量；（4）按图纸要求预制检修平台和检修梯；（5）制作水轮机支座，高度与拆卸风机前测量的高度值H相等；（6）关闭循环水系统，关闭风机电源，确保电机不会误启动后，才可以做以下工作；（7）拆卸风机用的传动轴，拆卸后放置在施工现场待用；（8）拆除电机后可将电机转离施工现场；（9）安装水轮机机座，要与塔体牢固连接，固定機座的膨胀螺丝拧紧以后，一定要与机座焊为一体，并将螺丝帽焊牢以防松动；（10）用吊车将水轮机吊到待装位置上空，缓缓放到待装位置，注意使水轮机的输出轴与减速机输入轴同心；（11）将拆卸的传动轴安装于水轮机与减速机之间；（12）架磁性百分表，调整水轮机在机座上的位置，直到联轴器的跳动误差小于0.08mm；此过程非常重要，调整水轮机左右位置用螺丝顶，上下位置用千斤顶顶，一边调整一边看百分表，当联轴器跳动误差满足设计要求后，用垫铁和铜皮把水轮机与机座间的缝隙垫满，并把垫铁焊到水轮机机座上，防止松动；（13）取下千斤顶，拧紧水轮机与机座的连接螺栓；（14）检查联轴器跳动误差，如果发生变动导致不满足设计要求，需重新调整水轮机上下位置，如果跳动误差满足设计要求，则调整完成；（15）按图纸尺寸将原有上塔管道切断，如果需要向塔内移位的要切断一截进塔水管，移到合适位置并与原进塔水管重新连接；（16）将预制好的进水管道安装在水轮机的进口上，安装好软连接，并连接到上塔水管上；（17）将预制好的出水管道安装在水轮机的出口上，并连接至冷却塔配水管道上，出水管道末端要安装越低越好，使水轮机出水畅通，更容易形成负压从而提高水轮机使用效率；（18）管道连接到位后，就可以焊接管道的连接缝了，焊接水管连接缝时，应先焊接位置低的部位再焊位置高的部位，塔顶平台以下的焊接部位完成焊接后，可以利用旁通管通水至塔内，即分担一些循环水降温任务，又不影响塔顶平台上面的焊接和其他施工；（19）把压力表安装到预制管道时预留的压力表接头上，压力表的表面应对着水轮机标牌一方或者方便观测的一方；（20）安装水轮机泄水附件，将泄水引到冷却塔内，泄水管道要安装直，看起来要美观，出水端略低，以便泄水流出管道；（21）焊接检修平台、检修走道和栏杆等；（22）表面除锈，然后刷防锈漆和面漆；（23）在机座螺丝和管道连接螺丝上敷黄油，以保证螺丝不生锈；（24）检查水轮机各部件是否安装到位；（25）转动风机叶片，确保水轮机没有卡机、异响等不正常现象；（26）通水调试，记录调试数据。

3.3 调试验收

（1）检查设备安装是否达到要求；（2）对风机传动轴盘车数圈，确保无异常；（3）开少量水进行通水测试，确保塔外水管无漏水现象；（4）按说明书要求调节水轮机工况，使转速逐渐达到设计要求；（5）一切正常后通知相关部门进行验收。

4 第三部分：投资回报

设备总价为130万元/台，安装费：安装人力，机具，器具，都是本公司检修力量不计入成本。

4.1 节能计算

冷却塔年运行时间约8000小时，电机功率为200KW，公司实际运行电流245A，电价0.55元/度，电机功率因数0.9。

4.2 节能综合分析

年节电量=U×I×1.732×COSφ×运行时间

=380×245×1.732×0.9×8000=116万度/年

其中U：电压；

I：电流；

COSφ：功率因数；

年节电费用=116万度×0.55元/度=63.8万元。

4.3 国家给予的节能奖励按15万元计

通过改造，一台风机每年可节63.8+15=78.8万元，投资成本将会在不足两年时间内即可收回改造成本。