水轮机在冷却塔中的运行分析

王琳， 汪炎， 张辉

（东华工程科技股份有限公司， 合肥 230024）

在石油化工、 钢铁、 电力等行业， 开式循环冷却水系统是普遍应用的一种冷却技术， 逆流式机械通风冷却塔又是该系统中最常用的一种。 随着碳达峰碳中和目标的提出以及科技进步， 节能、 绿色发展将是必然趋势。 近年来， 针对循环冷却水系统的运行特点， 水轮机驱动的风机在冷却塔中的应用技术应运而生。 水轮机的发展已经历了几代［1］， 有学者研发出了结构小巧， 可直接安装在冷却塔内部的特性蜗壳水轮机［2］。 不管何种型式的水轮机， 其在冷却塔中运行的稳定性、 适用性及出现的问题均是行业内关注的焦点， 为此调研了3 家不同行业的生产企业， 分析了水轮机在冷却塔中的运行情况。

1 水轮机驱动风机的冷却塔工作原理

水轮机驱动风机的冷却塔是水轮机利用循环冷却水系统中的富余能量驱动风机的冷却塔。 水轮机驱动风机的冷却塔是一种新型高效节能产品， 其核心技术是高效率水轮机取代传统的电机作为风机动力， 使风机由原来的电力驱动改为水力驱动，达到节能目的［3］。 水轮机的输出轴直接与风机连接， 从而带动其旋转产生冷却效果， 并不增加水泵的功耗， 不仅保持了传统冷却塔的工作原理， 而且保证与原冷却塔气水比相同， 可以满足换热设备的工艺要求， 这种节能改造是“系统能量的二次利用或回收”。

2 水轮机在冷却塔中的运行情况

2.1 某石油化工厂应用实例

某石油化工厂的循环水站设计规模为12 000 m3／h， 设有3 台逆流式机械通风冷却塔， 单台塔设计流量为4 000 m3／h。 风机直径为9 144 mm， 1 台采用变频电机驱动风机， 1 台采用非变频电机驱动风机， 电机功率是185 kW， 另外1 台采用水轮机驱动。 设计供水压力为0.45 MPa， 回水压力为0.25 MPa， 给水温度为33 ℃， 回水温度为43 ℃， 工艺装置换热器最高25 m。 本项目新建时就采用了1台水轮机。

现场实际运行循环冷却水量约为10 100 m3／h，供水压力为0.40 MPa， 回水压力为0.24 MPa， 给水温度为29.6 ℃， 回水温度为35.6 ℃。 现场通过调节循环回水管的阀门调配流量， 保证水轮机的转速n ≤127 r／min， 水轮机驱动的进水阀门开度约50%， 电动机驱动的进水阀门开度约25%。 现场实测水轮机转速n ≤122 r／min， 2 台风机的电机均在工频运行。

目前冷却塔已经运行5 a， 在运行过程中一般不调整水轮机的转速， 冬季气温低时， 首选开启水轮机运行， 其次是变频电机。 在这5 a 的运行过程中， 水轮机的转速表失灵过， 需要基础的维保工作如常规巡检记录， 更换机油等， 没有其他特殊的维护。 但现场人员对循环水站全部风机均由水轮机驱动仍存在顾虑， 担心夏季水轮机的运转不正常会影响生产， 认为部分水轮机驱动部分电机驱动的模式更为合适， 既节能， 又稳定。

2.2 某化工厂应用实例

某化工厂循环水站设计规模为12 000 m3／h，设有3 台逆流式机械通风冷却塔， 单台塔设计流量为4 000 m3／h。 3 台冷却塔风机全部采用水轮机驱动。 设计供水压力为0.35 MPa， 水轮机进口压力为0.06 MPa。 给水温度为33 ℃， 回水温度为41 ℃，工艺装置换热器最高23 m。 本项目新建时就全部采用了水轮机。

现场实际运行循环冷却水量约为5 800 m3／h，供水压力约为0.30 MPa， 回水压力为0.17 MPa， 水轮机进口压力为0.008 MPa， 给水温度为31.8 ℃，回水温度为36.7 ℃。 实际的运行水量仅为设计水量的一半左右， 现场的3 台冷却塔全部在运行当中， 实测水轮机的转速为98 r／min（设计值为127 r／min）。 冷却塔已经运行1 a 多， 因为目前工艺装置的负荷较低， 循环冷却水量较少， 2 台循环水泵在均低频运行， 3 台冷却塔全部运行。 现场人员表示现场运行以满足工艺的需求， 尽量减少运行工况及工艺换热装置的调整为原则， 所以即使水轮机的转速较低， 冷却塔的开启数量也没有做相应的调整。

该化工厂的水轮机一直处于低负荷运行状态，为了验证在不同状态下的冷却效果以及不同流量压力状态下系统的详细情况， 对循环冷却水进行了一次验证性工况调整。 系统调整过程中仅是关闭了其中1 台冷却塔的上塔阀门， 让剩余2 台冷却塔提高运行负荷， 其他未做任何调整。 调整后的水轮机转速分别是133 r／min 和126 r／min， 接近额定工况127 r／min。 关闭1 台冷却塔后， 水轮机的运行效率提高， 循环水泵的电流下降1 A， 相应水泵运行功率降低十几千瓦， 此次调整持续了3 h， 满足生产要求。

2.3 某精细化工厂应用实例

某精细化工厂循环水站设计规模为21 000 m3／h， 设有7 台逆流式机械通风冷却塔， 单台塔设计流量为3 000 m3／h。 7 台冷却塔中6 台风机采用电机驱动， 1 台风机采用水轮机驱动， 水轮机选取的设计流量比单塔流量略大， 为4 000 m3／h。 设计供水压力为0.58 MPa， 给水温度为33 ℃， 回水温度为41 ℃。 本项目的水轮机是后来改造时代替原来电机驱动的。

现场实际运行循环冷却水量约为16 000 m3／h，供水压力为0.412 MPa， 回水压力为0.258 MPa， 给水温度为30.58 ℃， 回水温度为34.46 ℃。 现场通过调节循环回水管的阀门调配流量， 保证水轮机的转速， 水轮机驱动的进水阀门开度约为40%， 其他电动机驱动的进水阀门开度分别约为11.4%、7.8%、 18.4%、 12.1% 和11.3%。 邻近水轮机的1台电机驱动冷却塔的进水阀门未开， 这2 台塔的进水均通过水轮机后， 经连通管配置到另外1 台冷却塔中。 现场实测水轮机转速为113 r／min。 为保证水轮机的转速不超速， 设置了旁路， 当水轮机的转速超出上限值时， 报警并连锁开启旁路的电动阀门。

目前该厂冷却塔已经运行近5 a， 夏季冷却塔均正常运行， 冬季气温低的时候， 水轮机正常运转， 电机驱动的冷却塔循环冷却水仅上塔不开风机， 可以节能。

综上， 电机驱动风机与水轮机驱动风机运行维护对比分析见表1。

表1 电机驱动风机与水轮机驱动风机运行维护对比分析Tab. 1 Constrast and analysis of operation and maintenance of draught fan driven by motor or water turbine

3 结语

（1） 调研的3 个厂的水轮机有新建有改造， 有全部使用水轮机也有部分使用水轮机的， 有基本在设计工况运行的， 也有离设计工况偏差较大的， 从现场运行来看， 存在能力富余的情况下， 水轮机驱动风机的冷却塔运行稳定， 可以达到节能目的。

（2） 就现场反馈来看， 水轮机的运行调节匹配与电机相比要求较高， 水轮机调节的关键参数是转数， 在水轮机额定转数下运行高效且稳定， 在实际运行与设计工况差别较大时， 会给现场的调试带来挑战。 就市场应用而言， 大规模循环水站全部使用水轮机驱动风机的案例较少， 多数情况是部分电机驱动部分水轮机驱动的“混搭”模式。

（3） 在运行过程中出现流量波动或季节更替时， 现场通常的做法是能满足工艺运行即可， 而不是调节到水轮机运行和换热器运行匹配的最佳状态。 运行中的系统调整会增加现场调试的工作量，需要现场工艺车间、 循环冷却水车间等多工段、 多部门配合才能完成。

（4） 采用水轮机驱动的循环冷却水系统可能会对目前循环冷却水系统调试模式造成改变， 目前尚缺乏全系统调试的经验， 建议从这方面入手， 积累成熟的调试数据， 编制操作手册， 以此为突破推广水轮机驱动的风机在冷却塔中的应用， 节能降耗，助力碳达峰碳中和。