圖為專家在循環(huán)水系統(tǒng)節(jié)能新裝備——新型冷卻塔專用水輪機(jī)科技成果鑒定會上聽取企業(yè)匯報情況。
編者按 循環(huán)水領(lǐng)域是工業(yè)耗水大戶，其用量約占整個工業(yè)用水量的70%。每年，工業(yè)企業(yè)對循環(huán)水冷卻處理均需要耗費(fèi)大量電能，循環(huán)冷卻水系統(tǒng)年耗電量估計約為1000億千瓦時，其節(jié)能效果對工業(yè)企業(yè)影響巨大。特別是循環(huán)冷卻水系統(tǒng)中最重要的設(shè)備之一——傳統(tǒng)冷卻塔耗能嚴(yán)重。雖然歷經(jīng)幾十年的技術(shù)進(jìn)步，但目前我國工業(yè)冷卻塔的高耗能等系列問題一直未能得到有效解決，這也成為了制約工業(yè)企業(yè)節(jié)能減排的重要因素之一。
近日，由江蘇河海嘉裕節(jié)能科技有限公司和河海大學(xué)共同研制完成的循環(huán)水系統(tǒng)節(jié)能新裝備—新型長葉型超低比轉(zhuǎn)速混流式水輪機(jī)引起了業(yè)內(nèi)人士關(guān)注。這個剛剛通過中國石油和化學(xué)工業(yè)聯(lián)合會組織的科技成果鑒定的新型節(jié)能設(shè)備，能為單臺5000立方米/時處理水量的冷卻塔每年節(jié)電1468800千瓦時，折標(biāo)煤514噸，全年節(jié)約電費(fèi)95萬余元，被專家一致認(rèn)為達(dá)到國際先進(jìn)水平，專用水輪機(jī)效率達(dá)到國際領(lǐng)先。為深度分析這一節(jié)能技術(shù)，及其能為化企所帶來的潛在效益，本報特別組織了這一報道。
2013年9月以來，華北多地深陷霧霾重圍，市民調(diào)侃“好天氣基本靠風(fēng)吹”。深究原因，工業(yè)企業(yè)用電量不斷增加是導(dǎo)致霧霾頻發(fā)的重要因素之一。千方百計削減工業(yè)企業(yè)用電量需要依靠技術(shù)進(jìn)步，特別是開發(fā)新型節(jié)能設(shè)備。
冷卻塔專用水輪機(jī)正是這樣的設(shè)備。這個應(yīng)用在冷卻塔上的專用設(shè)備看似不起眼，卻能達(dá)到驚人的節(jié)能效果。據(jù)相關(guān)市場調(diào)研分析統(tǒng)計，如對全國現(xiàn)有的可進(jìn)行水動風(fēng)機(jī)冷卻塔改造的傳統(tǒng)電動風(fēng)機(jī)冷卻塔進(jìn)行改造，每年可節(jié)約1000億千瓦時的電力消耗，相當(dāng)于三峽水電站一年發(fā)電量，同時減少二氧化碳排放量約為1億噸。
那么，這個專用設(shè)備能帶來怎樣的節(jié)能減排效果？它是如何為冷卻塔節(jié)能的？它安全可靠嗎？應(yīng)用這樣的設(shè)備又能為石油和化工企業(yè)帶來哪些節(jié)能效益？記者對此進(jìn)行了深入采訪。
圖為檢測平臺上待測的水輪機(jī)。
水輪機(jī)替代電動機(jī) 冷卻塔實現(xiàn)零電耗
“到目前為止，工業(yè)冷卻塔冷卻時所用的風(fēng)機(jī)均由電動機(jī)帶動，這些電動機(jī)一年所耗的電能是非常大的。”多位專家向記者表達(dá)了同樣的聲音。
“就以一臺冷卻水量約1000噸/時的冷卻塔為例，所配電機(jī)功率約為45千瓦，按每天工作24小時計算，每年300天，年電能消耗量約為32.4萬千瓦時。全國數(shù)以萬計的冷卻塔，所配電機(jī)的電能消耗是相當(dāng)驚人。”該設(shè)備開發(fā)者之一河海大學(xué)教授鄭源說。
怎樣才能大幅削減冷卻塔的電耗？針對紛繁復(fù)雜的系統(tǒng)節(jié)能難題，江蘇河海嘉裕節(jié)能科技有限公司與河海大學(xué)共同進(jìn)行了深入廣泛的研究，結(jié)合多年研發(fā)和工程實踐經(jīng)驗，最終確定用新型高效水輪機(jī)替代電動機(jī)做為冷卻塔風(fēng)機(jī)動力源從而達(dá)到節(jié)能效果的構(gòu)想。
“具體來說，就是利用循環(huán)水系統(tǒng)中的富余能量來推動水輪機(jī)轉(zhuǎn)動，由此帶動風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)，降溫效果不變。用水輪機(jī)替代了電動機(jī)，實現(xiàn)了零電耗，起到根本性的節(jié)能效果。”河海嘉裕節(jié)能科技有限公司總經(jīng)理張曉石對記者說。
據(jù)了解，現(xiàn)行的冷卻塔行業(yè)制造標(biāo)準(zhǔn)，較多考慮冷卻塔的安全性及可靠性能，為此，在冷卻塔的氣水比、布水面積、填料面積、淋水密度、水泵流量及揚(yáng)程、管道系統(tǒng)及閥門、風(fēng)機(jī)風(fēng)量及功率等各個參數(shù)上均有富余量，多余的風(fēng)量和水量及揚(yáng)程均被白白浪費(fèi)掉，消耗了大量的能源。
“我們這個項目開發(fā)研制的系列長葉型超低比轉(zhuǎn)速混流式水輪機(jī)，就是利用這些被浪費(fèi)的能量，包括了設(shè)計時考慮的安全與工藝余量、勢能、動能、水泵自身調(diào)節(jié)能力和閥門開啟度的調(diào)節(jié)等5項。用這些富裕能量推動水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪，由此帶動風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)，達(dá)到降溫的目的，從而實現(xiàn)廢能利用與降耗減排。”張曉石說。
記者了解到，目前采用水輪機(jī)為動力源的水動風(fēng)機(jī)冷卻塔已經(jīng)得到了行業(yè)和國家的認(rèn)可。國家質(zhì)量認(rèn)證中心2012年已經(jīng)正式把水動風(fēng)機(jī)冷卻塔列入開式冷卻塔的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《開式冷卻塔節(jié)能認(rèn)證技術(shù)規(guī)范》之內(nèi)。另外，一些地方政府和節(jié)能行業(yè)也積極展開學(xué)術(shù)研究，出版了許多地方標(biāo)準(zhǔn)，如由上海發(fā)改委牽頭的上海市地方標(biāo)準(zhǔn)：DB31/T 615-2012《冷卻塔循環(huán)水系統(tǒng)富余能量回收利用的評價方法》等。
原水利部副部長索麗生在參加該技術(shù)成果鑒定會時表示，利用循環(huán)冷卻水的余壓驅(qū)動冷卻塔風(fēng)機(jī)，節(jié)能降耗效果顯著。該水輪機(jī)的開發(fā)及應(yīng)用，符合國家節(jié)能減排的政策，應(yīng)用前景廣闊。
圖為工作人員正在檢測水輪機(jī)各項工作參數(shù)。
產(chǎn)學(xué)研合作破瓶頸 水輪機(jī)效率首超90%
水輪機(jī)能夠把循環(huán)水系統(tǒng)中的富余能量利用起來，直接帶動風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，但是否能夠達(dá)到系統(tǒng)要求，保證冷卻效果，其中最重要的指標(biāo)就是水輪機(jī)的效率。
記者了解到，自2006年以來，一些企業(yè)陸續(xù)嘗試過采用水輪機(jī)取代電機(jī)系統(tǒng)，但大多以失敗告終，分析原因，最根本的一條是水輪機(jī)效率低下。冷卻塔專用水輪機(jī)最早效率僅達(dá)到50%，此前最高效率也僅僅達(dá)到80%。水輪機(jī)效率無法提高的技術(shù)瓶頸，嚴(yán)重制約了其大范圍的推廣應(yīng)用。
為此，河海嘉裕節(jié)能科技有限公司選擇了與河海大學(xué)進(jìn)行深度地產(chǎn)學(xué)研合作，合力打破瓶頸。
張曉石告訴記者，合作方案確立后，公司便依托河海大學(xué)運(yùn)用先進(jìn)的模型制作、數(shù)據(jù)分析軟件開始了高效水輪機(jī)的研發(fā)工作；經(jīng)過工程技術(shù)專家們的反復(fù)研討和模擬試驗，歷經(jīng)多年，終于成功開發(fā)出具有自主知識產(chǎn)權(quán)的長葉型及雙葉型高效水輪機(jī)，并取得一系列專利授權(quán)和科研成果。同時，通過技術(shù)論證結(jié)合水輪機(jī)制作工藝要求，突破傳統(tǒng)加工制造工藝，運(yùn)用先進(jìn)加工設(shè)備，標(biāo)準(zhǔn)化、模具化制作出全系列多型號長壽命的高效水輪機(jī)。
“我們與河海大學(xué)共同開發(fā)的新型水輪機(jī)效率能夠達(dá)到90.5％，從而解決了在冷卻塔中用水輪機(jī)取代風(fēng)葉電機(jī)所存在的獨(dú)特技術(shù)難題，滿足冷卻要求，替代原風(fēng)葉電機(jī)，真正實現(xiàn)電動風(fēng)機(jī)冷卻塔向水動節(jié)能型冷卻塔的轉(zhuǎn)變。”張曉石說。
不僅如此，為提高軸流風(fēng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，河海嘉裕節(jié)能科技有限公司又與上海交通大學(xué)合作研發(fā)節(jié)能風(fēng)機(jī)，使得風(fēng)機(jī)效率明顯提高。張曉石告訴記者，公司采用的節(jié)能風(fēng)機(jī)為專用的水輪機(jī)驅(qū)動形式，效率往往比老式風(fēng)機(jī)75%左右提高10%以上，能達(dá)到85%以上。
記者了解到，為了確保水輪機(jī)各項參數(shù)準(zhǔn)確無誤，在產(chǎn)品研發(fā)的同時，河海嘉裕節(jié)能科技有限公司與河海大學(xué)一起設(shè)計并建造了目前國內(nèi)唯一一個高精度大型冷卻塔專用水輪機(jī)測試臺，用來對水輪機(jī)進(jìn)行系統(tǒng)地、精確的能量等特性測試。
“這個平臺我們投資了500余萬，完全是依照國際標(biāo)準(zhǔn)建造的，平臺所采用的檢測方法和設(shè)備都是目前國際上最先進(jìn)的，綜合性能達(dá)到了國內(nèi)外領(lǐng)先水平。每一臺水輪機(jī)完成制作工序后都會裝置在測試平臺上，以電子操作系統(tǒng)，加入模擬運(yùn)轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)。從100噸/時~6000噸/時的水流量都可進(jìn)行模擬操作，以測試水輪機(jī)的實際效力，保證每臺水輪機(jī)的精良品質(zhì)。”張曉石說。
記者在現(xiàn)場看到，測試平臺主要是由水泵、緩沖罐、閥門試驗臺架、全自動數(shù)字化控制臺幾部分組成。檢測平臺通過對流量、壓力、水輪機(jī)扭矩、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速等核心參數(shù)的實時處理運(yùn)算，測算出水輪機(jī)的實際效率。
圖為河海嘉裕節(jié)能科技有限公司與河海大學(xué)一起設(shè)計并建造的目前國內(nèi)唯一一個高精度大型冷卻塔專用水輪機(jī)測試臺。
模式創(chuàng)新降低風(fēng)險 化企應(yīng)用效益可觀
應(yīng)用這一技術(shù)新建冷卻塔或者對傳統(tǒng)冷卻塔進(jìn)行改造，使用單位年節(jié)約量、投資回報率具體如何？會不會產(chǎn)生投資風(fēng)險？
對于記者的疑問，張曉石表示，為打消企業(yè)關(guān)于改造風(fēng)險的顧慮，他們創(chuàng)新采用了合同能源管理模式，即由江蘇河海嘉裕公司投資對系統(tǒng)進(jìn)行改造，改造完成，確認(rèn)節(jié)能效果之后，再將節(jié)約下來的電費(fèi)按一定比例分成，這樣企業(yè)既不需要承擔(dān)改造的投資費(fèi)用，又可以享受改造的收益，還可以完成節(jié)能指標(biāo)任務(wù)，從而達(dá)到企業(yè)、節(jié)能服務(wù)公司、政府等多方受益的良好局面。
張曉石為記者算了一筆經(jīng)濟(jì)賬：首先，按5000噸水輪機(jī)1臺、電機(jī)額定功率數(shù)為200千瓦、按實際運(yùn)行功率數(shù)為0.85計算，功率為170千瓦，改造后每年節(jié)約的電量為1468800千瓦時，折標(biāo)煤為514噸。按全國用電均價0.65元計算，全年節(jié)約電費(fèi)954720元。“我們公司生產(chǎn)的水輪機(jī)壽命為100000小時以上，使用可達(dá)12年以上。前6年用能單位效益分成為30%，即每年分得286416元。后6年的節(jié)省量為使用單位全部享用，即每年954720元。”張曉石說。
此外，通過此項節(jié)能改造，還省去了原有的風(fēng)機(jī)電機(jī)、聯(lián)軸節(jié)、減速機(jī)，使得維護(hù)檢修的成本大大降低，故障發(fā)生率也大大下降，節(jié)約了大量的運(yùn)行維護(hù)成本費(fèi)用。
“我們對用戶是有承諾的，一是確保滿足用戶的工藝降溫要求，無論新塔或老塔改造。二是確保用戶的水泵不增加功率。換句話說，確保用戶水泵的電流不增加，如老塔改造前用戶可自行測定水泵電流并記錄備案。三是上述兩個承諾有一個達(dá)不到，我司將無償并無條件地承擔(dān)冷卻塔的全部改造費(fèi)用。”張曉石告訴記者。
在冷卻塔專用水輪機(jī)技術(shù)成熟后，河海嘉裕先后對鋼鐵、化工等8個行業(yè)進(jìn)行多次考察，核算結(jié)果顯示，僅化工行業(yè)現(xiàn)有冷卻塔容量達(dá)11000萬噸/年，年消耗電量約400億千瓦時。
“如果將國內(nèi)現(xiàn)有冷卻塔進(jìn)行改造，再加上每年新增的冷卻塔，若其中的70%采用水動風(fēng)機(jī)冷卻塔，就可實現(xiàn)為國家每年節(jié)電近1000億千瓦時，折合標(biāo)煤3500萬噸。如加強(qiáng)推廣應(yīng)用，冷卻塔專用水輪機(jī)能為國家宏偉的節(jié)能減排和改善大氣環(huán)境做出巨大貢獻(xiàn)。”張曉石說。
圖為已應(yīng)用于水動風(fēng)機(jī)冷卻塔上的新型長葉型超低比轉(zhuǎn)速混流式水輪機(jī)。
環(huán)保安全經(jīng)濟(jì)高效 已有多項應(yīng)用實例
采訪中，一些專家和已經(jīng)應(yīng)用水動風(fēng)機(jī)冷卻塔的企業(yè)負(fù)責(zé)人對記者表示，新型的長葉型超低比轉(zhuǎn)速混流式水輪機(jī)可以應(yīng)用于冷卻塔，不論是改造舊的冷卻塔還是生產(chǎn)新的水動冷卻塔，不僅節(jié)能效果顯著，同時環(huán)保安全等優(yōu)勢也很突出。
記者總結(jié)起來，該設(shè)備主要有五個方面的優(yōu)點。
一是環(huán)保。由于我國電能生產(chǎn)目前大都來自火電廠，節(jié)約電能就意味著電煤消耗的減少與排放物的減少，減少了對環(huán)境的污染。此外，由于水動風(fēng)機(jī)冷卻塔省去了風(fēng)機(jī)電機(jī)和減速箱，可大大降低冷卻塔的震動和噪聲，也減少對環(huán)境的污染。
二是安全。冷卻塔電機(jī)有漏電傷人、火花爆炸等潛在危險，水輪機(jī)不用電，省去了電纜、電控，具有防爆功能，增加了冷卻塔的運(yùn)行環(huán)境安全性。
三是高效。長葉型超低比轉(zhuǎn)速混流式水輪機(jī)最高效率達(dá)90.5％，水輪機(jī)軸直接與風(fēng)葉相連，不需再通過其它減速器等，其傳動效率比傳統(tǒng)電動傳動效率大幅提高，且風(fēng)量隨著水流量的變化相應(yīng)變化，始終穩(wěn)定在較好的氣水比。
四是使用壽命長。水輪機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，因此只要達(dá)到材料設(shè)計強(qiáng)度和密封，使用壽命很長，故障低，維修也極為簡單，更換一些標(biāo)準(zhǔn)件即可，比電機(jī)減速器的維修要簡單得多。
五是通用。凡是使用傳統(tǒng)冷卻塔的場合，均可采用水動風(fēng)機(jī)冷卻塔，并能對所有類型的傳統(tǒng)冷卻塔進(jìn)行節(jié)能改造，實施節(jié)能技改越早，改造的塔形越大，其節(jié)能效果越明顯。冷卻塔廣泛地應(yīng)用于國民經(jīng)濟(jì)的許多部門，如電力、石油、化工、鋼鐵、輕紡、民用賓館等。現(xiàn)有的機(jī)械通風(fēng)的冷卻塔，均可以采用該水輪機(jī)改造成為水動風(fēng)機(jī)冷卻塔。基于統(tǒng)計資料分析，全國現(xiàn)有冷卻塔可進(jìn)行改造的容量約24157萬噸。
目前，該設(shè)備已成功應(yīng)用于河南煤化等10余個工程項目，建成投產(chǎn)以來運(yùn)轉(zhuǎn)安全可靠，完全滿足了冷卻循環(huán)水系統(tǒng)的各項工藝指標(biāo)。
以河南煤化集團(tuán)公司為例，該公司某循環(huán)水系統(tǒng)單臺5000立方米/時水動風(fēng)機(jī)冷卻塔，采用河海嘉裕制造的水輪機(jī)來驅(qū)動用以降溫的直徑9750毫米的風(fēng)機(jī)。該塔建成投入運(yùn)行以來運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，完全滿足冷卻循環(huán)水系統(tǒng)的各項工藝指標(biāo)。據(jù)介紹，國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T7190.2-2008規(guī)定的冷卻塔冷卻能力滿足95%即為合格，此次現(xiàn)場采集的參數(shù)（實際環(huán)境溫度、冷卻塔進(jìn)出水溫、冷卻塔進(jìn)塔風(fēng)量、循環(huán)水量等）經(jīng)過嚴(yán)密的計算，冷卻能力達(dá)到102.1%，超過國家標(biāo)準(zhǔn)。
參加該技術(shù)成果鑒定會的來自清華大學(xué)、華中科技大學(xué)、中國寰球工程公司、中國石化工程公司、寶鋼股份集團(tuán)公司、天辰工程有限公司、賽鼎工程有限公司、東華科技、五環(huán)工程公司、揚(yáng)子石化、陜西煤業(yè)等單位的專家一致認(rèn)為，該水輪機(jī)的工程應(yīng)用表明，在原有設(shè)計參數(shù)不變的條件下，利用該水輪機(jī)替代電機(jī)驅(qū)動風(fēng)機(jī)，達(dá)到原有的設(shè)計指標(biāo)經(jīng)濟(jì)效益顯著。在新建循環(huán)冷卻水裝置時，該水輪機(jī)驅(qū)動風(fēng)機(jī)技術(shù)可作為一種優(yōu)選方案。
江蘇河海嘉裕節(jié)能科技有限公司與河海大學(xué)進(jìn)行深度產(chǎn)學(xué)研合作，目前已獲得4項發(fā)明專利，形成了冷卻塔專用水輪機(jī)500臺套生產(chǎn)能力，為多家企業(yè)進(jìn)行了冷卻塔節(jié)能改造。同時，河海大學(xué)水輪機(jī)研發(fā)中心及教育部可再生能源發(fā)電技術(shù)工程研究中心已落戶企業(yè)。圖為江蘇河海嘉裕節(jié)能科技有限公司。 （圖片均由本報記者徐衛(wèi)東攝）
