圖為專(zhuān)家在循環(huán)水系統(tǒng)節(jié)能新裝備——新型冷卻塔專(zhuān)用水輪機(jī)科技成果鑒定會(huì)上聽(tīng)取企業(yè)匯報(bào)情況。
編者按 循環(huán)水領(lǐng)域是工業(yè)耗水大戶(hù)，其用量約占整個(gè)工業(yè)用水量的70%。每年，工業(yè)企業(yè)對(duì)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(jì)約為1000億千瓦時(shí)，其節(jié)能效果對(duì)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?chē)?yán)重。雖然歷經(jīng)幾十年的技術(shù)進(jìn)步，但目前我國(guó)工業(yè)冷卻塔的高耗能等系列問(wèn)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(zhǎng)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(gè)剛剛通過(guò)中國(guó)石油和化學(xué)工業(yè)聯(lián)合會(huì)組織的科技成果鑒定的新型節(jié)能設(shè)備，能為單臺(tái)5000立方米/時(shí)處理水量的冷卻塔每年節(jié)電1468800千瓦時(shí)，折標(biāo)煤514噸，全年節(jié)約電費(fèi)95萬(wàn)余元，被專(zhuān)家一致認(rèn)為達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，專(zhuān)用水輪機(jī)效率達(dá)到國(guó)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(lái)的潛在效益，本報(bào)特別組織了這一報(bào)道。
2013年9月以來(lái)，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(jì)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(kāi)發(fā)新型節(jié)能設(shè)備。
冷卻塔專(zhuān)用水輪機(jī)正是這樣的設(shè)備。這個(gè)應(yīng)用在冷卻塔上的專(zhuān)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(chǎng)調(diào)研分析統(tǒng)計(jì)，如對(duì)全國(guó)現(xiàn)有的可進(jìn)行水動(dòng)風(fēng)機(jī)冷卻塔改造的傳統(tǒng)電動(dòng)風(fēng)機(jī)冷卻塔進(jìn)行改造，每年可節(jié)約1000億千瓦時(shí)的電力消耗，相當(dāng)于三峽水電站一年發(fā)電量，同時(shí)減少二氧化碳排放量約為1億噸。
那么，這個(gè)專(zhuān)用設(shè)備能帶來(lái)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(lái)哪些節(jié)能效益？記者對(duì)此進(jìn)行了深入采訪。
圖為檢測(cè)平臺(tái)上待測(cè)的水輪機(jī)。
水輪機(jī)替代電動(dòng)機(jī) 冷卻塔實(shí)現(xiàn)零電耗
“到目前為止，工業(yè)冷卻塔冷卻時(shí)所用的風(fēng)機(jī)均由電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)，這些電動(dòng)機(jī)一年所耗的電能是非常大的。”多位專(zhuān)家向記者表達(dá)了同樣的聲音。
“就以一臺(tái)冷卻水量約1000噸/時(shí)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(shí)計(jì)算，每年300天，年電能消耗量約為32.4萬(wàn)千瓦時(shí)。全國(guó)數(shù)以萬(wàn)計(jì)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(kāi)發(fā)者之一河海大學(xué)教授鄭源說(shuō)。
怎樣才能大幅削減冷卻塔的電耗？針對(duì)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(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，最終確定用新型高效水輪機(jī)替代電動(dòng)機(jī)做為冷卻塔風(fēng)機(jī)動(dòng)力源從而達(dá)到節(jié)能效果的構(gòu)想。
“具體來(lái)說(shuō)，就是利用循環(huán)水系統(tǒng)中的富余能量來(lái)推動(dòng)水輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，由此帶動(dòng)風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)，降溫效果不變。用水輪機(jī)替代了電動(dòng)機(jī)，實(shí)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(duì)記者說(shuō)。
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(mén)、風(fēng)機(jī)風(fēng)量及功率等各個(gè)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(gè)項(xiàng)目開(kāi)發(fā)研制的系列長(zhǎng)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(jì)時(shí)考慮的安全與工藝余量、勢(shì)能、動(dòng)能、水泵自身調(diào)節(jié)能力和閥門(mén)開(kāi)啟度的調(diào)節(jié)等5項(xiàng)。用這些富裕能量推動(dòng)水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪，由此帶動(dòng)風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)，達(dá)到降溫的目的，從而實(shí)現(xiàn)廢能利用與降耗減排。”張曉石說(shuō)。
記者了解到，目前采用水輪機(jī)為動(dòng)力源的水動(dòng)風(fēng)機(jī)冷卻塔已經(jīng)得到了行業(yè)和國(guó)家的認(rèn)可。國(guó)家質(zhì)量認(rèn)證中心2012年已經(jīng)正式把水動(dòng)風(fēng)機(jī)冷卻塔列入開(kāi)式冷卻塔的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《開(kāi)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(kāi)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(píng)價(jià)方法》等。
原水利部副部長(zhǎng)索麗生在參加該技術(shù)成果鑒定會(huì)時(shí)表示，利用循環(huán)冷卻水的余壓驅(qū)動(dòng)冷卻塔風(fēng)機(jī)，節(jié)能降耗效果顯著。該水輪機(jī)的開(kāi)發(fā)及應(yīng)用，符合國(guó)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(cè)水輪機(jī)各項(xiàng)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(lái)，直接帶動(dòng)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(lái)，一些企業(yè)陸續(xù)嘗試過(guò)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(zhuān)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(wú)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(kāi)始了高效水輪機(jī)的研發(fā)工作；經(jīng)過(guò)工程技術(shù)專(zhuān)家們的反復(fù)研討和模擬試驗(yàn)，歷經(jīng)多年，終于成功開(kāi)發(fā)出具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的長(zhǎng)葉型及雙葉型高效水輪機(jī)，并取得一系列專(zhuān)利授權(quán)和科研成果。同時(shí)，通過(guò)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(hào)長(zhǎng)壽命的高效水輪機(jī)。
“我們與河海大學(xué)共同開(kāi)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(mǎn)足冷卻要求，替代原風(fēng)葉電機(jī)，真正實(shí)現(xiàn)電動(dòng)風(fēng)機(jī)冷卻塔向水動(dòng)節(jié)能型冷卻塔的轉(zhuǎn)變。”張曉石說(shuō)。
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(zhuān)用的水輪機(jī)驅(qū)動(dòng)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(xiàng)參數(shù)準(zhǔn)確無(wú)誤，在產(chǎn)品研發(fā)的同時(shí)，河海嘉裕節(jié)能科技有限公司與河海大學(xué)一起設(shè)計(jì)并建造了目前國(guó)內(nèi)唯一一個(gè)高精度大型冷卻塔專(zhuān)用水輪機(jī)測(cè)試臺(tái)，用來(lái)對(duì)水輪機(jī)進(jìn)行系統(tǒng)地、精確的能量等特性測(cè)試。
“這個(gè)平臺(tái)我們投資了500余萬(wàn)，完全是依照國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)建造的，平臺(tái)所采用的檢測(cè)方法和設(shè)備都是目前國(guó)際上最先進(jìn)的，綜合性能達(dá)到了國(guó)內(nèi)外領(lǐng)先水平。每一臺(tái)水輪機(jī)完成制作工序后都會(huì)裝置在測(cè)試平臺(tái)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(shí)~6000噸/時(shí)的水流量都可進(jìn)行模擬操作，以測(cè)試水輪機(jī)的實(shí)際效力，保證每臺(tái)水輪機(jī)的精良品質(zhì)。”張曉石說(shuō)。
記者在現(xiàn)場(chǎng)看到，測(cè)試平臺(tái)主要是由水泵、緩沖罐、閥門(mén)試驗(yàn)臺(tái)架、全自動(dòng)數(shù)字化控制臺(tái)幾部分組成。檢測(cè)平臺(tái)通過(guò)對(duì)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(shí)時(shí)處理運(yùn)算，測(cè)算出水輪機(jī)的實(shí)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(jì)并建造的目前國(guó)內(nèi)唯一一個(gè)高精度大型冷卻塔專(zhuān)用水輪機(jī)測(cè)試臺(tái)。
模式創(chuàng)新降低風(fēng)險(xiǎn) 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(duì)傳統(tǒng)冷卻塔進(jìn)行改造，使用單位年節(jié)約量、投資回報(bào)率具體如何？會(huì)不會(huì)產(chǎn)生投資風(fēng)險(xiǎn)？
對(duì)于記者的疑問(wèn)，張曉石表示，為打消企業(yè)關(guān)于改造風(fēng)險(xiǎn)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(duì)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(lái)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(tái)、電機(jī)額定功率數(shù)為200千瓦、按實(shí)際運(yùn)行功率數(shù)為0.85計(jì)算，功率為170千瓦，改造后每年節(jié)約的電量為1468800千瓦時(shí)，折標(biāo)煤為514噸。按全國(guó)用電均價(jià)0.65元計(jì)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(shí)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(shuō)。
此外，通過(guò)此項(xiàng)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(duì)用戶(hù)是有承諾的，一是確保滿(mǎn)足用戶(hù)的工藝降溫要求，無(wú)論新塔或老塔改造。二是確保用戶(hù)的水泵不增加功率。換句話(huà)說(shuō)，確保用戶(hù)水泵的電流不增加，如老塔改造前用戶(hù)可自行測(cè)定水泵電流并記錄備案。三是上述兩個(gè)承諾有一個(gè)達(dá)不到，我司將無(wú)償并無(wú)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(zhuān)用水輪機(jī)技術(shù)成熟后，河海嘉裕先后對(duì)鋼鐵、化工等8個(gè)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(wàn)噸/年，年消耗電量約400億千瓦時(shí)。
“如果將國(guó)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(dòng)風(fēng)機(jī)冷卻塔，就可實(shí)現(xiàn)為國(guó)家每年節(jié)電近1000億千瓦時(shí)，折合標(biāo)煤3500萬(wàn)噸。如加強(qiáng)推廣應(yīng)用，冷卻塔專(zhuān)用水輪機(jī)能為國(guó)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(shuō)。
圖為已應(yīng)用于水動(dòng)風(fēng)機(jī)冷卻塔上的新型長(zhǎng)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(xiàng)應(yīng)用實(shí)例
采訪中，一些專(zhuān)家和已經(jīng)應(yīng)用水動(dòng)風(fēng)機(jī)冷卻塔的企業(yè)負(fù)責(zé)人對(duì)記者表示，新型的長(zhǎng)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(dòng)冷卻塔，不僅節(jié)能效果顯著，同時(shí)環(huán)保安全等優(yōu)勢(shì)也很突出。
記者總結(jié)起來(lái)，該設(shè)備主要有五個(gè)方面的優(yōu)點(diǎn)。
一是環(huán)保。由于我國(guó)電能生產(chǎn)目前大都來(lái)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(duì)環(huán)境的污染。此外，由于水動(dòng)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(dòng)和噪聲，也減少對(duì)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(xiǎn)，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(zhǎng)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(guò)其它減速器等，其傳動(dòng)效率比傳統(tǒng)電動(dòng)傳動(dòng)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(zhǎng)。水輪機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，因此只要達(dá)到材料設(shè)計(jì)強(qiáng)度和密封，使用壽命很長(zhǎng)，故障低，維修也極為簡(jiǎn)單，更換一些標(biāo)準(zhǔn)件即可，比電機(jī)減速器的維修要簡(jiǎn)單得多。
五是通用。凡是使用傳統(tǒng)冷卻塔的場(chǎng)合，均可采用水動(dòng)風(fēng)機(jī)冷卻塔，并能對(duì)所有類(lèi)型的傳統(tǒng)冷卻塔進(jìn)行節(jié)能改造，實(shí)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(guó)民經(jīng)濟(jì)的許多部門(mén)，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(dòng)風(fēng)機(jī)冷卻塔。基于統(tǒng)計(jì)資料分析，全國(guó)現(xiàn)有冷卻塔可進(jìn)行改造的容量約24157萬(wàn)噸。
目前，該設(shè)備已成功應(yīng)用于河南煤化等10余個(gè)工程項(xiàng)目，建成投產(chǎn)以來(lái)運(yùn)轉(zhuǎn)安全可靠，完全滿(mǎn)足了冷卻循環(huán)水系統(tǒng)的各項(xiàng)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(tái)5000立方米/時(shí)水動(dòng)風(fēng)機(jī)冷卻塔，采用河海嘉裕制造的水輪機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)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(lái)運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，完全滿(mǎn)足冷卻循環(huán)水系統(tǒng)的各項(xiàng)工藝指標(biāo)。據(jù)介紹，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T7190.2-2008規(guī)定的冷卻塔冷卻能力滿(mǎn)足95%即為合格，此次現(xiàn)場(chǎng)采集的參數(shù)（實(shí)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(guò)嚴(yán)密的計(jì)算，冷卻能力達(dá)到102.1%，超過(guò)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。
參加該技術(shù)成果鑒定會(huì)的來(lái)自清華大學(xué)、華中科技大學(xué)、中國(guó)寰球工程公司、中國(guó)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(zhuān)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(jì)參數(shù)不變的條件下，利用該水輪機(jī)替代電機(jī)驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)，達(dá)到原有的設(shè)計(jì)指標(biāo)經(jīng)濟(jì)效益顯著。在新建循環(huán)冷卻水裝置時(shí)，該水輪機(jī)驅(qū)動(dòng)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(xiàng)發(fā)明專(zhuān)利，形成了冷卻塔專(zhuān)用水輪機(jī)500臺(tái)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(shí)，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(hù)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(bào)記者徐衛(wèi)東攝）
