河南心连心化肥有限公司原料结构调整项目尿素循环水系统共有4座逆流抽风式冷却塔，均采用机械强制通风方式，各有风机1台，配用电机功率为160 kW，年运行时间约8000 h。风机耗电量较大，尤其是化肥优惠电价取消以后，对企业生产成本的影响较大。
经公司及设备厂家双方技术人员的详细计算，结合现场实际情况，充分论证了利用循环水回水余压推动水轮机进而拖动风机运行的可行性后，于是采用合肥菱电及南京泉腾两家公司的水轮机分别对尿素循环水系统2#、4#冷却塔进行改造。改造后，系统运行稳定，节能效果显著。现简介如下。
1.水轮机驱动风机的可行性分析
循环水冷却塔风机可否由电机驱动改为水轮机驱动的关键在于水轮机实际输出轴功率须大于风机轴功率（P水轮机＞P机轴）。为论证此项改造的可行性，我们进行了一系列的计算。
（1）系统富余扬程计算
①循环水泵的余压
循环水泵余压的计算式为：
H富余=H额定-（H出口-H进口）
式中：H额定——循环水泵额定扬程，40 m；H出口——循环水泵出口压头，41 m；H进口——循环水泵进口压头，3 m；H富余——循环水泵的富余扬程，m。因此，H富余=40-（41-3）=2 m。
②上塔阀门闭压
循环水冷却塔上塔管道（DN900）上配置了蝶阀，正常工况下上塔流量约3000 m3/h，阀门开度为22°，形成一定的闭压。借助计算软件算出不同开度下蝶阀的Cv值，据公式Kv=Cv/1.167计算蝶阀（DN900）流量系数，具体如下：阀门开度22°，Cv=3629.4，Kv=3110；阀门开度90°，Cv=86375，Kv=74014.57。
据公式△P=Q2r/Kv2（式中：△P——阀门闭压；Q——流量；Kv——流量系数；r=1），计算不同开度下蝶阀的闭压，具体如下：阀门开度22°，Q=3001 m3/h（实测），Kv=3110，△P1=0.0754 MPa；阀门开度90°，Q=4000 m3/h（设计），Kv=74014.57，△P2=0.0003 MPa。
改造后，上水阀全开，即开度为90°，上塔管上蝶阀富余压力为△P=△P1-△P2=0.0754-0.0003=0.0751 MPa，折合富余压头为7.51 m。
尿素循环水系统回水的富余扬程为循环水泵的富余扬程与上塔管蝶阀的闭压之和，即尿素循环水系统回水的富余扬程H=2+7.51=9.51 m。
（2）水轮机输出功率计算
水轮机输出功率的计算式为：
P水轮机=9.81·Q·H·η水轮机
式中：9.81——水容重，kN/m3；H——系统提供给水轮机的富余扬程，m；Q——水轮机进口流量，4000 m3/h；η水轮机——水轮机效率，0.9；P水轮机——水轮机输出功率，kW。因此，P水轮机=9.81×4000×9.51×0.9÷3600=93.29 kW。
（3）风机轴功率计算
风机轴功率的计算式为：
P机轴= 1.732·U·I·cosφ·η电·η减·η传
式中：U——电机电压，0.38 kV；I——电机电流，210 A（实测值）；cosφ——功率因数，0.86 ；η电——电机效率，0.85；η减——减速机效率，0.91；η传——传动装置效率，0.94；P机轴——风机轴功率，kW。因此，P机轴=1.732×0.38×210×0.86×0.85×0.91×0.94=86.42 kW。
通过上述计算可知，P水轮机=93.29 kW，P机轴=86.42 kW，即 P水轮机＞P机轴，表明尿素循环水冷却塔风机由电机驱动改为水轮机驱动具备可行性。
2.冷却塔的改造及效果
为降低改造的风险，公司通过招标确定由合肥菱电及南京泉腾两家公司利用系统大修的机会进入现场进行改造。拆除风机、减速机、电机，在原塔减速机基座上进行改造，再依次安装水轮机及机座板、风机、水轮机进出水主管和进水阀门、旁通管和阀门、流量仪和监控装置、连通管，恢复收水器，修补风筒进水管工艺孔等。
2台水轮机于2015年6月份投运以来，尿素循环水系统3台冷却塔运行，水轮机运行稳定，未出现过异常振动的现象，且均能达到技术协议要求的转速，完全满足尿素装置的需要。
改造前，循环水泵电流48.88 A，给水压力0.38 MPa、回水压力0.22 MPa，给水温度21.85 ℃、回水温度31.21 ℃、上回水温差9.36 ℃，系统循环水流量12004.32 m3/h；改造后，循环水泵电流49.10 A，给水压力0.40 MPa、回水压力0.26 MPa，给水温度23.17 ℃、回水温度32.37 ℃、上回水温差9.20 ℃，系统循环水流量11690.17 m3/h。对比发现，水轮机投用后，系统管道阻力增加，管道特性曲线上移，循环水泵工作点略有改变，系统循环水流量、循环水泵运行电流、循环水给水与回水压力、上回水温差等虽有少量变化，但总体上变化不大。
改造后，尿素循环水系统可以少开2台160 kW的电机，按改造前实测电流210 A计算，实际功率P机轴= 1.732·U·I=1.732×0.38×210=138.2 kW，年运行时间以8000 h、电价0.64元/(kW·h)计，则每年可节约电费141.5万元，经济效益显著。
3.结语
本次技改利用尿素循环水系统的富余扬程作为动力，将循环水冷却塔风机由电力驱动改为水力驱动，是公司首次在循环水系统应用水轮机驱动风机，改造后，系统运行状况良好，节能效益显著，改造的成功为下一步水轮机在公司的全面推广应用打下了基础，也为公司有效降低装置生产成本、实现低成本战略迈出了坚实的一步。
（河南心连心 江超 乔洁 马辉）