任曉杰,楊 建,武 強,彭德歲

河南煤業(yè)化工集團有限責(zé)任公司煤氣化公司義馬氣化廠,河南義馬 472300

水輪風(fēng)機替代電動風(fēng)機在工業(yè)循環(huán)冷卻水中的應(yīng)用

任曉杰,楊 建,武 強,彭德歲

河南煤業(yè)化工集團有限責(zé)任公司煤氣化公司義馬氣化廠,河南義馬 472300

傳統(tǒng)冷卻塔多使用電機驅(qū)動風(fēng)機旋轉(zhuǎn)，只要冷卻系統(tǒng)在工作，無論實際循環(huán)量大小如何，為獲得需要的冷卻效果，都將起動電機驅(qū)動風(fēng)機旋轉(zhuǎn)，電能消耗成為企業(yè)成本支出的一項重要負(fù)擔(dān)。河南煤化集團義馬氣化廠通過免能水輪風(fēng)機改造，利用冷卻水噴淋前的能量驅(qū)動水輪機轉(zhuǎn)動以帶動風(fēng)葉輪轉(zhuǎn)動，從而取消電動機實現(xiàn)節(jié)能。

冷卻塔；水輪機；節(jié)能

河南煤化集團義馬氣化廠現(xiàn)有循環(huán)冷卻水站2套，安裝160～200kW冷卻風(fēng)機13臺，總裝機功率2 525kW，風(fēng)機在夏季全部運行時最大耗電量每天近6萬kwh。如將冷卻風(fēng)機驅(qū)動電機改造為水輪機，利用循環(huán)水泵的富裕揚程驅(qū)動水輪機帶動風(fēng)機運行，一年可節(jié)電約1 800萬kwh，降低企業(yè)電費支出，達(dá)到增效節(jié)能降耗目標(biāo)。2010年元月義馬氣化廠對廠內(nèi)一套8 000m3/h雙冷卻塔循環(huán)水系統(tǒng)中一臺4 000m3/h冷卻塔（驅(qū)動電機功率200kW）實施節(jié)能改造，將原電動風(fēng)機改為水動力風(fēng)機（水輪機），效果顯著。

1 免能冷卻塔技術(shù)簡介

目前，工業(yè)生產(chǎn)普遍使用的冷卻塔通風(fēng)方式上屬于機械通風(fēng)式，不同流量的冷卻塔需配置不同規(guī)格的風(fēng)機和電機，工作流量越大所需的電機功率也越大；并且循環(huán)水系統(tǒng)運行期間，為保證給水溫度一直足夠低，常使電機風(fēng)機在較低水溫的情況下不斷旋轉(zhuǎn)而不能停運。同時，在冷卻塔設(shè)計是為保證系統(tǒng)具有足夠的冷卻效果，通常會在計算結(jié)果的基礎(chǔ)上富裕10%左右的余量，而水泵選型時也會有一定富余，造成了能量的浪費。根據(jù)能量守恒原理，冷卻水的質(zhì)量、流量在能量轉(zhuǎn)換前后沒有變化，上塔水流的水頭就是水輪機的能量，水頭越高，水流所作的功就越大。在實際應(yīng)用中進入冷卻塔的水流具備相當(dāng)?shù)膭幽芎蛪毫δ?，其部分能量能轉(zhuǎn)換來推動水輪機做功。從循環(huán)水泵的性能來說，只要在有效揚程內(nèi)就會自動在一定范圍內(nèi)按照性能曲線調(diào)節(jié)流量、揚程、轉(zhuǎn)速等參數(shù)，要達(dá)到水輪機驅(qū)動條件對泵自身穩(wěn)定運行沒有影響。選用水輪機的目的就是在低水頭、大流量下工作，水輪機對管路系統(tǒng)的阻力影響很少，能保證循環(huán)水泵的運行效率，在沒有增加水泵原配套功率的情況下實現(xiàn)低能耗運行。

由此可見使用水輪機驅(qū)動風(fēng)機旋轉(zhuǎn)實際是可行的，但前提條件是必須滿足水輪機所需的過水流量和足夠的水頭。

2 改造的工藝技術(shù)要求

1）改造后，冷卻塔配用水泵電機實測電流必須不大于改造前實測電流（±2%）；

2）冷卻塔風(fēng)機更換為節(jié)能型風(fēng)機后，葉片安裝角度與原風(fēng)機角度基本一致。在冷卻塔上塔流量維持4 000m3/h左右的前提下，水輪機轉(zhuǎn)速必須不小于原風(fēng)機的額定轉(zhuǎn)速125 r/min。在實際流量與額定流量差距大的情況下，以冷卻水降溫幅度不低于改造前作為驗收標(biāo)準(zhǔn)（在相同濕球溫度的條件下），而不再以風(fēng)機轉(zhuǎn)速或風(fēng)量作為驗收標(biāo)準(zhǔn)；

3）安裝水輪機后，冷卻塔系統(tǒng)管道阻力會有所增大，使總管流量有小幅減少，其減少量不超過總管流量的5%～8%。

3 改造的主要內(nèi)容

1）拆卸風(fēng)機原電機、傳動軸、減速機，安裝4 000m3/h混流式水輪機；

2）對冷卻塔原進水、布水管道作相應(yīng)變更施工，使冷卻塔回水先進入水輪機，從水輪機出來后再完成布水；

3）冷卻塔原風(fēng)機更換為節(jié)能型風(fēng)機；

4）為不影響水輪機進水管的布置，將原檢修橋拆除，移位90度后重新安裝固定，并將原檢修門位置進行更換。

4 工作原理

冷卻塔散熱系統(tǒng)的循環(huán)水是由循環(huán)水泵按照系統(tǒng)所要求的壓力、流量送至冷卻塔內(nèi)進行熱交換的，因此進塔后的水流及余壓可以充分利用。進入冷卻塔的循環(huán)冷卻水按照一定的壓力、流量流過水輪機組，從而使水輪機組獲得輸出功率，改造后的水輪機輸出軸直接與風(fēng)機相連而帶動風(fēng)機旋轉(zhuǎn)，達(dá)到節(jié)能目的。

5 使用效果

本次改造將雙冷卻塔循環(huán)水系統(tǒng)中一臺冷卻塔T1（運行流量約4 000m3/h）實施節(jié)能改造，另外一臺則仍為電力驅(qū)動冷卻塔。改造完成后，分別對兩臺冷卻塔進行隔離獨立運行，分別進行72h、48h性能考核對比。性能考核期間所收集的運行數(shù)據(jù)如下：

表1 T1水輪風(fēng)機性能考核數(shù)據(jù)統(tǒng)計表

表2 T2電動風(fēng)機性能考核數(shù)據(jù)統(tǒng)計表

1）從表1、2對比可以看出，在同樣都是單塔上水情況下，循環(huán)水泵電流在使用水動風(fēng)機期間比使用電動風(fēng)機期間平均降低2.05A，降幅為3.28%。改造前所疑慮的水動風(fēng)機可能引起循環(huán)水泵負(fù)荷增加的情況并未發(fā)生，相反由于驅(qū)動風(fēng)機需更高的背壓，工藝系統(tǒng)回水壓力上升了0.04MPa，系統(tǒng)壓力上升促使系統(tǒng)循環(huán)水量的降低。

2）為維持穩(wěn)定的化工裝置生產(chǎn)，上塔流量未能控制在4 000m3/h流量，而是采取分別隔離的模式將流量控制在6 000～7 000m3/h范圍內(nèi)進行比較的。在循環(huán)水回水壓力0.28 MPa、全開T1上塔閥的情況下，現(xiàn)場測試該臺水輪機最高轉(zhuǎn)速為117r/min，比電機風(fēng)機轉(zhuǎn)速略低。

由于本次改造將原有風(fēng)機葉片（10片）更換為鋁合金制風(fēng)機葉片（8片），風(fēng)機風(fēng)量由于現(xiàn)場條件限制未能測量。在進行的橫向數(shù)據(jù)比較中，在相同濕球溫度下，T1塔冷卻后水溫始終高于T2塔1～2℃，說明T2塔電動風(fēng)機提供的冷量大于T1塔；T1塔降溫幅度則與T2塔基本持平，達(dá)到6℃。

3）從T1/2塔橫向數(shù)據(jù)比較中可以看出，根據(jù)系統(tǒng)上水流量計顯示，改造前后循環(huán)水量無明顯變化。但是，T1塔該改造后回水壓力上升0.04MPa，兩循環(huán)水泵總電流下降4.1A，也就是說T1塔改造后肯定存在一定的流量損失。

6 結(jié)論

通過上述數(shù)據(jù)比較及技術(shù)分析，水輪機改造后在風(fēng)機轉(zhuǎn)速、電量折減方面雖未能達(dá)到改造技術(shù)要求但就運行情況來看，其使用效果與原電動風(fēng)機比較接近，能基本滿足生產(chǎn)需要，具有實用性，可在循環(huán)水系統(tǒng)負(fù)荷有一定富裕量的系統(tǒng)中推廣使用，且其具有充分利用循環(huán)水余壓節(jié)能、取消了傳統(tǒng)型冷卻塔配備電機及減速器配置、環(huán)境噪音低、維修費用少等優(yōu)點，且其轉(zhuǎn)速可根據(jù)水輪機進水量的變化實現(xiàn)一定范圍內(nèi)的無級變速，可根據(jù)季節(jié)變化相應(yīng)調(diào)整冷卻后水溫，季節(jié)適應(yīng)性強。因此，水輪冷卻塔風(fēng)機在工業(yè)循環(huán)冷卻水中應(yīng)用技術(shù)值得推廣。

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1674-6708（2010）25-0175-02