淺談循環(huán)水泵和冷卻風(fēng)機的節(jié)能應(yīng)用

原皓

摘 要：本文闡述了鶴壁煤化工循環(huán)水系統(tǒng)工藝流程，循環(huán)水冷卻方式，為節(jié)省混流式水輪機的原理。為了最大限度地挖掘節(jié)能能力，煤化工對冷卻塔風(fēng)機進(jìn)行技術(shù)改造，即用水輪機取代軸流風(fēng)機電機作為動力源，帶動風(fēng)葉旋轉(zhuǎn)，滿足冷卻塔抽風(fēng)降溫需求。通過整改系統(tǒng)存在不利因素，并按最佳運行工況參數(shù)定做高效節(jié)能泵替換目前處于不利工況、低效率運行的水泵，降低“無效能耗”，提高輸送效率，達(dá)到最佳的節(jié)能效果。改造實施后，水輪風(fēng)機運行平穩(wěn)，循環(huán)水溫差及流量均能滿足實際生產(chǎn)需要，且每年節(jié)約用電112×105kW·h大大降低了生產(chǎn)成本。利用水輪風(fēng)機可以降低運行成本，節(jié)能效果明顯，可在化工企業(yè)推廣應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：水動風(fēng)機冷卻塔；無電化運行風(fēng)機；循環(huán)水泵；節(jié)能改造

1 前言

冷卻塔的主要工作原理便是借助水和空氣的接觸，水的蒸發(fā)作用來完成剩余熱量散發(fā)作用的設(shè)備。目前，冷卻塔的已經(jīng)廣泛的應(yīng)用在各行各業(yè)的耗能企業(yè)中，但是冷卻塔的風(fēng)機耗能比較多。由于冷卻塔的風(fēng)機耗能嚴(yán)重，近些年來耗能較低的水輪風(fēng)機發(fā)展迅速，其主要工作原理是利用水循環(huán)過程中富余的動能產(chǎn)生能量的設(shè)備，這種設(shè)備可以在很小工程量改動的基礎(chǔ)上實現(xiàn)對富余水動能的利用，這種水輪機在工作時，將水能轉(zhuǎn)化為機械能，以水驅(qū)動水輪機從而帶動鳳葉轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)節(jié)約能源。

2 循環(huán)水系統(tǒng)工藝及工作原理簡介

2.1 工藝流程簡介

鶴壁煤電股份有限公司年產(chǎn)六十萬噸甲醇項目給排水廠承擔(dān)向各生產(chǎn)裝置提供合格脫鹽水以及循環(huán)冷卻水的工作。

從生產(chǎn)裝置循環(huán)水系統(tǒng)回來的水可以進(jìn)入到冷卻塔之中，進(jìn)入冷卻塔之后經(jīng)過一系列的處理，包括噴頭，填料，抽風(fēng)換熱等進(jìn)入塔底的水池，最終被循環(huán)水提高壓力之后供應(yīng)給煤氣化等設(shè)備進(jìn)行循環(huán)利用。

鶴壁煤化工共有循環(huán)水系統(tǒng)由東、西兩塔兩部分組成，其中循環(huán)水東塔主要供應(yīng)氣化及甲醇裝置循環(huán)水，循環(huán)水西塔主要供應(yīng)動力及空分裝置循環(huán)水，兩塔設(shè)計循環(huán)水量均為35000m3/h。每座循環(huán)水塔設(shè)置七臺冷卻風(fēng)機以及六臺循環(huán)水泵，水溫靠冷卻風(fēng)機控制，溫度指標(biāo)為≤32℃。循環(huán)水系統(tǒng)供有四臺循環(huán)水泵，正常工況下夏季循環(huán)水泵三開一備運行（運行時間按2400h計），其他季節(jié)兩開兩備運行（運行時間按5400h計）。所對應(yīng)的涼水塔冷卻風(fēng)機中一臺為電動風(fēng)機、兩臺為水動風(fēng)機，根據(jù)生產(chǎn)情況而調(diào)整運行臺數(shù)，夏季為滿足生產(chǎn)裝置需要三臺冷卻風(fēng)機全部運行。循環(huán)水系統(tǒng)均分別配備有加藥殺菌、旁濾、補水排污等系統(tǒng)。

2.2 循環(huán)水補水系統(tǒng)

為彌補循環(huán)水蒸發(fā)和排污造成的損失，需向根據(jù)水位向循環(huán)水池補充一次水，循環(huán)冷卻水的補充水由二部分組成：一部分為循環(huán)水補水泵送出的一次水，另一部分為除鹽水站的反洗水等再次回收利用。

2.3 循環(huán)冷卻水的主要工作原理

冷卻塔中的主要熱水的熱量是通過兩種方式從冷卻塔中傳遞到外面之中：1）通過接觸傳熱，因為水在于空氣進(jìn)行接觸的時候，如果水比空氣的溫度高，那么按照能量守恒定律，水中的熱量會傳遞給空氣，從而使空氣溫度變高，水溫降低，兩者溫差越大，傳熱就越多。2）蒸發(fā)傳熱：水與空氣在接觸的過程中還存在蒸發(fā)，空氣中含有水蒸氣，如果空氣中水蒸氣不飽和，那么部分水蒸發(fā)之后就會被空氣帶走。水蒸氣需要大量汽化熱，這部分汽化熱進(jìn)入空氣之中將其他水冷卻，從而實現(xiàn)水冷卻。

隨著節(jié)氣變化，冷卻塔在傳熱的過程中，接觸傳熱與蒸發(fā)傳熱的相關(guān)比例也發(fā)生了改變，一般來說，冬天的空氣溫度最低，基本上都是接觸傳熱，最嚴(yán)寒的時候達(dá)到70%，其他三個季節(jié)溫度比較高，主要以蒸發(fā)傳熱為主，在最炎熱的夏天可達(dá)到90%。

2.4 各裝置區(qū)循環(huán)水的用量

3 節(jié)能改造前設(shè)備概況

冷卻塔的類型很多，一般分為自然通風(fēng)和機械通風(fēng)兩種，劃分依據(jù)是根據(jù)空氣進(jìn)入塔內(nèi)的情況而決定的。目前最常見的自然通風(fēng)主要是風(fēng)筒式冷卻塔；機械通風(fēng)常見的主要分為抽風(fēng)式和鼓風(fēng)式兩種。根據(jù)氣流方向機械通風(fēng)還分為橫流式和逆流式。機械通風(fēng)性冷卻塔是抽風(fēng)逆流或者是橫流式冷卻塔。目前我廠主要循環(huán)水站采用的是機械逆流式抽風(fēng)冷卻塔，主要由風(fēng)機，收水器，配水機和集水池等組成。

3.1 風(fēng)機結(jié)構(gòu)介紹

目前風(fēng)機主要由風(fēng)扇，葉片，傳動軸承，減速器，聯(lián)軸器，驅(qū)動器等組成，傳動的方式大部分為：長軸+聯(lián)軸+減速+電機的方式。

1）涼水塔的風(fēng)筒大多材料由玻璃鋼制作，它的作用是提供良好的空氣動力，促進(jìn)空氣的流動，降低空氣阻力，主要形式為圓錐形狀，拋物線或者曲線形狀。其實風(fēng)筒設(shè)計的原理相對較為簡單：風(fēng)筒從下至上分為收縮段，風(fēng)機的工作段動力的回收段等。氣流從逆流塔經(jīng)過具有橢圓曲線設(shè)計的風(fēng)筒的時候，可以有效的通過收縮過渡到風(fēng)機工作段，氣流在風(fēng)機工作段的時候就通過葉段被提升到動壓回收段。通過動壓回收實現(xiàn)對氣流的導(dǎo)流疏散，主要利用了氣體流場均化理論，從而有效的降低了氣筒氣流動壓的損失。

2）葉片是主要做功部件，靠葉片的旋轉(zhuǎn)帶動空氣流動達(dá)到通風(fēng)目的。其形狀分扭曲型和非扭曲型兩種，可拆卸和調(diào)整。

3）輪轂它既起支承和固定葉片的作用，又起氣封罩的作用。

4）減速器主要起降低轉(zhuǎn)速和改變旋轉(zhuǎn)方向的作用。

5）傳動軸起傳遞轉(zhuǎn)矩的作用。

6）聯(lián)軸器用于電機和減速器的聯(lián)接

風(fēng)機進(jìn)風(fēng)口的導(dǎo)流裝置：在混凝土立柱的迎風(fēng)面依據(jù)均勻流方程設(shè)計采用玻璃鋼導(dǎo)流罩，可有效改善進(jìn)塔氣流流場，降低進(jìn)風(fēng)阻力，可使進(jìn)風(fēng)口混凝土立柱后的渦流區(qū)面積大幅降低，使填料段配風(fēng)更加均勻，提高填料利用率。

4 水輪風(fēng)機工藝原理及創(chuàng)造的效益

為了最大限度地挖掘節(jié)能潛力，可利用循環(huán)水泵的富余能量作為水輪機的動能，使冷卻塔風(fēng)機驅(qū)動方式由電力改為水力2016年12～2017年4月，對14臺冷卻塔風(fēng)機進(jìn)行改造，即用高效混流式水輪機取代LF-98型軸流風(fēng)機電機作為動力源，帶動風(fēng)葉旋轉(zhuǎn)滿足冷卻塔抽風(fēng)降溫需求。該系統(tǒng)共四臺循環(huán)水泵，其中A#、B#、C#水泵由上海某公司制造，單泵的額定流量為5000m3/h、額定揚程為48m。配套的電機由佳木斯某公司生產(chǎn)，電機參數(shù)為：功率900kW、電壓10kV、轉(zhuǎn)速740r/min。

D#水泵由廣東某公司生產(chǎn)，單泵的額定流量為5000m3/h、額定揚程為48m。配套的電機由佳木斯某公司生產(chǎn)，電機參數(shù)為：功率900kW、電壓10kV、轉(zhuǎn)速990r/min。

4.1 水輪風(fēng)機工作原理

水動風(fēng)機冷卻塔的原理就是充分回收利用系統(tǒng)中存在的大量富余水量和富余揚程來推動水輪機轉(zhuǎn)動，進(jìn)而帶動風(fēng)機轉(zhuǎn)動，水動風(fēng)機冷卻塔是一種新型高效節(jié)能型產(chǎn)品，其核心產(chǎn)品是高效混流式水輪機。其技術(shù)原理是用高效反擊混流式水輪機取代傳統(tǒng)冷卻塔的電機作為風(fēng)機動力，用水輪機充分回收利用系統(tǒng)中所存在的富余能量帶動風(fēng)機轉(zhuǎn)動，建設(shè)中所有管道設(shè)計以最大效率利用系統(tǒng)富余能量和減少塔內(nèi)風(fēng)阻，直接去掉原冷卻塔的風(fēng)機電機，達(dá)到節(jié)能的目的。

4.2 冷卻風(fēng)機改造后的經(jīng)濟效益

冷卻風(fēng)機由200KW的電機驅(qū)動，當(dāng)夏季環(huán)境溫度過高時需要14臺風(fēng)機同時啟動，每臺電機功率為200KWh，運行時間8000h/年，耗電量112×105kW·h年，電價0.6元/KWh，每年需電費1344萬元。如改為利用系統(tǒng)中存在的大量富余水量和富余揚程來推動水輪機轉(zhuǎn)動，進(jìn)而帶動風(fēng)機轉(zhuǎn)動，從根本上去掉冷卻塔風(fēng)機電機，年僅電費一項節(jié)省1344萬元。

5 結(jié)語

鶴壁煤化工冷卻塔風(fēng)機節(jié)能改造后，溫差不低于改造前同期溫差，循環(huán)水泵電流不高于改造前風(fēng)機轉(zhuǎn)速不低于原設(shè)計轉(zhuǎn)速（≥110r/min，風(fēng)葉角度與現(xiàn)有角度一致）；且冷卻塔進(jìn)出口水溫溫升變化不大（±0.5℃）；循環(huán)水泵電流不高于改造前。被改造冷卻塔水輪機過水量不低于4000m/h；允許調(diào)節(jié)循環(huán)水系統(tǒng)各上塔閥門及水泵進(jìn)出口閥門。水輪風(fēng)機在實際生產(chǎn)中運行平穩(wěn)、循環(huán)水溫差及流量均能滿足實際生產(chǎn)需要。目前國內(nèi)大多數(shù)煉化企業(yè)循環(huán)水冷卻風(fēng)機按照電動風(fēng)機設(shè)計，且循環(huán)水泵都存在富余揚程，利用水輪風(fēng)機可以降低運行成本，取得的節(jié)能效果明顯，可在煉化企業(yè)推廣應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

[1]王凱肖，韓軍鎖.循環(huán)水冷卻塔風(fēng)機節(jié)能改造[J].石化技術(shù)，2011，18（1）：52-54.