水輪風機替代電動風機在工業循環冷卻水中的應用

任曉杰,楊 建,武 強,彭德歲

河南煤業化工集團有限責任公司煤氣化公司義馬氣化廠,河南義馬 472300

水輪風機替代電動風機在工業循環冷卻水中的應用

任曉杰,楊 建,武 強,彭德歲

河南煤業化工集團有限責任公司煤氣化公司義馬氣化廠,河南義馬 472300

傳統冷卻塔多使用電機驅動風機旋轉，只要冷卻系統在工作，無論實際循環量大小如何，為獲得需要的冷卻效果，都將起動電機驅動風機旋轉，電能消耗成為企業成本支出的一項重要負擔。河南煤化集團義馬氣化廠通過免能水輪風機改造，利用冷卻水噴淋前的能量驅動水輪機轉動以帶動風葉輪轉動，從而取消電動機實現節能。

冷卻塔；水輪機；節能

河南煤化集團義馬氣化廠現有循環冷卻水站2套，安裝160～200kW冷卻風機13臺，總裝機功率2 525kW，風機在夏季全部運行時最大耗電量每天近6萬kwh。如將冷卻風機驅動電機改造為水輪機，利用循環水泵的富裕揚程驅動水輪機帶動風機運行，一年可節電約1 800萬kwh，降低企業電費支出，達到增效節能降耗目標。2010年元月義馬氣化廠對廠內一套8 000m3/h雙冷卻塔循環水系統中一臺4 000m3/h冷卻塔（驅動電機功率200kW）實施節能改造，將原電動風機改為水動力風機（水輪機），效果顯著。

1 免能冷卻塔技術簡介

目前，工業生產普遍使用的冷卻塔通風方式上屬于機械通風式，不同流量的冷卻塔需配置不同規格的風機和電機，工作流量越大所需的電機功率也越大；并且循環水系統運行期間，為保證給水溫度一直足夠低，常使電機風機在較低水溫的情況下不斷旋轉而不能停運。同時，在冷卻塔設計是為保證系統具有足夠的冷卻效果，通常會在計算結果的基礎上富裕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。根據能量守恒原理，冷卻水的質量、流量在能量轉換前后沒有變化，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。在實際應用中進入冷卻塔的水流具備相當的動能和壓力能，其部分能量能轉換來推動水輪機做功。從循環水泵的性能來說，只要在有效揚程內就會自動在一定范圍內按照性能曲線調節流量、揚程、轉速等參數，要達到水輪機驅動條件對泵自身穩定運行沒有影響。選用水輪機的目的就是在低水頭、大流量下工作，水輪機對管路系統的阻力影響很少，能保證循環水泵的運行效率，在沒有增加水泵原配套功率的情況下實現低能耗運行。

由此可見使用水輪機驅動風機旋轉實際是可行的，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）冷卻塔風機更換為節能型風機后，葉片安裝角度與原風機角度基本一致。在冷卻塔上塔流量維持4 000m3/h左右的前提下，水輪機轉速必須不小于原風機的額定轉速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準（在相同濕球溫度的條件下），而不再以風機轉速或風量作為驗收標準；

3）安裝水輪機后，冷卻塔系統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 改造的主要內容

1）拆卸風機原電機、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）冷卻塔原風機更換為節能型風機；

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

冷卻塔散熱系統的循環水是由循環水泵按照系統所要求的壓力、流量送至冷卻塔內進行熱交換的，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機相連而帶動風機旋轉，達到節能目的。

5 使用效果

本次改造將雙冷卻塔循環水系統中一臺冷卻塔T1（運行流量約4 000m3/h）實施節能改造，另外一臺則仍為電力驅動冷卻塔。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據如下：

表1 T1水輪風機性能考核數據統計表

表2 T2電動風機性能考核數據統計表

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

2）為維持穩定的化工裝置生產，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范圍內進行比較的。在循環水回水壓力0.28 MPa、全開T1上塔閥的情況下，現場測試該臺水輪機最高轉速為117r/min，比電機風機轉速略低。

由于本次改造將原有風機葉片（10片）更換為鋁合金制風機葉片（8片），風機風量由于現場條件限制未能測量。在進行的橫向數據比較中，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，達到6℃。

3）從T1/2塔橫向數據比較中可以看出，根據系統上水流量計顯示，改造前后循環水量無明顯變化。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 結論

通過上述數據比較及技術分析，水輪機改造后在風機轉速、電量折減方面雖未能達到改造技術要求但就運行情況來看，其使用效果與原電動風機比較接近，能基本滿足生產需要，具有實用性，可在循環水系統負荷有一定富裕量的系統中推廣使用，且其具有充分利用循環水余壓節能、取消了傳統型冷卻塔配備電機及減速器配置、環境噪音低、維修費用少等優點，且其轉速可根據水輪機進水量的變化實現一定范圍內的無級變速，可根據季節變化相應調整冷卻后水溫，季節適應性強。因此，水輪冷卻塔風機在工業循環冷卻水中應用技術值得推廣。

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TQ085

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1674-6708（2010）25-0175-02