水動風機冷卻塔的應用

陳樹林

（河北鋼鐵集團宣鋼公司機動處，河北 宣化 075100）

一、引言

目前國內鋼鐵企業工業循環冷卻水系統多數采用機械通風冷卻塔，冷卻風機以電機作為驅動來實現通風冷卻。這種冷卻方法最大缺點是浪費電能、故障率高、維護檢修費用大。宣鋼主要工序循環水系統有機械通風冷卻塔110多座，每年電耗費用約980萬元。為了節能降耗，先后把煉鋼110t轉爐的濁環冷卻水系統和120t轉爐的凈環冷卻水系統4臺機械通風冷卻塔改造為水動風機冷卻塔。

二、水動風機冷卻塔的工作原理及應用條件

水動風機冷卻塔的核心技術是根據混流式水輪機原理和結構，利用水力驅動水輪機轉動，水輪機的輸出軸直接與風機相連而帶動其旋轉，從而取代了電機作為風機動力源。

水動風機冷卻塔的水輪機工作動力來源于冷卻水系統的余壓，這也是水動風機應用于冷卻水系統的前提條件。在應用時要進行循環冷卻水的能耗分析，掌握系統的運行工況及穩定性；充分考慮水輪機的輸出功率（即能夠利用的上塔余壓）能否滿足風機的軸功率；考慮后續設備老化、管道結垢等因素對系統供水能力（包括水量、水壓）帶來的影響及循環水系統是否有擴容改造的可能性。合理的利用水輪機不僅可以節電，同時對于管網系統還有一定的壓力調節作用。

三、改造前系統概況及水動風機的選型

煉鋼廠120t轉爐中心水泵站凈環冷卻水系統有GBNL-500機械通風冷卻塔1座，標稱流量500m3/h，風機配套電機22kW；設計水溫差Δt=10℃；上塔水泵兩臺，日常運行一開一備。

1.冷卻塔部分

型號GBNL-500機械通風冷卻塔；塔體結構形式：鋼框架玻璃鋼；標稱流量500m3/h；濕球溫度24℃；大氣壓力100.4kPa；進水溫度43℃、出水溫度33℃、溫差10℃；實測進水溫度35℃、出水溫度28.5℃、溫差6.5℃。

2.水泵部分

型號DFSS200-400C；數量兩臺（一用一備）；額定揚程40m；額定流量617m3/h；額定功率90kW；額定電壓380V；實測電流120A；水泵出口閥開啟度68%；水泵出口壓力0.39MPa。

3.風機部分

型號LF-42；直徑φ4.2m；風量4.5×105m3/h；風壓127.5Pa；轉速240r/min；葉片數量4；額定功率22kW；額定電壓380V；實測電流25A。

4.水動風機技術參數

型號S-HL500A水力牌水輪機；流量500m3/h；工作水頭≥11m；轉速243r/min；效率85%；轉輪材質為鑄鋼；軸承采用LYC組合軸承；轉輪采用混流式超低比轉速設計。

四、可行性分析

1.上塔水泵余壓（富余揚程）測算

式中：H余——上塔水泵富余揚程，m；

H出——上塔水泵出口揚程，m；

H高——泵出口至塔頂高度，m；

H噴——冷卻塔噴嘴揚程，m；

∑h——管道系統沿程和局部水頭損失，m。

2.風機實際輸入功率計算

式中：N輸入——風機輸入功率，kW；

U——電壓，V；

I——電流，A；

cosφ——功率因數；

η電——電機效率；

η減——減速機效率；

η傳——傳動軸效率。

3.水輪機輸出功率計算

式中：N輸出——水輪機輸出功率,kW；

Q——水輪機流量，m3/h；

H余——水輪機工作水頭（水泵富余揚程），m；

η機——水輪機效率85%。

4.結論

根據計算結果：N輸出＞N輸入，該系統具備改造的前提條件，可以由水輪機取代電機作為風機的動力源。

五、改造措施

1.內容及步驟

（1）拆除原GBNL-500機械通風冷卻塔風機、減速器、電機，根據水輪機外形連接尺寸圖做底座平臺定位和基礎支撐。

（2）對上塔水管進行調整改造，將所有循環冷卻水通過水輪機做功后再均勻分布至冷卻塔布水器。

（3）根據改造管道布置圖和水輪機進、出口安裝圖，進行水輪機定位安裝和進出水管對接。

（4）安裝襯套及風機，風機角度按原角度調整定位。（5） 調水試車。

（6）經過改造，循環冷卻水先通過水輪機，再均勻分布至布水器，參見圖1、圖2。

2.費用

一臺GBNL-500冷卻塔的電動風機改造費用21萬元，其中設備費17萬元，材料費1.3萬元，建安費2.7萬元。

六、水動風機冷卻塔的特點和使用

1.水動風機冷卻塔的特點

（1） 由水輪機取代電機作為風機驅動力，而水輪機原動力來源于冷卻水系統的余壓。在保證冷卻水系統各項技術指標要求基礎上，由于流量不變，水泵電機功率也不變，從而達到節能降耗的目的。

（2） 轉輪采用混流式超低比轉速設計，機身無減速裝置，減少了易損件，阻力小，運行平穩可靠。

（3） 水輪機機身設置有導水機構，可根據實際運行狀況調節風機轉速，以達到最佳降溫效果。

（4） 結構合理，其能量轉換是在流道內完成，并取消了電機、傳動軸、減速機，機械噪聲較低。

（5）對冷卻水系統的管網壓力有一定的調節作用。

（6）減少日常維護、檢修工作，降低了運行費用。

2.性能比較（表1）

表1 改造前后電動風機冷卻塔與水動風機冷卻塔性能對比

七、效益

原機械通風機冷卻塔風機電機功率22kW，冷卻塔按年運行7 920h計算，年耗電量=22kW×7 920h=17.4萬kW·h，按工業電費0.58元/kW·h計算，則年電費=10.1萬元。

經計算，一臺500m3/h機械通風冷卻塔改造為水動風機冷卻塔，年節約電費10.1萬元。