機力通風冷卻塔水動風機節能改造可行性分析

摘 要：為了降低設備電能消耗，根據華美熱電公司機力通風冷卻塔風機運行情況，通過各運行參數的實際測量和理論計算，對設備驅動采用水輪機取代傳統電機，實現節約電能的可行性進行初步分析。

關鍵詞：冷卻塔風機 節能改造 可行性

中圖分類號：TH69 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2012）11（a）-0081-02

工業冷卻塔用混流式水輪機技術作為國家發展和改革委員會編制的《國家重點節能技術推廣目錄（第三批）》30項高效節能技術之一，在涉及煤炭、電力、鋼鐵、有色金屬、石油石化、化工、建材、機械、紡織、建筑、交通等11個行業中有著較大的使用前景。

本文以華美熱電公司機力通風冷卻塔風機作為改造對象，以合肥菱電冷卻設備有限公司反擊混流式水輪機作為擬使用設備，通過運行參數實際測量和理論計算，對冷卻塔風機采用水輪機替代傳統電機驅動進行節能改造的可行性進行初步分析。

1 目前設備概況

華美熱電總裝機2×55 MW，設計供熱能力300 t/h，循環水采用6臺NH-4000型機力通風塔進行強制通風換熱，填料層厚度3×50 cm；冷卻風機轉速85/127 rpm，配套雙速電機額定功率72/185 kW、額定電壓380 V；循環水泵（4臺）轉速740 rpm、揚程17.5 m、流量5950～8950 m3/h，配套電機額定功率450 kW、額定電壓6000 V，其中兩臺可以變電極高低速運行。

2 改造原理

2.1 技術原理

冷卻塔節能改造的核心是利用高效混流式水輪機取代電機作為風機驅動源，循環水泵提供的水流經過水輪機將其沖轉，水輪機輸出軸直接連接風機帶動其旋轉，在不增加水泵功率的情況下，保持循環水正常冷卻換熱，同時保證風機轉速隨著系統冷卻需要而變化，使氣水比維持在最佳狀態，滿足生產工藝的需求。

2.2 能量來源

在循環水系統設計時，考慮到換熱設備和系統管道阻損等因素影響，一般預留一定的設計余量，在水泵選型計算時還要在此基礎上再乘以一定系數，而在具體選型時往往很難選到參數完全一致的定型水泵，根據就高不就低原則，一般選擇流量稍大的水泵，因此在循環水系統中存在著一些富余流量。

在循環水系統中，管道、閥門、換熱設備等因素會對水流產生一定的阻力，這些阻力很難完全精確的計算出來，所以正常計算的阻力值只是一個相對準確的數據，且設備實際運行值仍可能與理論計算值存在一定的偏差，為了確保滿足生產需求，在實際選擇水泵揚程時一般會在理論計算值的基礎上增加10%～20%的余量，同時也會根據就高不就低原則來選型，因此在循環水系統中存在著一些富余揚程。

水輪機的工作動力，就是充分利用系統中存在的富余流量和富余揚程。

3 可行性分析和計算

3.1 水輪機分析

反擊混流式水輪機效率較高（η=85%），在富余揚程不足或循環水系統工況變化時，能夠在0～25%的流量范圍內調整導葉角度，從而調節流量和揚程的配比對水流的能量綜合利用，在不同工況下輸出符合要求的軸功率，使風機達到合適轉速。

3.2 理論計算

水輪機驅動節能改造的關鍵是改造后水輪機實際輸出的軸功率要大于改造前風機軸功率（即：P輸出>P風機）。

3.1 風機軸功率計算

目前風機運行時電機實際電流為243A，受電機、傳動軸、減速機等機械效率影響，風機實際軸功率約為：

P電機 max=1.732×U×I×cosφ×η電機×η減速機×η傳動軸

=1.732×380×243×0.85×0.94×0.91×0.98=113.96 kW

說明：減速機效率為0.91，電機效率為0.94，傳動軸效率為0.98。

3.2 不同閥門開度消耗壓頭計算

系統每個閥門的開度對應不同的流量，目前上塔閥門完全打開。當上塔閥門有不同程度的關閉時閥門消耗的壓頭可以用下列公式計算。

流速：V=Q/S 壓頭：H=ε·V2/2g

（其中：H為系統中閥門所消耗的揚程；ε為阻力系數；V為循環水系統中水的流速；g為重力加速度；Q為系統實際流量；S為管道橫截面積）

閥門不同開度時局部阻力系數如表1。

說明：（1）局部管道阻力指流體在流通過程中受到局部阻力時的能量損失。

（2）此數據摘自《水工業工程設計手冊—— 水力計算表》。

（3）單臺冷卻塔流量按照目前實際流量 3000m3/h計算。

①假設將上塔閥門開度調整為35°，則：V=Q/S=1.31 m/s

H=ε·V2/2g=5.15 m。

②假設將上塔閥門調整為30°，則：V= Q/S=1.31 m/s H=ε·V2/2 g=10.33 m。

3.3 富余能量計算

P=ρ×g×Q×H÷3600

（其中：ρ為水的密度；g為重力加速度；H為系統中可用富余壓頭；Q為系統中體積流量）

（1）當上塔閥門開度為35°時：P=ρ×g×Q×H÷3600=42.08 kW。

水輪機輸出軸功率：P輸出=P水輪機×0.85（水輪機效率）=35.77 kW。

可改造條件判斷：P輸出/P風機=35.77÷113.96≈0.31。

從計算結果看，改造P輸出/P風機<1，不滿足單臺改造的條件。

（2）當上塔閥門開度為30°時：P=ρ×g×Q×H÷3600=84.45 kW。

水輪機輸出軸功率：P輸出=P水輪機×0.85（水輪機效率）=71.78 kW。

可改造條件判斷：P輸出/P風機=71.78÷113.96≈0.63。

從計算結果看，改造P輸出/P風機<1，不滿足單臺改造的條件，可以采用并水做功，改造1臺冷卻塔，以達到節電的目的。

由以上計算可以得出，上塔閥門開度在30°～35°之間必定有一個角度（大約為32°）滿足節能改造所需的壓力。

（3）假設上塔閥門所消耗的壓頭為8.7m則：P=ρ×g×Q×H÷3600=71.12 kW。

6臺上塔閥門所耗的總功率：P水輪機=71.12 kW×6臺=426.72 kW。

即：水輪機利用的富余功率為：P水輪機=426.72 kW。

水輪機輸出軸功率：P輸出=P水輪機×0.85（水輪機效率）=362.71 kW

可改造判斷：P輸出/P風機=362.71÷113.96≈3.18

從計算結果看，改造3臺冷卻塔能量很充足，改造后系統應該還有富余能量的存在。

4 節能計算

若改造循環水系統6臺冷卻塔中的2 臺，冷卻塔單臺設計流量為4000 m3/h，兩臺電機運行實際總功率為272 kW，每天工作24小時，一年工作330天，則年可節電：272×24×330=2154240 kWH；同時，按近年兩臺電機和減速箱進行維修保養和用油情況平均測算，改造后節省費用約8000元/年。

5 結論

經技改后，兩臺冷卻塔年可節約電2154240度，可節省兩臺電機和減速箱進行維修保養和用油費用約8000元/年，如按冷卻塔10年壽命計算，節約的總費用比較可觀。

為了系統運行安全，可以先對每臺機組系統中各改造1臺冷卻塔，待改造完成系統穩定運行后再進行測量、分析，通過更精確的科學計算后再進行后續冷卻塔的改造。

參考文獻

[1]國家發展和改革委員會.國家重點節能技術推廣目錄（第三批）[M].2010.

[2]聞邦椿.機械設計手冊[M].5版.機械工業出版社.2010.

[3]聶梅生.水工業工程設計手冊[M].中國建筑工業出版社，2000.

[4]合肥菱電冷卻設備有限公司.水輪機產品說明書[M].2012.