淺談循環水泵和冷卻風機的節能應用

原皓

摘 要：本文闡述了鶴壁煤化工循環水系統工藝流程，循環水冷卻方式，為節省混流式水輪機的原理。為了最大限度地挖掘節能能力，煤化工對冷卻塔風機進行技術改造，即用水輪機取代軸流風機電機作為動力源，帶動風葉旋轉，滿足冷卻塔抽風降溫需求。通過整改系統存在不利因素，并按最佳運行工況參數定做高效節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，達到最佳的節能效果。改造實施后，水輪風機運行平穩，循環水溫差及流量均能滿足實際生產需要，且每年節約用電112×105kW·h大大降低了生產成本。利用水輪風機可以降低運行成本，節能效果明顯，可在化工企業推廣應用。

關鍵詞：水動風機冷卻塔；無電化運行風機；循環水泵；節能改造

1 前言

冷卻塔的主要工作原理便是借助水和空氣的接觸，水的蒸發作用來完成剩余熱量散發作用的設備。目前，冷卻塔的已經廣泛的應用在各行各業的耗能企業中，但是冷卻塔的風機耗能比較多。由于冷卻塔的風機耗能嚴重，近些年來耗能較低的水輪風機發展迅速，其主要工作原理是利用水循環過程中富余的動能產生能量的設備，這種設備可以在很小工程量改動的基礎上實現對富余水動能的利用，這種水輪機在工作時，將水能轉化為機械能，以水驅動水輪機從而帶動鳳葉轉動，實現節約能源。

2 循環水系統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六十萬噸甲醇項目給排水廠承擔向各生產裝置提供合格脫鹽水以及循環冷卻水的工作。

從生產裝置循環水系統回來的水可以進入到冷卻塔之中，進入冷卻塔之后經過一系列的處理，包括噴頭，填料，抽風換熱等進入塔底的水池，最終被循環水提高壓力之后供應給煤氣化等設備進行循環利用。

鶴壁煤化工共有循環水系統由東、西兩塔兩部分組成，其中循環水東塔主要供應氣化及甲醇裝置循環水，循環水西塔主要供應動力及空分裝置循環水，兩塔設計循環水量均為35000m3/h。每座循環水塔設置七臺冷卻風機以及六臺循環水泵，水溫靠冷卻風機控制，溫度指標為≤32℃。循環水系統供有四臺循環水泵，正常工況下夏季循環水泵三開一備運行（運行時間按2400h計），其他季節兩開兩備運行（運行時間按5400h計）。所對應的涼水塔冷卻風機中一臺為電動風機、兩臺為水動風機，根據生產情況而調整運行臺數，夏季為滿足生產裝置需要三臺冷卻風機全部運行。循環水系統均分別配備有加藥殺菌、旁濾、補水排污等系統。

2.2 循環水補水系統

為彌補循環水蒸發和排污造成的損失，需向根據水位向循環水池補充一次水，循環冷卻水的補充水由二部分組成：一部分為循環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）蒸發傳熱：水與空氣在接觸的過程中還存在蒸發，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，這部分汽化熱進入空氣之中將其他水冷卻，從而實現水冷卻。

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

2.4 各裝置區循環水的用量

3 節能改造前設備概況

冷卻塔的類型很多，一般分為自然通風和機械通風兩種，劃分依據是根據空氣進入塔內的情況而決定的。目前最常見的自然通風主要是風筒式冷卻塔；機械通風常見的主要分為抽風式和鼓風式兩種。根據氣流方向機械通風還分為橫流式和逆流式。機械通風性冷卻塔是抽風逆流或者是橫流式冷卻塔。目前我廠主要循環水站采用的是機械逆流式抽風冷卻塔，主要由風機，收水器，配水機和集水池等組成。

3.1 風機結構介紹

目前風機主要由風扇，葉片，傳動軸承，減速器，聯軸器，驅動器等組成，傳動的方式大部分為：長軸+聯軸+減速+電機的方式。

1）涼水塔的風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。其實風筒設計的原理相對較為簡單：風筒從下至上分為收縮段，風機的工作段動力的回收段等。氣流從逆流塔經過具有橢圓曲線設計的風筒的時候，可以有效的通過收縮過渡到風機工作段，氣流在風機工作段的時候就通過葉段被提升到動壓回收段。通過動壓回收實現對氣流的導流疏散，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，靠葉片的旋轉帶動空氣流動達到通風目的。其形狀分扭曲型和非扭曲型兩種，可拆卸和調整。

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速和改變旋轉方向的作用。

5）傳動軸起傳遞轉矩的作用。

6）聯軸器用于電機和減速器的聯接

風機進風口的導流裝置：在混凝土立柱的迎風面依據均勻流方程設計采用玻璃鋼導流罩，可有效改善進塔氣流流場，降低進風阻力，可使進風口混凝土立柱后的渦流區面積大幅降低，使填料段配風更加均勻，提高填料利用率。

4 水輪風機工藝原理及創造的效益

為了最大限度地挖掘節能潛力，可利用循環水泵的富余能量作為水輪機的動能，使冷卻塔風機驅動方式由電力改為水力2016年12～2017年4月，對14臺冷卻塔風機進行改造，即用高效混流式水輪機取代LF-98型軸流風機電機作為動力源，帶動風葉旋轉滿足冷卻塔抽風降溫需求。該系統共四臺循環水泵，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，電機參數為：功率900kW、電壓10kV、轉速740r/min。

D#水泵由廣東某公司生產，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，電機參數為：功率900kW、電壓10kV、轉速990r/min。

4.1 水輪風機工作原理

水動風機冷卻塔的原理就是充分回收利用系統中存在的大量富余水量和富余揚程來推動水輪機轉動，進而帶動風機轉動，水動風機冷卻塔是一種新型高效節能型產品，其核心產品是高效混流式水輪機。其技術原理是用高效反擊混流式水輪機取代傳統冷卻塔的電機作為風機動力，用水輪機充分回收利用系統中所存在的富余能量帶動風機轉動，建設中所有管道設計以最大效率利用系統富余能量和減少塔內風阻，直接去掉原冷卻塔的風機電機，達到節能的目的。

4.2 冷卻風機改造后的經濟效益

冷卻風機由200KW的電機驅動，當夏季環境溫度過高時需要14臺風機同時啟動，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。如改為利用系統中存在的大量富余水量和富余揚程來推動水輪機轉動，進而帶動風機轉動，從根本上去掉冷卻塔風機電機，年僅電費一項節省1344萬元。

5 結語

鶴壁煤化工冷卻塔風機節能改造后，溫差不低于改造前同期溫差，循環水泵電流不高于改造前風機轉速不低于原設計轉速（≥110r/min，風葉角度與現有角度一致）；且冷卻塔進出口水溫溫升變化不大（±0.5℃）；循環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；允許調節循環水系統各上塔閥門及水泵進出口閥門。水輪風機在實際生產中運行平穩、循環水溫差及流量均能滿足實際生產需要。目前國內大多數煉化企業循環水冷卻風機按照電動風機設計，且循環水泵都存在富余揚程，利用水輪風機可以降低運行成本，取得的節能效果明顯，可在煉化企業推廣應用。

參考文獻

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