循環冷卻塔優化改造及應用

齊超群

(唐山瑞豐鋼鐵集團有限公司，河北 唐山 063303)

0 引言

鋼鐵企業在燒結、煉鐵、煉鋼、軋鋼等工序生產中存在大量高溫設備需要用水換熱的方法進行降溫處理，企業既要保證高溫設備的正常運行，同時，又要節約水資源，需要將換熱后的水作為循環冷卻水循環利用，而為了保證循環冷卻水的冷卻效果，循環冷卻塔作為重要的冷卻裝備之一，該設備多采用電動機帶動風機的冷卻形式被廣泛運用在工業生產中。鋼鐵企業安裝有幾十臺甚至上百臺的循環冷卻塔，一年所耗電能是相當巨大的。近年來，受國家節能降耗要求以及企業精細化發展等因素的影響，鋼鐵企業越來越關注循環冷卻塔這類數量多、能耗大設備的節能改造，而水輪機的開發和應用就是近年來循環冷卻塔節能降耗的優秀成果，省去了原來的電動機，達到100%節能的效果[1-4]。

1 循環冷卻塔結構及存在問題

1.1 循環冷卻塔結構

唐山瑞豐鋼鐵(集團)有限公司燒結廠安裝有多臺圓形逆流式循環冷卻塔，型號為BNL系列。該逆流式循環冷卻塔結構是在頂部安裝風機，一般利用電機帶動風機葉片高速旋轉，促進冷空氣進入逆流式循環冷卻塔，同時由循環冷卻水泵將循環冷卻水打入逆流式循環冷卻塔內的自旋轉布水器，通過自旋轉布水器上噴嘴將循環冷卻水噴出，使得循環冷卻水與進入逆流式循環冷卻塔的冷空氣接觸換熱。

1.2 存在問題

1)逆流式循環冷卻塔在設計和選型過程中往往選擇電機功率富余量較大，使整個系統存在富余能量，其目的是在冷卻效果不好的時候，滿足生產裝置對冷卻水的工藝要求，開大風機，提高空氣流速，以期實現短時間內的冷卻效果。但逆流式循環冷卻塔無法長時間保持這種狀態，因為大功率狀態下會造成填料嚴重損壞，電機在長期滿負荷運轉狀態時也易造成損壞，同時在運行過程中也會額外消耗大量電能。

2)逆流式循環冷卻塔所要冷卻的循環冷卻水一般水質都比較差，會造成自旋轉布水器上噴嘴堵塞率達到50%，自旋轉布水器布水不均，除了冷卻效果差，甚至會造成自旋轉布水器頂部受到循環冷卻水沖刷而漏損。

3)逆流式循環冷卻塔內布料器為自旋轉式布水器，工作原理是在循環冷卻水水壓的作用下產生自旋轉運動，但由于自旋轉布水器長期處于水環境，在旋轉過程中旋轉部件與固定部件易發生摩擦，造成布水裝置斷裂、水流滲漏、水量減少、水壓降低等情況，與此同時，旋轉過程是慣性甩水的過程，會出現水流分布不均的現象，存在水流冷卻不到的死角，冷卻效果下降。

2 改造內容

2.1 循環冷卻塔主要技術措施

為了確保循環冷卻塔能夠正常使用，針對循環冷卻塔耗能大、布料不均勻、噴嘴堵塞等問題，提出針對循環冷卻塔的技術改造，主要涉及到：新增水輪機、固定布料器、增加循環冷卻水過濾裝置等。

2.2 水輪機的應用

目前，國內外已經開始大量采用水輪機循環冷卻塔來代替逆流式循環冷卻塔，其核心技術是水輪機葉輪輸出軸與風機葉片相連，利用循環水系統中流體的能量驅動葉輪旋轉并帶動風機葉片旋轉抽風，完成氣水熱量交換，全過程不需要耗電，水輪機循環冷卻塔可以充分利用循環水系統中的富余能量。具體改造內容如下：1)拆除原風機、電機、減速箱等設備替換成水輪機；2)循環冷卻塔塔體結構保持不變，對上塔供水管道進行改造，去除原供水管道，新供水管道與水輪機直接相連，使循環冷卻水經水輪機后再流入布水器進行布水；3)制作支架將水輪機固定在循環冷卻塔塔體上，見圖1。

圖1 循環冷卻塔改造前后示意圖

2.3 循環冷卻水過濾裝置

循環冷卻水水質一般較差，存在大量的鐵屑、填料等雜物，這些雜物如果隨循環冷卻水進入水輪機等設備，會造成噴嘴堵塞及水輪機自旋轉布料器等主要部件磨損。為解決循環冷卻水水質差，堵塞噴嘴、沖刷布水器及水輪機葉輪、殼體等問題，需要在循環冷卻塔上塔供水管道上增加一套自制循環冷卻水過濾裝置，由循環冷卻水過濾裝置、旁通管道、切斷閥門組成，利用循環冷卻水過濾裝置中的過濾板過濾循環冷卻水中5 mm以上污物，提高水質，并在過濾裝置前后配備切斷閥門以及旁通管道，便于定期清理循環冷卻水過濾裝置中的污物，保證過濾效果，見圖2。

圖2 循環冷卻水過濾裝置安裝示意圖

2.4 固定布水器

布水器是循環冷卻塔中的關鍵部件，其作用是將水均勻地分布到循環冷卻塔內填料上，增大水汽接觸面，對循環冷卻塔的冷卻效果影響極大。原自旋轉布料器采用“十字架”布水管，通過旋轉甩水實現循環冷卻水冷卻。但“十字架”布水管與循環冷卻塔內填料距離較近，這種冷卻方式下存在冷卻死角，造成自旋轉布料器無法做到均勻冷卻，而循環冷卻塔布水是否均勻對降低冷卻水溫度是至關重要的，而且自旋轉布料器軸承座長期處于水環境狀態下，軸承座內軸承極易燒毀，這就造成自旋轉布料器使用壽命短，易出現卡死的情況，循環冷卻水溫度無法正常冷卻，這也是循環冷卻塔改造時優先考慮的問題。

隨著水輪機的應用，在改造過程中去除了原供水管道，那么與原供水管道相連的原有的自旋轉布水器就已經無法利舊使用了。需要重新設計一款與水輪機配套的固定布水器。具體設計內容如下：1)固定布水器頂部與水輪機出水口相連；2)固定布水器底部設置有可拆卸端蓋便于固定布水器磨損后更換端蓋或修補固定布水器水腔；3)在可拆卸端蓋和固定布水器水腔內部布置耐磨層，耐磨層厚度3 mm，降低高速水流對布水器的磨損；4)布水器設計成圓環式閉環布水管，其上安裝12個噴嘴，噴射角度90°，保證分水均勻，消除冷卻死角；5)調整固定布水器與循環冷卻塔內填料距離由300 mm改為650 mm，加大噴淋覆蓋面積，見圖3。

圖3 固定布水器安裝示意圖

2.5 螺旋形噴嘴[5，6]

為了進一步改善固定布水器布水效果，在選取噴嘴數量上本著“數量要少，噴水要均勻”的原則。噴嘴數量少，便于安裝和檢修，可以節約安裝費用，便于維護。固定布水器布水要均勻，要求噴射面范圍要大，能夠全覆蓋循環冷卻塔填料表面，所以本次改造在噴嘴的選取上采用了高效節能防堵塞的TF56螺旋形噴嘴。

螺旋形噴嘴具有特點：1)高能量效率。螺旋形噴嘴在流量相同的情況下，安裝水量遠少于普通噴嘴。2)細密霧化效果好。在液體進入噴嘴過程中，不會受到噴嘴管壁阻礙，噴嘴的噴流速率高，具有較好的霧化效果，更為節能。3)防堵塞。獨特的無管壁阻礙結構，比普通噴嘴更為通暢，有效避免噴嘴堵塞現象的發生。4)噴嘴覆蓋范圍改善。螺旋噴嘴具有50°到180°的噴霧角度，比普通噴嘴噴霧角度范圍更大，覆蓋范圍更廣。

3 改造效果

1)節能效果明顯。將電動風機、減速機拆除，減少了這部分電能能耗；采用時下先進的水冷機技術，充分運用了循環冷卻水系統中的余壓余能。

2)循環冷卻水水質得到明顯改善。通過安裝循環水過濾裝置使得過濾效率達到90%以上，在改善循環水水質的情況下，循環冷卻水循環利用率提高。

3)布水均勻穩定。固定布水器應用后消除了自旋轉布水器的甩水過程，同時應用圓環式閉環布水管配螺旋式噴嘴的形式，定點均勻分配噴淋循環冷卻水覆蓋整個填料表面，消除了噴淋死角，循環冷卻水進出口溫度至少提高4～6 ℃。

4)簡化維修，壽命延長。整套系統的簡化改造，取消電動風機、減速機等導致維修內容減少，難度降低；循環冷卻水水質的改善以及固定布水器結構改進保證了水輪機、固定布料器等設備部件抗磨損能力增強，運行壽命延長，檢修周期由半年延長至2～3年。

4 改造后經濟效益

單臺循環冷卻塔改造投資費用35萬元。改造后，每年降低日常檢修成本15萬元，降低周期外委設備清理成本20萬元；水輪機應用后每年節約電耗18萬元；備品備件費用每年節約3萬元；年直接經濟效益合計56萬元。

5 結語

在唐山瑞豐鋼鐵(集團)有限公司燒結廠技術人員的共同努力之下，統一將燒結廠區內循環冷卻塔按照改造方案全部進行改造，同時，唐山瑞豐鋼鐵(集團)有限公司其他廠區也充分借鑒燒結廠的改造技術，先后進行循環冷卻塔改造，有力的保障了唐山瑞豐鋼鐵(集團)有限公司循環冷卻水的供應。