水轮风机替代电动风机在工业循环冷却水中的应用

任晓杰,杨 建,武 强,彭德岁

河南煤业化工集团有限责任公司煤气化公司义马气化厂,河南义马 472300

水轮风机替代电动风机在工业循环冷却水中的应用

任晓杰,杨 建,武 强,彭德岁

河南煤业化工集团有限责任公司煤气化公司义马气化厂,河南义马 472300

传统冷却塔多使用电机驱动风机旋转，只要冷却系统在工作，无论实际循环量大小如何，为获得需要的冷却效果，都将起动电机驱动风机旋转，电能消耗成为企业成本支出的一项重要负担。河南煤化集团义马气化厂通过免能水轮风机改造，利用冷却水喷淋前的能量驱动水轮机转动以带动风叶轮转动，从而取消电动机实现节能。

冷却塔；水轮机；节能

河南煤化集团义马气化厂现有循环冷却水站2套，安装160～200kW冷却风机13台，总装机功率2 525kW，风机在夏季全部运行时最大耗电量每天近6万kwh。如将冷却风机驱动电机改造为水轮机，利用循环水泵的富裕扬程驱动水轮机带动风机运行，一年可节电约1 800万kwh，降低企业电费支出，达到增效节能降耗目标。2010年元月义马气化厂对厂内一套8 000m3/h双冷却塔循环水系统中一台4 000m3/h冷却塔（驱动电机功率200kW）实施节能改造，将原电动风机改为水动力风机（水轮机），效果显著。

1 免能冷却塔技术简介

目前，工业生产普遍使用的冷却塔通风方式上属于机械通风式，不同流量的冷却塔需配置不同规格的风机和电机，工作流量越大所需的电机功率也越大；并且循环水系统运行期间，为保证给水温度一直足够低，常使电机风机在较低水温的情况下不断旋转而不能停运。同时，在冷却塔设计是为保证系统具有足够的冷却效果，通常会在计算结果的基础上富裕10%左右的余量，而水泵选型时也会有一定富余，造成了能量的浪费。根据能量守恒原理，冷却水的质量、流量在能量转换前后没有变化，上塔水流的水头就是水轮机的能量，水头越高，水流所作的功就越大。在实际应用中进入冷却塔的水流具备相当的动能和压力能，其部分能量能转换来推动水轮机做功。从循环水泵的性能来说，只要在有效扬程内就会自动在一定范围内按照性能曲线调节流量、扬程、转速等参数，要达到水轮机驱动条件对泵自身稳定运行没有影响。选用水轮机的目的就是在低水头、大流量下工作，水轮机对管路系统的阻力影响很少，能保证循环水泵的运行效率，在没有增加水泵原配套功率的情况下实现低能耗运行。

由此可见使用水轮机驱动风机旋转实际是可行的，但前提条件是必须满足水轮机所需的过水流量和足够的水头。

2 改造的工艺技术要求

1）改造后，冷却塔配用水泵电机实测电流必须不大于改造前实测电流（±2%）；

2）冷却塔风机更换为节能型风机后，叶片安装角度与原风机角度基本一致。在冷却塔上塔流量维持4 000m3/h左右的前提下，水轮机转速必须不小于原风机的额定转速125 r/min。在实际流量与额定流量差距大的情况下，以冷却水降温幅度不低于改造前作为验收标准（在相同湿球温度的条件下），而不再以风机转速或风量作为验收标准；

3）安装水轮机后，冷却塔系统管道阻力会有所增大，使总管流量有小幅减少，其减少量不超过总管流量的5%～8%。

3 改造的主要内容

1）拆卸风机原电机、传动轴、减速机，安装4 000m3/h混流式水轮机；

2）对冷却塔原进水、布水管道作相应变更施工，使冷却塔回水先进入水轮机，从水轮机出来后再完成布水；

3）冷却塔原风机更换为节能型风机；

4）为不影响水轮机进水管的布置，将原检修桥拆除，移位90度后重新安装固定，并将原检修门位置进行更换。

4 工作原理

冷却塔散热系统的循环水是由循环水泵按照系统所要求的压力、流量送至冷却塔内进行热交换的，因此进塔后的水流及余压可以充分利用。进入冷却塔的循环冷却水按照一定的压力、流量流过水轮机组，从而使水轮机组获得输出功率，改造后的水轮机输出轴直接与风机相连而带动风机旋转，达到节能目的。

5 使用效果

本次改造将双冷却塔循环水系统中一台冷却塔T1（运行流量约4 000m3/h）实施节能改造，另外一台则仍为电力驱动冷却塔。改造完成后，分别对两台冷却塔进行隔离独立运行，分别进行72h、48h性能考核对比。性能考核期间所收集的运行数据如下：

表1 T1水轮风机性能考核数据统计表

表2 T2电动风机性能考核数据统计表

1）从表1、2对比可以看出，在同样都是单塔上水情况下，循环水泵电流在使用水动风机期间比使用电动风机期间平均降低2.05A，降幅为3.28%。改造前所疑虑的水动风机可能引起循环水泵负荷增加的情况并未发生，相反由于驱动风机需更高的背压，工艺系统回水压力上升了0.04MPa，系统压力上升促使系统循环水量的降低。

2）为维持稳定的化工装置生产，上塔流量未能控制在4 000m3/h流量，而是采取分别隔离的模式将流量控制在6 000～7 000m3/h范围内进行比较的。在循环水回水压力0.28 MPa、全开T1上塔阀的情况下，现场测试该台水轮机最高转速为117r/min，比电机风机转速略低。

由于本次改造将原有风机叶片（10片）更换为铝合金制风机叶片（8片），风机风量由于现场条件限制未能测量。在进行的横向数据比较中，在相同湿球温度下，T1塔冷却后水温始终高于T2塔1～2℃，说明T2塔电动风机提供的冷量大于T1塔；T1塔降温幅度则与T2塔基本持平，达到6℃。

3）从T1/2塔横向数据比较中可以看出，根据系统上水流量计显示，改造前后循环水量无明显变化。但是，T1塔该改造后回水压力上升0.04MPa，两循环水泵总电流下降4.1A，也就是说T1塔改造后肯定存在一定的流量损失。

6 结论

通过上述数据比较及技术分析，水轮机改造后在风机转速、电量折减方面虽未能达到改造技术要求但就运行情况来看，其使用效果与原电动风机比较接近，能基本满足生产需要，具有实用性，可在循环水系统负荷有一定富裕量的系统中推广使用，且其具有充分利用循环水余压节能、取消了传统型冷却塔配备电机及减速器配置、环境噪音低、维修费用少等优点，且其转速可根据水轮机进水量的变化实现一定范围内的无级变速，可根据季节变化相应调整冷却后水温，季节适应性强。因此，水轮冷却塔风机在工业循环冷却水中应用技术值得推广。

[1]杨学军，赖喜德.一种循环水冷却塔系统余压余能利用的 方法[J].华电技术，2009，31(12)：69-69.

[2]陈应新.大型机械通风冷却塔电动风机的节能改造[J].工 业水处理，2009，29(1)：77-79.

[3]金熙，项成林，齐冬子.工业水处理技术问答[M].北京： 化学工业出版社，2003:415-424.

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1674-6708（2010）25-0175-02