水动风机在冷却塔中的应用

鞠晓亮

(西部矿业集团有限公司， 青海 西宁 810001)

冷却塔是工业生产中对设备或产品进行降温的关键设备。目前大部分冷却塔运行时是由电动机带动风机运转，电机每年耗电非常高，如何降低冷却塔运行能耗是企业十分关注的问题。

1 水动风机冷却塔工作原理

早期工业生产中所使用的循环水冷却系统，设计时考虑因素较多，设备选型存在较大的冗余。冷却系统正常运行时，冷却循环水系统管路中会出现过多的水能，这些水能被用来驱动水轮机旋转，进而带动风机运行(见图1)。及时调节冷却系统管路中的水流量，可改善水动风机的运行状况。

图1 水动风机工作原理示意图

冷却塔的气水比，是指每小时通入的气体量与每小时水量的比值，冷却塔的热能交换能力主要由气水比决定，气压一定时，喷水量随喷水压力的增加而增大，气流量随喷水压力的增加而减小，喷水量及气流量与水压力呈抛物线形变化。水轮机则是利用水压力、叶轮转速、风量的正比例关系来代替风机电机，使冷却塔实现冷却功能。

由于冷却系统中泵、电机在选型时都留有余量，功率W与进塔水头H、水流量Q关系为W=H×Q，水动风机正是利用水头余量产生的动能驱动风机，实现节电。

2 水动风机系统特性分析

2.1 水动风机系统能量分析

水动风机主要工作部件是叶轮，叶轮接受流体的能量实现旋转，即：

P=ωM

(1)

其中：P——叶轮旋转的功，N·m；

ω——角速度，r/s；

M——动量矩，kg·m/s。

水动风机叶轮初始动能为：

P1=QH

(2)

其中：P1——叶轮的初始动能，J；

Q——流量，m3/s；

H——扬程，m。

要将水流所做的功转换成叶轮做功，P=P1=ωM=QH。因此，进入冷却塔水流的压力(H)越大，动量越大。

2.2 水动风机系统动力分析

水动风机的轴功率为：

W=γ×Q×H×η

(3)

其中：W——水轮机的输出轴功率，kW；

γ——水容重，1 000×9.81N/m3；

Q——水流量，m3/s；

H——水头，m；

η——水动风机的效率，0.88。

水动风机水头由伯努利方程计算：

H=Z+P+V2/2g

(4)

其中：Z——水轮机进出水位之差，m；

P——水流内具备的压力，Pa；

V——水流速度，m/s；

g——重力加速度，9.81m/s2。

水动风机安装在冷却塔的上面，即Z=0。进塔水压为H=V2/2g，由于V=Q/S(S—过流断面积)，所以水压公式可变为H=Q2/(2gS2)，则式(3)可写为：

W=9.81×Q3/(2gS2)×0.88=0.44Q3/S2

(5)

过流断面积与水流速度成反比，与水流量成正比。在流量一定的情况下，通过调整过流面，可使水轮机的出力达到最佳状态。

水头为9.5 m时，由式(3)得水动风机出力：

W=9.81×Q×9.5×0.88=82.01Q

水泵额定流量1 374 m3/h，流量为750 m3/h的冷却塔水轮机轴功率为 ：

W=82.01Q=82.01×(1 374/3 600)=31.3 kW

750 m3/h的冷却塔正常运行时所配备电机功率小于31.3 kW，因此冷却塔可采用水动风机，其耗电量为零。

3 水动风机在冷却塔改造中的应用实践

3.1 系统概况

西部矿业冶炼公司原有两台普通冷却塔，由于运行时间较长，换热器多处腐蚀，两台冷却塔在满负荷运行的情况下降温效果仍不理想，冷却效率低，对生产造成了一定的影响。

该系统有两台750 m3/h冷却塔，设计总的水处理量1 500 m3/h，实测总回水量约为840 m3/h，与冷却塔处理水量相比，水量偏小，温降2.5 ℃(37.5/35 ℃)，不能很好满足正常生产要求，为此对冷却塔进行改造。

3.2 改造方案

西北地区昼夜温差较大时，水动风机冷却塔的冷却循环水量会不断变化，风量也随之变化，使冷却塔运行呈最佳状态。如采用电动机冷却塔，由于电机功率恒定，无论季节温度高低，风量始终维持恒定，能耗较高。水动风机冷却塔与传统冷却塔对比见表1。

表1 水动风机冷却塔与传统冷却塔对比

经过对比论证分析，改造决定采用用水动风机冷却塔。

水泵富余扬程为：H(富余)=H1(额定)-H2(出口)+H3(进口)=23-14+1=10 m；系统富余压力有10 m。

系统总回水量840 m3/h，富余压力为10 m；通过计算分析，选用的水轮机参数为Q=800 m3/h，H=8 m。

改造后循环水泵电流不增加，冷却效果则优于冷却塔原采用电机时的冷却效果。

3.3 改造内容

第一步，对进水管路进行改造，将水管路引入水动风机，再到布水器；在水动风机的进水口和出水口之间加一个旁通，避免水压过大损坏水动风机。第二步，将冷却塔上的电机及减速机拆除，在原放置电机的地方安装水轮机，根据现场的实际情况局部进行改动及调整。

冷却塔中的风筒在工业生产循环水系统中起改善通风、降阻作用，将温度较高的潮湿空气送入空中，有效降低回流。对风筒进行改造，将普通型风筒改为RC回转型风筒，使冷却塔工作效率显著提高。

如果水量过大或压力过大，水动风机将超负荷工作，造成水动风机损坏。因此，在水动风机的进水口和出水口之间增加一个细管作为旁通，细管上安装一个小阀门，通过调节阀门，小部分水流不经水动风机直接流入布水器入口，保证水动风机在额定工况下运行。

3.4 改造效果

表2是水动风机冷却塔改造前后的主要运行数据(单塔)。

表2 水动风机冷却塔改造前后的主要运行数据(单塔)

从表2可以看出，改造后在风机无电机的情况下，冷却塔温降效果明显提升，各项运行指标良好，达到了节能的目的。

3.5 操作要求

定时检查并补充循环水量，仔细检查风机叶片，冬季天气寒冷时保持叶轮上不积雪。冷却水池适当进行封闭防护，防止杂物掉入，并根据冷却系统对水质的要求，对水进行软化处理。

3.6 经济效益分析

冷却塔改造效益估算如表3所示。

单台冷却塔改造水动风机需投资23.5万元，2台47万元。冷却塔每年维护保养及检修时间按240 h计算，采用水动风机，两台冷却塔每年节电30 kW×2台×8 520 h=51.12万kWh，节电效果明显。每千瓦时电价按0.40元计算，全年节省电费支出51.12万kWh×0.40元/(kWh)=20.448万元，2.3年即可收回全部投资，经济效益显著。

表3 冷却塔改造经济效果分析

4 结语

在冷却塔上利用水动风机代替普通风机电机对工业循环水进行冷却降温，不仅提高了冷却效果，而且降低了风机电耗。由于水动风机结构简单，设备维修费用也相应降低。实践表明，利用水动风机对冷却塔进行改造，是企业降本增效的一个有效方法。

[1] 金钟元.水力机械(第二版)[M].北京：中国水利水电出版社，1992.

[2] 于波，肖惠民. 水轮机原理与运行[M]. 北京：中国电力出版社，2008.