水动风机在炼化企业循环冷却水系统中的应用

李程

摘 要：随着市场经济和社会的发展，能源问题越来越突出。钢铁、冶金、石油、化工等行业中，广泛使用冷却水循环系统，通常采用的是机械通风式冷却塔，配置电机驱动风机。由于上述企业生产规模大、冷却负荷高，一般循环水用量高达（5～10）万吨/时，冷却塔风机配套的电机功率高达（2500～5000）kW·h，高能耗、高成本，严重制约企业的可持续发展。采用水动风机可以有效利用水泵剩余的能量，取消电动风机，达到节能目的，有着广泛的应用前景。本文分析水动风机的工作原理，介绍其设备组成和运行效果，通过在炼化企业某个水场的应用对比，了解其优势和不足，分析其可行性，以供参考。

关键词：水动风机；冷却水循环系统；原理；应用；可行性

炼化企业循环冷却水系统能够实现供水温度的控制，冷却塔是常用的冷却设备之一。在实际运行中，气水比直接影响冷却塔的冷却效果，使用相同质量的热水和空气进行冷热交换，达到循环水冷却降温目的，空气的获取方式主要是依靠风机。随着时代的发展，环保和节能要求越来越高，冷却塔节能技术改造迫在眉睫。水动风机冷却塔替代电机驱动技术应孕而生，在同样达到冷却效果的前提下，实现节能和环保的目标。

1 水动风机冷却塔的概述

1.1 水动风机的工作原理

传统的电力驱动风机冷却塔，其工作原理是使用电动机通过联轴器带动传动轴和减速机，驱动冷却塔风机，风机桨叶旋转形成机械通风的方式使得水流快速冷却，之后借助水泵加压的方式，将水流输送到用水装置换热设备中，换热后循环水返回冷却塔冷却，实现冷却水的循环利用。

水动风机冷却塔则是需要换热后的循环水回到水轮机中，推动水轮机旋转驱动风机运转，使得循环水能够快速散热，水轮机利用冷却塔上水流富余的能量工作。风机在操作过程中，开启水轮机的入水阀门，关闭旁路阀门，水轮机开始运行，旁路阀门可以调节水轮机进水量，进而控制风机的转速。风机停止运行时，水轮机的入口阀门关闭，旁路阀门开启，水轮机停止运行，循环水热回水不经过水轮机，直接通过旁路进入冷却塔进行冷却处理[1]。

在水动风机的循环水系统中，需要保持一定范围的循环水压力用于驱动水轮机，并控制和调节水轮机转速，因此必须综合考虑安全生产等多方面因素，通过设计计算，满足系统需求量，必要时可以通过增加部分余量，以抵消管道、弯头等阻力损失。

1.2 水轮机的结构以及特点

水轮机中主要有蜗壳、座环、转轮、轴、轴承、尾水管、刹车装置以及监控装置等。蜗壳是形状类似蜗牛的外壳，能保证水流均匀的进入水轮机内；座环具有支撑水轮机部件的作用，同时能够调节水流方向；转轮是水轮机的重要部件，实现水力动能和旋转机械能的转化；使用后的水流通过尾水管流入到冷却塔内部的配水管、布水器。水轮机具有多个方面的技术特点，如下所述：水轮机冷却塔在停止运行时，外界的空气密度相对较高，冷却塔内由于气相湿热，空气密度相对较低，塔内、外形成一定的压力差，使得风机的叶片由于气体压差的作用，继续旋转，给检修工作的开展带来安全隐患。因此，在设计的过程中，叶片旋转设置刹车装置。水轮机中有两个独立的轴承室，独立的注油管能够保证水轮机稳定、正常运行。尾水管的独有设计，保证水轮机能够发挥其最大的作用。

2 水动风机和电动风机冷却塔的对比

在循环冷却水系统，传统的冷却塔设计采用电机驱动风机，经过水动风机改造之后，从用电量、环保以及噪声等方面，对它们进行对比分析，了解水动风机的优势和缺点。

从用电的角度对比，水动风机主要是利用循环水剩余动能，其用电量为零；对于电动风机来说，电机功率的大小决定了耗电量；从环保的角度来说，水动风机是循环水的再次利用，不存在污染，电动风机产生环境噪声影响，水动风机产生的噪声小于75dB，而电动风机的噪声则超过85dB。

水轮机的优势分析。通过上面的对比分析可以发现，水轮机具有节约电能的优势，在原有的设计参数和运行效果中，充分利用循环水的余压实现水力驱动，省却电机的电能消耗，有效降低水轮机的运行成本[2]。在水动风机中，省略了电机、长轴以及减速箱，能够有效降低冷却塔的噪声（10～15）dB，达到环保的目标。同时水轮机的重量较原有的电机和减速机明显减少，冷却塔的重心下移，保证其运行更加安全。

3 水动风机冷却塔的改造运行状况分析

3.1 布水器的布水情况

冷卻塔配水系统的布水器（喷头）在设计的中，要求其出水时具有（0.01～0.02）MPa的压力，才能够实现循环水均洒分布到淋水填料中。上塔循环水经过水轮机之后，压力有一定的损失，水轮机出水必须保持喷头布水压力，才能够完成布水任务。在改造之前，进水管的高度与布水器高度持平。改造后，进水管高于布水器的高度，通过风筒进入冷却塔与水轮机连接，较布水器有2m以上的高程位差，形成的压力能够进一步强化喷头布水效果。

3.2 风机的运转情况

水动风机改造后，可以通过水轮机的入口阀控制和调节风机的转速，达到变频电机的效果。比如，对于额定冷却能力为1500 m3/h的冷却塔，当处理水量为1500 m3/h，水动风机的转速达到最高（等同于原设计配套电动风机的转速），提供相应水量需求的冷却风量；当处理水量降为1000 m3/h时，水动风机转速则会同步降低，提供1000 m3/h循环水冷却需要的风量。通过这样的方式，水量不同，水动风机的旋转速度不同，满足相应的风量需求，避免电动风机风量恒定，在低水量条件下风量过大，导致循环水飘散损失[3]。

3.3 风机停转和水轮机的结冰情况

根据不同的季节、气候和循环水水温情况，冬季冷却塔的风机需要停止运行，借助冷却塔自然通风（寒冷空气）换热达到循环水降温的目的，如果开启风机，就会出现比较严重的填料挂冰情况。水动风机改造后，水轮机在冬季停止运行时，可以通过上水管路设计的旁路和旁通阀，调整循环水流程。水轮机不供水，入口阀门需要关闭，借助旁路进水实现布水。

4 某炼化企业循环水场水动风机冷却塔的应用分析

该循环水场有3台冷却塔，每台设计冷却水量1500m3/h，总处理能力4500m3/h，实际运行循环量（3300～4300）m3/h，系统供水压力（0.40～0.55）MPa，循环水回水压力（0.12～0.22）MPa。2017年5月，将3#塔电动风机改造为水动风机，通过实际运行监测和性能标定，得出结论：①在进水流量达到1500 m3/h时，水动风机转速可以达到原设计电机风机额定转速165r/min；②改造前电机风机平均温差为2.43℃，改造后水动风机平均温差为2.82℃，冷却效果满足要求；③采用水轮机替代电机风机，达到节能节电的效果，每小时减少电能55kW·h，减少电费1.78万元/月；④水轮机运行比较平稳，振动、噪音、操作调节、维护保养均优于电动风机。

5 结语

在循环冷却水系统中，传统的冷却塔主要采用电动风机，随着“节能减排”的需要和环保理念的深化，需要对冷却塔风机技术升级改进，采用水动风机代替电动风机，能够实现节约能源、减少环境污染，同时水动风机结构比较简单，设备的维修费用较低，有效降低企业的运营成本。本文分析水动风机的结构和原理，通过电动风机和水动风机的对比，了解水动风机的技术经济优势，分析水动风机冷却塔的可行性及推广应用价值。通过实际运行验证，了解运行效果，在保证运行安全的基础上，实现节能环保的目标。

参考文献：

[1]韩进雷.水动风机冷却塔在循环水冷却塔中的可行性[J].中国高新技术企业，2014（18）：73-74.

[2]李永华，安宏伟.水动风机节能技术在循环水系统中的应用[J].化工催化剂及甲醇技术，2017（3）：6-12.

[3]王军强，田芳芳，齐猛，等.水动风机冷却塔在循环水系统中的应用[J].冶金设备管理与维修，2015，33（4）：9-10.