浅谈循环水泵和冷却风机的节能应用

原皓

摘 要：本文阐述了鹤壁煤化工循环水系统工艺流程，循环水冷却方式，为节省混流式水轮机的原理。为了最大限度地挖掘节能能力，煤化工对冷却塔风机进行技术改造，即用水轮机取代轴流风机电机作为动力源，带动风叶旋转，满足冷却塔抽风降温需求。通过整改系统存在不利因素，并按最佳运行工况参数定做高效节能泵替换目前处于不利工况、低效率运行的水泵，降低“无效能耗”，提高输送效率，达到最佳的节能效果。改造实施后，水轮风机运行平稳，循环水温差及流量均能满足实际生产需要，且每年节约用电112×105kW·h大大降低了生产成本。利用水轮风机可以降低运行成本，节能效果明显，可在化工企业推广应用。

关键词：水动风机冷却塔；无电化运行风机；循环水泵；节能改造

1 前言

冷却塔的主要工作原理便是借助水和空气的接触，水的蒸发作用来完成剩余热量散发作用的设备。目前，冷却塔的已经广泛的应用在各行各业的耗能企业中，但是冷却塔的风机耗能比较多。由于冷却塔的风机耗能严重，近些年来耗能较低的水轮风机发展迅速，其主要工作原理是利用水循环过程中富余的动能产生能量的设备，这种设备可以在很小工程量改动的基础上实现对富余水动能的利用，这种水轮机在工作时，将水能转化为机械能，以水驱动水轮机从而带动凤叶转动，实现节约能源。

2 循环水系统工艺及工作原理简介

2.1 工艺流程简介

鹤壁煤电股份有限公司年产六十万吨甲醇项目给排水厂承担向各生产装置提供合格脱盐水以及循环冷却水的工作。

从生产装置循环水系统回来的水可以进入到冷却塔之中，进入冷却塔之后经过一系列的处理，包括喷头，填料，抽风换热等进入塔底的水池，最终被循环水提高压力之后供应给煤气化等设备进行循环利用。

鹤壁煤化工共有循环水系统由东、西两塔两部分组成，其中循环水东塔主要供应气化及甲醇装置循环水，循环水西塔主要供应动力及空分装置循环水，两塔设计循环水量均为35000m3/h。每座循环水塔设置七台冷却风机以及六台循环水泵，水温靠冷却风机控制，温度指标为≤32℃。循环水系统供有四台循环水泵，正常工况下夏季循环水泵三开一备运行（运行时间按2400h计），其他季节两开两备运行（运行时间按5400h计）。所对应的凉水塔冷却风机中一台为电动风机、两台为水动风机，根据生产情况而调整运行台数，夏季为满足生产装置需要三台冷却风机全部运行。循环水系统均分别配备有加药杀菌、旁滤、补水排污等系统。

2.2 循环水补水系统

为弥补循环水蒸发和排污造成的损失，需向根据水位向循环水池补充一次水，循环冷却水的补充水由二部分组成：一部分为循环水补水泵送出的一次水，另一部分为除盐水站的反洗水等再次回收利用。

2.3 循环冷却水的主要工作原理

冷却塔中的主要热水的热量是通过两种方式从冷却塔中传递到外面之中：1）通過接触传热，因为水在于空气进行接触的时候，如果水比空气的温度高，那么按照能量守恒定律，水中的热量会传递给空气，从而使空气温度变高，水温降低，两者温差越大，传热就越多。2）蒸发传热：水与空气在接触的过程中还存在蒸发，空气中含有水蒸气，如果空气中水蒸气不饱和，那么部分水蒸发之后就会被空气带走。水蒸气需要大量汽化热，这部分汽化热进入空气之中将其他水冷却，从而实现水冷却。

随着节气变化，冷却塔在传热的过程中，接触传热与蒸发传热的相关比例也发生了改变，一般来说，冬天的空气温度最低，基本上都是接触传热，最严寒的时候达到70%，其他三个季节温度比较高，主要以蒸发传热为主，在最炎热的夏天可达到90%。

2.4 各装置区循环水的用量

3 节能改造前设备概况

冷却塔的类型很多，一般分为自然通风和机械通风两种，划分依据是根据空气进入塔内的情况而决定的。目前最常见的自然通风主要是风筒式冷却塔；机械通风常见的主要分为抽风式和鼓风式两种。根据气流方向机械通风还分为横流式和逆流式。机械通风性冷却塔是抽风逆流或者是横流式冷却塔。目前我厂主要循环水站采用的是机械逆流式抽风冷却塔，主要由风机，收水器，配水机和集水池等组成。

3.1 风机结构介绍

目前风机主要由风扇，叶片，传动轴承，减速器，联轴器，驱动器等组成，传动的方式大部分为：长轴+联轴+减速+电机的方式。

1）凉水塔的风筒大多材料由玻璃钢制作，它的作用是提供良好的空气动力，促进空气的流动，降低空气阻力，主要形式为圆锥形状，抛物线或者曲线形状。其实风筒设计的原理相对较为简单：风筒从下至上分为收缩段，风机的工作段动力的回收段等。气流从逆流塔经过具有椭圆曲线设计的风筒的时候，可以有效的通过收缩过渡到风机工作段，气流在风机工作段的时候就通过叶段被提升到动压回收段。通过动压回收实现对气流的导流疏散，主要利用了气体流场均化理论，从而有效的降低了气筒气流动压的损失。

2）叶片是主要做功部件，靠叶片的旋转带动空气流动达到通风目的。其形状分扭曲型和非扭曲型两种，可拆卸和调整。

3）轮毂它既起支承和固定叶片的作用，又起气封罩的作用。

4）减速器主要起降低转速和改变旋转方向的作用。

5）传动轴起传递转矩的作用。

6）联轴器用于电机和减速器的联接

风机进风口的导流装置：在混凝土立柱的迎风面依据均匀流方程设计采用玻璃钢导流罩，可有效改善进塔气流流场，降低进风阻力，可使进风口混凝土立柱后的涡流区面积大幅降低，使填料段配风更加均匀，提高填料利用率。

4 水轮风机工艺原理及创造的效益

为了最大限度地挖掘节能潜力，可利用循环水泵的富余能量作为水轮机的动能，使冷却塔风机驱动方式由电力改为水力2016年12～2017年4月，对14台冷却塔风机进行改造，即用高效混流式水轮机取代LF-98型轴流风机电机作为动力源，带动风叶旋转满足冷却塔抽风降温需求。该系统共四台循环水泵，其中A#、B#、C#水泵由上海某公司制造，单泵的额定流量为5000m3/h、额定扬程为48m。配套的电机由佳木斯某公司生产，电机参数为：功率900kW、电压10kV、转速740r/min。

D#水泵由广东某公司生产，单泵的额定流量为5000m3/h、额定扬程为48m。配套的电机由佳木斯某公司生产，电机参数为：功率900kW、电压10kV、转速990r/min。

4.1 水轮风机工作原理

水动风机冷却塔的原理就是充分回收利用系统中存在的大量富余水量和富余扬程来推动水轮机转动，进而带动风机转动，水动风机冷却塔是一种新型高效节能型产品，其核心产品是高效混流式水轮机。其技术原理是用高效反击混流式水轮机取代传统冷却塔的电机作为风机动力，用水轮机充分回收利用系统中所存在的富余能量带动风机转动，建设中所有管道设计以最大效率利用系统富余能量和减少塔内风阻，直接去掉原冷却塔的风机电机，达到节能的目的。

4.2 冷却风机改造后的经济效益

冷却风机由200KW的电机驱动，当夏季环境温度过高时需要14台风机同时启动，每台电机功率为200KWh，运行时间8000h/年，耗电量112×105kW·h年，电价0.6元/KWh，每年需电费1344万元。如改为利用系统中存在的大量富余水量和富余扬程来推动水轮机转动，进而带动风机转动，从根本上去掉冷却塔风机电机，年仅电费一项节省1344万元。

5 结语

鹤壁煤化工冷却塔风机节能改造后，温差不低于改造前同期温差，循环水泵电流不高于改造前风机转速不低于原设计转速（≥110r/min，风叶角度与现有角度一致）；且冷却塔进出口水温温升变化不大（±0.5℃）；循环水泵电流不高于改造前。被改造冷却塔水轮机过水量不低于4000m/h；允许调节循环水系统各上塔阀门及水泵进出口阀门。水轮风机在实际生产中运行平稳、循环水温差及流量均能满足实际生产需要。目前国内大多数炼化企业循环水冷却风机按照电动风机设计，且循环水泵都存在富余扬程，利用水轮风机可以降低运行成本，取得的节能效果明显，可在炼化企业推广应用。

参考文献

[1]王凯肖，韩军锁.循环水冷却塔风机节能改造[J].石化技术，2011，18（1）：52-54.