循环冷却塔优化改造及应用

齐超群

(唐山瑞丰钢铁集团有限公司，河北 唐山 063303)

0 引言

钢铁企业在烧结、炼铁、炼钢、轧钢等工序生产中存在大量高温设备需要用水换热的方法进行降温处理，企业既要保证高温设备的正常运行，同时，又要节约水资源，需要将换热后的水作为循环冷却水循环利用，而为了保证循环冷却水的冷却效果，循环冷却塔作为重要的冷却装备之一，该设备多采用电动机带动风机的冷却形式被广泛运用在工业生产中。钢铁企业安装有几十台甚至上百台的循环冷却塔，一年所耗电能是相当巨大的。近年来，受国家节能降耗要求以及企业精细化发展等因素的影响，钢铁企业越来越关注循环冷却塔这类数量多、能耗大设备的节能改造，而水轮机的开发和应用就是近年来循环冷却塔节能降耗的优秀成果，省去了原来的电动机，达到100%节能的效果[1-4]。

1 循环冷却塔结构及存在问题

1.1 循环冷却塔结构

唐山瑞丰钢铁(集团)有限公司烧结厂安装有多台圆形逆流式循环冷却塔，型号为BNL系列。该逆流式循环冷却塔结构是在顶部安装风机，一般利用电机带动风机叶片高速旋转，促进冷空气进入逆流式循环冷却塔，同时由循环冷却水泵将循环冷却水打入逆流式循环冷却塔内的自旋转布水器，通过自旋转布水器上喷嘴将循环冷却水喷出，使得循环冷却水与进入逆流式循环冷却塔的冷空气接触换热。

1.2 存在问题

1)逆流式循环冷却塔在设计和选型过程中往往选择电机功率富余量较大，使整个系统存在富余能量，其目的是在冷却效果不好的时候，满足生产装置对冷却水的工艺要求，开大风机，提高空气流速，以期实现短时间内的冷却效果。但逆流式循环冷却塔无法长时间保持这种状态，因为大功率状态下会造成填料严重损坏，电机在长期满负荷运转状态时也易造成损坏，同时在运行过程中也会额外消耗大量电能。

2)逆流式循环冷却塔所要冷却的循环冷却水一般水质都比较差，会造成自旋转布水器上喷嘴堵塞率达到50%，自旋转布水器布水不均，除了冷却效果差，甚至会造成自旋转布水器顶部受到循环冷却水冲刷而漏损。

3)逆流式循环冷却塔内布料器为自旋转式布水器，工作原理是在循环冷却水水压的作用下产生自旋转运动，但由于自旋转布水器长期处于水环境，在旋转过程中旋转部件与固定部件易发生摩擦，造成布水装置断裂、水流渗漏、水量减少、水压降低等情况，与此同时，旋转过程是惯性甩水的过程，会出现水流分布不均的现象，存在水流冷却不到的死角，冷却效果下降。

2 改造内容

2.1 循环冷却塔主要技术措施

为了确保循环冷却塔能够正常使用，针对循环冷却塔耗能大、布料不均匀、喷嘴堵塞等问题，提出针对循环冷却塔的技术改造，主要涉及到：新增水轮机、固定布料器、增加循环冷却水过滤装置等。

2.2 水轮机的应用

目前，国内外已经开始大量采用水轮机循环冷却塔来代替逆流式循环冷却塔，其核心技术是水轮机叶轮输出轴与风机叶片相连，利用循环水系统中流体的能量驱动叶轮旋转并带动风机叶片旋转抽风，完成气水热量交换，全过程不需要耗电，水轮机循环冷却塔可以充分利用循环水系统中的富余能量。具体改造内容如下：1)拆除原风机、电机、减速箱等设备替换成水轮机；2)循环冷却塔塔体结构保持不变，对上塔供水管道进行改造，去除原供水管道，新供水管道与水轮机直接相连，使循环冷却水经水轮机后再流入布水器进行布水；3)制作支架将水轮机固定在循环冷却塔塔体上，见图1。

图1 循环冷却塔改造前后示意图

2.3 循环冷却水过滤装置

循环冷却水水质一般较差，存在大量的铁屑、填料等杂物，这些杂物如果随循环冷却水进入水轮机等设备，会造成喷嘴堵塞及水轮机自旋转布料器等主要部件磨损。为解决循环冷却水水质差，堵塞喷嘴、冲刷布水器及水轮机叶轮、壳体等问题，需要在循环冷却塔上塔供水管道上增加一套自制循环冷却水过滤装置，由循环冷却水过滤装置、旁通管道、切断阀门组成，利用循环冷却水过滤装置中的过滤板过滤循环冷却水中5 mm以上污物，提高水质，并在过滤装置前后配备切断阀门以及旁通管道，便于定期清理循环冷却水过滤装置中的污物，保证过滤效果，见图2。

图2 循环冷却水过滤装置安装示意图

2.4 固定布水器

布水器是循环冷却塔中的关键部件，其作用是将水均匀地分布到循环冷却塔内填料上，增大水汽接触面，对循环冷却塔的冷却效果影响极大。原自旋转布料器采用“十字架”布水管，通过旋转甩水实现循环冷却水冷却。但“十字架”布水管与循环冷却塔内填料距离较近，这种冷却方式下存在冷却死角，造成自旋转布料器无法做到均匀冷却，而循环冷却塔布水是否均匀对降低冷却水温度是至关重要的，而且自旋转布料器轴承座长期处于水环境状态下，轴承座内轴承极易烧毁，这就造成自旋转布料器使用寿命短，易出现卡死的情况，循环冷却水温度无法正常冷却，这也是循环冷却塔改造时优先考虑的问题。

随着水轮机的应用，在改造过程中去除了原供水管道，那么与原供水管道相连的原有的自旋转布水器就已经无法利旧使用了。需要重新设计一款与水轮机配套的固定布水器。具体设计内容如下：1)固定布水器顶部与水轮机出水口相连；2)固定布水器底部设置有可拆卸端盖便于固定布水器磨损后更换端盖或修补固定布水器水腔；3)在可拆卸端盖和固定布水器水腔内部布置耐磨层，耐磨层厚度3 mm，降低高速水流对布水器的磨损；4)布水器设计成圆环式闭环布水管，其上安装12个喷嘴，喷射角度90°，保证分水均匀，消除冷却死角；5)调整固定布水器与循环冷却塔内填料距离由300 mm改为650 mm，加大喷淋覆盖面积，见图3。

图3 固定布水器安装示意图

2.5 螺旋形喷嘴[5，6]

为了进一步改善固定布水器布水效果，在选取喷嘴数量上本着“数量要少，喷水要均匀”的原则。喷嘴数量少，便于安装和检修，可以节约安装费用，便于维护。固定布水器布水要均匀，要求喷射面范围要大，能够全覆盖循环冷却塔填料表面，所以本次改造在喷嘴的选取上采用了高效节能防堵塞的TF56螺旋形喷嘴。

螺旋形喷嘴具有特点：1)高能量效率。螺旋形喷嘴在流量相同的情况下，安装水量远少于普通喷嘴。2)细密雾化效果好。在液体进入喷嘴过程中，不会受到喷嘴管壁阻碍，喷嘴的喷流速率高，具有较好的雾化效果，更为节能。3)防堵塞。独特的无管壁阻碍结构，比普通喷嘴更为通畅，有效避免喷嘴堵塞现象的发生。4)喷嘴覆盖范围改善。螺旋喷嘴具有50°到180°的喷雾角度，比普通喷嘴喷雾角度范围更大，覆盖范围更广。

3 改造效果

1)节能效果明显。将电动风机、减速机拆除，减少了这部分电能能耗；采用时下先进的水冷机技术，充分运用了循环冷却水系统中的余压余能。

2)循环冷却水水质得到明显改善。通过安装循环水过滤装置使得过滤效率达到90%以上，在改善循环水水质的情况下，循环冷却水循环利用率提高。

3)布水均匀稳定。固定布水器应用后消除了自旋转布水器的甩水过程，同时应用圆环式闭环布水管配螺旋式喷嘴的形式，定点均匀分配喷淋循环冷却水覆盖整个填料表面，消除了喷淋死角，循环冷却水进出口温度至少提高4～6 ℃。

4)简化维修，寿命延长。整套系统的简化改造，取消电动风机、减速机等导致维修内容减少，难度降低；循环冷却水水质的改善以及固定布水器结构改进保证了水轮机、固定布料器等设备部件抗磨损能力增强，运行寿命延长，检修周期由半年延长至2～3年。

4 改造后经济效益

单台循环冷却塔改造投资费用35万元。改造后，每年降低日常检修成本15万元，降低周期外委设备清理成本20万元；水轮机应用后每年节约电耗18万元；备品备件费用每年节约3万元；年直接经济效益合计56万元。

5 结语

在唐山瑞丰钢铁(集团)有限公司烧结厂技术人员的共同努力之下，统一将烧结厂区内循环冷却塔按照改造方案全部进行改造，同时，唐山瑞丰钢铁(集团)有限公司其他厂区也充分借鉴烧结厂的改造技术，先后进行循环冷却塔改造，有力的保障了唐山瑞丰钢铁(集团)有限公司循环冷却水的供应。