循環水冷卻風機節能改造

徐志強 李志寶（湖北大峪口化工有限公司生產管理部湖北荊門 431910）

0 引言

隨著社會的發展和進步，人類環保意識增強，環境保護和節能減排被提升到一個新高度。如何在現有的工藝條件下，減低能源消耗和提高能源利用效率是磷化工企業共同關注的問題。循環水冷卻是濕法磷酸生產工藝中必不可少工序，但在循環水冷卻塔存在冷卻水提升泵揚程設計偏大的現象，在一定程度上增加了企業的能源消耗和運行成本。水動風機就是充分利用進入冷卻塔水頭以達到節能的目，即以冷卻塔系統的富余流量和富余揚程為動力驅動水輪機運動產生能量帶動風機運行，從而達到取代電機作為風機動力來源。水輪機的輸出軸直接與風機相連，進而帶動風機旋轉。如果將現有傳統冷卻塔改造成水動風機冷卻塔，實現零電耗，降低企業能耗，推動節能減排工作實施有很好的促進作用。

1 冷卻塔類型和工作原理

冷卻塔是利用水與空氣的對流方式，通過蒸發作用來去除水中熱量的一種設備。冷卻塔按通風方式分有自然通風冷卻塔、機械通風冷卻塔、混合通風冷卻塔；按熱水和空氣的接觸方式分有濕式冷卻塔、干式冷卻塔、干濕式冷卻塔；按熱水和空氣的流動方向分有逆流式冷卻塔、橫流(交流）式冷卻塔、混流式冷卻塔；按形狀分有圓形冷卻塔、方形冷卻塔、矩形冷卻塔；按冷卻溫度分有標準型冷卻塔、中溫型冷卻塔、高溫型冷卻塔；按噪聲級別分為普通型冷卻塔、低噪型冷卻塔、超低噪型冷卻塔、超靜音型冷卻塔；按用途分有塑機專用冷卻塔、發電機專用冷卻塔、中頻爐專用冷卻塔、中央空調冷卻塔、電廠冷卻塔；其它有噴流式冷卻塔、無風機冷卻塔、雙曲線冷卻塔等。圓形逆流式冷卻塔，其基本原理是低溫、干燥(低焓值）的空氣經過風機的抽動，自進風網處進入冷卻塔內：飽和蒸汽中壓力大的高溫水分子向壓力低的空氣流動，濕熱(高焓值）的水自播水系統灑入塔內。當水滴和空氣接觸時，一方面由于空氣與水的直接傳熱，另一方面由于水蒸汽表面和空氣之間存在壓力差，在壓力的作用下產生蒸發現象，帶走蒸發潛熱，將水中的熱量帶走即蒸發傳熱，從而達到降溫之目的。冷卻塔廣泛地應用于國民經濟的許多部門，如電力、石油、化工、鋼鐵和輕紡等行業[1,2,3]。到目前為止，冷卻塔冷卻時所用的風機均由電動機帶動，這些電動機一年所消耗的電能是十分巨大的。譬如，一臺冷卻水量約1500t／h的冷卻塔，所配電機功率約為45kW。按每天工作16h計算，每年所需電能消耗約為26萬多度。全國數以萬計的冷卻塔所配電機的電能消耗是相當驚人的[4]。

2 水輪機工作原理

根據設計規范，泵類在設計時一般都留有備用的出力裕量，配用的拖動電機一般定位于最大工作能力情況下，而大量的生產場合由于功率需求始終處于變動狀態，普遍采用的是低效的進出口閥門調節的方式，也就是在輸送流體的管道上利用改變閥門開度，來調節泵的流量，這種節流調節所帶來的阻力損失占據了水泵富余揚程的絕大部分，要把這部分阻力損失變為水輪機的動力來源，也就是合理利用水泵的富余揚程。合理調整管道布局減少沿管程損失，合理調整閥門開度，降低節流調節的管路阻力，使這部分阻力變為推動水輪機工作動力，以水輪機取代電機作為風機動力源，水輪機的工作動力來自系統的富余流量和富余揚程。改造后，水泵提供的熱水經過水輪機并帶動其轉動。水輪機的輸出軸直接與風機相連，進而帶動風機旋轉，達到降溫節能目的[5]，如圖1所示為水動風機冷卻塔的結構圖，水輪機的位置在布水系統的上部，水流經水輪機以后的出水到布水的位差即0.5到1.0m水頭[6]。

圖1 水動風機冷卻塔的結構圖

水輪機冷卻塔優點：第一節能效果顯著，充分利用冷卻塔系統的余壓，100%節能；第二噪音低，可靠水動風機設計嚴謹，結構合理，運轉平穩，可靠性高，徹底消除電機，電控和減速機漏油漏電燒毀和損失故障，為設備平穩安全行提供技術保障。水輪機的重量小于風機的電機、減速機、傳動軸重量，使冷卻塔中心下移，運行噪音小，降低設備震動；第三冷卻效果好：隨著季節變化，水動風機的轉速隨循環水流量的增減而增減，風量也隨之增減，使冷卻塔的汽水比穩定在最佳狀態，達到最佳冷卻狀態；第四可靠，可在任何需防爆的環境下安全運行；第五經濟，因取消了電機和減速機，使日常管理和維修費用降低到零。

3 某循環水系統改造內容

某循環水系統由用兩座塔組成，建議將某循環水系統風機E 1#和E 2#風機電機驅動改為水輪驅動，另一組風機E 3#和E 4#不進行改造備用，即一開一備。

4 某循環水系統改造可行性研究

某循環水系統實際運行過程中，運行參數見下表。

表1 冷水泵運行參數

表2 風機性能參數

表3 冷卻塔性能參數

表4 正常運行閥門開度

圖2 循環水流程圖

4.1 冷卻塔專用水輪機軸功率

①E 1#和E 2#塔流量分別為3000m 3/h，支管管徑700m m，則回水管支管流速：

②冷卻塔額定流量6000m 3/h，主管管徑φ800m m則管內流速：

③主管網壓頭損失計算

查《化工工藝設計手冊》[7]可知：

止回閥阻力系數ζ=2

90°彎頭阻力系數ζ=0.75

電動蝶閥，開度20°阻力系數ζ=1.54

手動蝶閥，開度0°阻力系數ζ=0.05

查《化工原理》[8]可知：

三通阻力系數ζ=1

液壓止回閥2個，ζ1=22×2=4；90°彎頭12個，ζ2=0.75×12=9；1#和 3#泵出口蝶閥，開度 20度，ζ3=1.54×2=3.08；手動蝶閥 2個，ξ4=0.05×2=0.1；三通 1個，ζ5=1×1=1，則主管總阻力系數：

主管網壓頭損失

④1#管網壓頭損失計算

查《化工工藝設計手冊》[7]可知：

90°彎頭阻力系數ζ=0.75

手動蝶閥，開度22.5°阻力系數ζ=1.54

1#回水管蝶閥1個，開度22.5，ζ6=1.54；90°彎頭2個，ζ7=0.75×2=1.5，則主管總阻力系數：

1#管網壓頭損失為：

⑤2#管網壓頭損失計算

查《化工工藝設計手冊》[7]可知：

90°彎頭阻力系數ζ=0.75

手動蝶閥，開度22.5°阻力系數ζ=1.54

2#回水管蝶閥1個，開度22.5，ζ8=1.54；90°彎頭1個，ζ9=0.75，則主管總阻力系數：

2#管網壓頭損失為：

⑥1#回水管進冷卻塔瞬間壓頭H 4

已知1#和3#泵楊程為52m，1#回水管進冷卻塔距泵的垂直高度8m，則

⑦2#回水管進冷卻塔瞬間壓頭H 5

已知P 1#和P 2#泵楊程為52m，2#回水管進冷卻塔距泵的垂直高度8m，則

⑧1#水輪機軸功率

水輪機利用的富裕功率：

1#水輪機輸出軸功率：

W2=101.78×0.88=89.57K w

⑨2#水輪機軸功率

水輪機利用的富裕功率：

2#水輪機輸出軸功率：

W4=103.25×0.88=90.86K w

4.2 風機葉輪實際軸功率

風機電機額定功率180K w，經現場測量電流150A，有效因數為0.85，得出電機實際輸出功率為：

查《機械設計手冊》第四卷：

電機效率η電機=0.94；

減速機效率η減速機=0.91；

傳動軸效率η傳動軸=0.98

B 1#和B 2#風機葉輪實際軸功率：

P風機=P電機×η電機×η減速機×η傳動軸=84.4K w

5 經濟效益分析

5.1 風機節能效益

按一開一備方案改造后，每臺冷卻塔流量3000m 3/h，風機電機實際輸出功率為100.7K w。

每天工作24h，每年運行330d，則兩臺風機節電量：電價按0.57元/kW，風機節能效益：

V1=0.57×1595088=909200.16元≈90.92萬元

5.2 風機改造投資成本

估計單臺改造費用為864000元，則兩臺風機改造費用：

5.3 投資回報期

水動風機冷卻塔設計使用周期為10年，根據初步計算，預計兩年收回投資費用。水動風機冷卻塔設計使用周期，合計產生經濟利潤727.36萬元。

5 結論

①按一開一備方案改造后，將1#泵和2#泵出口閥開度調整為20°，1#和2#水輪機輸出軸功率分別為89.57kW、90.86kW，且大于風機葉輪實際所需軸功率84.4kW,此方案可行。此為，可以通過調節1#2#泵出口蝶閥開度調節1#2#水輪機輸出軸功率。

②根據初步計算，預計兩年收回投資費用。水動風機冷卻塔設計使用周期，合計產生經濟利潤727.36萬元。