水輪機(jī)在冷卻塔技改中的應(yīng)用

【摘 要】泰鋼焦化公司為加強(qiáng)對節(jié)能、提高能效等低碳和零碳技術(shù)的推廣應(yīng)用，充分利用先進(jìn)的節(jié)能技術(shù)，用水輪機(jī)替代電動(dòng)機(jī)，使用循環(huán)水出口富余壓頭做動(dòng)能替代電能驅(qū)動(dòng)冷卻塔風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)達(dá)到相同冷卻效果，節(jié)約電能降低生產(chǎn)成本。

【關(guān)鍵詞】富余；能量；反擊式水輪機(jī)；節(jié)能

0 前言

循環(huán)水冷卻塔是工業(yè)生產(chǎn)的重要冷卻散熱設(shè)備，廣泛用于冶金、化工、發(fā)電等行業(yè)，在焦化行業(yè)多為逆流式鋼筋混凝土冷卻塔。循環(huán)水冷卻塔是利用水和空氣的接觸通過蒸發(fā)作用來帶走工業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)生的熱量，目前冷卻塔所用的風(fēng)機(jī)多是用電動(dòng)機(jī)來驅(qū)動(dòng)的，一年消耗的電能相當(dāng)巨大。水輪機(jī)就是近幾年來開發(fā)的利用富余水壓頭的節(jié)能設(shè)備，利用富余水壓頭的能量帶動(dòng)風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)的方式使循環(huán)水降溫冷卻，省去了原來的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，達(dá)到了100%的節(jié)能目的。

1 循環(huán)冷卻塔的原理

為了排除生產(chǎn)設(shè)備或者是生產(chǎn)介質(zhì)里所產(chǎn)生的熱量，利用吸收熱量后的溫水與空氣熱交換的方式，跟水直接接觸并冷卻溫水，同時(shí)可以循環(huán)使用的機(jī)器就是冷卻塔。冷卻塔的基本原理是利用水和空氣的溫度差，根據(jù)溫水與冷空氣的接觸散熱（顯熱）以及利用水自身的蒸發(fā)散（潛熱）。其中依照顯熱冷卻約為25%，蒸發(fā)散熱的冷卻塔約為75%。

冷卻塔設(shè)計(jì)及使用時(shí)需盡量考慮充分利用蒸發(fā)散熱：水與空氣熱交換的有效面積要盡量大，水與空氣熱交換的時(shí)間要盡量延長，同時(shí)水與空氣熱交換的表面需保持通風(fēng)，從而可以達(dá)到高效散熱的目的。當(dāng)然還考慮漂水、能耗及成本等因素。影響冷卻塔降溫性能的主要因素有：

1）循環(huán)水量：冷卻塔的水流量。當(dāng)循環(huán)水量太大時(shí)，會(huì)造成冷卻塔阻力增大，減少冷卻塔的通風(fēng)量，降低汽水比，降低冷卻塔的降溫效果。

2）風(fēng)量：冷卻塔的通風(fēng)量。風(fēng)量越多，汽水比大，散熱效能越好。

3）填料的性能：填料的容積散熱系數(shù)大時(shí)，表明相同體積的填料的散熱能力高，該填料的熱力性能好。

4）冷卻塔的結(jié)構(gòu)：冷卻塔結(jié)構(gòu)的合理性直接影響冷卻塔內(nèi)氣流的均勻性和整個(gè)塔的風(fēng)阻，從而直接影響冷卻塔的降溫效果。

2 技改前的狀況分析

泰山焦化公司設(shè)計(jì)有L85A型風(fēng)機(jī)逆流式鋼筋混凝土冷卻塔三座，每臺處理水量：3500m3/h進(jìn)塔溫度：40℃；出塔溫度：32℃。風(fēng)機(jī)風(fēng)量：273×104/h全壓：152pa風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速：149rpm。每臺電機(jī)功率160千瓦，消耗電能相當(dāng)巨大；化產(chǎn)車間使用冷卻水量大約占全部供水量的98%。化產(chǎn)車間共有換熱塔6臺，高度在25-35米之間。循環(huán)冷卻塔布水器高18米。換熱塔與冷卻塔之間的落差達(dá)到7-17米。從循環(huán)供水泵出水管到冷卻器布水器是一個(gè)密閉管道空間，循環(huán)供水泵的富余壓頭再加上7-17米的落差勢能其中蘊(yùn)含的能量數(shù)目是非常可觀的。

3 水輪機(jī)技術(shù)的使用

水輪機(jī)按工作原理可分為沖擊式水輪機(jī)和反擊式水輪機(jī)兩大類。

沖擊式水輪機(jī)工作原理：沖擊式水輪機(jī)的轉(zhuǎn)輪受到水流的沖擊而旋轉(zhuǎn)，有收縮噴嘴，能把水流能量轉(zhuǎn)變?yōu)楦咚偕淞鞯膭?dòng)能，主要是動(dòng)能的轉(zhuǎn)換。反擊式水輪機(jī)工作原理：反擊式水輪機(jī)內(nèi)的轉(zhuǎn)輪在水中受到水流的反作用力而旋轉(zhuǎn)，工作過程中水流的勢能和動(dòng)能均有改變，主要是勢能的轉(zhuǎn)換。對于沖擊式水輪機(jī)而言，需盡可能減小管道面積以輸出更多的能量。對所有的沖擊式水輪機(jī)而言進(jìn)水口處都有明顯的變徑（如圖2），也就相當(dāng)于在管道上增加了一個(gè)閥門，多消耗了一部分能量。對于反擊式水輪機(jī)而言，需盡可能增加勢能以輸出更多的能量。通過反擊式水輪機(jī)的轉(zhuǎn)輪來增加勢能，滿足輸出功率要求，沒有管道變徑（如圖1），不存在額外的能量損耗。對循環(huán)水系統(tǒng)而言，反擊式水輪機(jī)高效率的利用系統(tǒng)中的流量和揚(yáng)程提供的勢能比沖擊式水輪機(jī)減小管道面積獲得更高動(dòng)能更可取。

圖1 反擊式混流水輪機(jī) 圖2 沖擊式水輪機(jī)

根據(jù)冷卻塔節(jié)能技改所應(yīng)用工業(yè)循環(huán)水系統(tǒng)的特性，利用循環(huán)水系統(tǒng)富余能量驅(qū)動(dòng)水輪機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，在工業(yè)循環(huán)水中較小流量和較小壓頭的前提下，系統(tǒng)能量的有效利用是建立在水輪機(jī)高效率的基礎(chǔ)上。在相同的流量和水頭下，反擊式混流水輪機(jī)比沖擊式水輪機(jī)效率更高，可提供更大的軸功率和更高的轉(zhuǎn)速。所以對循環(huán)供水系統(tǒng)而言，沖擊式水輪機(jī)不可取。泰山焦化公司采用反擊式水輪機(jī)對循環(huán)供水系統(tǒng)進(jìn)行改造。它是充分回收利用水循環(huán)系統(tǒng)中本身就有的多余的能量來推動(dòng)水輪機(jī)，帶動(dòng)風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)的。

每臺換熱塔在單位時(shí)間內(nèi)的產(chǎn)生的熱量是一定的，需要一定的水量把熱量帶走轉(zhuǎn)移到空氣中去，以滿足生產(chǎn)需求。整個(gè)循環(huán)水系統(tǒng)中的水量很難被精確的計(jì)算出來。工程設(shè)計(jì)流量時(shí)，為了安全生產(chǎn)及其它各方面的因素考慮在滿足最大需求水量的基礎(chǔ)上加至少10%-20%的余量來確定水泵的流量。在整個(gè)循環(huán)水系統(tǒng)中，每段水管、彎頭都有一定的阻力，換熱塔的位置高低、換熱部件的阻力、及壓力要求都會(huì)在系統(tǒng)中產(chǎn)生阻力，這些阻力也不能很精確的計(jì)算出來。工程設(shè)計(jì)計(jì)算的阻力值只是一個(gè)大概的數(shù)據(jù)，根據(jù)這個(gè)數(shù)值在確定水泵的揚(yáng)程時(shí)，考慮更安全的滿足生產(chǎn)需求，就在滿足所計(jì)算出的阻力數(shù)值的基礎(chǔ)上至少加10%-20%的余量來選型。富裕的流量、揚(yáng)程和換熱塔與冷卻塔的水位落差就是我們可利用的富裕能量。那么這些多余的能量會(huì)體現(xiàn)在（圖3）：

圖3

1）循環(huán)供水水泵的泵前、泵后一般都安裝閥門。閥門的作用有兩個(gè)，調(diào)節(jié)流量和方便維修。由于設(shè)計(jì)的循環(huán)水系統(tǒng)中流量及揚(yáng)程大于實(shí)際需要。根據(jù)水泵的特性曲線，富裕揚(yáng)程最終也要轉(zhuǎn)化為流量。流量的增加就會(huì)導(dǎo)致水泵的電流增加，而超過水泵的額定電流。故系統(tǒng)中的閥門都有一定程度的關(guān)閉，這樣閥門上就消耗一定的壓力。

2）循環(huán)水系統(tǒng)的實(shí)際溫差往往都是小于設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)溫差，設(shè)計(jì)系統(tǒng)中多為6-8度。當(dāng)實(shí)際測得循環(huán)水系統(tǒng)的溫差小于設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)溫差時(shí)，實(shí)際水流量就大于系統(tǒng)所需的水量，導(dǎo)致系統(tǒng)中有大量富裕能量。我公司的水輪機(jī)就是充分回收利用這些多余的能推動(dòng)水輪機(jī)帶動(dòng)風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)能改造的冷卻塔的100%節(jié)能。

4 改造水輪機(jī)冷卻塔后的能效對比

泰山焦化公司共有L85A型風(fēng)機(jī)逆流式鋼筋混凝土冷卻塔三座，按照兩開一備對一臺進(jìn)行了冷卻塔進(jìn)行了水輪機(jī)改造.在不增加循環(huán)供水泵的動(dòng)力消耗前提下，改造后的冷卻塔引風(fēng)機(jī)用水輪機(jī)代替了原來的160kW的電機(jī)。

下面是改造前與改造后的效果對比圖（圖4）：

圖4

電機(jī)按照額定功率的80%運(yùn)行，一年可節(jié)約電能112.13萬kWh，節(jié)約電費(fèi)82.9萬元，折合標(biāo)煤137.8噸，減少二氧化碳排放274.8噸。其經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益是非常可觀的。

5 結(jié)束語

通過一段時(shí)間的運(yùn)行后對改造前后的數(shù)據(jù)對比，說明水輪機(jī)在循環(huán)冷卻系統(tǒng)代替電動(dòng)引風(fēng)機(jī)技術(shù)上是可行的，效益是可觀的。為確保“十一五”期間單位GDP能耗降低20%左右的節(jié)能目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)是一個(gè)有益的探索和嘗試。

[責(zé)任編輯：王迎迎]