“水-電混合技術”在機械通風冷卻塔節(jié)能改造中的應用

包可羊（杭州福鼎節(jié)能科技服務有限公司，浙江　杭州　310009）

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“水-電混合技術”在機械通風冷卻塔節(jié)能改造中的應用

包可羊（杭州福鼎節(jié)能科技服務有限公司，浙江杭州310009）

冷卻塔風機耗電是循環(huán)水系統(tǒng)的主要能耗之一。通過對循環(huán)水系統(tǒng)設計富余水頭進行充分利用，解決因富余水頭不足而導致能耗浪費現(xiàn)象，對冷卻塔風機進行“水-電混合”驅動改造（即：采用水輪機驅動的同時，能量不足部份采用輔助電機補足），且可實現(xiàn)“單獨水輪機驅動”、“單獨電機驅動”和“水-電混合動力驅動”三種驅動模式，給系統(tǒng)的安全運行提供保障。

循環(huán)水；冷卻塔；水-電混合驅動；節(jié)能

在工業(yè)發(fā)展給人們帶來巨大的經濟效益和社會進步的同時，對環(huán)境所產生的影響也越來越顯現(xiàn)。隨著國家對社會發(fā)展與環(huán)境污染的重視，國家對節(jié)能、減排要求和標準日益提高，企業(yè)對節(jié)能的需求也越來越重視和迫切。循環(huán)水系統(tǒng)作為工業(yè)企業(yè)中的一個重要組成部份，在為生產工藝設備降溫保駕護航的同時也消耗了大量的能源。而冷卻塔就是循環(huán)水系統(tǒng)中的主要耗能設備之一。

1　循環(huán)水系統(tǒng)介紹

工業(yè)生產過程中，往往會產生在量熱量，使生產設備或產品（汽體或液體）溫度升高，必須及時冷卻，以免影響生產的正常進行和產品質量。水是吸收和傳遞熱量的良好介質，常用來冷卻生產設備和產品。為了重復利用吸熱后的水以節(jié)約水資源，常采用循環(huán)冷卻水系統(tǒng)，如圖1所示。

圖1　

冷水池中的水通過水泵送至生產換熱設備，水溫升高后利用余壓流入冷卻塔，在冷卻塔內利用風機所產生的空氣與水對流接觸后，使水溫下降。

2　機械通風冷卻塔的節(jié)能方法及特點

機械通風冷卻塔是以電機驅動軸流風機葉片轉動，并使空氣從進風口抽入與熱水對流換熱，來達到降低水溫的效果。具有冷卻效果好，效率高的特點，但因風機需電機驅動，消耗大量的電能。為節(jié)約風機電耗，機械通風冷卻塔有以下幾種方法：

2.1調速電機

（1）根據(jù)春、夏、秋、冬季節(jié)對冷卻塔需求風量的不同，設計高、中、低3檔可調速的電機。雖能起到一部份節(jié)能效果，但因3檔調速不能充分適應冷卻塔在不同季節(jié)對風量的要求。

（2）根據(jù)季節(jié)和生產負荷的不同，采用變頻調速或永磁調速裝置調節(jié)電機的轉速。該種方法機呼可以實現(xiàn)無極調速，可達到較好的節(jié)能效果。但變頻器和永磁調速在運行過程中均有一部份效率損耗。

2.2水動風機冷卻塔

在循環(huán)水系統(tǒng)管路設計時，因多方面因素考濾，水泵揚程比管路實際所需揚程大，造成系統(tǒng)存在一定的富余水頭。通過利用這部份富余水頭來推動水輪機轉動，從而帶動風機旋轉。這種采用“純水輪機機驅動”的方法，省去了電機，達到節(jié)能的目的。

但因每個循環(huán)水系統(tǒng)在設計、使用過程中富余水頭均不同。富余水頭充足的循環(huán)水系統(tǒng)一般可通過安裝水輪機來代替電機驅動風機，使回水富余水頭實現(xiàn)充分利用，達到節(jié)能的目的；而富余水頭不足的循環(huán)水系統(tǒng)則因無法達到風機設計轉速而白白浪費。

3　“水-電混合技術”的介紹

冷卻塔的“水-電混合技術”是利用循環(huán)水系統(tǒng)中的富余回水能量驅動“高效水輪機”轉動并通過“雙輸動力入齒輪箱”帶動冷卻塔風扇轉動，從而取代傳統(tǒng)冷卻塔的電機；在系統(tǒng)富余水頭不足或需增加冷卻塔風扇轉速以提高冷卻塔降溫效果時，通過監(jiān)測控制軟件自動啟動輔助電機，與水輪機共同驅動風扇轉動，確保系統(tǒng)換熱效果。

輔助電機采用與原冷卻塔功率相同的電機，并配有變頻調速裝置，可在水輪機維護時單獨驅動冷卻塔風機且風機轉速可達到原轉速。能實現(xiàn)“單獨水輪機驅動”、“單獨電機驅動”和“水-電混合動力驅動”，確保系統(tǒng)的換熱效果，給系統(tǒng)的安全運行提供保障。

“純水輪機驅動”與“水-電混合驅動”的區(qū)別：

3.1系統(tǒng)富余水頭

純水輪機驅動：循環(huán)水系統(tǒng)均存在一定的富余水頭，純水輪機驅動需要充足的富余水頭，在富余水頭充足的系統(tǒng)中可達到100%節(jié)電，實現(xiàn)冷卻塔無電化運行。但目前許多循環(huán)水系統(tǒng)中所存在的富余水頭均不足，如采用純水輪機驅動替代原電機驅動，則會造成風機無法達到原轉速，從而影響設備的換熱效果，甚至影響生產。

水-電混合驅動：可對系統(tǒng)中的富余水頭進行充分利用，在富余水頭充足時實現(xiàn)100%節(jié)電，在富余水頭不足時可水輪機和電機同時驅動，以達到要求的風機轉速及風量。可實現(xiàn)“單獨水輪機驅動”、“單獨電機驅動”和“水-電混合動力驅動”三種方式運行。

3.2水輪機及減速器

純水輪機驅動：純水輪機驅動一般采用混流式水輪機，安裝于冷卻塔風筒內，位于風葉下方，減速器立式安裝于水輪機上部。在運行過程中因混流式水輪機體積大，對冷卻塔的通風存在影響，且減速器的下油封極易造成漏油，造成減速器的損壞，使冷卻塔無法運行，并對循環(huán)水水質造成污染。

水-電混合驅動：水-電混合驅動采用貫流式水輪機或將混流式水輪機立式安裝，水輪機安裝于風筒外，采用雙動力輸入減速器替代原減速器臥式安裝與風葉下方。在運行過程中對冷卻塔的風通不存在影響，且因水輪機和電機的輸入端均水平設計在減速器中間，無漏油隱患。減速器安裝有機械機油泵，對軸承進行潤滑和降溫，增加軸承的使用壽命。

4　項目應用

4.1項目情況

某企業(yè)循環(huán)水系統(tǒng)有560kW循環(huán)水泵3臺，將冷水供往各生產設備進行熱交換，換熱后的熱水通過3座水處理量為2000m3/h的冷卻塔降溫冷卻，冷卻塔風機配套電機功率為55kW。經過杭州福鼎節(jié)能科技服務有限公司現(xiàn)場測試水泵常年2開1備運行，其中一臺裝有變頻調速裝置，且運行時循環(huán)水泵進出口閥門全開，為保證末端設備的壓力要求和換熱效果，系統(tǒng)通過調節(jié)冷卻塔上塔閥門開度來控制系統(tǒng)壓力。通過對測試數(shù)據(jù)分析，循環(huán)水泵在高效區(qū)內運行，運行方式和控制方法較為合理；但因冷卻塔上塔閥門未全開，導致循環(huán)水系統(tǒng)回水存在背壓現(xiàn)象，造成了回水富余水頭浪費；且冷卻塔風機配套電機為定速電機，無法在季節(jié)變化時對風機轉速進行調節(jié)，存在季節(jié)性無效能耗浪費現(xiàn)象。

4.2改造方案

通過對循環(huán)水系統(tǒng)富余水頭進行計算，發(fā)現(xiàn)該水系統(tǒng)回水富余水頭不足，改造后無法實現(xiàn)3座冷卻塔在風機全速運行時100%節(jié)電。為確保系統(tǒng)的安全生產，在不改變系統(tǒng)運行模式和工藝參數(shù)、不增加水泵能耗的前提下對系統(tǒng)富余水頭進行充分利用，采用“水-電混合技術”可對全部3座冷卻塔進行節(jié)能改造。主要改造方法如下：

（1）因冷卻塔無備用，利用系統(tǒng)年終大修時對冷卻塔上水管進行改造，在原進水管上增設旁通閥門、水輪機進回水閥門及接口。

（2）拆除原單動力輸入減速器，安裝雙動力輸入減速器、水輪機和輔助電機（輔助電機采用原電機代替）。安裝水輪機支撐支架，對接上水管道和回水管道。

（3）安裝變頻調速裝置和自動控制系統(tǒng)，通過實測監(jiān)測供回水溫差，來控制輔助電機的開啟和轉速。

（4）在原3臺電機的控制柜來安裝電度表和計時器，計量改造前、后的風機電機耗電量。

4.3改造效果

通“水-電混合技術”對冷卻塔進行改造，改造前、后對比如表1～2。

從表1可看出，改造前后水泵和冷卻塔的運行模式、系統(tǒng)供水總管壓力、供水總管壓力、運行流量均保持不變，水泵能耗沒有增加，且在風機全速運行時轉速反而比改造前高，降溫效果優(yōu)于改造前。

表1　系統(tǒng)改造前、后運行參數(shù)比照表

從表2可知，改造后，在夏季風機全速運行時節(jié)電率達70%，在其它季節(jié)輔助電機可視降溫效果變頻運行或不啟動，最高節(jié)電率甚至可達100%。按每年運行8640h計算，改造后每年其可節(jié)約用電90.7萬度以上，解決了因富余水頭不足而無法進行水輪機改造的問題，節(jié)電效果和節(jié)電收益非常可觀。

5　結束語

“水-電混合技術”是一種新型的機械通風冷卻塔節(jié)能改造技術。改造后系統(tǒng)各供水參數(shù)保持不變，不增加水泵等其余設備的能耗，解決了眾多因富余水頭不足而無法改造的問題，具有安全可靠、修護方便等優(yōu)點，目前已在多個企業(yè)得到實際應用。該項技術的應用與推廣，為工況企業(yè)冷卻塔高能耗問題提供了一個新的解決方法。

［1］嚴煦世，范瑾補.給水工程.中國建筑工業(yè)出版社，2007.

［2］朱月海，朱江.循環(huán)冷卻水.中國建筑工業(yè)出版社，2008.

［3］來周傳，李沛明，包可羊.《一種有輔助電機的節(jié)能型冷卻塔》專利.

包可羊（1982-），男，助理工程師，本科，主要從事系統(tǒng)節(jié)能改造工作。

TH43

A

2095-2066（2016）14-0255-02

2016-4-15