徐志強 李志寶（湖北大峪口化工有限公司生產(chǎn)管理部湖北荊門 431910）

0 引言

隨著社會的發(fā)展和進(jìn)步，人類環(huán)保意識增強，環(huán)境保護(hù)和節(jié)能減排被提升到一個新高度。如何在現(xiàn)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(yè)共同關(guān)注的問題。循環(huán)水冷卻是濕法磷酸生產(chǎn)工藝中必不可少工序，但在循環(huán)水冷卻塔存在冷卻水提升泵揚程設(shè)計偏大的現(xiàn)象，在一定程度上增加了企業(yè)的能源消耗和運行成本。水動風(fēng)機(jī)就是充分利用進(jìn)入冷卻塔水頭以達(dá)到節(jié)能的目，即以冷卻塔系統(tǒng)的富余流量和富余揚程為動力驅(qū)動水輪機(jī)運動產(chǎn)生能量帶動風(fēng)機(jī)運行，從而達(dá)到取代電機(jī)作為風(fēng)機(jī)動力來源。水輪機(jī)的輸出軸直接與風(fēng)機(jī)相連，進(jìn)而帶動風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)。如果將現(xiàn)有傳統(tǒng)冷卻塔改造成水動風(fēng)機(jī)冷卻塔，實現(xiàn)零電耗，降低企業(yè)能耗，推動節(jié)能減排工作實施有很好的促進(jìn)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(fā)作用來去除水中熱量的一種設(shè)備。冷卻塔按通風(fēng)方式分有自然通風(fēng)冷卻塔、機(jī)械通風(fēng)冷卻塔、混合通風(fēng)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(biāo)準(zhǔn)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(jī)專用冷卻塔、發(fā)電機(jī)專用冷卻塔、中頻爐專用冷卻塔、中央空調(diào)冷卻塔、電廠冷卻塔；其它有噴流式冷卻塔、無風(fēng)機(jī)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(jīng)過風(fēng)機(jī)的抽動，自進(jìn)風(fēng)網(wǎng)處進(jìn)入冷卻塔內(nèi)：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(tǒng)灑入塔內(nèi)。當(dāng)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(chǎn)生蒸發(fā)現(xiàn)象，帶走蒸發(fā)潛熱，將水中的熱量帶走即蒸發(fā)傳熱，從而達(dá)到降溫之目的。冷卻塔廣泛地應(yīng)用于國民經(jīng)濟(jì)的許多部門，如電力、石油、化工、鋼鐵和輕紡等行業(yè)[1,2,3]。到目前為止，冷卻塔冷卻時所用的風(fēng)機(jī)均由電動機(jī)帶動，這些電動機(jī)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(jī)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(shù)以萬計的冷卻塔所配電機(jī)的電能消耗是相當(dāng)驚人的[4]。

2 水輪機(jī)工作原理

根據(jù)設(shè)計規(guī)范，泵類在設(shè)計時一般都留有備用的出力裕量，配用的拖動電機(jī)一般定位于最大工作能力情況下，而大量的生產(chǎn)場合由于功率需求始終處于變動狀態(tài)，普遍采用的是低效的進(jìn)出口閥門調(diào)節(jié)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(diào)節(jié)泵的流量，這種節(jié)流調(diào)節(jié)所帶來的阻力損失占據(jù)了水泵富余揚程的絕大部分，要把這部分阻力損失變?yōu)樗啓C(jī)的動力來源，也就是合理利用水泵的富余揚程。合理調(diào)整管道布局減少沿管程損失，合理調(diào)整閥門開度，降低節(jié)流調(diào)節(jié)的管路阻力，使這部分阻力變?yōu)橥苿铀啓C(jī)工作動力，以水輪機(jī)取代電機(jī)作為風(fēng)機(jī)動力源，水輪機(jī)的工作動力來自系統(tǒng)的富余流量和富余揚程。改造后，水泵提供的熱水經(jīng)過水輪機(jī)并帶動其轉(zhuǎn)動。水輪機(jī)的輸出軸直接與風(fēng)機(jī)相連，進(jìn)而帶動風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)，達(dá)到降溫節(jié)能目的[5]，如圖1所示為水動風(fēng)機(jī)冷卻塔的結(jié)構(gòu)圖，水輪機(jī)的位置在布水系統(tǒng)的上部，水流經(jīng)水輪機(jī)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(fēng)機(jī)冷卻塔的結(jié)構(gòu)圖

水輪機(jī)冷卻塔優(yōu)點：第一節(jié)能效果顯著，充分利用冷卻塔系統(tǒng)的余壓，100%節(jié)能；第二噪音低，可靠水動風(fēng)機(jī)設(shè)計嚴(yán)謹(jǐn)，結(jié)構(gòu)合理，運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，可靠性高，徹底消除電機(jī)，電控和減速機(jī)漏油漏電燒毀和損失故障，為設(shè)備平穩(wěn)安全行提供技術(shù)保障。水輪機(jī)的重量小于風(fēng)機(jī)的電機(jī)、減速機(jī)、傳動軸重量，使冷卻塔中心下移，運行噪音小，降低設(shè)備震動；第三冷卻效果好：隨著季節(jié)變化，水動風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速隨循環(huán)水流量的增減而增減，風(fēng)量也隨之增減，使冷卻塔的汽水比穩(wěn)定在最佳狀態(tài)，達(dá)到最佳冷卻狀態(tài)；第四可靠，可在任何需防爆的環(huán)境下安全運行；第五經(jīng)濟(jì)，因取消了電機(jī)和減速機(jī)，使日常管理和維修費用降低到零。

3 某循環(huán)水系統(tǒng)改造內(nèi)容

某循環(huán)水系統(tǒng)由用兩座塔組成，建議將某循環(huán)水系統(tǒng)風(fēng)機(jī)E 1#和E 2#風(fēng)機(jī)電機(jī)驅(qū)動改為水輪驅(qū)動，另一組風(fēng)機(jī)E 3#和E 4#不進(jìn)行改造備用，即一開一備。

4 某循環(huán)水系統(tǒng)改造可行性研究

某循環(huán)水系統(tǒng)實際運行過程中，運行參數(shù)見下表。

表1 冷水泵運行參數(shù)

表2 風(fēng)機(jī)性能參數(shù)

表3 冷卻塔性能參數(shù)

表4 正常運行閥門開度

圖2 循環(huán)水流程圖

4.1 冷卻塔專用水輪機(jī)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(nèi)流速：

③主管網(wǎng)壓頭損失計算

查《化工工藝設(shè)計手冊》[7]可知：

止回閥阻力系數(shù)ζ=2

90°彎頭阻力系數(shù)ζ=0.75

電動蝶閥，開度20°阻力系數(shù)ζ=1.54

手動蝶閥，開度0°阻力系數(shù)ζ=0.05

查《化工原理》[8]可知：

三通阻力系數(shù)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(shù)：

主管網(wǎng)壓頭損失

④1#管網(wǎng)壓頭損失計算

查《化工工藝設(shè)計手冊》[7]可知：

90°彎頭阻力系數(shù)ζ=0.75

手動蝶閥，開度22.5°阻力系數(shù)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(shù)：

1#管網(wǎng)壓頭損失為：

⑤2#管網(wǎng)壓頭損失計算

查《化工工藝設(shè)計手冊》[7]可知：

90°彎頭阻力系數(shù)ζ=0.75

手動蝶閥，開度22.5°阻力系數(shù)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(shù)：

2#管網(wǎng)壓頭損失為：

⑥1#回水管進(jìn)冷卻塔瞬間壓頭H 4

已知1#和3#泵楊程為52m，1#回水管進(jìn)冷卻塔距泵的垂直高度8m，則

⑦2#回水管進(jìn)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(jìn)冷卻塔距泵的垂直高度8m，則

⑧1#水輪機(jī)軸功率

水輪機(jī)利用的富裕功率：

1#水輪機(jī)輸出軸功率：

W2=101.78×0.88=89.57K w

⑨2#水輪機(jī)軸功率

水輪機(jī)利用的富裕功率：

2#水輪機(jī)輸出軸功率：

W4=103.25×0.88=90.86K w

4.2 風(fēng)機(jī)葉輪實際軸功率

風(fēng)機(jī)電機(jī)額定功率180K w，經(jīng)現(xiàn)場測量電流150A，有效因數(shù)為0.85，得出電機(jī)實際輸出功率為：

查《機(jī)械設(shè)計手冊》第四卷：

電機(jī)效率η電機(jī)=0.94；

減速機(jī)效率η減速機(jī)=0.91；

傳動軸效率η傳動軸=0.98

B 1#和B 2#風(fēng)機(jī)葉輪實際軸功率：

P風(fēng)機(jī)=P電機(jī)×η電機(jī)×η減速機(jī)×η傳動軸=84.4K w

5 經(jīng)濟(jì)效益分析

5.1 風(fēng)機(jī)節(jié)能效益

按一開一備方案改造后，每臺冷卻塔流量3000m 3/h，風(fēng)機(jī)電機(jī)實際輸出功率為100.7K w。

每天工作24h，每年運行330d，則兩臺風(fēng)機(jī)節(jié)電量：電價按0.57元/kW，風(fēng)機(jī)節(jié)能效益：

V1=0.57×1595088=909200.16元≈90.92萬元

5.2 風(fēng)機(jī)改造投資成本

估計單臺改造費用為864000元，則兩臺風(fēng)機(jī)改造費用：

5.3 投資回報期

水動風(fēng)機(jī)冷卻塔設(shè)計使用周期為10年，根據(jù)初步計算，預(yù)計兩年收回投資費用。水動風(fēng)機(jī)冷卻塔設(shè)計使用周期，合計產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)利潤727.36萬元。

5 結(jié)論

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

②根據(jù)初步計算，預(yù)計兩年收回投資費用。水動風(fēng)機(jī)冷卻塔設(shè)計使用周期，合計產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)利潤727.36萬元。