鞠曉亮

(西部礦業(yè)集團(tuán)有限公司， 青海 西寧 810001)

冷卻塔是工業(yè)生產(chǎn)中對(duì)設(shè)備或產(chǎn)品進(jìn)行降溫的關(guān)鍵設(shè)備。目前大部分冷卻塔運(yùn)行時(shí)是由電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，電機(jī)每年耗電非常高，如何降低冷卻塔運(yùn)行能耗是企業(yè)十分關(guān)注的問(wèn)題。

1 水動(dòng)風(fēng)機(jī)冷卻塔工作原理

早期工業(yè)生產(chǎn)中所使用的循環(huán)水冷卻系統(tǒng)，設(shè)計(jì)時(shí)考慮因素較多，設(shè)備選型存在較大的冗余。冷卻系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，冷卻循環(huán)水系統(tǒng)管路中會(huì)出現(xiàn)過(guò)多的水能，這些水能被用來(lái)驅(qū)動(dòng)水輪機(jī)旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而帶動(dòng)風(fēng)機(jī)運(yùn)行(見(jiàn)圖1)。及時(shí)調(diào)節(jié)冷卻系統(tǒng)管路中的水流量，可改善水動(dòng)風(fēng)機(jī)的運(yùn)行狀況。

圖1 水動(dòng)風(fēng)機(jī)工作原理示意圖

冷卻塔的氣水比，是指每小時(shí)通入的氣體量與每小時(shí)水量的比值，冷卻塔的熱能交換能力主要由氣水比決定，氣壓一定時(shí)，噴水量隨噴水壓力的增加而增大，氣流量隨噴水壓力的增加而減小，噴水量及氣流量與水壓力呈拋物線形變化。水輪機(jī)則是利用水壓力、葉輪轉(zhuǎn)速、風(fēng)量的正比例關(guān)系來(lái)代替風(fēng)機(jī)電機(jī)，使冷卻塔實(shí)現(xiàn)冷卻功能。

由于冷卻系統(tǒng)中泵、電機(jī)在選型時(shí)都留有余量，功率W與進(jìn)塔水頭H、水流量Q關(guān)系為W=H×Q，水動(dòng)風(fēng)機(jī)正是利用水頭余量產(chǎn)生的動(dòng)能驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)，實(shí)現(xiàn)節(jié)電。

2 水動(dòng)風(fēng)機(jī)系統(tǒng)特性分析

2.1 水動(dòng)風(fēng)機(jī)系統(tǒng)能量分析

水動(dòng)風(fēng)機(jī)主要工作部件是葉輪，葉輪接受流體的能量實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)，即：

P=ωM

(1)

其中：P——葉輪旋轉(zhuǎn)的功，N·m；

ω——角速度，r/s；

M——?jiǎng)恿烤?，kg·m/s。

水動(dòng)風(fēng)機(jī)葉輪初始動(dòng)能為：

P1=QH

(2)

其中：P1——葉輪的初始動(dòng)能，J；

Q——流量，m3/s；

H——揚(yáng)程，m。

要將水流所做的功轉(zhuǎn)換成葉輪做功，P=P1=ωM=QH。因此，進(jìn)入冷卻塔水流的壓力(H)越大，動(dòng)量越大。

2.2 水動(dòng)風(fēng)機(jī)系統(tǒng)動(dòng)力分析

水動(dòng)風(fēng)機(jī)的軸功率為：

W=γ×Q×H×η

(3)

其中：W——水輪機(jī)的輸出軸功率，kW；

γ——水容重，1 000×9.81N/m3；

Q——水流量，m3/s；

H——水頭，m；

η——水動(dòng)風(fēng)機(jī)的效率，0.88。

水動(dòng)風(fēng)機(jī)水頭由伯努利方程計(jì)算：

H=Z+P+V2/2g

(4)

其中：Z——水輪機(jī)進(jìn)出水位之差，m；

P——水流內(nèi)具備的壓力，Pa；

V——水流速度，m/s；

g——重力加速度，9.81m/s2。

水動(dòng)風(fēng)機(jī)安裝在冷卻塔的上面，即Z=0。進(jìn)塔水壓為H=V2/2g，由于V=Q/S(S—過(guò)流斷面積)，所以水壓公式可變?yōu)镠=Q2/(2gS2)，則式(3)可寫為：

W=9.81×Q3/(2gS2)×0.88=0.44Q3/S2

(5)

過(guò)流斷面積與水流速度成反比，與水流量成正比。在流量一定的情況下，通過(guò)調(diào)整過(guò)流面，可使水輪機(jī)的出力達(dá)到最佳狀態(tài)。

水頭為9.5 m時(shí)，由式(3)得水動(dòng)風(fēng)機(jī)出力：

W=9.81×Q×9.5×0.88=82.01Q

水泵額定流量1 374 m3/h，流量為750 m3/h的冷卻塔水輪機(jī)軸功率為 ：

W=82.01Q=82.01×(1 374/3 600)=31.3 kW

750 m3/h的冷卻塔正常運(yùn)行時(shí)所配備電機(jī)功率小于31.3 kW，因此冷卻塔可采用水動(dòng)風(fēng)機(jī)，其耗電量為零。

3 水動(dòng)風(fēng)機(jī)在冷卻塔改造中的應(yīng)用實(shí)踐

3.1 系統(tǒng)概況

西部礦業(yè)冶煉公司原有兩臺(tái)普通冷卻塔，由于運(yùn)行時(shí)間較長(zhǎng)，換熱器多處腐蝕，兩臺(tái)冷卻塔在滿負(fù)荷運(yùn)行的情況下降溫效果仍不理想，冷卻效率低，對(duì)生產(chǎn)造成了一定的影響。

該系統(tǒng)有兩臺(tái)750 m3/h冷卻塔，設(shè)計(jì)總的水處理量1 500 m3/h，實(shí)測(cè)總回水量約為840 m3/h，與冷卻塔處理水量相比，水量偏小，溫降2.5 ℃(37.5/35 ℃)，不能很好滿足正常生產(chǎn)要求，為此對(duì)冷卻塔進(jìn)行改造。

3.2 改造方案

西北地區(qū)晝夜溫差較大時(shí)，水動(dòng)風(fēng)機(jī)冷卻塔的冷卻循環(huán)水量會(huì)不斷變化，風(fēng)量也隨之變化，使冷卻塔運(yùn)行呈最佳狀態(tài)。如采用電動(dòng)機(jī)冷卻塔，由于電機(jī)功率恒定，無(wú)論季節(jié)溫度高低，風(fēng)量始終維持恒定，能耗較高。水動(dòng)風(fēng)機(jī)冷卻塔與傳統(tǒng)冷卻塔對(duì)比見(jiàn)表1。

表1 水動(dòng)風(fēng)機(jī)冷卻塔與傳統(tǒng)冷卻塔對(duì)比

經(jīng)過(guò)對(duì)比論證分析，改造決定采用用水動(dòng)風(fēng)機(jī)冷卻塔。

水泵富余揚(yáng)程為：H(富余)=H1(額定)-H2(出口)+H3(進(jìn)口)=23-14+1=10 m；系統(tǒng)富余壓力有10 m。

系統(tǒng)總回水量840 m3/h，富余壓力為10 m；通過(guò)計(jì)算分析，選用的水輪機(jī)參數(shù)為Q=800 m3/h，H=8 m。

改造后循環(huán)水泵電流不增加，冷卻效果則優(yōu)于冷卻塔原采用電機(jī)時(shí)的冷卻效果。

3.3 改造內(nèi)容

第一步，對(duì)進(jìn)水管路進(jìn)行改造，將水管路引入水動(dòng)風(fēng)機(jī)，再到布水器；在水動(dòng)風(fēng)機(jī)的進(jìn)水口和出水口之間加一個(gè)旁通，避免水壓過(guò)大損壞水動(dòng)風(fēng)機(jī)。第二步，將冷卻塔上的電機(jī)及減速機(jī)拆除，在原放置電機(jī)的地方安裝水輪機(jī)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況局部進(jìn)行改動(dòng)及調(diào)整。

冷卻塔中的風(fēng)筒在工業(yè)生產(chǎn)循環(huán)水系統(tǒng)中起改善通風(fēng)、降阻作用，將溫度較高的潮濕空氣送入空中，有效降低回流。對(duì)風(fēng)筒進(jìn)行改造，將普通型風(fēng)筒改為RC回轉(zhuǎn)型風(fēng)筒，使冷卻塔工作效率顯著提高。

如果水量過(guò)大或壓力過(guò)大，水動(dòng)風(fēng)機(jī)將超負(fù)荷工作，造成水動(dòng)風(fēng)機(jī)損壞。因此，在水動(dòng)風(fēng)機(jī)的進(jìn)水口和出水口之間增加一個(gè)細(xì)管作為旁通，細(xì)管上安裝一個(gè)小閥門，通過(guò)調(diào)節(jié)閥門，小部分水流不經(jīng)水動(dòng)風(fēng)機(jī)直接流入布水器入口，保證水動(dòng)風(fēng)機(jī)在額定工況下運(yùn)行。

3.4 改造效果

表2是水動(dòng)風(fēng)機(jī)冷卻塔改造前后的主要運(yùn)行數(shù)據(jù)(單塔)。

表2 水動(dòng)風(fēng)機(jī)冷卻塔改造前后的主要運(yùn)行數(shù)據(jù)(單塔)

從表2可以看出，改造后在風(fēng)機(jī)無(wú)電機(jī)的情況下，冷卻塔溫降效果明顯提升，各項(xiàng)運(yùn)行指標(biāo)良好，達(dá)到了節(jié)能的目的。

3.5 操作要求

定時(shí)檢查并補(bǔ)充循環(huán)水量，仔細(xì)檢查風(fēng)機(jī)葉片，冬季天氣寒冷時(shí)保持葉輪上不積雪。冷卻水池適當(dāng)進(jìn)行封閉防護(hù)，防止雜物掉入，并根據(jù)冷卻系統(tǒng)對(duì)水質(zhì)的要求，對(duì)水進(jìn)行軟化處理。

3.6 經(jīng)濟(jì)效益分析

冷卻塔改造效益估算如表3所示。

單臺(tái)冷卻塔改造水動(dòng)風(fēng)機(jī)需投資23.5萬(wàn)元，2臺(tái)47萬(wàn)元。冷卻塔每年維護(hù)保養(yǎng)及檢修時(shí)間按240 h計(jì)算，采用水動(dòng)風(fēng)機(jī)，兩臺(tái)冷卻塔每年節(jié)電30 kW×2臺(tái)×8 520 h=51.12萬(wàn)kWh，節(jié)電效果明顯。每千瓦時(shí)電價(jià)按0.40元計(jì)算，全年節(jié)省電費(fèi)支出51.12萬(wàn)kWh×0.40元/(kWh)=20.448萬(wàn)元，2.3年即可收回全部投資，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

表3 冷卻塔改造經(jīng)濟(jì)效果分析

4 結(jié)語(yǔ)

在冷卻塔上利用水動(dòng)風(fēng)機(jī)代替普通風(fēng)機(jī)電機(jī)對(duì)工業(yè)循環(huán)水進(jìn)行冷卻降溫，不僅提高了冷卻效果，而且降低了風(fēng)機(jī)電耗。由于水動(dòng)風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，設(shè)備維修費(fèi)用也相應(yīng)降低。實(shí)踐表明，利用水動(dòng)風(fēng)機(jī)對(duì)冷卻塔進(jìn)行改造，是企業(yè)降本增效的一個(gè)有效方法。

[1] 金鐘元.水力機(jī)械(第二版)[M].北京：中國(guó)水利水電出版社，1992.

[2] 于波，肖惠民. 水輪機(jī)原理與運(yùn)行[M]. 北京：中國(guó)電力出版社，2008.