李 濤

（國(guó)家能源集團(tuán)煤焦化有限責(zé)任公司， 內(nèi)蒙古 烏海 016000）

0 引言

循環(huán)冷卻水系統(tǒng)是工業(yè)生產(chǎn)裝置的重要組成部分，冷卻塔是循環(huán)冷卻水系統(tǒng)中的一個(gè)基本單元， 也是高耗能設(shè)備之一， 冷卻塔的節(jié)能改造是用水輪機(jī)取代原有冷卻塔電動(dòng)機(jī)， 用水輪機(jī)取代電動(dòng)機(jī)作為冷卻塔風(fēng)機(jī)動(dòng)力源， 水輪機(jī)的工作動(dòng)力來(lái)自循環(huán)水泵所具有的設(shè)計(jì)能量及循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的富余壓力， 也就是將系統(tǒng)中的富余能量充分進(jìn)行二次利用。

循環(huán)水冷卻塔的作用就是通過(guò)將循環(huán)水系統(tǒng)換熱后的熱回水進(jìn)入塔頂部，經(jīng)過(guò)塔內(nèi)布水系統(tǒng)噴淋至填料層，增加水與空氣接觸，由蒸發(fā)散熱、接觸散熱和輻射散熱三個(gè)過(guò)程共同作用使得回水溫度降低， 冷卻后的循環(huán)水收集在循環(huán)水池中， 待投加循環(huán)水藥劑后經(jīng)過(guò)循環(huán)水泵加壓再次送至各個(gè)工段換熱器繼續(xù)為工藝介質(zhì)降溫， 各類水耗損失通過(guò)循環(huán)水系統(tǒng)補(bǔ)充水來(lái)解決， 以保證各系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

傳統(tǒng)循環(huán)水冷卻塔冷卻風(fēng)機(jī)由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)， 系統(tǒng)啟動(dòng)后由電機(jī)帶動(dòng)減速機(jī)， 經(jīng)減速和變向帶動(dòng)冷卻塔冷卻風(fēng)機(jī)葉片， 將冷卻塔周邊的空氣經(jīng)由冷卻塔底部抽吸進(jìn)入塔內(nèi)， 空氣與熱循環(huán)水換熱后在離心力的作用下快速流動(dòng)，經(jīng)風(fēng)筒向上排散。 風(fēng)筒為玻璃鋼拼裝而成，通過(guò)粘接防滲漏處理，風(fēng)筒垂直剖面為雙曲線型，其水平截面最小處為風(fēng)葉水平中心截面， 以確保冷卻風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的風(fēng)口形成，從而保證冷卻塔的運(yùn)行效率。

冷卻塔循環(huán)水系統(tǒng)中必須用循環(huán)水泵加壓將循環(huán)水輸送至各個(gè)工段， 所以必然存在一定的富余能量即富余壓力，在運(yùn)行時(shí)就把這些能量聚集在管道中，久而久之這些能量就白白地流失掉。 水輪機(jī)的應(yīng)用就是利用這些富余能量轉(zhuǎn)換為高效機(jī)械能， 對(duì)冷卻塔風(fēng)機(jī)做功， 從而100%取代電動(dòng)機(jī)對(duì)冷卻塔風(fēng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)，達(dá)到節(jié)電目的。

冷卻塔節(jié)能改造是符合我國(guó)水輪機(jī)行業(yè)發(fā)展的行業(yè)背景，該技術(shù)成熟可靠，具有廣泛的應(yīng)用前景，改造后水輪機(jī)的輸出軸直接與風(fēng)機(jī)相連而帶動(dòng)其旋轉(zhuǎn)， 達(dá)到節(jié)能目的，由于取消了電機(jī)和減速器，公司的運(yùn)行維護(hù)成本大大降低，節(jié)省了日常成本，因此循環(huán)水冷卻系統(tǒng)冷卻塔節(jié)能降耗改造意義十分重大。

1 改造背景

節(jié)能降耗是我國(guó)現(xiàn)階段的一個(gè)基本國(guó)策， 現(xiàn)階段要以科學(xué)發(fā)展觀為指向推動(dòng)市場(chǎng)化改革， 來(lái)改善我們的生態(tài)環(huán)境和資源的經(jīng)濟(jì)補(bǔ)償體系， 并且把我國(guó)的貿(mào)易和投資的激勵(lì)機(jī)制轉(zhuǎn)變到鼓勵(lì)、研發(fā)和自主創(chuàng)新上來(lái)，轉(zhuǎn)變到鼓勵(lì)節(jié)能降耗降耗上來(lái)， 轉(zhuǎn)變到鼓勵(lì)降低成本、 提高效率、提高經(jīng)濟(jì)的總要素生產(chǎn)率的增長(zhǎng)方向上來(lái)。

冷卻塔廣泛應(yīng)用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)的許多部門，如電力、石油、化工、鋼鐵和輕紡等。 工業(yè)生產(chǎn)或制冷工藝過(guò)程中產(chǎn)生的廢熱，一般要用冷卻水來(lái)導(dǎo)走。 從江、 河、湖、海等天然水體中汲取一定量的水作為冷卻水， 冷卻工藝設(shè)備吸取廢熱使水溫升高，再排入江、河、湖、海，這種冷卻方式稱為直流冷卻。當(dāng)不具備直流冷卻條件時(shí)，則需要用冷卻塔來(lái)冷卻。 冷卻塔的作用是將攜帶廢熱的冷卻水在冷卻塔內(nèi)與空氣進(jìn)行熱交換，使廢熱傳輸給空氣并散入大氣，冷卻塔在各行各業(yè)中都被廣泛地應(yīng)用著。

據(jù)統(tǒng)計(jì)， 我國(guó)目前國(guó)內(nèi)機(jī)械通風(fēng)式冷卻塔總循環(huán)水量超過(guò)22 億噸，僅風(fēng)機(jī)電機(jī)的電耗每年近8000 億度。 按存量傳統(tǒng)塔50%可實(shí)施改造測(cè)算， 每年節(jié)電4000 億度，相當(dāng)于每年節(jié)煤1.4 億噸，年碳排量減少3.7 億噸。 冷卻塔風(fēng)機(jī)節(jié)能技改項(xiàng)目對(duì)于節(jié)約企業(yè)成本，提高企業(yè)效益，保護(hù)自然環(huán)境具有重要意義。龐大的數(shù)字顯示，冷卻塔節(jié)能改造行業(yè)的前景與規(guī)模巨大， 不僅是一個(gè)利國(guó)利民的行業(yè)，還是一個(gè)有著廣闊市場(chǎng)的行業(yè)。

某化工廠工藝循環(huán)水系統(tǒng)規(guī)模為7000m3/h， 有冷卻塔2 臺(tái)，單塔冷卻能力3500m3/h，采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、玻璃鋼塔體圍護(hù)；循環(huán)水系統(tǒng)冷卻塔由380V、160kw 電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，冷卻塔自安裝運(yùn)行以來(lái)，電動(dòng)機(jī)常年運(yùn)行，電能消耗較大，增加生產(chǎn)成本，對(duì)某公司2 臺(tái)冷卻塔電動(dòng)風(fēng)機(jī)進(jìn)行節(jié)能改造探究，以降低循環(huán)水系統(tǒng)的能耗，同時(shí)達(dá)到節(jié)能降耗目的。

2 冷卻塔設(shè)備基本數(shù)據(jù)

冷卻塔基本數(shù)據(jù)如下：

塔型號(hào)：FNH-3500×2，單塔處理水量：3500m3/h，單塔外型尺寸：18.0×18.0m，風(fēng)機(jī)類別：玻璃鋼軸流風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)直徑：Φ8500mm，風(fēng)機(jī)軸功率：139.01kW，配用電機(jī)功率：160kW，冷卻塔年運(yùn)行時(shí)間：8000 小時(shí)以上。

3 冷卻塔設(shè)備節(jié)能改造

3.1 改造必要性

工業(yè)冷卻水在熱交換設(shè)備和冷卻塔之間的循環(huán)是通過(guò)水泵來(lái)驅(qū)動(dòng)的。 在設(shè)計(jì)循環(huán)水系統(tǒng)時(shí)水泵的揚(yáng)程和流量都有一定的富余。 水輪機(jī)的工作動(dòng)力來(lái)自循環(huán)水泵所具有的余壓，該余壓是在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)必須留有的。水輪機(jī)回收冷卻塔技術(shù)，就是在循環(huán)水冷卻塔安裝水輪機(jī)來(lái)帶動(dòng)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而起到了利用管道中多余的水能、 調(diào)整管道中的水流量以及改善水泵的工作狀態(tài)等效果。

某公司化工系統(tǒng)循環(huán)水回水進(jìn)入冷卻塔布水系統(tǒng)霧化冷卻，在整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行中，水流在進(jìn)入冷卻塔布水系統(tǒng)時(shí)剩余大量動(dòng)能， 其多余動(dòng)能在冷卻塔內(nèi)布水后浪費(fèi)掉，若是能將這部分動(dòng)能利用起來(lái)，將水動(dòng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能從而驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，將使整個(gè)冷卻系統(tǒng)運(yùn)行成本大大降低。

水輪機(jī)是把水流的能量轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)機(jī)械能的動(dòng)力機(jī)械設(shè)備，它屬于流體機(jī)械中的透平機(jī)械，現(xiàn)代水輪機(jī)大多數(shù)安裝在水電站內(nèi)，用來(lái)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，同時(shí)越來(lái)越多的水輪機(jī)被廣泛應(yīng)用在化工領(lǐng)域， 利用水輪機(jī)取代冷卻塔電機(jī)、聯(lián)軸節(jié)、減速機(jī)作為風(fēng)機(jī)動(dòng)力源，使冷卻塔風(fēng)機(jī)由原來(lái)的電力驅(qū)動(dòng)改為水力驅(qū)動(dòng)。 水輪機(jī)的工作動(dòng)力完全來(lái)自于循環(huán)水系統(tǒng)的富余能量， 把原先循環(huán)水系統(tǒng)的能量回收并二次利用，達(dá)到節(jié)能降耗目的[4]。

綜上所述， 某公司冷卻塔系統(tǒng)進(jìn)行水輪機(jī)節(jié)能改造十分必要。

3.2 改造可行性計(jì)算

3.2.1 水輪機(jī)輸出軸功率計(jì)算[1]

式中：g—重力加速度（9.8m/s2）；Q—單臺(tái)水輪風(fēng)機(jī)通過(guò)流量（m3/s）；H—水輪機(jī)入口水頭14.83m（最大考慮）（水輪機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)）；η—水輪機(jī)效率90%（水輪機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)）。

3.2.2 原電動(dòng)機(jī)風(fēng)機(jī)減速機(jī)輸出軸功率計(jì)算[2]

式中：P電機(jī)—原冷卻塔配套電機(jī)額定功率160kW；η電機(jī)效率—電機(jī)效率95%（風(fēng)機(jī)手冊(cè)查得95%）；η運(yùn)行功率—電機(jī)實(shí)際運(yùn)行功率為額定功率的85%～90%（按90%計(jì)）；η傳動(dòng)軸—傳動(dòng)軸效率（據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)查得98%）；η減速機(jī)—減速機(jī)效率（據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)查得91%）。

3.2.3 水輪機(jī)風(fēng)機(jī)與電動(dòng)風(fēng)機(jī)輸出軸功率比較

水輪機(jī)風(fēng)機(jī)P1≈127.167kw， 原電動(dòng)機(jī)風(fēng)機(jī)P2≈121.998kW，即：P1>P2

冷卻塔的熱能交換能力主要由氣水比來(lái)決定， 多少質(zhì)量/流量的熱水用多少質(zhì)量/流量的空氣進(jìn)行熱交換，即可實(shí)現(xiàn)冷卻塔的預(yù)期溫降。 某化工廠現(xiàn)有冷卻塔是用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，如果改用水輪機(jī)對(duì)冷卻塔進(jìn)行節(jié)能改造，那么水輪機(jī)的軸功率相同或者大于電機(jī)功率即可實(shí)現(xiàn)， 而且冷卻塔的結(jié)構(gòu)、外形、尺寸、冷卻原理都不需改變。

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果， 在循環(huán)水系統(tǒng)工況不變的情況下，將原冷卻塔電動(dòng)機(jī)更換為水輪機(jī)，水輪機(jī)風(fēng)機(jī)使用的風(fēng)葉為原電動(dòng)機(jī)風(fēng)機(jī)風(fēng)葉，系統(tǒng)采用循環(huán)水系統(tǒng)富余水壓驅(qū)動(dòng)水輪機(jī)風(fēng)機(jī)運(yùn)行，水輪機(jī)風(fēng)機(jī)的輸出軸功率大于原電動(dòng)機(jī)風(fēng)機(jī)輸出軸功率，由此理論推斷，該循環(huán)水系統(tǒng)冷卻塔風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置由電動(dòng)機(jī)改為水輪機(jī)節(jié)能改造是可行的。

3.3 具體改造內(nèi)容

某公司冷卻塔改造需要拆除冷卻塔原減速機(jī)、電機(jī)，在冷卻塔風(fēng)筒內(nèi)原減速機(jī)位置安裝水輪機(jī)， 并配套原風(fēng)機(jī)；把冷卻塔原上水管增加可調(diào)節(jié)閥門、新增旁通與新改水輪機(jī)入口接通， 系統(tǒng)回水通過(guò)冷卻塔頂部進(jìn)入新改水輪機(jī)入口管帶動(dòng)風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)通風(fēng)降溫； 水輪機(jī)出水管與冷卻塔內(nèi)原布水系統(tǒng)接通， 出水經(jīng)管道進(jìn)入冷卻塔內(nèi)原布水系統(tǒng)進(jìn)行霧化冷卻,如圖1 所示。 為了保證改造后水輪機(jī)運(yùn)行更平穩(wěn)， 需要在水輪機(jī)進(jìn)水端和出水端都要安裝軟連接；為了更好的監(jiān)測(cè)水輪機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，在水輪機(jī)的進(jìn)水端和出水端可以加裝壓力變送器、 測(cè)振探頭和轉(zhuǎn)速檢測(cè)等儀表， 將現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行參數(shù)遠(yuǎn)傳至該公司中央控制室DCS 系統(tǒng)，系統(tǒng)運(yùn)行人員可隨時(shí)監(jiān)控水輪機(jī)運(yùn)行情況[3]。

圖1 冷卻塔改造圖

本次改造預(yù)計(jì)投資費(fèi)用, 包括新增水輪機(jī)設(shè)備費(fèi)用、新增閥門、管道、施工及試運(yùn)轉(zhuǎn)等各項(xiàng)費(fèi)用。循環(huán)回水先通過(guò)水輪機(jī)做功后再進(jìn)入冷卻塔配水系統(tǒng)，調(diào)整循環(huán)水供水、回水壓力，小流量進(jìn)水、試漏、沖洗管道、沖洗水輪機(jī)、水輪機(jī)低負(fù)荷試運(yùn)行，磨合水輪機(jī)、水輪機(jī)試運(yùn)轉(zhuǎn)合格后正式投入運(yùn)行。改造前后循環(huán)水系統(tǒng)水量、壓力平穩(wěn)無(wú)變化，循環(huán)水泵負(fù)荷無(wú)增加；水輪機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定，各項(xiàng)參數(shù)正常；改造對(duì)生產(chǎn)無(wú)不利影響，即可達(dá)到預(yù)期節(jié)能改造目標(biāo)。

該公司兩臺(tái)冷卻塔水輪機(jī)節(jié)能改造，設(shè)備生產(chǎn)周期預(yù)計(jì)30 天，安裝周期大約10 天，預(yù)計(jì)工程總工期大約40 天左右。

4 冷卻塔節(jié)能改造效益估算及優(yōu)點(diǎn)

（1）節(jié)省電費(fèi)估算。某公司兩臺(tái)冷卻塔電動(dòng)風(fēng)機(jī)節(jié)能改造（原風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)160kW），按冷卻塔風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)年運(yùn)行時(shí)間8000h，電費(fèi)按0.63 元/度進(jìn)行計(jì)算（電價(jià)按工業(yè)用電標(biāo)準(zhǔn)），原冷卻塔電動(dòng)風(fēng)機(jī)年運(yùn)行總電費(fèi)為142 萬(wàn)元。

（2）投資收益估算。 某公司冷卻塔節(jié)能改造，采用水輪機(jī)代替?zhèn)鹘y(tǒng)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)運(yùn)行，冷卻塔節(jié)能改造后，日常維護(hù)費(fèi)用、電費(fèi)等運(yùn)行成本均降低。 改造后，每年節(jié)省電費(fèi)142 萬(wàn)元，冷卻塔節(jié)能改造水輪機(jī)及閥門、管道等預(yù)計(jì)投資200 萬(wàn)元，預(yù)計(jì)17 個(gè)月左右即可收回投資成本。

（3）安全環(huán)保優(yōu)點(diǎn)[5]。水輪機(jī)結(jié)構(gòu)合理，運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，可靠性高，為安全持續(xù)運(yùn)行提供了保證。而且，以水輪機(jī)代替電機(jī)、減速器和傳動(dòng)部分，自然減少故障點(diǎn)，電機(jī)、減速器等在溫度濕度大的環(huán)境中容易發(fā)生短路燒毀、 高溫腐蝕、漏電、打滑、磨損等故障，對(duì)于水輪機(jī)來(lái)講這些故障的絕大多數(shù)故障源都不再存在。 同時(shí)因取消了電機(jī)和減速機(jī)，降低了冷卻塔運(yùn)行時(shí)機(jī)械噪音，且水輪機(jī)的能量轉(zhuǎn)換是在水流道內(nèi)完成的，控制湍振的雷諾數(shù)，使水輪機(jī)不會(huì)發(fā)出干擾的噪音，水輪機(jī)冷卻塔噪音比傳統(tǒng)冷卻塔噪音降低10%左右。

（4）使用壽命長(zhǎng)。 水輪機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，水輪機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，技術(shù)成熟可行，整體設(shè)計(jì)工作壽命為15 年以上。 水輪機(jī)殼體為鑄造與焊接混合結(jié)構(gòu)，焊接鋼板為含錳量3.5%的進(jìn)口鍋爐專用鋼板，長(zhǎng)時(shí)間使用不易銹蝕，葉輪為精鑄成型并經(jīng)退火消除應(yīng)力后再作平衡調(diào)整。 轉(zhuǎn)動(dòng)部分的封裝為一次性壓模加工成型， 使轉(zhuǎn)動(dòng)部分與水輪機(jī)水室中的水隔絕開，在上述技術(shù)條件的保障之下，水輪機(jī)可以做到免維護(hù)地運(yùn)轉(zhuǎn)， 使冷卻塔可以很長(zhǎng)時(shí)間無(wú)故障運(yùn)行，這樣，不僅為節(jié)省了大筆的電費(fèi)支出，還節(jié)省了維護(hù)、更換冷卻塔電機(jī)和減速器的費(fèi)用和人力。

（5）改造工程量少。 水輪機(jī)改造對(duì)任何形式的冷卻塔都適用，在老塔更新改造時(shí)具有明顯優(yōu)勢(shì)，安裝簡(jiǎn)單，不破壞原有結(jié)構(gòu)，不需要重做設(shè)備基礎(chǔ)，不需大量場(chǎng)地，比新購(gòu)買安裝省去很多麻煩， 且可在以后的使用中做到零電費(fèi)和零維護(hù)費(fèi)運(yùn)行。

（6）后期維護(hù)成本低。 水輪機(jī)風(fēng)機(jī)冷卻塔幾乎無(wú)維修可能， 由于水輪機(jī)是靠循環(huán)水系統(tǒng)內(nèi)的富余壓力來(lái)驅(qū)動(dòng)水輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，即不是化學(xué)作用也不是電能作用，所以它損壞的概率極小；水輪機(jī)不用電，且質(zhì)量輕，維修人員高處作業(yè)時(shí)不再為起吊卸下電動(dòng)機(jī)、減速器而為難，增加了冷卻塔的運(yùn)行安全性。

（7）操作簡(jiǎn)單。 改造后的水輪機(jī)風(fēng)機(jī)冷卻塔，其系統(tǒng)中原有直接進(jìn)水管道及閥門， 改造后設(shè)置有新增旁通進(jìn)水管道及閥門。 冷卻塔在正常運(yùn)行時(shí)，將原來(lái)進(jìn)水系統(tǒng)關(guān)閉，回水全部由新增旁通水管進(jìn)入水輪機(jī)驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)運(yùn)行；冬季溫度較低時(shí)，可將原有進(jìn)水閥門適當(dāng)打開，讓部分熱回水直接進(jìn)入塔內(nèi)布水系統(tǒng)，讓水輪機(jī)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速降低，避免冷卻塔水溫過(guò)低影響循環(huán)水系統(tǒng)內(nèi)換熱設(shè)備正常運(yùn)行。 當(dāng)需要臨時(shí)對(duì)單臺(tái)水輪機(jī)進(jìn)行檢修時(shí)，可以通過(guò)關(guān)閉新增旁通閥門，冷卻水直接進(jìn)入原有冷卻塔系統(tǒng)，對(duì)水輪機(jī)進(jìn)行檢修。

5 結(jié)論

通過(guò)冷卻塔節(jié)能改造， 水輪機(jī)回收循環(huán)水系統(tǒng)中的富余能量，將某公司兩臺(tái)冷卻塔風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)改為水輪機(jī)，得出該公司在滿足正常生產(chǎn)前提下對(duì)冷卻塔進(jìn)行節(jié)能改造是可行的，而且是符合國(guó)家節(jié)能降耗政策的，是響應(yīng)國(guó)家節(jié)能目標(biāo)的， 可以實(shí)現(xiàn)構(gòu)建節(jié)約型和可持續(xù)發(fā)展的模式的節(jié)能降耗目標(biāo)， 經(jīng)過(guò)節(jié)能改造可以給企業(yè)帶來(lái)經(jīng)濟(jì)效益，而且還能為國(guó)家節(jié)能降耗做貢獻(xiàn)。