冷卻塔節(jié)能改造探究

李 濤

（國家能源集團煤焦化有限責(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)能改造是用水輪機取代原有冷卻塔電動機， 用水輪機取代電動機作為冷卻塔風(fēng)機動力源， 水輪機的工作動力來自循環(huán)水泵所具有的設(shè)計能量及循環(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行二次利用。

循環(huán)水冷卻塔的作用就是通過將循環(huán)水系統(tǒng)換熱后的熱回水進入塔頂部，經(jīng)過塔內(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過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)過循環(huán)水泵加壓再次送至各個工段換熱器繼續(xù)為工藝介質(zhì)降溫， 各類水耗損失通過循環(huán)水系統(tǒng)補充水來解決， 以保證各系統(tǒng)的正常運行。

傳統(tǒng)循環(huán)水冷卻塔冷卻風(fēng)機由電動機驅(qū)動， 系統(tǒng)啟動后由電機帶動減速機， 經(jīng)減速和變向帶動冷卻塔冷卻風(fēng)機葉片， 將冷卻塔周邊的空氣經(jīng)由冷卻塔底部抽吸進入塔內(nèi)， 空氣與熱循環(huán)水換熱后在離心力的作用下快速流動，經(jīng)風(fēng)筒向上排散。 風(fēng)筒為玻璃鋼拼裝而成，通過粘接防滲漏處理，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)機運行時的風(fēng)口形成，從而保證冷卻塔的運行效率。

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)水輸送至各個工段， 所以必然存在一定的富余能量即富余壓力，在運行時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。 水輪機的應(yīng)用就是利用這些富余能量轉(zhuǎn)換為高效機械能， 對冷卻塔風(fēng)機做功， 從而100%取代電動機對冷卻塔風(fēng)機的驅(qū)動，達到節(jié)電目的。

冷卻塔節(jié)能改造是符合我國水輪機行業(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，改造后水輪機的輸出軸直接與風(fēng)機相連而帶動其旋轉(zhuǎn)， 達到節(jié)能目的，由于取消了電機和減速器，公司的運行維護成本大大降低，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)能降耗是我國現(xiàn)階段的一個基本國策， 現(xiàn)階段要以科學(xué)發(fā)展觀為指向推動市場化改革， 來改善我們的生態(tài)環(huán)境和資源的經(jīng)濟補償體系， 并且把我國的貿(mào)易和投資的激勵機制轉(zhuǎn)變到鼓勵、研發(fā)和自主創(chuàng)新上來，轉(zhuǎn)變到鼓勵節(jié)能降耗降耗上來， 轉(zhuǎn)變到鼓勵降低成本、 提高效率、提高經(jīng)濟的總要素生產(chǎn)率的增長方向上來。

冷卻塔廣泛應(yīng)用于國民經(jīng)濟的許多部門，如電力、石油、化工、鋼鐵和輕紡等。 工業(yè)生產(chǎn)或制冷工藝過程中產(chǎn)生的廢熱，一般要用冷卻水來導(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。當不具備直流冷卻條件時，則需要用冷卻塔來冷卻。 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， 我國目前國內(nèi)機械通風(fēng)式冷卻塔總循環(huán)水量超過22 億噸，僅風(fēng)機電機的電耗每年近8000 億度。 按存量傳統(tǒng)塔50%可實施改造測算， 每年節(jié)電4000 億度，相當于每年節(jié)煤1.4 億噸，年碳排量減少3.7 億噸。 冷卻塔風(fēng)機節(jié)能技改項目對于節(jié)約企業(yè)成本，提高企業(yè)效益，保護自然環(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， 不僅是一個利國利民的行業(yè)，還是一個有著廣闊市場的行業(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，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；循環(huán)水系統(tǒng)冷卻塔由380V、160kw 電動機驅(qū)動，冷卻塔自安裝運行以來，電動機常年運行，電能消耗較大，增加生產(chǎn)成本，對某公司2 臺冷卻塔電動風(fēng)機進行節(jié)能改造探究，以降低循環(huán)水系統(tǒng)的能耗，同時達到節(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：FNH-3500×2，單塔處理水量：3500m3/h，單塔外型尺寸：18.0×18.0m，風(fēng)機類別：玻璃鋼軸流風(fēng)機，風(fēng)機直徑：Φ8500mm，風(fēng)機軸功率：139.01kW，配用電機功率：160kW，冷卻塔年運行時間：8000 小時以上。

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)是通過水泵來驅(qū)動的。 在設(shè)計循環(huán)水系統(tǒng)時水泵的揚程和流量都有一定的富余。 水輪機的工作動力來自循環(huán)水泵所具有的余壓，該余壓是在系統(tǒng)設(shè)計時必須留有的。水輪機回收冷卻塔技術(shù)，就是在循環(huán)水冷卻塔安裝水輪機來帶動風(fēng)機轉(zhuǎn)動，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)水回水進入冷卻塔布水系統(tǒng)霧化冷卻，在整個系統(tǒng)運行中，水流在進入冷卻塔布水系統(tǒng)時剩余大量動能， 其多余動能在冷卻塔內(nèi)布水后浪費掉，若是能將這部分動能利用起來，將水動能轉(zhuǎn)化為機械能從而驅(qū)動風(fēng)機運轉(zhuǎn)，將使整個冷卻系統(tǒng)運行成本大大降低。

水輪機是把水流的能量轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)機械能的動力機械設(shè)備，它屬于流體機械中的透平機械，現(xiàn)代水輪機大多數(shù)安裝在水電站內(nèi)，用來驅(qū)動發(fā)電機發(fā)電，同時越來越多的水輪機被廣泛應(yīng)用在化工領(lǐng)域， 利用水輪機取代冷卻塔電機、聯(lián)軸節(jié)、減速機作為風(fēng)機動力源，使冷卻塔風(fēng)機由原來的電力驅(qū)動改為水力驅(qū)動。 水輪機的工作動力完全來自于循環(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，達到節(jié)能降耗目的[4]。

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

3.2 改造可行性計算

3.2.1 水輪機輸出軸功率計算[1]

式中：g—重力加速度（9.8m/s2）；Q—單臺水輪風(fēng)機通過流量（m3/s）；H—水輪機入口水頭14.83m（最大考慮）（水輪機設(shè)計手冊）；η—水輪機效率90%（水輪機設(shè)計手冊）。

3.2.2 原電動機風(fēng)機減速機輸出軸功率計算[2]

式中：P電機—原冷卻塔配套電機額定功率160kW；η電機效率—電機效率95%（風(fēng)機手冊查得95%）；η運行功率—電機實際運行功率為額定功率的85%～90%（按90%計）；η傳動軸—傳動軸效率（據(jù)機械設(shè)計手冊查得98%）；η減速機—減速機效率（據(jù)機械設(shè)計手冊查得91%）。

3.2.3 水輪機風(fēng)機與電動風(fēng)機輸出軸功率比較

水輪機風(fēng)機P1≈127.167kw， 原電動機風(fēng)機P2≈121.998kW，即：P1>P2

冷卻塔的熱能交換能力主要由氣水比來決定， 多少質(zhì)量/流量的熱水用多少質(zhì)量/流量的空氣進行熱交換，即可實現(xiàn)冷卻塔的預(yù)期溫降。 某化工廠現(xiàn)有冷卻塔是用電動機驅(qū)動，如果改用水輪機對冷卻塔進行節(jié)能改造，那么水輪機的軸功率相同或者大于電機功率即可實現(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，將原冷卻塔電動機更換為水輪機，水輪機風(fēng)機使用的風(fēng)葉為原電動機風(fēng)機風(fēng)葉，系統(tǒng)采用循環(huán)水系統(tǒng)富余水壓驅(qū)動水輪機風(fēng)機運行，水輪機風(fēng)機的輸出軸功率大于原電動機風(fēng)機輸出軸功率，由此理論推斷，該循環(huán)水系統(tǒng)冷卻塔風(fēng)機驅(qū)動裝置由電動機改為水輪機節(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、電機，在冷卻塔風(fēng)筒內(nèi)原減速機位置安裝水輪機， 并配套原風(fēng)機；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入口接通， 系統(tǒng)回水通過冷卻塔頂部進入新改水輪機入口管帶動風(fēng)機旋轉(zhuǎn)通風(fēng)降溫； 水輪機出水管與冷卻塔內(nèi)原布水系統(tǒng)接通， 出水經(jīng)管道進入冷卻塔內(nèi)原布水系統(tǒng)進行霧化冷卻,如圖1 所示。 為了保證改造后水輪機運行更平穩(wěn)， 需要在水輪機進水端和出水端都要安裝軟連接；為了更好的監(jiān)測水輪機的運行狀態(tài)，在水輪機的進水端和出水端可以加裝壓力變送器、 測振探頭和轉(zhuǎn)速檢測等儀表， 將現(xiàn)場運行參數(shù)遠傳至該公司中央控制室DCS 系統(tǒng)，系統(tǒng)運行人員可隨時監(jiān)控水輪機運行情況[3]。

圖1 冷卻塔改造圖

本次改造預(yù)計投資費用, 包括新增水輪機設(shè)備費用、新增閥門、管道、施工及試運轉(zhuǎn)等各項費用。循環(huán)回水先通過水輪機做功后再進入冷卻塔配水系統(tǒng)，調(diào)整循環(huán)水供水、回水壓力，小流量進水、試漏、沖洗管道、沖洗水輪機、水輪機低負荷試運行，磨合水輪機、水輪機試運轉(zhuǎn)合格后正式投入運行。改造前后循環(huán)水系統(tǒng)水量、壓力平穩(wěn)無變化，循環(huán)水泵負荷無增加；水輪機運行穩(wěn)定，各項參數(shù)正常；改造對生產(chǎn)無不利影響，即可達到預(yù)期節(jié)能改造目標。

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

4 冷卻塔節(jié)能改造效益估算及優(yōu)點

（1）節(jié)省電費估算。某公司兩臺冷卻塔電動風(fēng)機節(jié)能改造（原風(fēng)機電動機160kW），按冷卻塔風(fēng)機電動機年運行時間8000h，電費按0.63 元/度進行計算（電價按工業(yè)用電標準），原冷卻塔電動風(fēng)機年運行總電費為142 萬元。

（2）投資收益估算。 某公司冷卻塔節(jié)能改造，采用水輪機代替?zhèn)鹘y(tǒng)電動機驅(qū)動運行，冷卻塔節(jié)能改造后，日常維護費用、電費等運行成本均降低。 改造后，每年節(jié)省電費142 萬元，冷卻塔節(jié)能改造水輪機及閥門、管道等預(yù)計投資200 萬元，預(yù)計17 個月左右即可收回投資成本。

（3）安全環(huán)保優(yōu)點[5]。水輪機結(jié)構(gòu)合理，運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，可靠性高，為安全持續(xù)運行提供了保證。而且，以水輪機代替電機、減速器和傳動部分，自然減少故障點，電機、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，對于水輪機來講這些故障的絕大多數(shù)故障源都不再存在。 同時因取消了電機和減速機，降低了冷卻塔運行時機械噪音，且水輪機的能量轉(zhuǎn)換是在水流道內(nèi)完成的，控制湍振的雷諾數(shù)，使水輪機不會發(fā)出干擾的噪音，水輪機冷卻塔噪音比傳統(tǒng)冷卻塔噪音降低10%左右。

（4）使用壽命長。 水輪機結(jié)構(gòu)簡單，運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，水輪機結(jié)構(gòu)簡單，技術(shù)成熟可行，整體設(shè)計工作壽命為15 年以上。 水輪機殼體為鑄造與焊接混合結(jié)構(gòu)，焊接鋼板為含錳量3.5%的進口鍋爐專用鋼板，長時間使用不易銹蝕，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)動部分的封裝為一次性壓模加工成型， 使轉(zhuǎn)動部分與水輪機水室中的水隔絕開，在上述技術(shù)條件的保障之下，水輪機可以做到免維護地運轉(zhuǎn)， 使冷卻塔可以很長時間無故障運行，這樣，不僅為節(jié)省了大筆的電費支出，還節(jié)省了維護、更換冷卻塔電機和減速器的費用和人力。

（5）改造工程量少。 水輪機改造對任何形式的冷卻塔都適用，在老塔更新改造時具有明顯優(yōu)勢，安裝簡單，不破壞原有結(jié)構(gòu)，不需要重做設(shè)備基礎(chǔ)，不需大量場地，比新購買安裝省去很多麻煩， 且可在以后的使用中做到零電費和零維護費運行。

（6）后期維護成本低。 水輪機風(fēng)機冷卻塔幾乎無維修可能， 由于水輪機是靠循環(huán)水系統(tǒng)內(nèi)的富余壓力來驅(qū)動水輪機轉(zhuǎn)動，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；水輪機不用電，且質(zhì)量輕，維修人員高處作業(yè)時不再為起吊卸下電動機、減速器而為難，增加了冷卻塔的運行安全性。

（7）操作簡單。 改造后的水輪機風(fēng)機冷卻塔，其系統(tǒng)中原有直接進水管道及閥門， 改造后設(shè)置有新增旁通進水管道及閥門。 冷卻塔在正常運行時，將原來進水系統(tǒng)關(guān)閉，回水全部由新增旁通水管進入水輪機驅(qū)動風(fēng)機運行；冬季溫度較低時，可將原有進水閥門適當打開，讓部分熱回水直接進入塔內(nèi)布水系統(tǒng)，讓水輪機風(fēng)機轉(zhuǎn)速降低，避免冷卻塔水溫過低影響循環(huán)水系統(tǒng)內(nèi)換熱設(shè)備正常運行。 當需要臨時對單臺水輪機進行檢修時，可以通過關(guān)閉新增旁通閥門，冷卻水直接進入原有冷卻塔系統(tǒng)，對水輪機進行檢修。

5 結(jié)論

通過冷卻塔節(jié)能改造， 水輪機回收循環(huán)水系統(tǒng)中的富余能量，將某公司兩臺冷卻塔風(fēng)機電動機改為水輪機，得出該公司在滿足正常生產(chǎn)前提下對冷卻塔進行節(jié)能改造是可行的，而且是符合國家節(jié)能降耗政策的，是響應(yīng)國家節(jié)能目標的， 可以實現(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， 經(jīng)過節(jié)能改造可以給企業(yè)帶來經(jīng)濟效益，而且還能為國家節(jié)能降耗做貢獻。