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1、冷却塔风机驱动方式节能改造焦作煤业（集团）开元化工有限公司 程秉国摘要：循环水冷却塔原有的电动机减速机传动风叶，改造为水轮机为动力，不使用电动机，起到节电效果。关键词：循环水冷却塔、水轮机、节能。一、 概述为节能减排，省去现有机械通风冷却塔风机配用的电动机，利用循环冷却水的富余能量来推动水轮机带动风机转动，达到风机的设计转速和风量，替代了风机电机。自2005年起，设计开发研制了第一代水动风机冷却塔专用的双击式水轮机。由2006年8月研制成功，在应用于机械通风冷却塔的改造中，获得了较好的节能与综合效益，并由2006年9月28日在南京召开“水动风机冷却塔”鉴定会。鉴定意见第2条为：“利用循环冷却水
2、的富余水头来推动水轮机驱动风机旋转，达到设计转速和风量，省去了风机配用的电动机，属国内外首创；已研制开发成功并应用于冷却塔的小型低速、高效、新颖双击式水轮机处于国内领先，主要经济技术指标达到国际先进水平”，得到专家和用户的好评。二、 改造的目的及意义水动风机冷却塔省去了风机配用的电机及附属设备，对机械通风冷却塔来说是一次大的改革和创新；研究开发应用于冷却塔的水轮机推动风机转动，达到设计转速的新颖小型水轮机本身又是一个创新。“十二五”计划中继续深化改革的核心是创新，因此小型新颖水轮机的研发和水动风机冷却塔的应用是一个改革创新的过程。而创新过程具有较高的难度和技术含量，创新就是走前人没有走过的“路
3、”。循环冷却水（塔）的能耗主要为水泵的能耗和风机配用电机的能耗两部分。而水泵提升的扬程中，考虑到循环水系统中各种因数，至少存在5m以上（有的高达10多m）的富余水头，在日常运行中这部分富余水头未被利用，白白地浪费了，成了没有做功被损耗的能量；而另一方面为使风机达到设计的转速和风量，需配用电机来带动风机转动，必然增加电耗。现研制开发的新型小型的水轮机，利用水泵已有的富余水头驱动水轮机旋转，带动风机达到设计的转速和风量而省去配用的电机及附属设备，由于水轮机的使用节省了风机电机及传动装置的能耗，同时提高了传动效率，这就是研制小型水轮机的出发点和目的所在。目前除部分火力热电采用双曲线自然通风冷却塔之外
4、，绝大部分为机械通风冷却塔，均配有风机电机。如一个大型化肥厂，如果循环冷却水量为5万m3/h，则需要冷却水量为3000 m3/h17台t=10塔，每台风机配用的电机功率为132kw，则总功率为171320.865（效率）=1941.06kw，一天24h的电耗为46585.44度，电费以每度为0.7元计，则每天的电费为32609.81元，每年运行的时间为280天计，则每年耗电为1304.39万度，折913.07万元，如采用水轮机，每年可节省耗电为1304.39万度，节省913.07万元，相当于标煤4565吨。那么10年节电13043.9万度，节省经费9130.7万元。这是一个较大型化肥企业的核算
5、，那么全国的化肥企业、石油、冶金（钢铁）、纺织化纤、造纸、制药、民用等，如果把机械通风冷却塔加以改造并在新塔中采用水动风机冷却塔，则节能减排量是十分巨大可观的，这就是研制开发新颖小型水轮机的意义所在。循环冷却水（塔）的能耗主要为水泵的能耗和风机配用电机的能耗两部分。而水泵提升的扬程中，考虑到循环水系统中各种因数，至少存在5m以上（有的高达10多m）的富余水头，在日常运行中这部分富余水头未被利用，白白地浪费了，成了没有做功被损耗的能量；而另一方面为使风机达到设计的转速和风量，需配用电机来带动风机转动，必然增加电耗。现研制开发的新型小型的水轮机，利用水泵已有的富余水头驱动水轮机旋转，带动风机达到设
6、计的转速和风量而省去配用的电机及附属设备，由于水轮机的使用节省了风机电机及传动装置的能耗，同时提高了传动效率，这就是研制小型水轮机的出发点和目的所在。三、 水轮机的特点及改造后的节能效果水动风机冷却塔的优特点之一是：原冷却塔的塔体、内部结构、构造及组成顺序、风机、布水系统等均保持不变；前述的机械通风冷却塔的八大方面优点全部保存，还增加了新的优点（在“综合效益”中再述）。不同点为：取消了原冷却塔配用的风机电机、电机的减速装置系统和传动轴；增加了设在风机下部的联轴水轮机和进水管位置（对逆流塔来说，原进水水管设在塔正中的立管进水，现改为塔处立管在风筒处（风机下部）与风筒垂直（即水平方向）进水。可见，
7、对于老塔改造来说，工作量较少、工期短、上马快、基本上不影响生产和运行。特别是多台塔轮流改造更较为安全。实例证明，对老塔的改造是成功的，只要水泵的富余水头满足要求，所有抽风式机械通风冷却塔都可以进行改造。对于省去原风机配用的电机来说，改造后的冷却塔，其节省能耗为100%，而冷却塔的风机转速、风量、水的冷却效果等，均符合和达到原冷却塔设计的规定值。可见，在新塔中都可采用水轮机替代风机电机，只要利用5m左右 的富余水头，冷却塔都是节能的，节能率一般都达到50%左右。对于水泵富余水头足够的冷却塔，利用水轮机能量回收技术进行改造而省去风机配用的电机，达到风机100%的节能，那么不同冷却水量和不同t的塔需
8、要多少水头（H）才能满足风机的轴功率（N）值呢，它与较多因素有关，现取气水比值作为计算的依据。低温塔按气水气比入=0.65计算，中温塔按气水气比入=0.85计算，此气水比值都在设计规定的范围内。风机轴功率（N）所需要的水头（H）的计算式为：H=N/(9.8Q.) （1-1）式中：H-风机轴功率所需要的水头（m）；N-风机轴功率（KW） Q-冷却水流量（m3/s） -水轮机效率（%）计算结果见表1-2，可供老塔改造时参考，无论是低温塔还是中温塔，改造时需要多少水头，可进行计算确定。老塔中有风机配用电机的功率，按传动方式及其效率换算成风机轴功率，再按式（1-1）计算其H值，式中为水轮机效率，超低比
9、速混流式水轮机的效率表1-2按0.86计算。根据具体情况在此范围内选值。计算结果再结合塔的具体结构尺寸情况进行分析，然后决定该塔能否进行改造。 不同冷却水量老塔改造所需要的水头 表1-2冷却水量（Q）m3/h (m3/s)低温塔（t=5,=0.65）中温塔（t=10,=0.85）设计风量G(万m3/h)风机轴功率N（kw）水轮机做功需要水头H(m)设计风量G(万m3/h)风机轴功率N（kw）水轮机做功需要水头H(m)100 (0.0278)6.51.496.347.391.697.2200 (0.0556)133.196.814.83.637.7300 (0.0833)19.54.96.982
10、2.175.587.9400 (0.1111)266.637.129.57.58.0500 (0.139)32.58.57.2536.9610.458.2600 (0.1667)3910.327.3444.3511.598.2750（0.2083）48.813.067.4355.4314.498.21000 (0.278)56.5221.29.0573.930.4212.982000 (0.556)113.0444.09.38147.8362.5013.043000 (0.833)169.668.39.7222091.6713.064000 (1.111)226.194.2610.062961
11、2313.145000 （1.389）282.6125.610.73369.615413.26水泵不仅存在富余水头，还或多或少存在一定的富余水量。如按设计的气象参数进行设计计算，冷却水量1700m/h或1800m/h就够了，但采用的往往是2000m/h的塔，富余200300m/h，它的作用主要用来夏季某一时段冷却水温达不到设计的t值。用富余水量来补充吸收被冷却设备的热量，那么当富余水头（H）不够时，根据水泵特性曲线（图1-7）的性能，是否可适当地减少富余水量来提高H值，补充富余水头的不足对老塔进行改造。如图1-7所示。图1-7 水泵与管道特性曲线图1-7中，H0为水泵的净扬程，当冷却塔冷却水量
12、为QA（包括富余水量在内）时，包括管路系统水头损失在内，水泵的扬程为HA。先用闸阀调节（关小闸阀）减少了富余水量Q，减小了水泵功率N，增加了水泵扬程H，即水泵扬程从HA升高到HB。把增加的H值用来补充富余水头的不足，来驱动水轮机旋转，带动风机转动，使风机达到设计的转速和风量，保证水的冷却效果。用适当的减少富余水量，增加H值来补充富余水头的不足，是可能和可行的。在已改造的老塔中，有较多台的塔采用此法进行改造，均获得了成功。但应遵守以下的两条基本原则：一是流量的调节应满足在此水泵的高效段范围内，如图1-7中水泵特性曲线的二条波折线（S）内，波折线范围内表示为水泵的高效工作区段。如果流量调节落在波折
13、线之外，则效率降低，很不经济；二是富余流量减少后，不影响夏天某一时段达不到设计的t值时，补充吸收被冷却设备热量所需要的水量。焦煤开元化工公司现有1#、2#、3#、4#共4台循环水冷却塔，分为1#、2#水池， 1#水池用4#冷却塔风机、2#水池共用1#、2#、3#冷却塔风机，单台冷却塔处理水量：3000m3/h；电机额定功率：132KW，额定电流为238A，日常运行电流为190A，所以电机运行有效功率为80%，所以两台电机每天所消耗的电量为：132KW*80%*2台*24h=5068.8kwh；电费单价按照开元公司结算电价0.604元/度计算，每天支出电费为5068.8KWh*0.604=306
14、1.5元。每年能为公司节约111.7万左右。改造现场图片：检测报告：四、 推广与结论n 节能效益明显 改造后冷却塔温降保持不变，水泵功率不增加，以水轮机取代风机电机，改电力驱动为水力驱动，完全省去电机的能耗， 100%节电。n 环保效果良好 水动风机冷却塔省去了风机电机及减速箱，大大降低冷却塔的震动和噪声，减少对环境的污染；n 日常维护减轻水轮机对传统机械通风冷却塔改造以后去掉了电机、联轴节、减速机，这样大大减轻了冷却塔的日常维护工作。n 运行更为安全 改造以后，冷却塔上无任何电气设备，杜绝了漏电漏油现象，满足了任何防爆环境的安全运行需要。n 运行高效 随着季节的变化，水动风机的转速随着水的压
15、力的增减而增减，风量也随之增减，使冷却塔的气水比稳定在最佳的状态，以达到冷却的最佳效果。n 具有通用性 水动风机可应用于所有机械通风冷却塔循环水系统，并能对所有类型的传统电机冷却塔进行节能改造。n 节能技改后，设备运行稳定，维护成本降低；n 为公司降低了能源消耗，节约了运行成本；n 在公司领导科学决策下，企业践行科学发展观，以实际行动支持国家节能减排政策，为国家节能减排事业做出了企业应有的贡献。同时也为企业带来了实实在在的好处。水动风机冷却塔作为创新性、节能型、环保型的产品，应该说，其前途是大有作为的，这可从以下数据来加以说明：冶金（钢铁）、石化及化工化肥、发电、纺织、制药、造纸、服务行业等是
16、循环冷却水的大户。就钢铁行业前十五位集团公司来说，循环冷却水约达895万m/h；石化前10家上市公司循环冷却水达465万m/h；造纸公司前10家循环冷却水达25万m/h；纺织（含化纤、印染）前10名循环冷却水30多万 m/h，造纸行业循环冷却水在50万m/h以上。可见水动风机冷却塔的应用有很大的潜力和商机。目前除农业用水外，生活用水占19%，工业用水占81%，而工业用水中70%80%为冷却用水，如果按此百分比来计算循环冷却水，则数量相当之大，水动风机冷却塔的使用和改造任务十分艰难，工作量非常之大。同时也显示了水动风机冷却塔的前途十分光明。展望未来，呈现了无限的商机和美好的未来，全公司的员工要精诚团结，艰苦创业，对技术精益求精，为我国的节能减排作出积极的、应有的贡献。
