李程

摘 要：隨著市場經(jīng)濟(jì)和社會的發(fā)展，能源問題越來越突出。鋼鐵、冶金、石油、化工等行業(yè)中，廣泛使用冷卻水循環(huán)系統(tǒng)，通常采用的是機(jī)械通風(fēng)式冷卻塔，配置電機(jī)驅(qū)動風(fēng)機(jī)。由于上述企業(yè)生產(chǎn)規(guī)模大、冷卻負(fù)荷高，一般循環(huán)水用量高達(dá)（5～10）萬噸/時，冷卻塔風(fēng)機(jī)配套的電機(jī)功率高達(dá)（2500～5000）kW·h，高能耗、高成本，嚴(yán)重制約企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。采用水動風(fēng)機(jī)可以有效利用水泵剩余的能量，取消電動風(fēng)機(jī)，達(dá)到節(jié)能目的，有著廣泛的應(yīng)用前景。本文分析水動風(fēng)機(jī)的工作原理，介紹其設(shè)備組成和運(yùn)行效果，通過在煉化企業(yè)某個水場的應(yīng)用對比，了解其優(yōu)勢和不足，分析其可行性，以供參考。

關(guān)鍵詞：水動風(fēng)機(jī)；冷卻水循環(huán)系統(tǒng)；原理；應(yīng)用；可行性

煉化企業(yè)循環(huán)冷卻水系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)供水溫度的控制，冷卻塔是常用的冷卻設(shè)備之一。在實(shí)際運(yùn)行中，氣水比直接影響冷卻塔的冷卻效果，使用相同質(zhì)量的熱水和空氣進(jìn)行冷熱交換，達(dá)到循環(huán)水冷卻降溫目的，空氣的獲取方式主要是依靠風(fēng)機(jī)。隨著時代的發(fā)展，環(huán)保和節(jié)能要求越來越高，冷卻塔節(jié)能技術(shù)改造迫在眉睫。水動風(fēng)機(jī)冷卻塔替代電機(jī)驅(qū)動技術(shù)應(yīng)孕而生，在同樣達(dá)到冷卻效果的前提下，實(shí)現(xiàn)節(jié)能和環(huán)保的目標(biāo)。

1 水動風(fēng)機(jī)冷卻塔的概述

1.1 水動風(fēng)機(jī)的工作原理

傳統(tǒng)的電力驅(qū)動風(fēng)機(jī)冷卻塔，其工作原理是使用電動機(jī)通過聯(lián)軸器帶動傳動軸和減速機(jī)，驅(qū)動冷卻塔風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)槳葉旋轉(zhuǎn)形成機(jī)械通風(fēng)的方式使得水流快速冷卻，之后借助水泵加壓的方式，將水流輸送到用水裝置換熱設(shè)備中，換熱后循環(huán)水返回冷卻塔冷卻，實(shí)現(xiàn)冷卻水的循環(huán)利用。

水動風(fēng)機(jī)冷卻塔則是需要換熱后的循環(huán)水回到水輪機(jī)中，推動水輪機(jī)旋轉(zhuǎn)驅(qū)動風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，使得循環(huán)水能夠快速散熱，水輪機(jī)利用冷卻塔上水流富余的能量工作。風(fēng)機(jī)在操作過程中，開啟水輪機(jī)的入水閥門，關(guān)閉旁路閥門，水輪機(jī)開始運(yùn)行，旁路閥門可以調(diào)節(jié)水輪機(jī)進(jìn)水量，進(jìn)而控制風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。風(fēng)機(jī)停止運(yùn)行時，水輪機(jī)的入口閥門關(guān)閉，旁路閥門開啟，水輪機(jī)停止運(yùn)行，循環(huán)水熱回水不經(jīng)過水輪機(jī)，直接通過旁路進(jìn)入冷卻塔進(jìn)行冷卻處理[1]。

在水動風(fēng)機(jī)的循環(huán)水系統(tǒng)中，需要保持一定范圍的循環(huán)水壓力用于驅(qū)動水輪機(jī)，并控制和調(diào)節(jié)水輪機(jī)轉(zhuǎn)速，因此必須綜合考慮安全生產(chǎn)等多方面因素，通過設(shè)計(jì)計(jì)算，滿足系統(tǒng)需求量，必要時可以通過增加部分余量，以抵消管道、彎頭等阻力損失。

1.2 水輪機(jī)的結(jié)構(gòu)以及特點(diǎn)

水輪機(jī)中主要有蝸殼、座環(huán)、轉(zhuǎn)輪、軸、軸承、尾水管、剎車裝置以及監(jiān)控裝置等。蝸殼是形狀類似蝸牛的外殼，能保證水流均勻的進(jìn)入水輪機(jī)內(nèi)；座環(huán)具有支撐水輪機(jī)部件的作用，同時能夠調(diào)節(jié)水流方向；轉(zhuǎn)輪是水輪機(jī)的重要部件，實(shí)現(xiàn)水力動能和旋轉(zhuǎn)機(jī)械能的轉(zhuǎn)化；使用后的水流通過尾水管流入到冷卻塔內(nèi)部的配水管、布水器。水輪機(jī)具有多個方面的技術(shù)特點(diǎn)，如下所述：水輪機(jī)冷卻塔在停止運(yùn)行時，外界的空氣密度相對較高，冷卻塔內(nèi)由于氣相濕熱，空氣密度相對較低，塔內(nèi)、外形成一定的壓力差，使得風(fēng)機(jī)的葉片由于氣體壓差的作用，繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，給檢修工作的開展帶來安全隱患。因此，在設(shè)計(jì)的過程中，葉片旋轉(zhuǎn)設(shè)置剎車裝置。水輪機(jī)中有兩個獨(dú)立的軸承室，獨(dú)立的注油管能夠保證水輪機(jī)穩(wěn)定、正常運(yùn)行。尾水管的獨(dú)有設(shè)計(jì)，保證水輪機(jī)能夠發(fā)揮其最大的作用。

2 水動風(fēng)機(jī)和電動風(fēng)機(jī)冷卻塔的對比

在循環(huán)冷卻水系統(tǒng)，傳統(tǒng)的冷卻塔設(shè)計(jì)采用電機(jī)驅(qū)動風(fēng)機(jī)，經(jīng)過水動風(fēng)機(jī)改造之后，從用電量、環(huán)保以及噪聲等方面，對它們進(jìn)行對比分析，了解水動風(fēng)機(jī)的優(yōu)勢和缺點(diǎn)。

從用電的角度對比，水動風(fēng)機(jī)主要是利用循環(huán)水剩余動能，其用電量為零；對于電動風(fēng)機(jī)來說，電機(jī)功率的大小決定了耗電量；從環(huán)保的角度來說，水動風(fēng)機(jī)是循環(huán)水的再次利用，不存在污染，電動風(fēng)機(jī)產(chǎn)生環(huán)境噪聲影響，水動風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的噪聲小于75dB，而電動風(fēng)機(jī)的噪聲則超過85dB。

水輪機(jī)的優(yōu)勢分析。通過上面的對比分析可以發(fā)現(xiàn)，水輪機(jī)具有節(jié)約電能的優(yōu)勢，在原有的設(shè)計(jì)參數(shù)和運(yùn)行效果中，充分利用循環(huán)水的余壓實(shí)現(xiàn)水力驅(qū)動，省卻電機(jī)的電能消耗，有效降低水輪機(jī)的運(yùn)行成本[2]。在水動風(fēng)機(jī)中，省略了電機(jī)、長軸以及減速箱，能夠有效降低冷卻塔的噪聲（10～15）dB，達(dá)到環(huán)保的目標(biāo)。同時水輪機(jī)的重量較原有的電機(jī)和減速機(jī)明顯減少，冷卻塔的重心下移，保證其運(yùn)行更加安全。

3 水動風(fēng)機(jī)冷卻塔的改造運(yùn)行狀況分析

3.1 布水器的布水情況

冷卻塔配水系統(tǒng)的布水器（噴頭）在設(shè)計(jì)的中，要求其出水時具有（0.01～0.02）MPa的壓力，才能夠?qū)崿F(xiàn)循環(huán)水均灑分布到淋水填料中。上塔循環(huán)水經(jīng)過水輪機(jī)之后，壓力有一定的損失，水輪機(jī)出水必須保持噴頭布水壓力，才能夠完成布水任務(wù)。在改造之前，進(jìn)水管的高度與布水器高度持平。改造后，進(jìn)水管高于布水器的高度，通過風(fēng)筒進(jìn)入冷卻塔與水輪機(jī)連接，較布水器有2m以上的高程位差，形成的壓力能夠進(jìn)一步強(qiáng)化噴頭布水效果。

3.2 風(fēng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)情況

水動風(fēng)機(jī)改造后，可以通過水輪機(jī)的入口閥控制和調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，達(dá)到變頻電機(jī)的效果。比如，對于額定冷卻能力為1500 m3/h的冷卻塔，當(dāng)處理水量為1500 m3/h，水動風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速達(dá)到最高（等同于原設(shè)計(jì)配套電動風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速），提供相應(yīng)水量需求的冷卻風(fēng)量；當(dāng)處理水量降為1000 m3/h時，水動風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速則會同步降低，提供1000 m3/h循環(huán)水冷卻需要的風(fēng)量。通過這樣的方式，水量不同，水動風(fēng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度不同，滿足相應(yīng)的風(fēng)量需求，避免電動風(fēng)機(jī)風(fēng)量恒定，在低水量條件下風(fēng)量過大，導(dǎo)致循環(huán)水飄散損失[3]。

3.3 風(fēng)機(jī)停轉(zhuǎn)和水輪機(jī)的結(jié)冰情況

根據(jù)不同的季節(jié)、氣候和循環(huán)水水溫情況，冬季冷卻塔的風(fēng)機(jī)需要停止運(yùn)行，借助冷卻塔自然通風(fēng)（寒冷空氣）換熱達(dá)到循環(huán)水降溫的目的，如果開啟風(fēng)機(jī)，就會出現(xiàn)比較嚴(yán)重的填料掛冰情況。水動風(fēng)機(jī)改造后，水輪機(jī)在冬季停止運(yùn)行時，可以通過上水管路設(shè)計(jì)的旁路和旁通閥，調(diào)整循環(huán)水流程。水輪機(jī)不供水，入口閥門需要關(guān)閉，借助旁路進(jìn)水實(shí)現(xiàn)布水。

4 某煉化企業(yè)循環(huán)水場水動風(fēng)機(jī)冷卻塔的應(yīng)用分析

該循環(huán)水場有3臺冷卻塔，每臺設(shè)計(jì)冷卻水量1500m3/h，總處理能力4500m3/h，實(shí)際運(yùn)行循環(huán)量（3300～4300）m3/h，系統(tǒng)供水壓力（0.40～0.55）MPa，循環(huán)水回水壓力（0.12～0.22）MPa。2017年5月，將3#塔電動風(fēng)機(jī)改造為水動風(fēng)機(jī)，通過實(shí)際運(yùn)行監(jiān)測和性能標(biāo)定，得出結(jié)論：①在進(jìn)水流量達(dá)到1500 m3/h時，水動風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速可以達(dá)到原設(shè)計(jì)電機(jī)風(fēng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速165r/min；②改造前電機(jī)風(fēng)機(jī)平均溫差為2.43℃，改造后水動風(fēng)機(jī)平均溫差為2.82℃，冷卻效果滿足要求；③采用水輪機(jī)替代電機(jī)風(fēng)機(jī)，達(dá)到節(jié)能節(jié)電的效果，每小時減少電能55kW·h，減少電費(fèi)1.78萬元/月；④水輪機(jī)運(yùn)行比較平穩(wěn)，振動、噪音、操作調(diào)節(jié)、維護(hù)保養(yǎng)均優(yōu)于電動風(fēng)機(jī)。

5 結(jié)語

在循環(huán)冷卻水系統(tǒng)中，傳統(tǒng)的冷卻塔主要采用電動風(fēng)機(jī)，隨著“節(jié)能減排”的需要和環(huán)保理念的深化，需要對冷卻塔風(fēng)機(jī)技術(shù)升級改進(jìn)，采用水動風(fēng)機(jī)代替電動風(fēng)機(jī)，能夠?qū)崿F(xiàn)節(jié)約能源、減少環(huán)境污染，同時水動風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)比較簡單，設(shè)備的維修費(fèi)用較低，有效降低企業(yè)的運(yùn)營成本。本文分析水動風(fēng)機(jī)的結(jié)構(gòu)和原理，通過電動風(fēng)機(jī)和水動風(fēng)機(jī)的對比，了解水動風(fēng)機(jī)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢，分析水動風(fēng)機(jī)冷卻塔的可行性及推廣應(yīng)用價值。通過實(shí)際運(yùn)行驗(yàn)證，了解運(yùn)行效果，在保證運(yùn)行安全的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保的目標(biāo)。

參考文獻(xiàn)：

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