冷却塔节能改造探究

李 涛

（国家能源集团煤焦化有限责任公司， 内蒙古 乌海 016000）

0 引言

循环冷却水系统是工业生产装置的重要组成部分，冷却塔是循环冷却水系统中的一个基本单元， 也是高耗能设备之一， 冷却塔的节能改造是用水轮机取代原有冷却塔电动机， 用水轮机取代电动机作为冷却塔风机动力源， 水轮机的工作动力来自循环水泵所具有的设计能量及循环冷却水系统的富余压力， 也就是将系统中的富余能量充分进行二次利用。

循环水冷却塔的作用就是通过将循环水系统换热后的热回水进入塔顶部，经过塔内布水系统喷淋至填料层，增加水与空气接触，由蒸发散热、接触散热和辐射散热三个过程共同作用使得回水温度降低， 冷却后的循环水收集在循环水池中， 待投加循环水药剂后经过循环水泵加压再次送至各个工段换热器继续为工艺介质降温， 各类水耗损失通过循环水系统补充水来解决， 以保证各系统的正常运行。

传统循环水冷却塔冷却风机由电动机驱动， 系统启动后由电机带动减速机， 经减速和变向带动冷却塔冷却风机叶片， 将冷却塔周边的空气经由冷却塔底部抽吸进入塔内， 空气与热循环水换热后在离心力的作用下快速流动，经风筒向上排散。 风筒为玻璃钢拼装而成，通过粘接防渗漏处理，风筒垂直剖面为双曲线型，其水平截面最小处为风叶水平中心截面， 以确保冷却风机运行时的风口形成，从而保证冷却塔的运行效率。

冷却塔循环水系统中必须用循环水泵加压将循环水输送至各个工段， 所以必然存在一定的富余能量即富余压力，在运行时就把这些能量聚集在管道中，久而久之这些能量就白白地流失掉。 水轮机的应用就是利用这些富余能量转换为高效机械能， 对冷却塔风机做功， 从而100%取代电动机对冷却塔风机的驱动，达到节电目的。

冷却塔节能改造是符合我国水轮机行业发展的行业背景，该技术成熟可靠，具有广泛的应用前景，改造后水轮机的输出轴直接与风机相连而带动其旋转， 达到节能目的，由于取消了电机和减速器，公司的运行维护成本大大降低，节省了日常成本，因此循环水冷却系统冷却塔节能降耗改造意义十分重大。

1 改造背景

节能降耗是我国现阶段的一个基本国策， 现阶段要以科学发展观为指向推动市场化改革， 来改善我们的生态环境和资源的经济补偿体系， 并且把我国的贸易和投资的激励机制转变到鼓励、研发和自主创新上来，转变到鼓励节能降耗降耗上来， 转变到鼓励降低成本、 提高效率、提高经济的总要素生产率的增长方向上来。

冷却塔广泛应用于国民经济的许多部门，如电力、石油、化工、钢铁和轻纺等。 工业生产或制冷工艺过程中产生的废热，一般要用冷却水来导走。 从江、 河、湖、海等天然水体中汲取一定量的水作为冷却水， 冷却工艺设备吸取废热使水温升高，再排入江、河、湖、海，这种冷却方式称为直流冷却。当不具备直流冷却条件时，则需要用冷却塔来冷却。 冷却塔的作用是将携带废热的冷却水在冷却塔内与空气进行热交换，使废热传输给空气并散入大气，冷却塔在各行各业中都被广泛地应用着。

据统计， 我国目前国内机械通风式冷却塔总循环水量超过22 亿吨，仅风机电机的电耗每年近8000 亿度。 按存量传统塔50%可实施改造测算， 每年节电4000 亿度，相当于每年节煤1.4 亿吨，年碳排量减少3.7 亿吨。 冷却塔风机节能技改项目对于节约企业成本，提高企业效益，保护自然环境具有重要意义。庞大的数字显示，冷却塔节能改造行业的前景与规模巨大， 不仅是一个利国利民的行业，还是一个有着广阔市场的行业。

某化工厂工艺循环水系统规模为7000m3/h， 有冷却塔2 台，单塔冷却能力3500m3/h，采用钢筋混凝土结构、玻璃钢塔体围护；循环水系统冷却塔由380V、160kw 电动机驱动，冷却塔自安装运行以来，电动机常年运行，电能消耗较大，增加生产成本，对某公司2 台冷却塔电动风机进行节能改造探究，以降低循环水系统的能耗，同时达到节能降耗目的。

2 冷却塔设备基本数据

冷却塔基本数据如下：

塔型号：FNH-3500×2，单塔处理水量：3500m3/h，单塔外型尺寸：18.0×18.0m，风机类别：玻璃钢轴流风机，风机直径：Φ8500mm，风机轴功率：139.01kW，配用电机功率：160kW，冷却塔年运行时间：8000 小时以上。

3 冷却塔设备节能改造

3.1 改造必要性

工业冷却水在热交换设备和冷却塔之间的循环是通过水泵来驱动的。 在设计循环水系统时水泵的扬程和流量都有一定的富余。 水轮机的工作动力来自循环水泵所具有的余压，该余压是在系统设计时必须留有的。水轮机回收冷却塔技术，就是在循环水冷却塔安装水轮机来带动风机转动，从而起到了利用管道中多余的水能、 调整管道中的水流量以及改善水泵的工作状态等效果。

某公司化工系统循环水回水进入冷却塔布水系统雾化冷却，在整个系统运行中，水流在进入冷却塔布水系统时剩余大量动能， 其多余动能在冷却塔内布水后浪费掉，若是能将这部分动能利用起来，将水动能转化为机械能从而驱动风机运转，将使整个冷却系统运行成本大大降低。

水轮机是把水流的能量转换为旋转机械能的动力机械设备，它属于流体机械中的透平机械，现代水轮机大多数安装在水电站内，用来驱动发电机发电，同时越来越多的水轮机被广泛应用在化工领域， 利用水轮机取代冷却塔电机、联轴节、减速机作为风机动力源，使冷却塔风机由原来的电力驱动改为水力驱动。 水轮机的工作动力完全来自于循环水系统的富余能量， 把原先循环水系统的能量回收并二次利用，达到节能降耗目的[4]。

综上所述， 某公司冷却塔系统进行水轮机节能改造十分必要。

3.2 改造可行性计算

3.2.1 水轮机输出轴功率计算[1]

式中：g—重力加速度（9.8m/s2）；Q—单台水轮风机通过流量（m3/s）；H—水轮机入口水头14.83m（最大考虑）（水轮机设计手册）；η—水轮机效率90%（水轮机设计手册）。

3.2.2 原电动机风机减速机输出轴功率计算[2]

式中：P电机—原冷却塔配套电机额定功率160kW；η电机效率—电机效率95%（风机手册查得95%）；η运行功率—电机实际运行功率为额定功率的85%～90%（按90%计）；η传动轴—传动轴效率（据机械设计手册查得98%）；η减速机—减速机效率（据机械设计手册查得91%）。

3.2.3 水轮机风机与电动风机输出轴功率比较

水轮机风机P1≈127.167kw， 原电动机风机P2≈121.998kW，即：P1>P2

冷却塔的热能交换能力主要由气水比来决定， 多少质量/流量的热水用多少质量/流量的空气进行热交换，即可实现冷却塔的预期温降。 某化工厂现有冷却塔是用电动机驱动，如果改用水轮机对冷却塔进行节能改造，那么水轮机的轴功率相同或者大于电机功率即可实现， 而且冷却塔的结构、外形、尺寸、冷却原理都不需改变。

根据以上计算结果， 在循环水系统工况不变的情况下，将原冷却塔电动机更换为水轮机，水轮机风机使用的风叶为原电动机风机风叶，系统采用循环水系统富余水压驱动水轮机风机运行，水轮机风机的输出轴功率大于原电动机风机输出轴功率，由此理论推断，该循环水系统冷却塔风机驱动装置由电动机改为水轮机节能改造是可行的。

3.3 具体改造内容

某公司冷却塔改造需要拆除冷却塔原减速机、电机，在冷却塔风筒内原减速机位置安装水轮机， 并配套原风机；把冷却塔原上水管增加可调节阀门、新增旁通与新改水轮机入口接通， 系统回水通过冷却塔顶部进入新改水轮机入口管带动风机旋转通风降温； 水轮机出水管与冷却塔内原布水系统接通， 出水经管道进入冷却塔内原布水系统进行雾化冷却,如图1 所示。 为了保证改造后水轮机运行更平稳， 需要在水轮机进水端和出水端都要安装软连接；为了更好的监测水轮机的运行状态，在水轮机的进水端和出水端可以加装压力变送器、 测振探头和转速检测等仪表， 将现场运行参数远传至该公司中央控制室DCS 系统，系统运行人员可随时监控水轮机运行情况[3]。

图1 冷却塔改造图

本次改造预计投资费用, 包括新增水轮机设备费用、新增阀门、管道、施工及试运转等各项费用。循环回水先通过水轮机做功后再进入冷却塔配水系统，调整循环水供水、回水压力，小流量进水、试漏、冲洗管道、冲洗水轮机、水轮机低负荷试运行，磨合水轮机、水轮机试运转合格后正式投入运行。改造前后循环水系统水量、压力平稳无变化，循环水泵负荷无增加；水轮机运行稳定，各项参数正常；改造对生产无不利影响，即可达到预期节能改造目标。

该公司两台冷却塔水轮机节能改造，设备生产周期预计30 天，安装周期大约10 天，预计工程总工期大约40 天左右。

4 冷却塔节能改造效益估算及优点

（1）节省电费估算。某公司两台冷却塔电动风机节能改造（原风机电动机160kW），按冷却塔风机电动机年运行时间8000h，电费按0.63 元/度进行计算（电价按工业用电标准），原冷却塔电动风机年运行总电费为142 万元。

（2）投资收益估算。 某公司冷却塔节能改造，采用水轮机代替传统电动机驱动运行，冷却塔节能改造后，日常维护费用、电费等运行成本均降低。 改造后，每年节省电费142 万元，冷却塔节能改造水轮机及阀门、管道等预计投资200 万元，预计17 个月左右即可收回投资成本。

（3）安全环保优点[5]。水轮机结构合理，运转平稳，可靠性高，为安全持续运行提供了保证。而且，以水轮机代替电机、减速器和传动部分，自然减少故障点，电机、减速器等在温度湿度大的环境中容易发生短路烧毁、 高温腐蚀、漏电、打滑、磨损等故障，对于水轮机来讲这些故障的绝大多数故障源都不再存在。 同时因取消了电机和减速机，降低了冷却塔运行时机械噪音，且水轮机的能量转换是在水流道内完成的，控制湍振的雷诺数，使水轮机不会发出干扰的噪音，水轮机冷却塔噪音比传统冷却塔噪音降低10%左右。

（4）使用寿命长。 水轮机结构简单，运转平稳，水轮机结构简单，技术成熟可行，整体设计工作寿命为15 年以上。 水轮机壳体为铸造与焊接混合结构，焊接钢板为含锰量3.5%的进口锅炉专用钢板，长时间使用不易锈蚀，叶轮为精铸成型并经退火消除应力后再作平衡调整。 转动部分的封装为一次性压模加工成型， 使转动部分与水轮机水室中的水隔绝开，在上述技术条件的保障之下，水轮机可以做到免维护地运转， 使冷却塔可以很长时间无故障运行，这样，不仅为节省了大笔的电费支出，还节省了维护、更换冷却塔电机和减速器的费用和人力。

（5）改造工程量少。 水轮机改造对任何形式的冷却塔都适用，在老塔更新改造时具有明显优势，安装简单，不破坏原有结构，不需要重做设备基础，不需大量场地，比新购买安装省去很多麻烦， 且可在以后的使用中做到零电费和零维护费运行。

（6）后期维护成本低。 水轮机风机冷却塔几乎无维修可能， 由于水轮机是靠循环水系统内的富余压力来驱动水轮机转动，即不是化学作用也不是电能作用，所以它损坏的概率极小；水轮机不用电，且质量轻，维修人员高处作业时不再为起吊卸下电动机、减速器而为难，增加了冷却塔的运行安全性。

（7）操作简单。 改造后的水轮机风机冷却塔，其系统中原有直接进水管道及阀门， 改造后设置有新增旁通进水管道及阀门。 冷却塔在正常运行时，将原来进水系统关闭，回水全部由新增旁通水管进入水轮机驱动风机运行；冬季温度较低时，可将原有进水阀门适当打开，让部分热回水直接进入塔内布水系统，让水轮机风机转速降低，避免冷却塔水温过低影响循环水系统内换热设备正常运行。 当需要临时对单台水轮机进行检修时，可以通过关闭新增旁通阀门，冷却水直接进入原有冷却塔系统，对水轮机进行检修。

5 结论

通过冷却塔节能改造， 水轮机回收循环水系统中的富余能量，将某公司两台冷却塔风机电动机改为水轮机，得出该公司在满足正常生产前提下对冷却塔进行节能改造是可行的，而且是符合国家节能降耗政策的，是响应国家节能目标的， 可以实现构建节约型和可持续发展的模式的节能降耗目标， 经过节能改造可以给企业带来经济效益，而且还能为国家节能降耗做贡献。