凉水塔风机驱动系统节能的问题和策略
1 概述
中国石油宁夏石化分公司二化循环水共有冷却塔11间，设计能力为每台4000m3/h。冷却塔采用风冷形式冷却循环水：从系统经过各换热器回来的循环水(热水)回到冷却塔上，由分配管到布水槽再经喷头自上而下流到塔池，风机抽进的冷空气自下而上与热水在塔内进行换热，将热水冷却后再循环送到各换热器。风机的驱动采用传统的电机带动减速机驱动风机转动。
循环水流程示意如下：
图1
2 问题的提出
现循环水系统已运行多年，其中冷却塔风机电机和减速机故障较多，维修困难且费用较高，每年消耗的电量也很大，对节能降耗、降低生产成本产生很大影响。为此，计划通过设备更新改造，降低生产成本。
传统的电机驱动减速机带动风机转动，与新型节能的冷却塔专用水轮机相比能耗较高，为了节约能源，降低成本，增加效益，有必要对原有的循环水冷却塔风机驱动系统进行技术改造，用冷却塔专用水轮机取代电机。从原来的电力驱动风机改变成高效的水力驱动，在保证循环水冷却温度的基础上，不改变凉水塔冷却效果，但却很好地达到节电降耗的目的。
3 可行性研究
3.1 原理介绍
水动风机是以水力驱动风机，而不是传统的电力。在水动风机冷却塔中，是以水轮机取代电机作为风机动力源。水轮机的工作动力来自系统的富余流量和富余扬程。水轮机的输出轴直接与风机相连，进而带动风机旋转。通过水轮机的水在剩余动能和势能的作用下再流向布水器，完成布水。
在冷却塔的循环水泵系统设计的热力学、传热学计算中，从换热设备热负荷、换热面积到冷却水需求量的各个环节，由于考虑到设备和系统管道的阻损，一般都要放一些设计余量，在水泵选型时还要在此基础上再乘1.1～1.3倍作为水泵选型的依据，而在具体选型时往往很难凑巧选到参数完全一致的水泵，根据就高不就低的原则，一般选择扬程较大的水泵，由于上述几种情况的叠加，因此在水泵循环系统中都存在着大量的富余扬程和流量。
由于配用的拖动电动机一般定位于最大工作能力情况下，而大量的生产场合由于功率需求始终处于变动状态，普遍采用阀门调节的方式，也就是在输送流体的管道上利用改变阀门的开度来调节泵的流量。这种调节方法利用改变管道系统阻力的办法，变更管道阻力特性曲线，以便获得适合需要的工作点。但是关小阀门可以减少流量，拖动电动机的轴输出动力基本没有改变，有相当一部分能量消耗在阀门上，虽然阀门的输出达到了工况要求，但是能量的有效比例减少了，而损耗增加了。
在整个循环水系统中，每段水管、弯头都有一定的阻力，冷却塔的位置高低、换热部件的阻力及压力要求都会在系统中产生阻力，这些阻力值只是一个大概的数据，根据这个数值在选型水泵的扬程时，考虑更安全地满足生产需求，就在克服所计算出的阻力数值的基础上至少加15%的余量来选型。
当系统加上水轮机后，将进塔阀门逐渐打开直至系统流量到需要值。因水泵功率与流量成正相关关系，流量变化时水泵功率才变化，流量不变化时水泵电机功率也不变化。
若水轮机加上后进塔阀门完全打开富裕扬程不够时，系统流量会稍有减小用来增加富裕扬程，流量减小量在3%～5%时不会对系统运行有任何影响。
3.2 公司凉水塔系统概况
仅以宁夏石化公司二循环水7#凉水塔为例进行分析：
表1
3.3 系统富余能量及风机电机功率计算
水轮机输出功率计算：
W水=9.81×Q水×H富×η水(kW)
式中：
W水——水轮机输出功率(kW)
Q水——水轮机工作流量(m3/s)
H富——富余水头(m)
η水——水轮机效率为85%～88%
系统阀门的关闭就是富余能量的表现，每个阀门对应不同的流量及开度，其消耗的扬程及能量用下述公式
计算：
扬程：
式中：
V——流体速度
g——重力加速度
DN900螺旋管此时的流体速度：V=1.85m/s
综上，DN900开度为20%阀门所消耗的扬程为22m。如果将阀门全打开可以释放的扬程为：H总=22m。
W水=3000m3/h×9.81×22m×0.85/3600≈152.1kW
对于4000m3/h冷却塔属标准配置，实测电流为16A，电压为6000V，得出风机电机输出轴功率可概算为：
式中：
U——电压为6000V
I——电流为16A
cosφ——功率因素为0.8
η电——电机效率为0.82
水轮机输出功率与风机运行功率比较计算：w轴-p轴>0
从计算结果看，水轮机输出功率大于风机运行功率。因此完全可以取代电机带动减速机及风机叶片旋转，并达到原有的冷却效果。水轮机改造需利用系统中的富余能量，此部分能量在未改造前就已经存在于系统之中。水轮机即利用这部分能量来带动风机旋转工作。
4 实施改造
自2009年起，先实施一台凉水塔风机(7#)驱动系统的改造，用冷却塔专用水轮机取代风机电机，将原来的减速机拆除，改电力驱动为水力驱动，同时将原来的进塔水总管向上延伸至塔顶的水轮机入口，水轮机出口管线与原塔内布水管线连接。改造时仅对冷却塔进出水管路做相应调整，塔体结构保持原状。在原有的4根进水管上增加4个DN400蝶阀作为旁通阀门，在因特殊情况而需停开风机时，将阀门打开，使循环水直接经过原有的进水管进入布水系统。也保证了冬季水温较低，不需要启动风机时，上塔水直接经过旁通阀回到原塔内布水管。安装旁通蝶阀便于检修和负荷调节，适应风机转速调节，保证对应的流量的风量，确保冷却效果。
以下是管路改造图：
图2 塔外管路改造
图3 塔内布水管改造图
改造实施后，水轮机驱动风机转速与原电机带动时转速基本一致，达到了预期的目标。之后陆续又改造了2台凉水塔风机驱动系统。目前3台水轮机运行状况良好，风机转速、循环水冷却后温度都能够满足工艺需求。且因为拆除了电机、减速机、传动轴，减轻了整个凉水塔的重量，对整个塔基也起到了很好的保护作用。
5 改造后的效果
与传统电机驱动相比，水动风机驱动系统具有如下
优点：
节能效果显著
：冷却塔风机更新改造后，其节能效果计算如下：冷却塔每天使用按24小时计、每年使用时间按300天计：185kW×24小时×300天×1台=133.2万kWh/年电价按企业工业电费标准0.32元/度计，每年每台凉水塔节约电费46.1万元。
运行可靠性提高：水轮机结构采用反击形式，流入的水流相对于水轮机的转轴对称分布，使对水轮机的冲击平衡，减少水轮机运行的振动，使得冷却塔运行更加稳定。水动风机运转平稳，可靠性高。因不再使用电机，从根本上杜绝了电机、电控的漏电、漏油、烧毁等损坏的故障，为安全持续运行提供了保证。
安全：因不使用电机，可在有防爆要求的环境下安全运行。水轮机的重量比已取消的电机+传动轴+减速机的要小很多，运行环境比较安全。
经济：因取消了电机，从而大大减少了电机的日常管理和维修保养所产生的费用。根据普查计算出最低的日常管理和维修保养成本：12元/m3/年(即：12元/m3/年×30000m3/h×1台=36000元/年)。
结论：经技改后，单台冷却塔每年即可节约电费46.1万元，再加上每年节约的电机和减速器维修和保养费用，一年可以节约49.6万元。如按冷却塔10年寿命计，节约的总费用更可观。
6 结语
通过实施节能改造，采用新型的冷却塔专用水轮机取代风机电机，改电力驱动为水力驱动，不仅减少了维修成本，而且大幅度减少电耗，达到节能降耗的目的。本项目的实施，可以有效地解决现有生产设施存在的主要问题，确保生产装置长期连续安全稳定运行，并实现节能降耗的目的，为企业的发展做出了巨大贡献。
参考文献
[1] 工业循环水冷却设计规范(GB/T50102-2003)[S].
[2] 泵站设计规范(GB/T50265-97)[S].
[3] 化工企业供电设计技术规定(HG/T20664-1999)[S].
[4] 工业金属管道设计规范(GB50316-2000)[S].
[5] 钢结构设计规范(GB50017-2003)[S].
作者简介：陈萍(1974—)，女，宁夏人，中国石油宁夏石化公司机动处工程师，研究方向：化工动设备方面设备管理。
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