徐志强 李志宝（湖北大峪口化工有限公司生产管理部湖北荆门 431910）

0 引言

随着社会的发展和进步，人类环保意识增强，环境保护和节能减排被提升到一个新高度。如何在现有的工艺条件下，减低能源消耗和提高能源利用效率是磷化工企业共同关注的问题。循环水冷却是湿法磷酸生产工艺中必不可少工序，但在循环水冷却塔存在冷却水提升泵扬程设计偏大的现象，在一定程度上增加了企业的能源消耗和运行成本。水动风机就是充分利用进入冷却塔水头以达到节能的目，即以冷却塔系统的富余流量和富余扬程为动力驱动水轮机运动产生能量带动风机运行，从而达到取代电机作为风机动力来源。水轮机的输出轴直接与风机相连，进而带动风机旋转。如果将现有传统冷却塔改造成水动风机冷却塔，实现零电耗，降低企业能耗，推动节能减排工作实施有很好的促进作用。

1 冷却塔类型和工作原理

冷却塔是利用水与空气的对流方式，通过蒸发作用来去除水中热量的一种设备。冷却塔按通风方式分有自然通风冷却塔、机械通风冷却塔、混合通风冷却塔；按热水和空气的接触方式分有湿式冷却塔、干式冷却塔、干湿式冷却塔；按热水和空气的流动方向分有逆流式冷却塔、横流(交流）式冷却塔、混流式冷却塔；按形状分有圆形冷却塔、方形冷却塔、矩形冷却塔；按冷却温度分有标准型冷却塔、中温型冷却塔、高温型冷却塔；按噪声级别分为普通型冷却塔、低噪型冷却塔、超低噪型冷却塔、超静音型冷却塔；按用途分有塑机专用冷却塔、发电机专用冷却塔、中频炉专用冷却塔、中央空调冷却塔、电厂冷却塔；其它有喷流式冷却塔、无风机冷却塔、双曲线冷却塔等。圆形逆流式冷却塔，其基本原理是低温、干燥(低焓值）的空气经过风机的抽动，自进风网处进入冷却塔内：饱和蒸汽中压力大的高温水分子向压力低的空气流动，湿热(高焓值）的水自播水系统洒入塔内。当水滴和空气接触时，一方面由于空气与水的直接传热，另一方面由于水蒸汽表面和空气之间存在压力差，在压力的作用下产生蒸发现象，带走蒸发潜热，将水中的热量带走即蒸发传热，从而达到降温之目的。冷却塔广泛地应用于国民经济的许多部门，如电力、石油、化工、钢铁和轻纺等行业[1,2,3]。到目前为止，冷却塔冷却时所用的风机均由电动机带动，这些电动机一年所消耗的电能是十分巨大的。譬如，一台冷却水量约1500t／h的冷却塔，所配电机功率约为45kW。按每天工作16h计算，每年所需电能消耗约为26万多度。全国数以万计的冷却塔所配电机的电能消耗是相当惊人的[4]。

2 水轮机工作原理

根据设计规范，泵类在设计时一般都留有备用的出力裕量，配用的拖动电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，普遍采用的是低效的进出口阀门调节的方式，也就是在输送流体的管道上利用改变阀门开度，来调节泵的流量，这种节流调节所带来的阻力损失占据了水泵富余扬程的绝大部分，要把这部分阻力损失变为水轮机的动力来源，也就是合理利用水泵的富余扬程。合理调整管道布局减少沿管程损失，合理调整阀门开度，降低节流调节的管路阻力，使这部分阻力变为推动水轮机工作动力，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。改造后，水泵提供的热水经过水轮机并带动其转动。水轮机的输出轴直接与风机相连，进而带动风机旋转，达到降温节能目的[5]，如图1所示为水动风机冷却塔的结构图，水轮机的位置在布水系统的上部，水流经水轮机以后的出水到布水的位差即0.5到1.0m水头[6]。

图1 水动风机冷却塔的结构图

水轮机冷却塔优点：第一节能效果显著，充分利用冷却塔系统的余压，100%节能；第二噪音低，可靠水动风机设计严谨，结构合理，运转平稳，可靠性高，彻底消除电机，电控和减速机漏油漏电烧毁和损失故障，为设备平稳安全行提供技术保障。水轮机的重量小于风机的电机、减速机、传动轴重量，使冷却塔中心下移，运行噪音小，降低设备震动；第三冷却效果好：随着季节变化，水动风机的转速随循环水流量的增减而增减，风量也随之增减，使冷却塔的汽水比稳定在最佳状态，达到最佳冷却状态；第四可靠，可在任何需防爆的环境下安全运行；第五经济，因取消了电机和减速机，使日常管理和维修费用降低到零。

3 某循环水系统改造内容

某循环水系统由用两座塔组成，建议将某循环水系统风机E 1#和E 2#风机电机驱动改为水轮驱动，另一组风机E 3#和E 4#不进行改造备用，即一开一备。

4 某循环水系统改造可行性研究

某循环水系统实际运行过程中，运行参数见下表。

表1 冷水泵运行参数

表2 风机性能参数

表3 冷却塔性能参数

表4 正常运行阀门开度

图2 循环水流程图

4.1 冷却塔专用水轮机轴功率

①E 1#和E 2#塔流量分别为3000m 3/h，支管管径700m m，则回水管支管流速：

②冷却塔额定流量6000m 3/h，主管管径φ800m m则管内流速：

③主管网压头损失计算

查《化工工艺设计手册》[7]可知：

止回阀阻力系数ζ=2

90°弯头阻力系数ζ=0.75

电动蝶阀，开度20°阻力系数ζ=1.54

手动蝶阀，开度0°阻力系数ζ=0.05

查《化工原理》[8]可知：

三通阻力系数ζ=1

液压止回阀2个，ζ1=22×2=4；90°弯头12个，ζ2=0.75×12=9；1#和 3#泵出口蝶阀，开度 20度，ζ3=1.54×2=3.08；手动蝶阀 2个，ξ4=0.05×2=0.1；三通 1个，ζ5=1×1=1，则主管总阻力系数：

主管网压头损失

④1#管网压头损失计算

查《化工工艺设计手册》[7]可知：

90°弯头阻力系数ζ=0.75

手动蝶阀，开度22.5°阻力系数ζ=1.54

1#回水管蝶阀1个，开度22.5，ζ6=1.54；90°弯头2个，ζ7=0.75×2=1.5，则主管总阻力系数：

1#管网压头损失为：

⑤2#管网压头损失计算

查《化工工艺设计手册》[7]可知：

90°弯头阻力系数ζ=0.75

手动蝶阀，开度22.5°阻力系数ζ=1.54

2#回水管蝶阀1个，开度22.5，ζ8=1.54；90°弯头1个，ζ9=0.75，则主管总阻力系数：

2#管网压头损失为：

⑥1#回水管进冷却塔瞬间压头H 4

已知1#和3#泵杨程为52m，1#回水管进冷却塔距泵的垂直高度8m，则

⑦2#回水管进冷却塔瞬间压头H 5

已知P 1#和P 2#泵杨程为52m，2#回水管进冷却塔距泵的垂直高度8m，则

⑧1#水轮机轴功率

水轮机利用的富裕功率：

1#水轮机输出轴功率：

W2=101.78×0.88=89.57K w

⑨2#水轮机轴功率

水轮机利用的富裕功率：

2#水轮机输出轴功率：

W4=103.25×0.88=90.86K w

4.2 风机叶轮实际轴功率

风机电机额定功率180K w，经现场测量电流150A，有效因数为0.85，得出电机实际输出功率为：

查《机械设计手册》第四卷：

电机效率η电机=0.94；

减速机效率η减速机=0.91；

传动轴效率η传动轴=0.98

B 1#和B 2#风机叶轮实际轴功率：

P风机=P电机×η电机×η减速机×η传动轴=84.4K w

5 经济效益分析

5.1 风机节能效益

按一开一备方案改造后，每台冷却塔流量3000m 3/h，风机电机实际输出功率为100.7K w。

每天工作24h，每年运行330d，则两台风机节电量：电价按0.57元/kW，风机节能效益：

V1=0.57×1595088=909200.16元≈90.92万元

5.2 风机改造投资成本

估计单台改造费用为864000元，则两台风机改造费用：

5.3 投资回报期

水动风机冷却塔设计使用周期为10年，根据初步计算，预计两年收回投资费用。水动风机冷却塔设计使用周期，合计产生经济利润727.36万元。

5 结论

①按一开一备方案改造后，将1#泵和2#泵出口阀开度调整为20°，1#和2#水轮机输出轴功率分别为89.57kW、90.86kW，且大于风机叶轮实际所需轴功率84.4kW,此方案可行。此为，可以通过调节1#2#泵出口蝶阀开度调节1#2#水轮机输出轴功率。

②根据初步计算，预计两年收回投资费用。水动风机冷却塔设计使用周期，合计产生经济利润727.36万元。