包可羊（杭州福鼎節(jié)能科技服務(wù)有限公司，浙江　杭州　310009）

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“水-電混合技術(shù)”在機(jī)械通風(fēng)冷卻塔節(jié)能改造中的應(yīng)用

包可羊（杭州福鼎節(jié)能科技服務(wù)有限公司，浙江杭州310009）

冷卻塔風(fēng)機(jī)耗電是循環(huán)水系統(tǒng)的主要能耗之一。通過(guò)對(duì)循環(huán)水系統(tǒng)設(shè)計(jì)富余水頭進(jìn)行充分利用，解決因富余水頭不足而導(dǎo)致能耗浪費(fèi)現(xiàn)象，對(duì)冷卻塔風(fēng)機(jī)進(jìn)行“水-電混合”驅(qū)動(dòng)改造（即：采用水輪機(jī)驅(qū)動(dòng)的同時(shí)，能量不足部份采用輔助電機(jī)補(bǔ)足），且可實(shí)現(xiàn)“單獨(dú)水輪機(jī)驅(qū)動(dòng)”、“單獨(dú)電機(jī)驅(qū)動(dòng)”和“水-電混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)”三種驅(qū)動(dòng)模式，給系統(tǒng)的安全運(yùn)行提供保障。

循環(huán)水；冷卻塔；水-電混合驅(qū)動(dòng)；節(jié)能

在工業(yè)發(fā)展給人們帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)進(jìn)步的同時(shí)，對(duì)環(huán)境所產(chǎn)生的影響也越來(lái)越顯現(xiàn)。隨著國(guó)家對(duì)社會(huì)發(fā)展與環(huán)境污染的重視，國(guó)家對(duì)節(jié)能、減排要求和標(biāo)準(zhǔn)日益提高，企業(yè)對(duì)節(jié)能的需求也越來(lái)越重視和迫切。循環(huán)水系統(tǒng)作為工業(yè)企業(yè)中的一個(gè)重要組成部份，在為生產(chǎn)工藝設(shè)備降溫保駕護(hù)航的同時(shí)也消耗了大量的能源。而冷卻塔就是循環(huán)水系統(tǒng)中的主要耗能設(shè)備之一。

1　循環(huán)水系統(tǒng)介紹

工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，往往會(huì)產(chǎn)生在量熱量，使生產(chǎn)設(shè)備或產(chǎn)品（汽體或液體）溫度升高，必須及時(shí)冷卻，以免影響生產(chǎn)的正常進(jìn)行和產(chǎn)品質(zhì)量。水是吸收和傳遞熱量的良好介質(zhì)，常用來(lái)冷卻生產(chǎn)設(shè)備和產(chǎn)品。為了重復(fù)利用吸熱后的水以節(jié)約水資源，常采用循環(huán)冷卻水系統(tǒng)，如圖1所示。

圖1　

冷水池中的水通過(guò)水泵送至生產(chǎn)換熱設(shè)備，水溫升高后利用余壓流入冷卻塔，在冷卻塔內(nèi)利用風(fēng)機(jī)所產(chǎn)生的空氣與水對(duì)流接觸后，使水溫下降。

2　機(jī)械通風(fēng)冷卻塔的節(jié)能方法及特點(diǎn)

機(jī)械通風(fēng)冷卻塔是以電機(jī)驅(qū)動(dòng)軸流風(fēng)機(jī)葉片轉(zhuǎn)動(dòng)，并使空氣從進(jìn)風(fēng)口抽入與熱水對(duì)流換熱，來(lái)達(dá)到降低水溫的效果。具有冷卻效果好，效率高的特點(diǎn)，但因風(fēng)機(jī)需電機(jī)驅(qū)動(dòng)，消耗大量的電能。為節(jié)約風(fēng)機(jī)電耗，機(jī)械通風(fēng)冷卻塔有以下幾種方法：

2.1調(diào)速電機(jī)

（1）根據(jù)春、夏、秋、冬季節(jié)對(duì)冷卻塔需求風(fēng)量的不同，設(shè)計(jì)高、中、低3檔可調(diào)速的電機(jī)。雖能起到一部份節(jié)能效果，但因3檔調(diào)速不能充分適應(yīng)冷卻塔在不同季節(jié)對(duì)風(fēng)量的要求。

（2）根據(jù)季節(jié)和生產(chǎn)負(fù)荷的不同，采用變頻調(diào)速或永磁調(diào)速裝置調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。該種方法機(jī)呼可以實(shí)現(xiàn)無(wú)極調(diào)速，可達(dá)到較好的節(jié)能效果。但變頻器和永磁調(diào)速在運(yùn)行過(guò)程中均有一部份效率損耗。

2.2水動(dòng)風(fēng)機(jī)冷卻塔

在循環(huán)水系統(tǒng)管路設(shè)計(jì)時(shí)，因多方面因素考濾，水泵揚(yáng)程比管路實(shí)際所需揚(yáng)程大，造成系統(tǒng)存在一定的富余水頭。通過(guò)利用這部份富余水頭來(lái)推動(dòng)水輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)。這種采用“純水輪機(jī)機(jī)驅(qū)動(dòng)”的方法，省去了電機(jī)，達(dá)到節(jié)能的目的。

但因每個(gè)循環(huán)水系統(tǒng)在設(shè)計(jì)、使用過(guò)程中富余水頭均不同。富余水頭充足的循環(huán)水系統(tǒng)一般可通過(guò)安裝水輪機(jī)來(lái)代替電機(jī)驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)，使回水富余水頭實(shí)現(xiàn)充分利用，達(dá)到節(jié)能的目的；而富余水頭不足的循環(huán)水系統(tǒng)則因無(wú)法達(dá)到風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速而白白浪費(fèi)。

3　“水-電混合技術(shù)”的介紹

冷卻塔的“水-電混合技術(shù)”是利用循環(huán)水系統(tǒng)中的富余回水能量驅(qū)動(dòng)“高效水輪機(jī)”轉(zhuǎn)動(dòng)并通過(guò)“雙輸動(dòng)力入齒輪箱”帶動(dòng)冷卻塔風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)，從而取代傳統(tǒng)冷卻塔的電機(jī)；在系統(tǒng)富余水頭不足或需增加冷卻塔風(fēng)扇轉(zhuǎn)速以提高冷卻塔降溫效果時(shí)，通過(guò)監(jiān)測(cè)控制軟件自動(dòng)啟動(dòng)輔助電機(jī)，與水輪機(jī)共同驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)，確保系統(tǒng)換熱效果。

輔助電機(jī)采用與原冷卻塔功率相同的電機(jī)，并配有變頻調(diào)速裝置，可在水輪機(jī)維護(hù)時(shí)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)冷卻塔風(fēng)機(jī)且風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速可達(dá)到原轉(zhuǎn)速。能實(shí)現(xiàn)“單獨(dú)水輪機(jī)驅(qū)動(dòng)”、“單獨(dú)電機(jī)驅(qū)動(dòng)”和“水-電混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)”，確保系統(tǒng)的換熱效果，給系統(tǒng)的安全運(yùn)行提供保障。

“純水輪機(jī)驅(qū)動(dòng)”與“水-電混合驅(qū)動(dòng)”的區(qū)別：

3.1系統(tǒng)富余水頭

純水輪機(jī)驅(qū)動(dòng)：循環(huán)水系統(tǒng)均存在一定的富余水頭，純水輪機(jī)驅(qū)動(dòng)需要充足的富余水頭，在富余水頭充足的系統(tǒng)中可達(dá)到100%節(jié)電，實(shí)現(xiàn)冷卻塔無(wú)電化運(yùn)行。但目前許多循環(huán)水系統(tǒng)中所存在的富余水頭均不足，如采用純水輪機(jī)驅(qū)動(dòng)替代原電機(jī)驅(qū)動(dòng)，則會(huì)造成風(fēng)機(jī)無(wú)法達(dá)到原轉(zhuǎn)速，從而影響設(shè)備的換熱效果，甚至影響生產(chǎn)。

水-電混合驅(qū)動(dòng)：可對(duì)系統(tǒng)中的富余水頭進(jìn)行充分利用，在富余水頭充足時(shí)實(shí)現(xiàn)100%節(jié)電，在富余水頭不足時(shí)可水輪機(jī)和電機(jī)同時(shí)驅(qū)動(dòng)，以達(dá)到要求的風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速及風(fēng)量。可實(shí)現(xiàn)“單獨(dú)水輪機(jī)驅(qū)動(dòng)”、“單獨(dú)電機(jī)驅(qū)動(dòng)”和“水-電混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)”三種方式運(yùn)行。

3.2水輪機(jī)及減速器

純水輪機(jī)驅(qū)動(dòng)：純水輪機(jī)驅(qū)動(dòng)一般采用混流式水輪機(jī)，安裝于冷卻塔風(fēng)筒內(nèi)，位于風(fēng)葉下方，減速器立式安裝于水輪機(jī)上部。在運(yùn)行過(guò)程中因混流式水輪機(jī)體積大，對(duì)冷卻塔的通風(fēng)存在影響，且減速器的下油封極易造成漏油，造成減速器的損壞，使冷卻塔無(wú)法運(yùn)行，并對(duì)循環(huán)水水質(zhì)造成污染。

水-電混合驅(qū)動(dòng)：水-電混合驅(qū)動(dòng)采用貫流式水輪機(jī)或?qū)⒒炝魇剿啓C(jī)立式安裝，水輪機(jī)安裝于風(fēng)筒外，采用雙動(dòng)力輸入減速器替代原減速器臥式安裝與風(fēng)葉下方。在運(yùn)行過(guò)程中對(duì)冷卻塔的風(fēng)通不存在影響，且因水輪機(jī)和電機(jī)的輸入端均水平設(shè)計(jì)在減速器中間，無(wú)漏油隱患。減速器安裝有機(jī)械機(jī)油泵，對(duì)軸承進(jìn)行潤(rùn)滑和降溫，增加軸承的使用壽命。

4　項(xiàng)目應(yīng)用

4.1項(xiàng)目情況

某企業(yè)循環(huán)水系統(tǒng)有560kW循環(huán)水泵3臺(tái)，將冷水供往各生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行熱交換，換熱后的熱水通過(guò)3座水處理量為2000m3/h的冷卻塔降溫冷卻，冷卻塔風(fēng)機(jī)配套電機(jī)功率為55kW。經(jīng)過(guò)杭州福鼎節(jié)能科技服務(wù)有限公司現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試水泵常年2開(kāi)1備運(yùn)行，其中一臺(tái)裝有變頻調(diào)速裝置，且運(yùn)行時(shí)循環(huán)水泵進(jìn)出口閥門全開(kāi)，為保證末端設(shè)備的壓力要求和換熱效果，系統(tǒng)通過(guò)調(diào)節(jié)冷卻塔上塔閥門開(kāi)度來(lái)控制系統(tǒng)壓力。通過(guò)對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)分析，循環(huán)水泵在高效區(qū)內(nèi)運(yùn)行，運(yùn)行方式和控制方法較為合理；但因冷卻塔上塔閥門未全開(kāi)，導(dǎo)致循環(huán)水系統(tǒng)回水存在背壓現(xiàn)象，造成了回水富余水頭浪費(fèi)；且冷卻塔風(fēng)機(jī)配套電機(jī)為定速電機(jī)，無(wú)法在季節(jié)變化時(shí)對(duì)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)，存在季節(jié)性無(wú)效能耗浪費(fèi)現(xiàn)象。

4.2改造方案

通過(guò)對(duì)循環(huán)水系統(tǒng)富余水頭進(jìn)行計(jì)算，發(fā)現(xiàn)該水系統(tǒng)回水富余水頭不足，改造后無(wú)法實(shí)現(xiàn)3座冷卻塔在風(fēng)機(jī)全速運(yùn)行時(shí)100%節(jié)電。為確保系統(tǒng)的安全生產(chǎn)，在不改變系統(tǒng)運(yùn)行模式和工藝參數(shù)、不增加水泵能耗的前提下對(duì)系統(tǒng)富余水頭進(jìn)行充分利用，采用“水-電混合技術(shù)”可對(duì)全部3座冷卻塔進(jìn)行節(jié)能改造。主要改造方法如下：

（1）因冷卻塔無(wú)備用，利用系統(tǒng)年終大修時(shí)對(duì)冷卻塔上水管進(jìn)行改造，在原進(jìn)水管上增設(shè)旁通閥門、水輪機(jī)進(jìn)回水閥門及接口。

（2）拆除原單動(dòng)力輸入減速器，安裝雙動(dòng)力輸入減速器、水輪機(jī)和輔助電機(jī)（輔助電機(jī)采用原電機(jī)代替）。安裝水輪機(jī)支撐支架，對(duì)接上水管道和回水管道。

（3）安裝變頻調(diào)速裝置和自動(dòng)控制系統(tǒng)，通過(guò)實(shí)測(cè)監(jiān)測(cè)供回水溫差，來(lái)控制輔助電機(jī)的開(kāi)啟和轉(zhuǎn)速。

（4）在原3臺(tái)電機(jī)的控制柜來(lái)安裝電度表和計(jì)時(shí)器，計(jì)量改造前、后的風(fēng)機(jī)電機(jī)耗電量。

4.3改造效果

通“水-電混合技術(shù)”對(duì)冷卻塔進(jìn)行改造，改造前、后對(duì)比如表1～2。

從表1可看出，改造前后水泵和冷卻塔的運(yùn)行模式、系統(tǒng)供水總管壓力、供水總管壓力、運(yùn)行流量均保持不變，水泵能耗沒(méi)有增加，且在風(fēng)機(jī)全速運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)速反而比改造前高，降溫效果優(yōu)于改造前。

表1　系統(tǒng)改造前、后運(yùn)行參數(shù)比照表

從表2可知，改造后，在夏季風(fēng)機(jī)全速運(yùn)行時(shí)節(jié)電率達(dá)70%，在其它季節(jié)輔助電機(jī)可視降溫效果變頻運(yùn)行或不啟動(dòng)，最高節(jié)電率甚至可達(dá)100%。按每年運(yùn)行8640h計(jì)算，改造后每年其可節(jié)約用電90.7萬(wàn)度以上，解決了因富余水頭不足而無(wú)法進(jìn)行水輪機(jī)改造的問(wèn)題，節(jié)電效果和節(jié)電收益非?？捎^。

5　結(jié)束語(yǔ)

“水-電混合技術(shù)”是一種新型的機(jī)械通風(fēng)冷卻塔節(jié)能改造技術(shù)。改造后系統(tǒng)各供水參數(shù)保持不變，不增加水泵等其余設(shè)備的能耗，解決了眾多因富余水頭不足而無(wú)法改造的問(wèn)題，具有安全可靠、修護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，目前已在多個(gè)企業(yè)得到實(shí)際應(yīng)用。該項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用與推廣，為工況企業(yè)冷卻塔高能耗問(wèn)題提供了一個(gè)新的解決方法。

［1］嚴(yán)煦世，范瑾補(bǔ).給水工程.中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2007.

［2］朱月海，朱江.循環(huán)冷卻水.中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2008.

［3］來(lái)周傳，李沛明，包可羊.《一種有輔助電機(jī)的節(jié)能型冷卻塔》專利.

包可羊（1982-），男，助理工程師，本科，主要從事系統(tǒng)節(jié)能改造工作。

TH43

A

2095-2066（2016）14-0255-02

2016-4-15