涼水塔風機驅動系統節能的問題和策略
1 概述
中國石油寧夏石化分公司二化循環水共有冷卻塔11間，設計能力為每臺4000m3/h。冷卻塔采用風冷形式冷卻循環水：從系統經過各換熱器回來的循環水(熱水)回到冷卻塔上，由分配管到布水槽再經噴頭自上而下流到塔池，風機抽進的冷空氣自下而上與熱水在塔內進行換熱，將熱水冷卻后再循環送到各換熱器。風機的驅動采用傳統的電機帶動減速機驅動風機轉動。
循環水流程示意如下：
圖1
2 問題的提出
現循環水系統已運行多年，其中冷卻塔風機電機和減速機故障較多，維修困難且費用較高，每年消耗的電量也很大，對節能降耗、降低生產成本產生很大影響。為此，計劃通過設備更新改造，降低生產成本。
傳統的電機驅動減速機帶動風機轉動，與新型節能的冷卻塔專用水輪機相比能耗較高，為了節約能源，降低成本，增加效益，有必要對原有的循環水冷卻塔風機驅動系統進行技術改造，用冷卻塔專用水輪機取代電機。從原來的電力驅動風機改變成高效的水力驅動，在保證循環水冷卻溫度的基礎上，不改變涼水塔冷卻效果，但卻很好地達到節電降耗的目的。
3 可行性研究
3.1 原理介紹
水動風機是以水力驅動風機，而不是傳統的電力。在水動風機冷卻塔中，是以水輪機取代電機作為風機動力源。水輪機的工作動力來自系統的富余流量和富余揚程。水輪機的輸出軸直接與風機相連，進而帶動風機旋轉。通過水輪機的水在剩余動能和勢能的作用下再流向布水器，完成布水。
在冷卻塔的循環水泵系統設計的熱力學、傳熱學計算中，從換熱設備熱負荷、換熱面積到冷卻水需求量的各個環節，由于考慮到設備和系統管道的阻損，一般都要放一些設計余量，在水泵選型時還要在此基礎上再乘1.1～1.3倍作為水泵選型的依據，而在具體選型時往往很難湊巧選到參數完全一致的水泵，根據就高不就低的原則，一般選擇揚程較大的水泵，由于上述幾種情況的疊加，因此在水泵循環系統中都存在著大量的富余揚程和流量。
由于配用的拖動電動機一般定位于最大工作能力情況下，而大量的生產場合由于功率需求始終處于變動狀態，普遍采用閥門調節的方式，也就是在輸送流體的管道上利用改變閥門的開度來調節泵的流量。這種調節方法利用改變管道系統阻力的辦法，變更管道阻力特性曲線，以便獲得適合需要的工作點。但是關小閥門可以減少流量，拖動電動機的軸輸出動力基本沒有改變，有相當一部分能量消耗在閥門上，雖然閥門的輸出達到了工況要求，但是能量的有效比例減少了，而損耗增加了。
在整個循環水系統中，每段水管、彎頭都有一定的阻力，冷卻塔的位置高低、換熱部件的阻力及壓力要求都會在系統中產生阻力，這些阻力值只是一個大概的數據，根據這個數值在選型水泵的揚程時，考慮更安全地滿足生產需求，就在克服所計算出的阻力數值的基礎上至少加15%的余量來選型。
當系統加上水輪機后，將進塔閥門逐漸打開直至系統流量到需要值。因水泵功率與流量成正相關關系，流量變化時水泵功率才變化，流量不變化時水泵電機功率也不變化。
若水輪機加上后進塔閥門完全打開富裕揚程不夠時，系統流量會稍有減小用來增加富裕揚程，流量減小量在3%～5%時不會對系統運行有任何影響。
3.2 公司涼水塔系統概況
僅以寧夏石化公司二循環水7#涼水塔為例進行分析：
表1
3.3 系統富余能量及風機電機功率計算
水輪機輸出功率計算：
W水=9.81×Q水×H富×η水(kW)
式中：
W水——水輪機輸出功率(kW)
Q水——水輪機工作流量(m3/s)
H富——富余水頭(m)
η水——水輪機效率為85%～88%
系統閥門的關閉就是富余能量的表現，每個閥門對應不同的流量及開度，其消耗的揚程及能量用下述公式
計算：
揚程：
式中：
V——流體速度
g——重力加速度
DN900螺旋管此時的流體速度：V=1.85m/s
綜上，DN900開度為20%閥門所消耗的揚程為22m。如果將閥門全打開可以釋放的揚程為：H總=22m。
W水=3000m3/h×9.81×22m×0.85/3600≈152.1kW
對于4000m3/h冷卻塔屬標準配置，實測電流為16A，電壓為6000V，得出風機電機輸出軸功率可概算為：
式中：
U——電壓為6000V
I——電流為16A
cosφ——功率因素為0.8
η電——電機效率為0.82
水輪機輸出功率與風機運行功率比較計算：w軸-p軸>0
從計算結果看，水輪機輸出功率大于風機運行功率。因此完全可以取代電機帶動減速機及風機葉片旋轉，并達到原有的冷卻效果。水輪機改造需利用系統中的富余能量，此部分能量在未改造前就已經存在于系統之中。水輪機即利用這部分能量來帶動風機旋轉工作。
4 實施改造
自2009年起，先實施一臺涼水塔風機(7#)驅動系統的改造，用冷卻塔專用水輪機取代風機電機，將原來的減速機拆除，改電力驅動為水力驅動，同時將原來的進塔水總管向上延伸至塔頂的水輪機入口，水輪機出口管線與原塔內布水管線連接。改造時僅對冷卻塔進出水管路做相應調整，塔體結構保持原狀。在原有的4根進水管上增加4個DN400蝶閥作為旁通閥門，在因特殊情況而需停開風機時，將閥門打開，使循環水直接經過原有的進水管進入布水系統。也保證了冬季水溫較低，不需要啟動風機時，上塔水直接經過旁通閥回到原塔內布水管。安裝旁通蝶閥便于檢修和負荷調節，適應風機轉速調節，保證對應的流量的風量，確保冷卻效果。
以下是管路改造圖：
圖2 塔外管路改造
圖3 塔內布水管改造圖
改造實施后，水輪機驅動風機轉速與原電機帶動時轉速基本一致，達到了預期的目標。之后陸續又改造了2臺涼水塔風機驅動系統。目前3臺水輪機運行狀況良好，風機轉速、循環水冷卻后溫度都能夠滿足工藝需求。且因為拆除了電機、減速機、傳動軸，減輕了整個涼水塔的重量，對整個塔基也起到了很好的保護作用。
5 改造后的效果
與傳統電機驅動相比，水動風機驅動系統具有如下
優點：
節能效果顯著
：冷卻塔風機更新改造后，其節能效果計算如下：冷卻塔每天使用按24小時計、每年使用時間按300天計：185kW×24小時×300天×1臺=133.2萬kWh/年電價按企業工業電費標準0.32元/度計，每年每臺涼水塔節約電費46.1萬元。
運行可靠性提高：水輪機結構采用反擊形式，流入的水流相對于水輪機的轉軸對稱分布，使對水輪機的沖擊平衡，減少水輪機運行的振動，使得冷卻塔運行更加穩定。水動風機運轉平穩，可靠性高。因不再使用電機，從根本上杜絕了電機、電控的漏電、漏油、燒毀等損壞的故障，為安全持續運行提供了保證。
安全：因不使用電機，可在有防爆要求的環境下安全運行。水輪機的重量比已取消的電機+傳動軸+減速機的要小很多，運行環境比較安全。
經濟：因取消了電機，從而大大減少了電機的日常管理和維修保養所產生的費用。根據普查計算出最低的日常管理和維修保養成本：12元/m3/年(即：12元/m3/年×30000m3/h×1臺=36000元/年)。
結論：經技改后，單臺冷卻塔每年即可節約電費46.1萬元，再加上每年節約的電機和減速器維修和保養費用，一年可以節約49.6萬元。如按冷卻塔10年壽命計，節約的總費用更可觀。
6 結語
通過實施節能改造，采用新型的冷卻塔專用水輪機取代風機電機，改電力驅動為水力驅動，不僅減少了維修成本，而且大幅度減少電耗，達到節能降耗的目的。本項目的實施，可以有效地解決現有生產設施存在的主要問題，確保生產裝置長期連續安全穩定運行，并實現節能降耗的目的，為企業的發展做出了巨大貢獻。
參考文獻
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作者簡介：陳萍(1974—)，女，寧夏人，中國石油寧夏石化公司機動處工程師，研究方向：化工動設備方面設備管理。
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