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冷卻塔水動風機的由來及可行性

發布日期:2017-01-17   點擊數: 1523

在被開發利用的能源中主要有熱能、水能、風能和核能,它們之中主要是轉換為電能,用于工業與民用之中。循環冷卻水中消耗的是電能,日常的運行成本中,除維護管理的少量費用之外,主要成本是電耗。

機械通風冷卻塔的能耗

冷卻塔的電能消耗主要為以下兩方面:

1. 水泵的能耗

水泵的能耗通常由兩部分組成,一部分是用水泵從熱水池取水,把熱水提升到冷卻塔內配水管網系統,通過配水管均勻配水;另一部分是水泵從冷卻后的冷水集水池中取水,把冷水提升到冷卻設備或產品的地方。如果需要冷卻的設備或產品位置較高,而冷卻塔的位置較低,則熱水靠重力流流入冷卻塔中進行冷卻,可省去熱水池和提升熱水的水泵。循環水系統來講,水泵的能耗包括這兩部分,如果有旁流處理系統和補充水系統,則也應包括在內。從熱水進入冷卻塔和利用熱水水力驅動風機來說,則指的是從熱水池取水把熱水送入冷卻塔內的水泵能耗。要使“水往高處流”,這部分的水泵能耗是必須的,也是難以節省的。

2. 電動機驅動風機的能耗

機械通風冷卻塔的風量是靠風機的風葉轉動來達到水冷卻所需要的設計風量,而風機是靠配備的電動機來驅動的,這部分能耗成為冷卻塔日常運行的主要成本。

現以500t/h 逆流式標準型(Δt =5 ℃)冷卻塔為例,氣水比(G /Q 重量比)為0.68計,則風量G =340000m3/h ,配用風機直徑4000m m ,選用電動機為1815k W ,則冷卻塔運行一年以240d 計,電費以0.6 元/k W 計,這一年中500t/h 標準型冷卻塔一年消耗的能量(電能) 為106560k W ,計電費63936 元。某化肥廠冷卻水量30000m3/h , 配用3000m3/h 組合式橫流塔10 臺,每臺選用風機直徑8000m m ,配用電動機功率113.1k W ,按240d 計,則一年的電耗和電費分別為6514560k W 和3908736 元,即391 萬元/a ?梢娪秒妱訖C驅動冷卻塔風機消耗的電能和電費是相當可觀的, “水動風機冷卻塔”研究的就是是否可利用提升水泵壓能轉換為動能,推動水輪機與風機旋轉,達到相同的設計風量與冷卻效果的條件下,而省去電動機。

冷卻塔水輪機驅動風機的可行性

1 .提升水泵的揚程 水泵從熱水池取水,提升到冷卻塔配水管出口(含噴嘴出口)所需要的壓力由以下幾部分組成:

1 )凈揚程(h 凈):

水泵在熱水池吸水的最低水位標高至冷卻塔內配水管中心線的標高,稱為水泵需要的凈揚程,用H 凈(或h 凈)表示。例如,地面標高±0.00 計,水泵在熱水池中最低吸水水位標高為-2.2m ,冷卻塔內配水管中心的標高為12.8m (槽式、池式配水標高以水面計),則水泵的凈揚程h 凈=12.8 -(-2.2 )=15.0m 。

2 )管路中的沿程水頭損失(h λ ):

從水泵吸水管至冷卻塔內的配水管,水流在管道內流動過程中因摩擦產生的能量損失,稱為沿程水頭損失(h λ )。在相同管徑、 相同流量情況下,管道內壁光潔度越好,水頭損失越小,故塑料管、玻璃鋼管、復合管的水頭損失小于鋼管、鑄鐵管(含球墨鑄鐵管)。

管內的流速與管道直徑成反比,沿程水頭損失與流速平方成正比,故流量不變的情況下,管徑越小,流速越大,水頭損失就增大。若在較長的輸水系統中,沿程各段的管道直徑可能是變化的,則應按管徑的不同分別計算沿程水頭損失(h λ ),最后相加得Σh λ 。對于冷卻塔來說,沿程的流量是不變化的,因此管徑也是相同的,故不存在分段計算。沿程水頭損失可根據管徑、流速、管道長度、管道材料查“水力計算表”而得。

3 )局部水頭損失(h f )

從水泵吸水管頭部起,管道系統中設有喇叭口、各種彎頭(管)、異徑管、閥門、止回閥、三通管等,水流流經這些部門均會造成能量損失,稱為局部損失,計算式為h f =ξ(V 2/2g )。因阻力系數ξ和流速V 不同,故各局部阻力h fi 是不相同的,把計算所得的各局部阻力損失相加,得系統中的總局部水頭損失Σh f 。

綜上所述,水泵所需要的理論揚程為:

2 .選用水泵的揚程

式(8-1 )是設計計算所得水泵需要的理論揚程,但考慮到各種原因,其中包括可能產生的計算誤差,運行過程中管內壁粗糙度的增加、管道過水斷面的縮小等,均會增加能量的消耗而增加水頭損失,故設計單位在確定水泵揚程時,在理論揚程的基礎上再增加≥ 4m ,則設計單位確定的水泵揚程為:

而實際選用的水泵揚程比式(8-2 )的要大,原因主要為以下兩方面:一是按式(8-2 )的揚程要求不容易選到水泵,如選小一些揚程的水泵,則不安全,故選用的水泵揚程比式(8-2 )的大;二是用戶單位在選用水泵時并不知道設計單位在理論揚程基礎上已加上≥ 4m ,因此在式(8-2 )的基礎上又增加了約5m 左右的揚程。所以實際選用的水泵揚程比理論揚程一般都大于5m 以上,稱為水泵的富余水頭,或稱為富余壓力。

例如某400t/h 冷卻水的冷卻塔,計算結果的h 凈=13.5m ,Σh λ =2.8m ,Σh f =1.7m ,故水泵的理論揚程為H =13.5 +2.8 +1.7 =18m ;現若考慮確保安全,在理論揚程基礎上再增加5m 水頭,則水泵揚程為H =18m +5m =23m 。按原H =18m、Q =400t/h ,可選用10sh -13A 水泵,主要參數為:

Q =342~482m3/h ;H =22.2~17.4m

水泵軸功率N =25.8~28k W ;

電動機軸功率N =40k W ;

效率η=80 %, 83 %。

現要求水泵揚程H =23m ,則選用10sh -13 水泵,主要參數為: Q =360~576m3/h ;H =27.0~19.0m

水泵軸功率N =33.1~36.4k W ;

電動機軸功率N =55k W ;

效率η=80.0 %~86.0 %。

10sh -13 水泵特性曲線,當流量Q =400m3/h 時,水泵的揚程(壓力)為26m ,因此水泵的實際富余水頭為8m 。電動機功率增加了15k W 。

按標準型(Δt =5 ℃)400m3/h 低噪聲冷卻塔,配用的風機直徑為3800m m ,轉速為n =165r/min,風量G =185000m3/h,配用的電動機功率為N =715kW,F按Q =400m3/h ,水泵富余水頭8m 為例,能產生715k W 的軸功率使水輪機驅動風機轉動,達到設計的風量,則就可省去715k W 的電動機,達到節約能量的目的。

利用水泵富余水頭H 產生推動水輪機轉動的有效軸功率計算式為:

式中 γ——水的密度(kg/L 或kg/m 3 ),1m3 ·H2O =1000kg ;

Q——水泵的流量(m3/s);

H——水泵的富余揚程(m );

η——水輪機的效率,越高越好,現研制的推動冷卻塔風機的最高效率可到88 %,一般為70 %~80 %左右。 如果式(8-3)中不除以102 ,則單位為(kg·m)/s ,故1k W =1.36 馬力,所以除以102 得功率的單位為k W 。因水的密度γ =1000kg/m3 ,則1000/102 =9.804 ,代入式(823 )得:

現按上述:Q =400m3/h ≈ 0.1111m3/s;H =8m ;水輪機效率η=85 %~88 %。代入式(8-4 )中,得N效= 7.41~7.67k W ,而原配的驅動冷卻塔風機的電動機功率N =7.5k W ,這說明利用水泵的富余水頭來推動水輪機驅動風機轉動,達到設計要求的風量和冷卻效果,是可能的和可行的,關鍵是要研制高效的、符合冷卻塔中推動風機轉動達到設計轉速的水輪機。









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