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      冷卻塔水動風機節能分析與設計要求

      發布日期:2017-01-17   點擊數: 1509

      用水輪機取代電動機驅動風機,具有明顯的優特點,但不同規格的冷卻塔究竟具有多少富余水頭可以進行改造,如何理解水動風機冷卻塔的節能等,本節進行一些分析研究和討論,共同進行必要的商榷。

      冷卻塔水輪機軸功率及所需水頭

      1. 軸功率與需要水頭計算的說明與假設 因變化的因素很多,不少參數是有條件使用的,因此需作適當的說明和必要的假設,但有些假設條件可能偏高,也可能偏低,計算的結果與客觀實際會有一定出入。盡管如此,通過這些說明和假定所計算的結果,會得到一定的啟示,有一個粗略的了解和大致的應用范圍,是有一定的收益的。

      說明和假設大致如下:

      1 )有些風機的軸功率,是可以從風機的樣本中根據需要的風量直接查到的。而有些風機樣本中,只有配用電動機的功率,沒有風機軸功率,則要把電動機功率換算成風機軸功率。而不同電動機的效率范圍很大,最高達到88 %;而小的僅為34 %,但大多數的電動機效率在70 %~80 %之間,小電動機效率一般均小于70 %,大電動機相對效率較高,計算中采用:小電動機效率以60 %計,偏中型的電動機以70 %~73 %計,偏大功率的電動機效率以75 %~80 %計。

      2 )風機傳動裝置的效率,小塔(一般100m3/h 以內的),電動機立軸直接驅動風機,效率以100 %計;聯軸器直接驅動效率98 %計;三角皮帶(含齒輪)傳動95 %計。

      3 )水輪機的效率變化幅度也較大,高的可達88 %,而低的僅70 %左右,一般小流量水輪機效率較高,大流量水輪機相對較低。同時水輪機效率還與冷卻塔配水形式有關。計算中小流量(小于200m3/h )塔效率按85 %計;300m3/h 以上塔水輪機效率按80 %計,都略偏高了一些。

      4 )標準型塔(Δt =5 ℃)的風量按氣水比λ=0.65 計算;中溫塔(Δt =10 ℃)的風量按氣水比λ=0.85 計算。此氣水比值都在設計范圍內,是設計中接近采用的值。

      5 )風機的有效軸功率是按風量直接從風機樣本查得或按配用的電動機功率換算得來。而水輪機做功需要達到風機軸功率所要的水頭(H ),是按風機軸功率N 計算而來,計算公式為:H =N /9.81 ·Q ·η,N 單位為k W ;Q 單位為m3/s;η單位為%。

      2. 水輪機所需要的計算水頭

      現按循環冷卻水量從50~4000m3/h ,以標準型塔(Δt =5 ℃)和中溫塔(Δt =10 ℃)兩種塔型,對水輪機達到冷卻風量所需要軸功率的水頭(H )進行計算,見表8-4 。

      通過計算,從表8-4 看,有以下幾方面的規律與特點:

      1 )流量小的冷卻塔,水輪機軸功率所需要的H 相對小,隨著流量的增大,需要的H 也增加。Δt =5 ℃的塔,水量從Q =50m3/h , Q =4000m3/h ,需要的壓力水頭從7.5m左右上升到15m 左右;Δt =10 ℃的塔,水量從Q =50m3/h , Q =3000m3/h ,需要的壓力水頭從12.50m 左右上升到18.50m 左右。

      2 )中溫型塔因風機需要的軸功率比低溫塔大,故相同流量的塔,水輪機需要的壓力水頭也大,多數要大3m 以上,故中溫塔水泵的富余水頭要比低溫塔水泵富余水頭大得多,否則H 不能滿足要求而無法改造。 (3 )低溫塔水量1500m3/h 以上的,水輪機需要的壓力水頭H > 13m ;中溫塔1500m3/h 以上的,水輪機需要的壓力水頭H > 16.5m 。一般水泵的富余水頭這么高是較少的,如水泵達不到此富余水頭,則較難改造。如果改造則風機轉速、風量和冷卻效果等可能達不到原來的要求。

      4 )中溫塔(Δt =10 ℃)多數為中小型塔,大于1000 m3/h 的很少,基本上都是低溫塔。因此對塔的改造來說,主要是系列低溫塔,其次是中小型中溫塔。對于大于1000m3/h 的中溫塔,一是很少,二是水泵的富余揚程要大(> 16.5m ),因此不是改造的對象。

      8-4 中計算所需要的水輪機壓力水頭H 值是建立在上述5 個假定條件基礎上的,實際情況有所不同,故存在著誤差,僅供參考。究竟能否改造,要根據當地塔的實際情況進行分析研究,計算確定。

      水輪機在新冷卻塔中的使用

      水輪機代替電動機驅動風機存在前述的4 個方面優特點,因此不僅用于老塔的改造中,也必然會與新冷卻塔配套使用,那么提升水泵揚程(壓力)如何確定,是否像老塔那樣從省去了風機電動機來說而達到100 %節能,對這些問題應進行分析和研究。

      1. 提升水泵的揚程

      在設計中,從熱水池把水提升到冷卻塔配水系統所需要的揚程,是按計算所得理論值再加4~6m 的富余水頭確定的。常用的富余水頭為4m 左右。按表8-4 的計算,此水頭做功是達不到水輪機所需要的軸功率的,則轉速、風量、冷卻都無法達到設計的要求。因此提升水泵的揚程必須滿足水輪機所需要的水頭(H )值,那么水泵的揚程如何確定,可分以下兩種情況討論:

      1 )不考慮設計需要的富余水頭

      不考慮設計需要的富余水頭就是不另增加4~6m 的水壓,對水輪機來說,這4~6m的水頭也用來推動水輪機做功了,則水泵需要的揚程用公式表示為: H揚=h凈+Σ h1 +Σhf +h機。╩ ) (8-23 )

      式中 H揚———水泵揚程(m );

      h凈———水泵吸水池最低水位到冷卻塔配水系統高度(m );

      Σh1 ———從水泵吸水管到塔配水系統管道中的沿程水頭損失總和(m );

      Σhf ———從水泵吸水管到塔配水系統的喇叭口、閥門、彎頭等局部水頭損失之和(m );

      h機———水輪機軸功率所需要的水頭H (m )。

      設計考慮的4~6m 富余水頭是因考慮可能產生的計算誤差和今后管道粗糙度增加與沉淀物結垢,水頭損失增加而設的安全系數,F選泵揚程中未考慮該因素(注:改造塔中原有多余水頭全部利用了,也未考慮該因素)。從能量消耗來說,雖是節能了,但從運行、長期保持設計風量和水冷卻效果來說,欠較安全。

      2 )考慮設計需要的富余水頭

      考慮設計的富余水頭是指水泵揚程達到水輪機軸功率所需要的水頭之后,還需增加4~ 6m 揚程。用公式表示為: H揚=h凈+Σh1 +Σhf +h機+(4~6)。╩) (8- 24 )

      水泵揚程比式(8-23 )多了4~6m ,考慮了可能產生的計算誤差和今后的阻力增加,故是偏安全的。

      以上兩種選泵揚程方式中采用哪種方式為妥,要視具體情況而定。例如,在設計計算相對較精確,基本不大會產生多大誤差的情況下,如果水泵提升系統的管道和配件采用的是塑料管和配件(PVC 、UPVC 、PE 、ABS 等)、鋼塑、鋁塑等復合管、玻璃鋼管等,這可考慮采用第一種選擇水泵揚程的方式。原因是上述水管內壁非常光滑,光潔度好,阻力很小,而且耐酸堿腐蝕、不易粗糙,也不易沉淀結垢而縮小過水斷面,故基本上可不考慮富余水頭或略考慮些即可。但如果管道系統采用的是鑄鐵管、鋼管,甚至鋼筋混凝管等,則要考慮今后阻力增大而消耗的水頭損失,選擇第二種水泵揚程的方式為妥。

      2. 節能情況分析

      假定設計的富余水頭定為5m ,按第一種選擇水泵揚程的方法,這5m 水頭也用來推動水輪機做功了,則按表8-3 、8-4 中電動機功率和風機所需的軸功率及需要的水頭來計算和分析節能的情況,見表8-5 。表中的節能是建立在已利用5m 富余水頭的基礎上,“需增加水頭”一項中的值是達到水輪機軸功率值“做功需要水頭”減去5m 得來的,這個增加水頭能做多少功立在“增加水頭做的功”一項中,然后把原風機配用的電動機功率減去“增加水頭做的功”,得到“減少的功率”,也就是節省的功率(電能),再除以電動機功率得節能的百分比值。


      由表8-5 可見:

      1 )Δt =5 ℃的低溫型新塔,在利用5m 富余水頭(對塔來講即沒有考慮富余水頭)的情況下,除4000m3/h 塔(節能43.6 %)之外,節能均在50 %以上,高的達到近80 %。

      2 )節能的基本規律為:中小型塔節能多,大塔節能少。表中可見,≤ 200m3/h 的塔,節能> 70 %;300~400m3/h 的塔,節能在60 %, 70 %;≥ 500m3/h 的(除1000m 3/h )節能在50 %左右?梢,Q 從小→ 大,節能從大→ 小。

      沒有考慮富余水頭,對塔的長期運行來說,缺乏安全感,時間長了,阻力會增大,摩阻損失增加,做功的水頭會減少,則會影響水輪機轉速、風量、水量和冷卻效果,故應適當地考慮富余水頭,F假定水泵的富余水頭仍為5m ,而這5m 水頭不考慮用于水輪機做功,那么節能的情況可參見表8-6 。表中、實際水頭可做功的功率、 一項中,小于150m3/h 的水輪機效率按η=0.85 計,大于150m3/h 的水輪機效率η=0.80 計。節能百分比是按“原配電動機功率”減去“實際水頭可做功的功率”,再除以“原配電動機功率”而得。

      從表8-6 可見:

      1 )表中節能一項中有正值和負值(即正值為節能,負值不但不節能,反而增加能耗),表中最大的節能值僅為16.4 %,而反而增加能耗的高達19.82 %。存在既節能又耗能兩種情況。

      2 )從表8-6 可見:水量≤ 400m3/h 的塔,在不利用5m 富余的情況下,還是節能的,但節能是有限的,一般不超過20 %;而水量> 400m3/h 的塔,在不利用5m 富余水頭的情況下,基本趨勢是反而增加能耗,高的近20 %。

      3 )無論新塔還是老塔改造,只有充分利用提升水泵多余的5m 左右富余水頭,才能達到節能省電的目的,才有意義。否則,考慮要慎重,要通過計算根據是否節能作決定。

      對于中溫塔(Δt =10 ℃),除部分適合于老塔改造之外,其水泵的富余水頭要遠大于5m ,對新塔如不利用富余水頭來說,反而會增加能耗而不經濟,這里不再論述。

      水動風機冷卻塔節能分析與設計要求

      用水輪機取代電動機驅動風機,具有明顯的優特點,但不同規格的冷卻塔究竟具有多少富余水頭可以進行改造,如何理解水動風機冷卻塔的節能等,本節進行一些分析研究和討論,共同進行必要的商榷。











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