無風冷卻塔綜合運行能耗分析

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摘要： 無風冷卻塔與機械通風冷卻塔相比，噪聲小，節(jié)省了風機電機的能耗，但無風機冷卻塔比機械通風冷卻塔的進塔壓力高0.10Mpa左右，需要水泵提供更多的能量，與節(jié)省掉的風機電機能耗相比之后，才能確定是否節(jié)能，不能簡單地把要冷卻塔的進塔水壓差折算成無風機冷卻塔的增加能耗，這是不準確的。
關鍵詞： 無風機冷卻塔 機械通風冷卻塔 水泵 綜合能耗

　　0概述

　　冷卻塔通過汽水交換把熱量帶入大氣中，是循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的關鍵設備。無風機冷卻塔（亦稱噴霧通風冷卻塔、“免風機電機”水力取風冷卻塔等）由風筒、收水器、塔體淋水篩網、噴霧裝置、進風百葉窗和集水盆組成。無風機冷卻塔噴霧裝置是一種射流元件，它取代了傳統(tǒng)冷卻塔的填料和風機，噴霧裝置由旋流霧化噴頭、風葉、密封轉動機構三大部分組成，利用液壓驅動。低壓液流通過旋流霧化噴頭形成霧化，噴霧流的反作用推動密封傳動機構和風葉作反向旋轉，產生由下部吹向霧流的風力，氣水比可達1.0~1.3。霧化水滴與進塔空氣在霧化狀態(tài)下進行熱交換，達到預期的降溫效果。從原理上，無風機冷卻塔不需要填料和風機，節(jié)省了風機的電耗，但綜合運行電耗仍需進一步測試計算，才能確定無風機冷卻塔在何種情況下節(jié)約能量。

　　要確定系統(tǒng)的綜合電耗，必須對循環(huán)冷卻卻水系統(tǒng)涉及到的要素進行逐項分析，比如水泵的選型、水泵電機電耗、冷卻塔的放置位置及風機電耗、空調機組的壓力損失、循環(huán)冷卻水管道及閥門的壓力損失等。通常機械通風冷卻塔進塔壓力要求一般在0.05MPa（個別塔型達0.10MPa），無風機冷卻塔進塔壓力要求約 0.15MPa左右，就會比機械通風冷卻塔高0.10MPa，對循環(huán)冷卻水系統(tǒng)總的能耗而言，要以系統(tǒng)為基礎綜合各方面的因素進行電能消耗比較。

　　1 冷卻塔的位置及循環(huán)冷卻水管道的壓力損失

　　冷卻塔設定放在建筑物的裙房屋面上，循環(huán)冷卻水管道總長按70m計算，管道局部損失按沿途損失的30%計算。為了減少管道的損失，建議管徑≥DN200，V＜2.0m/s；DN100~150，V＜1.50m/s。管道計算流量以冷卻塔的循環(huán)水量為準。以下是不同流量的循環(huán)冷卻水管道的流速、配管尺寸及管道損失等，見表1。

　　 表1 循環(huán)冷卻水管道的流速、配管尺寸及管道損失

　　 流量（m³/h） 　　 75 　　 100 　　 150 　　 200 　　 300 　　 400 　　 管徑（mm） 　　 150 　　 150 　　 200 　　 200 　　 250 　　 300 　　 流速（m/s） 　　 1.24 　　 1.65 　　 1.37 　　 1.82 　　 1.67 　　 1.52 　　 管損（m） 　　 1.80 　　 3.20 　　 1.49 　　 2.65 　　 1.64 　　 1.06

　　續(xù)表1 循環(huán)冷卻水管道的流速、配管尺寸及管道損失

　　 流量（m³/h） 　　 500 　　 600 　　 700 　　 900 　　 1000 　　 管徑（mm） 　　 300 　　 350 　　 350 　　 400 　　 400 　　 流速（m/s） 　　 1.90 　　 1.67 　　 1.95 　　 1.93 　　 2.15 　　 管損（m） 　　 1.66 　　 1.03 　　 1.41 　　 1.17 　　 1.45

　　實際以計算數據為準，建議總管損小于或等于0.05MPa，以節(jié)約能耗。

　　2 機械通風冷卻塔配套功率的確定

　　機械通風冷卻塔風機電機功率參考“中小型玻璃纖維增強塑料冷卻塔”GB7190.1-1997中C型塔Δt=5℃的工況選定，根據其規(guī)定，實測耗電比不大于0.04kW(m³/h)，為了便于對照設計計算，還參考了良機集團LRCM-LN、LBC-M塔的配套功率，具體工程應以具體產品樣本進行校核。以下是不同循環(huán)水量機械通風冷卻塔配套風機電機的額定功率及風機耗能，見表2。

　　表2 機械通風冷卻塔配套風機電機的額定功率

　　 流量（m³/h） 　　 75 　　 100 　　 150 　　 200 　　 300 　　 400 　　 電機功率（kW） 　　 3.0 　　 3.7 　　 5.5 　　 7.5 　　 1.0 　　 15.0 　　 風機耗能（kW） 　　 2.609 　　 3.217 　　 4.783 　　 6.522 　　 9.565 　　 13.043

　　 續(xù)表2 機械通風冷卻塔配套風機電機的額定功率

　　 流量（m³/h） 　　 500 　　 600 　　 700 　　 900 　　 1000 　　 電機功率（kW） 　　 18.5 　　 22.0 　　 30.0 　　 37.0 　　 45.0 　　 風機耗能（kW） 　　 16.087 　　 20.000 　　 27.273 　　 33.636 　　 40.909

　　通常風機選用時應考慮功率儲備系數，其值宜取1.10~1.15之間。折算掉儲備系數后即為風能消耗，計算時小于20kW的電機其儲備按1.15 折算，大于20kW的電機其儲備系數按1.10折算。

　　3 兩種塔進水壓比較

　　無風機冷卻塔進塔壓力參考良機LFC型冷卻塔，機械通風冷卻塔進塔壓力參考良機LRCM-LN和LBC-M兩種塔型，具體情況見表3-1和表3-2。

　　表3-1 LRCM-LN和LFC進塔壓力比較

　　 流量（m³/h） 　　 75 　　 100 　　 150 　　 200 　　 300 　　 400 　　 LRCM-LN進塔壓力H­₁（m） 　　 3.0 　　 3.0 　　 3.5 　　 3.2 　　 3.5 　　 3.4 　　 LFC進塔壓力H₂（m） 　　 14 　　 14 　　 14 　　 15 　　 15 　　 15 　　 水壓差ΔH=H₂-H₁（m） 　　 11.0 　　 10.8 　　 10.5 　　 11.8 　　 11.5 　　 11.6

　　續(xù)表3-1 LRCM-LN和LFC進塔壓力比較

　　 流量（m³/h） 　　 500 　　 600 　　 700 　　 900 　　 1000 　　 LRCM-LN進塔壓力H­₁（m） 　　 3.5 　　 3.5 　　 3.5 　　 3.5 　　 3.5 　　 LFC進塔壓力H₂（m） 　　 15 　　 15 　　 15 　　 15 　　 15 　　 水壓差ΔH=H₂-H₁（m） 　　 11.5 　　 11.5 　　 11.5 　　 11.5 　　 11.5

　　 表3-2 LBC-M和LFC進塔壓力比較

　　 流量（m³/h） 　　 75 　　 100 　　 150 　　 200 　　 300 　　 400 　　 LBC-M進塔壓力H­₁（m） 　　 3.2 　　 3.5 　　 4.1 　　 4.1 　　 4.5 　　 5.5 　　 LFC進塔壓力H₂（m） 　　 14 　　 14 　　 14 　　 15 　　 15 　　 15 　　 水壓差ΔH=H₂-H₁（m） 　　 10.8 　　 10.5 　　 9.9 　　 10.9 　　 10.5 　　 9.5

　　續(xù)表3-2 LBC-M和LFC進塔壓力比較

　　 流量（m³/h） 　　 500 　　 600 　　 700 　　 900 　　 1000 　　 LBC-M進塔壓力H­₁（m） 　　 6.5 　　 6.5 　　 7.0 　　 7.5 　　 7.5 　　 LFC進塔壓力H₂（m） 　　 15 　　 15 　　 15 　　 15 　　 15 　　 水壓差ΔH=H₂-H₁（m） 　　 8.5 　　 8.5 　　 8.0 　　 7.5 　　 7.5

　　 4 空調機組的壓力損失

　　 不同型號機組的壓力損失是不一樣的，本文以遠大VII型直燃機（溴化鋰）的壓力損失進行計算，具體工程以設計選定的機組為準。不同冷卻水量的空調機組的壓力損失見表4。

　　 表4 空調機組的壓力損失

　　 流量（m³/h） 　　 75 　　 100 　　 150 　　 200 　　 300 　　 400 　　 損失（MPa） 　　 0.07 　　 0.07 　　 0.07 　　 0.10 　　 0.10 　　 0.15

　　 續(xù)表4 空調機組的壓力損失

　　 流量（m³/h） 　　 500 　　 600 　　 700 　　 900 　　 1000 　　 損失（MPa） 　　 0.12 　　 0.12 　　 0.12 　　 0.11 　　 0.11

　　5 水泵及其電機能耗

　?、?水泵揚程

　　水泵揚程的確定與冷卻卻循環(huán)水系統(tǒng)的形式有關，限于篇幅本文以下列冷卻循環(huán)水的圖式確定水泵揚程：

　　這樣水泵的揚程=空調機組水頭損失+布水器所需水頭（或塔體揚程）+管道水頭損失，并假定冷卻塔的進出水管均從塔的底部接入，其中管道損失考慮一定的余量按0.05MPa計算。不同流量、不同塔型水泵揚程的計算數據見表5-1、5-2。

　　 表5-1 LRCM-LN塔和LFC塔水泵揚程

　　 流量（m³/h） 　　 75 　　 100 　　 150 　　 200 　　 300 　　 400 　　 LRCM-LN塔所需水泵揚程（m） 　　 15.0 　　 15.2 　　 15.5 　　 18.2 　　 18.5 　　 23.5 　　 LFC塔所需水泵揚程（m） 　　 26.0 　　 26.0 　　 26.0 　　 30.0 　　 30.0 　　 35.0

　　續(xù)表5-1 LRCM-LN塔和LFC塔水泵揚程

　　 流量（m³/h） 　　 500 　　 600 　　 700 　　 900 　　 1000 　　 LRCM-LN塔所需水泵揚程（m） 　　 20.4 　　 20.5 　　 20.5 　　 19.5 　　 19.5 　　 LFC塔所需水泵揚程（m） 　　 32.0 　　 32.0 　　 32.0 　　 31.0 　　 31.0

　　 表5-2 LBC-M塔和LFC塔水泵揚程

　　 流量（m³/h） 　　 75 　　 100 　　 150 　　 200 　　 300 　　 400 　　 LBC-M塔所需水泵揚程（m） 　　 15.2 　　 15.5 　　 16.1 　　 19.1 　　 19.5 　　 25.5 　　 LFC塔所需水泵揚程（m） 　　 26.0 　　 26.0 　　 26.0 　　 30.0 　　 30.0 　　 35.0

　　 表5-2 LBC-M塔和LFC塔水泵揚程

　　 流量（m³/h） 　　 500 　　 600 　　 700 　　 900 　　 1000 　　 LBC-M塔所需水泵揚程（m） 　　 23.5 　　 23.5 　　 24.0 　　 23.5 　　 23.5 　　 LFC塔所需水泵揚程（m） 　　 32.0 　　 32.0 　　 32.0 　　 31.0 　　 31.0

　　 從表5-1、5-2的數據分析，LBC-M型塔所需水泵揚程稍大，下文的計算均以表5-2的數據為依據。

　?、?水泵的能耗

　　 要得到水泵的能耗，必須先計算出泵的軸功率，并考查傳動效率、電動機的效率。文中以KQW型泵的參數進行論述，該型泵采用電機直接連接，機泵軸完全同心，傳動效率高，計算泵的能耗時該項忽略不計；電動機的效率以其額定工況的效率進行計算。根據表5-2的數據選出合適的水泵，其流量、揚程、電機功率 電機效率、泵的軸功率，泵的能耗等數據見表5-3。

　　表5-3機械通風冷卻塔配套水泵及無風機冷卻塔配套水泵能耗

　　 流量（m³/h） 　　 75 　　 100 　　 150 　　 200 　　 300 　　 400 　　 機械通風冷卻塔配套水泵 　　 型號 　　 100/110　　-7.5/2 　　 100/125　　-11/2 　　 125/125　　-15/2 　　 150/250　　-18.5/4 　　 200/250　　-30/4(Z) 　　 200/300-55/4 　　 揚程（m） 　　 17.5 　　 20 　　 19.8 　　 20 　　 20 　　 25.66 　　 功率（kW） 　　 7.5 　　 11 　　 15 　　 18.5 　　 30 　　 45 　　 軸功率（kW） 　　 6.0 　　 8.8 　　 12 　　 13.96 　　 20.14 　　 40.51 　　 電機效率（％） 　　 86.2 　　 87.2 　　 88.2 　　 91 　　 92.2 　　 92.3 　　 能耗（kW） 　　 6.961 　　 10.092 　　 13.605 　　 15.341 　　 21.844 　　 43.889 　　 無風機冷卻塔配套水泵 　　 型號 　　 100/150　　-11/2 　　 100/160　　-15/2 　　 125/150-18.5/2 　　 150/315　　-30/4 　　 200/315　　-45/4(Z) 　　 200/315-55/4 　　 揚程（m） 　　 30.6 　　 32 　　 28 　　 32 　　 32 　　 32 　　 功率（kW） 　　 11 　　 15 　　 18.5 　　 30 　　 45 　　 55 　　 軸功率（kW） 　　 8.53 　　 11.87 　　 15.3 　　 22.06 　　 31.22 　　 47.13 　　 電機效率（％） 　　 87.2 　　 88.2 　　 89 　　 92.2 　　 92.3 　　 92.6 　　 能耗（kW） 　　 9.782 　　 13.458 　　 17.191 　　 23.926 　　 33.824 　　 50.896

　　續(xù)表5-3機械通風冷卻塔配套水泵及無風機冷卻塔配套水泵能耗

　　 流量（m³/h） 　　 500 　　 600 　　 700 　　 900 　　 1000 　　 機械通風冷卻塔配套水泵 　　 型號 　　 250/300　　-55/4 　　 300/425　　-55/6 　　 300/450　　-75/6 　　 350/480　　-110/6（Z） 　　 350/480　　-110/6（Z） 　　 揚程（m） 　　 28 　　 24 　　 26 　　 26.4 　　 24.4 　　 功率（kW） 　　 55 　　 55 　　 75 　　 110 　　 110 　　 軸功率（kW） 　　 50 　　 48.75 　　 64.5 　　 84.44 　　 87.78 　　 電機效率（％） 　　 92.6 　　 91.6 　　 92 　　 92.5 　　 92.5 　　 能耗（kW） 　　 53.996 　　 53.221 　　 70.109 　　 91.291 　　 94.895 　　 無風機冷卻塔配套水泵 　　 型號 　　 250/315　　-75/4 　　 300/485-90/6 　　 300/485-90/6 　　 350/525　　-132/6（Z） 　　 350/525　　-132/6（Z） 　　 揚程（m） 　　 33.41 　　 33.1 　　 32 　　 32.8 　　 31.4 　　 功率（kW） 　　 75 　　 90 　　 90 　　 132 　　 132 　　 軸功率（kW） 　　 63.25 　　 67.5 　　 74.25 　　 102.22 　　 101.44 　　 電機效率（％） 　　 92.7 　　 92 　　 92 　　 92.5 　　 92.5 　　 能耗（kW） 　　 68.231 　　 73.370 　　 80.707 　　 110.508 　　 112.908

　　 6 綜合能耗比較

　　 根據表2中機械通風冷卻塔配套風機電機的風機耗能和表5-3中機械通風冷卻塔配套水泵及無風機冷卻塔配套水泵能耗數據，得出機械通風冷卻塔和無風機冷卻塔綜合能耗，具體內容詳見表6。

　　表6 機械通風冷卻塔和無風機冷卻塔的綜合能耗

　　 水量(m³/h) 　　 機械通風冷卻塔能耗N₁（kW） 　　 無風機冷卻塔能耗N₂（kW） 　　 機構通風冷塔風機電機能耗N₃（kW） 　　 能耗差ΔN=N₁+N₃-N₂ （kW） 　　 節(jié)能效率(100ΔN)/N₃ （%） 　　 75 　　 6.961 　　 9.782 　　 2.609 　　 -0.212 　　 -8.13 　　 100 　　 10.092 　　 13.458 　　 3.217 　　 -0.149 　　 -4.63 　　 150 　　 13.605 　　 17.191 　　 4.783 　　 1.197 　　 25.03 　　 200 　　 15.341 　　 23.926 　　 6.522 　　 -2.063 　　 -31.63 　　 300 　　 21.844 　　 33.824 　　 9.565 　　 -2.415 　　 -25.25 　　 400 　　 43.889 　　 50.896 　　 13.043 　　 6.036 　　 46.28 　　 500 　　 53.996 　　 68.231 　　 16.087 　　 1.852 　　 11.51 　　 600 　　 53.221 　　 73.370 　　 20.000 　　 -0.049 　　 -0.25 　　 700 　　 70.109 　　 80.707 　　 27.273 　　 16.675 　　 61.14 　　 900 　　 91.291 　　 110.508 　　 33.636 　　 14.419 　　 42.87 　　 1000 　　 94.895 　　 112.908 　　 40.909 　　 22.896 　　 55.97

　　表6中節(jié)能效率，正值表示節(jié)能，負值表示不節(jié)能。

　　7 結論

　?、偃绻褭C械通風冷卻塔系統(tǒng)改造成無風機冷卻塔，其原有的循環(huán)水泵既使考慮選泵時形成的壓力富余，基本上不能滿足無風機冷卻塔需增的能量要求。

　　②計算兩種塔型的能耗，無風機冷卻塔的需增能耗值不能采用兩種塔型的進塔水壓差折算，必須通過比較兩種系統(tǒng)的水泵能耗及機械通風冷卻塔的風機能耗才能確定。

　?、坌⌒退ā?00m³/h）采用無風機冷卻塔基本不節(jié)能，大型塔（≥400m³/h）采用無風機冷卻塔節(jié)能效果明顯。

　　 參考文獻

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　　2胡國林，李麗萍，給水排水 第四期，90（2000）

　　3市政工程西北設計院，給水排水設計手冊第一冊，中國建筑工業(yè)出版社，19861