循環(huán)冷卻塔優(yōu)化改造及應(yīng)用

齊超群

(唐山瑞豐鋼鐵集團(tuán)有限公司，河北 唐山 063303)

0 引言

鋼鐵企業(yè)在燒結(jié)、煉鐵、煉鋼、軋鋼等工序生產(chǎn)中存在大量高溫設(shè)備需要用水換熱的方法進(jìn)行降溫處理，企業(yè)既要保證高溫設(shè)備的正常運(yùn)行，同時(shí)，又要節(jié)約水資源，需要將換熱后的水作為循環(huán)冷卻水循環(huán)利用，而為了保證循環(huán)冷卻水的冷卻效果，循環(huán)冷卻塔作為重要的冷卻裝備之一，該設(shè)備多采用電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)風(fēng)機(jī)的冷卻形式被廣泛運(yùn)用在工業(yè)生產(chǎn)中。鋼鐵企業(yè)安裝有幾十臺(tái)甚至上百臺(tái)的循環(huán)冷卻塔，一年所耗電能是相當(dāng)巨大的。近年來(lái)，受國(guó)家節(jié)能降耗要求以及企業(yè)精細(xì)化發(fā)展等因素的影響，鋼鐵企業(yè)越來(lái)越關(guān)注循環(huán)冷卻塔這類數(shù)量多、能耗大設(shè)備的節(jié)能改造，而水輪機(jī)的開發(fā)和應(yīng)用就是近年來(lái)循環(huán)冷卻塔節(jié)能降耗的優(yōu)秀成果，省去了原來(lái)的電動(dòng)機(jī)，達(dá)到100%節(jié)能的效果[1-4]。

1 循環(huán)冷卻塔結(jié)構(gòu)及存在問題

1.1 循環(huán)冷卻塔結(jié)構(gòu)

唐山瑞豐鋼鐵(集團(tuán))有限公司燒結(jié)廠安裝有多臺(tái)圓形逆流式循環(huán)冷卻塔，型號(hào)為BNL系列。該逆流式循環(huán)冷卻塔結(jié)構(gòu)是在頂部安裝風(fēng)機(jī)，一般利用電機(jī)帶動(dòng)風(fēng)機(jī)葉片高速旋轉(zhuǎn)，促進(jìn)冷空氣進(jìn)入逆流式循環(huán)冷卻塔，同時(shí)由循環(huán)冷卻水泵將循環(huán)冷卻水打入逆流式循環(huán)冷卻塔內(nèi)的自旋轉(zhuǎn)布水器，通過(guò)自旋轉(zhuǎn)布水器上噴嘴將循環(huán)冷卻水噴出，使得循環(huán)冷卻水與進(jìn)入逆流式循環(huán)冷卻塔的冷空氣接觸換熱。

1.2 存在問題

1)逆流式循環(huán)冷卻塔在設(shè)計(jì)和選型過(guò)程中往往選擇電機(jī)功率富余量較大，使整個(gè)系統(tǒng)存在富余能量，其目的是在冷卻效果不好的時(shí)候，滿足生產(chǎn)裝置對(duì)冷卻水的工藝要求，開大風(fēng)機(jī)，提高空氣流速，以期實(shí)現(xiàn)短時(shí)間內(nèi)的冷卻效果。但逆流式循環(huán)冷卻塔無(wú)法長(zhǎng)時(shí)間保持這種狀態(tài)，因?yàn)榇蠊β薁顟B(tài)下會(huì)造成填料嚴(yán)重?fù)p壞，電機(jī)在長(zhǎng)期滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)時(shí)也易造成損壞，同時(shí)在運(yùn)行過(guò)程中也會(huì)額外消耗大量電能。

2)逆流式循環(huán)冷卻塔所要冷卻的循環(huán)冷卻水一般水質(zhì)都比較差，會(huì)造成自旋轉(zhuǎn)布水器上噴嘴堵塞率達(dá)到50%，自旋轉(zhuǎn)布水器布水不均，除了冷卻效果差，甚至?xí)斐勺孕D(zhuǎn)布水器頂部受到循環(huán)冷卻水沖刷而漏損。

3)逆流式循環(huán)冷卻塔內(nèi)布料器為自旋轉(zhuǎn)式布水器，工作原理是在循環(huán)冷卻水水壓的作用下產(chǎn)生自旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，但由于自旋轉(zhuǎn)布水器長(zhǎng)期處于水環(huán)境，在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中旋轉(zhuǎn)部件與固定部件易發(fā)生摩擦，造成布水裝置斷裂、水流滲漏、水量減少、水壓降低等情況，與此同時(shí)，旋轉(zhuǎn)過(guò)程是慣性甩水的過(guò)程，會(huì)出現(xiàn)水流分布不均的現(xiàn)象，存在水流冷卻不到的死角，冷卻效果下降。

2 改造內(nèi)容

2.1 循環(huán)冷卻塔主要技術(shù)措施

為了確保循環(huán)冷卻塔能夠正常使用，針對(duì)循環(huán)冷卻塔耗能大、布料不均勻、噴嘴堵塞等問題，提出針對(duì)循環(huán)冷卻塔的技術(shù)改造，主要涉及到：新增水輪機(jī)、固定布料器、增加循環(huán)冷卻水過(guò)濾裝置等。

2.2 水輪機(jī)的應(yīng)用

目前，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)開始大量采用水輪機(jī)循環(huán)冷卻塔來(lái)代替逆流式循環(huán)冷卻塔，其核心技術(shù)是水輪機(jī)葉輪輸出軸與風(fēng)機(jī)葉片相連，利用循環(huán)水系統(tǒng)中流體的能量驅(qū)動(dòng)葉輪旋轉(zhuǎn)并帶動(dòng)風(fēng)機(jī)葉片旋轉(zhuǎn)抽風(fēng)，完成氣水熱量交換，全過(guò)程不需要耗電，水輪機(jī)循環(huán)冷卻塔可以充分利用循環(huán)水系統(tǒng)中的富余能量。具體改造內(nèi)容如下：1)拆除原風(fēng)機(jī)、電機(jī)、減速箱等設(shè)備替換成水輪機(jī)；2)循環(huán)冷卻塔塔體結(jié)構(gòu)保持不變，對(duì)上塔供水管道進(jìn)行改造，去除原供水管道，新供水管道與水輪機(jī)直接相連，使循環(huán)冷卻水經(jīng)水輪機(jī)后再流入布水器進(jìn)行布水；3)制作支架將水輪機(jī)固定在循環(huán)冷卻塔塔體上，見圖1。

圖1 循環(huán)冷卻塔改造前后示意圖

2.3 循環(huán)冷卻水過(guò)濾裝置

循環(huán)冷卻水水質(zhì)一般較差，存在大量的鐵屑、填料等雜物，這些雜物如果隨循環(huán)冷卻水進(jìn)入水輪機(jī)等設(shè)備，會(huì)造成噴嘴堵塞及水輪機(jī)自旋轉(zhuǎn)布料器等主要部件磨損。為解決循環(huán)冷卻水水質(zhì)差，堵塞噴嘴、沖刷布水器及水輪機(jī)葉輪、殼體等問題，需要在循環(huán)冷卻塔上塔供水管道上增加一套自制循環(huán)冷卻水過(guò)濾裝置，由循環(huán)冷卻水過(guò)濾裝置、旁通管道、切斷閥門組成，利用循環(huán)冷卻水過(guò)濾裝置中的過(guò)濾板過(guò)濾循環(huán)冷卻水中5 mm以上污物，提高水質(zhì)，并在過(guò)濾裝置前后配備切斷閥門以及旁通管道，便于定期清理循環(huán)冷卻水過(guò)濾裝置中的污物，保證過(guò)濾效果，見圖2。

圖2 循環(huán)冷卻水過(guò)濾裝置安裝示意圖

2.4 固定布水器

布水器是循環(huán)冷卻塔中的關(guān)鍵部件，其作用是將水均勻地分布到循環(huán)冷卻塔內(nèi)填料上，增大水汽接觸面，對(duì)循環(huán)冷卻塔的冷卻效果影響極大。原自旋轉(zhuǎn)布料器采用“十字架”布水管，通過(guò)旋轉(zhuǎn)甩水實(shí)現(xiàn)循環(huán)冷卻水冷卻。但“十字架”布水管與循環(huán)冷卻塔內(nèi)填料距離較近，這種冷卻方式下存在冷卻死角，造成自旋轉(zhuǎn)布料器無(wú)法做到均勻冷卻，而循環(huán)冷卻塔布水是否均勻?qū)档屠鋮s水溫度是至關(guān)重要的，而且自旋轉(zhuǎn)布料器軸承座長(zhǎng)期處于水環(huán)境狀態(tài)下，軸承座內(nèi)軸承極易燒毀，這就造成自旋轉(zhuǎn)布料器使用壽命短，易出現(xiàn)卡死的情況，循環(huán)冷卻水溫度無(wú)法正常冷卻，這也是循環(huán)冷卻塔改造時(shí)優(yōu)先考慮的問題。

隨著水輪機(jī)的應(yīng)用，在改造過(guò)程中去除了原供水管道，那么與原供水管道相連的原有的自旋轉(zhuǎn)布水器就已經(jīng)無(wú)法利舊使用了。需要重新設(shè)計(jì)一款與水輪機(jī)配套的固定布水器。具體設(shè)計(jì)內(nèi)容如下：1)固定布水器頂部與水輪機(jī)出水口相連；2)固定布水器底部設(shè)置有可拆卸端蓋便于固定布水器磨損后更換端蓋或修補(bǔ)固定布水器水腔；3)在可拆卸端蓋和固定布水器水腔內(nèi)部布置耐磨層，耐磨層厚度3 mm，降低高速水流對(duì)布水器的磨損；4)布水器設(shè)計(jì)成圓環(huán)式閉環(huán)布水管，其上安裝12個(gè)噴嘴，噴射角度90°，保證分水均勻，消除冷卻死角；5)調(diào)整固定布水器與循環(huán)冷卻塔內(nèi)填料距離由300 mm改為650 mm，加大噴淋覆蓋面積，見圖3。

圖3 固定布水器安裝示意圖

2.5 螺旋形噴嘴[5，6]

為了進(jìn)一步改善固定布水器布水效果，在選取噴嘴數(shù)量上本著“數(shù)量要少，噴水要均勻”的原則。噴嘴數(shù)量少，便于安裝和檢修，可以節(jié)約安裝費(fèi)用，便于維護(hù)。固定布水器布水要均勻，要求噴射面范圍要大，能夠全覆蓋循環(huán)冷卻塔填料表面，所以本次改造在噴嘴的選取上采用了高效節(jié)能防堵塞的TF56螺旋形噴嘴。

螺旋形噴嘴具有特點(diǎn)：1)高能量效率。螺旋形噴嘴在流量相同的情況下，安裝水量遠(yuǎn)少于普通噴嘴。2)細(xì)密霧化效果好。在液體進(jìn)入噴嘴過(guò)程中，不會(huì)受到噴嘴管壁阻礙，噴嘴的噴流速率高，具有較好的霧化效果，更為節(jié)能。3)防堵塞。獨(dú)特的無(wú)管壁阻礙結(jié)構(gòu)，比普通噴嘴更為通暢，有效避免噴嘴堵塞現(xiàn)象的發(fā)生。4)噴嘴覆蓋范圍改善。螺旋噴嘴具有50°到180°的噴霧角度，比普通噴嘴噴霧角度范圍更大，覆蓋范圍更廣。

3 改造效果

1)節(jié)能效果明顯。將電動(dòng)風(fēng)機(jī)、減速機(jī)拆除，減少了這部分電能能耗；采用時(shí)下先進(jìn)的水冷機(jī)技術(shù)，充分運(yùn)用了循環(huán)冷卻水系統(tǒng)中的余壓余能。

2)循環(huán)冷卻水水質(zhì)得到明顯改善。通過(guò)安裝循環(huán)水過(guò)濾裝置使得過(guò)濾效率達(dá)到90%以上，在改善循環(huán)水水質(zhì)的情況下，循環(huán)冷卻水循環(huán)利用率提高。

3)布水均勻穩(wěn)定。固定布水器應(yīng)用后消除了自旋轉(zhuǎn)布水器的甩水過(guò)程，同時(shí)應(yīng)用圓環(huán)式閉環(huán)布水管配螺旋式噴嘴的形式，定點(diǎn)均勻分配噴淋循環(huán)冷卻水覆蓋整個(gè)填料表面，消除了噴淋死角，循環(huán)冷卻水進(jìn)出口溫度至少提高4～6 ℃。

4)簡(jiǎn)化維修，壽命延長(zhǎng)。整套系統(tǒng)的簡(jiǎn)化改造，取消電動(dòng)風(fēng)機(jī)、減速機(jī)等導(dǎo)致維修內(nèi)容減少，難度降低；循環(huán)冷卻水水質(zhì)的改善以及固定布水器結(jié)構(gòu)改進(jìn)保證了水輪機(jī)、固定布料器等設(shè)備部件抗磨損能力增強(qiáng)，運(yùn)行壽命延長(zhǎng)，檢修周期由半年延長(zhǎng)至2～3年。

4 改造后經(jīng)濟(jì)效益

單臺(tái)循環(huán)冷卻塔改造投資費(fèi)用35萬(wàn)元。改造后，每年降低日常檢修成本15萬(wàn)元，降低周期外委設(shè)備清理成本20萬(wàn)元；水輪機(jī)應(yīng)用后每年節(jié)約電耗18萬(wàn)元；備品備件費(fèi)用每年節(jié)約3萬(wàn)元；年直接經(jīng)濟(jì)效益合計(jì)56萬(wàn)元。

5 結(jié)語(yǔ)

在唐山瑞豐鋼鐵(集團(tuán))有限公司燒結(jié)廠技術(shù)人員的共同努力之下，統(tǒng)一將燒結(jié)廠區(qū)內(nèi)循環(huán)冷卻塔按照改造方案全部進(jìn)行改造，同時(shí)，唐山瑞豐鋼鐵(集團(tuán))有限公司其他廠區(qū)也充分借鑒燒結(jié)廠的改造技術(shù)，先后進(jìn)行循環(huán)冷卻塔改造，有力的保障了唐山瑞豐鋼鐵(集團(tuán))有限公司循環(huán)冷卻水的供應(yīng)。