工业循环水冷却塔是冷却循环水用于降低循环水温的装置。在工业装置中，通常采用水作为循环冷却剂，在工业装置生产运行中吸收生产时产生的多余热量，以保证装置稳定运行。循环水吸收热量后自身温度升高，在冷却塔中经过喷淋和空气充分接触，利用空气中水分的不饱和性使一部分水蒸发，带走大量热量降低水的自身温度。

图1 冷却塔

冷却塔一般由风机、喷淋系统、填料和水池构成。常规的风机由电机拖动，是冷却塔主要的耗能部分。

改造原理
水动风机冷却塔是一种新型高效节能型产品，其核心是高效混流式水轮机。其技术原理是用高效反击混流式水轮机取代传统冷却塔的电机作为风机动力，用水轮机充分回收利用系统中所存在的富余能量带动风机转动，直接去掉原冷却塔的风机电机，达到节能的目的。

可行性分析
以某公司循环水系统为例，该公司循环水装置循环量设计为27 000 m3/h，共设冷却塔6台。下表为设计及实测数据。
冷却塔风机无电化改造的关键是改造后水轮机实际输出轴功率大于改造前风机轴功率。
风机轴功率计算
循环水系统6台4 500 t冷却塔，所配风机电机额定功率为200 kW，额定电压10 000 V，实际电流10 A，取风机电机功率因子为0.85。受电机效率、传动轴效率和减速机效率等机械效率影响，则风机功率约为：
P电机=×U×I×cosφ
      =×10 000×10×0.85
      ≈147.2kW
P轴=×U×I×cosφ×η电机
 ×η减速机×η传动轴
 =×10 000×10×0.85
 ×0.94×0.91×0.98
 ≈123.4 kW
说明：减速机效率为0.91（详见机械设计手册第四卷），电机效率为0.94（详见机械设计手册第四卷），传动轴效率为0.98（详见机械设计手册第二卷）。
即风机实际耗电功率大约为147.2 kW，风机实际轴功率大约为123.4 kW。
系统富余压头计算
循环水系统上塔阀门压力为0.26 MPa（26 m），压力表安装高度-4.2 m，冷却塔高度为16.3 m，布水管距冷却塔塔顶平面高度为3 m，因此系统中存在的富余压头为：
H富余=26 m-4.2 m-16.3 m+3 m
 =8.5 m
式中，26 m为压力表读数；-4.2 m为压力表安装高度；16.3 m为冷却塔塔平面高度；3 m为尾水负压（虹吸现象）。
满足系统风机工况下所需水量计算
水轮机可利用水头按H=7 m计算。假设水轮机可以提供123.4 kW的风机轴功率，则可以反算出水轮机工作需要的水量，具体计算如下：
P轴=ρ×g×Q×H÷3 600×η
123.4×103 W=1.0×103 kg/m3×
9.81 m2/s×Q m3/h×7÷3 600×0.85
Q≈7 610 m3/h
由上述计算可以看出，水轮机满足系统风机工况下所需水量为7 610 m3/h 。
富余能量计算
系统富余能量：
P=ρ×g×Q×H÷3 600
式中，ρ为水的密度（1.0×103 kg/m3）；g为重力加速度（9.81 m2/s）；H为水轮机可利用水头；Q为系统中体积流量（m3/h）。此系统单台冷却塔水量，按照夏季运行工况开3台泵下进行计算，系统总水量为27 000 m3/h，单塔水量4 500 m3/h。因此每台冷却塔的富余能量为85.8 kW。即水轮机利用的富余能量为：
P水轮机=85.8 kW
水轮机输出轴功率：
P输出=P水轮机×0.85（水轮机效率）         ≈72.9 kW
可改造条件：
P输出/P风机=72.9 kW÷123.4 kW
 ≈0.59
从计算结果看，改造后P输出/P风机＜1，即风机转速小于原风机转速，不满足单台改造的条件。
可采取并水做工，改造2台冷却塔中的1台，实现节能改造的目的。
2台冷却塔阀门所耗的总功率为171.6 kW，即水轮机利用的富余功率为：
P水轮机=171.6 kW
水轮机输出轴功率：
P输出=P水轮机×0.85（水轮机效率）
 ≈145.8 kW
可改造条件：
P输出/P风机=145.8 kW÷123.4 kW
 ≈1.18
从计算结果看，改造后P输出/P风机＞1，采取并水做工，可以对循环水系统6台冷却塔中的3台进行改造，达到节能的目的。

图2 循环水风机

节能经济计算
以该公司为例，循环水系统3台4 500 t冷却塔，电机的总耗电功率大约为442 kW。每年工作8 000 h，估计可节电3 536 000度。按当地工业电费0.61元/度，经技改后，该公司循环水系统3台冷却塔可节约电费2 156 960元/年，再加上节约的电机和减速器维修和保养费用162 000元/年，一年共计节约2 318 960元。如按冷却塔10年寿命计，节约的总费用更为可观。

结论
国内运行的工业循环水装置，基本采用传统的电机拖动。随着水轮机生产制造技术的日趋成熟，运行可靠性满足生产稳定性需要，水轮机替代电机拖动是完全可行的节能改造方案，大大降低运行成本，提高装置经济效益。同时对于新建装置，可以在设计和采购阶段就选用水轮机拖动方案。