水動ファン冷却塔の省エネに関するいくつかの考察

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この投稿は、2019年12月11日08:48にWSRYLONGによって最終的に編集されました。水力駆動型ファンを用いた冷却塔の省エネに関するいくつかの知見です。モーターの代わりに水車を使って冷却塔のファンを駆動する、いわゆる水力駆動型ファンを用いた冷却塔について、国内で確認できる最も古い記録は、1998年10月29日に出願された中国の発明特許出願公開説明書「免能冷塔」であり、出願人は浙江省上虞市の張飛狂です。 約2000年前後、張飛狂が最初に冷却塔用のダブルクリック式水車を開発し、モーターに代わって冷却塔のファンを駆動させ、広く普及させました。これはまさに第一世代の冷却塔水車と言えるでしょう。 その後、国内の水動ファン冷却塔市場は徐々に発展していった。現在、冷却塔用タービンの改修や製造を手がける企業は数十社に上り、かなり規模の大きな産業が形成されている。使用されるタービンも多種多様だが、質の良し悪しが混在している。 実際の使用効果を見ると、水動ファンに改造を施した多くの事例で、使用中に様々な問題が発生している。振動が激しいことや、ファンの回転速度が要求値に達しないことが主な欠点であり、そのため十分な冷却効果が得られないのである。 初期の冷却塔用水車は、発電用水車の設計理論をほぼそのまま流用したもので、構造にわずかな変更が加えられただけであった。その後、冷却塔用水車と発電用水車の運転条件には大きな違いがあることが認識され、発電用水車を盲目的に参考にすることはできないとされ、冷却塔用水車の適用性を向上させるための理論的研究が行われるようになった。この基盤の上で、冷却塔専用の超低比速度混流式水車や、工業用冷却塔向けの軸伸貫流式水車などの新しい製品が開発されました。 新型の冷却塔用水力タービンは初期の製品に比べて大きく進化しましたが、ファンの回転速度が不十分であるという報告は依然として多く聞かれます。 ユーザーが冷却塔用水車の省エネ改修を行う際には、製造業者の宣伝だけを信じて軽率に着手してはなりません。必ず製造元に、パラメータが近い実績事例があるか確認し、現地調査を行って実際の使用状況を把握する必要があります；製造業者に対し、水ポンプの流量や電流が変わらない状況下で、ファンの回転速度が低下しないように保証できるか、つまり冷却効果を確保できるかを明確に約束するよう求める。 当社は、循環水システムの省エネ改修を専門とする企業です。主にポンプの省エネ改修を手がけており、主な対策はインペラの交換で、特別な場合にはポンプ自体を交換します。私たちも冷却塔水力タービンを選択肢の一つとしており、そのため関連技術に注目し研究を続けています。私たちは冷却塔水車を排除するつもりはなく、この技術を貶める意図もありません。しかし、現実を直視し、顧客に責任を持つ観点から言えば、多くの場合、いやほとんどの場合において、冷却塔水車を用いた省エネ技術を適用するのは適切ではないと指摘せざるを得ません。言い換えれば、多くの場合、冷却塔水車を活用した省エネ改修は良い選択肢ではないのです。 以下、この見解について簡単に分析する。どの種類の冷却塔水力タービンであっても、循環水の余剰な水頭を活用してファンを駆動する。では、余剰水頭があるのであれば、ポンプ自体に省エネ改造を施し、根本的にその余剰水頭をなくせばよいのです。わざわざ遠回りして何度も手間をかける必要はありません。 水ポンプの省エネ改修と冷却塔の水車の省エネ改修を比較すると、以下のような違いがある：1、水ポンプの改修は根本的な解決策であり、発生源から余分な水頭を取り除くことで、効果が倍増する；冷却塔の水力タービンは、まず余剰を生み出してからそれを再利用するもので、全く無駄な行為であり、労多くして功少ない。 2、水ポンプの改造により省エネ効果がさらに高まる。 冷却塔水車は余剰な水位エネルギーを回収するが、ポンプの改造に比べて一次エネルギー変換過程が1つ多くなるため、総効率は**低下する。循環水システムにおける既存の余剰エネルギーをPfとし、ポンプ、モーター、水車の効率をそれぞれηb、ηd、ηlとすると、Pfによって生じる実際の消費電力はPf/(ηb*ηd)となり、水車が回収できるエネルギーはPf*ηlとなる。水車を活用してシステムを改良した場合の無駄な消費電力はPh=Pf/(ηb*ηd)- Pf*ηlとなる。ηb=0.8、ηd=0.95、ηl=0.8とすると、Ph=0.516 Pfとなり、つまりシステムは依然として既存の余剰エネルギーPfの0.516倍を無駄に消費し続けることになる。一方、ポンプを改良すれば、余剰エネルギーを根本的に排除することができ、余剰エネルギーがゼロになり、システムの消費電力は0.516Pf減少する。 3、水ポンプの改造工事量は少なく、工期も短く、復旧が可能で、しかも復旧が非常に容易です。インペラ交換法によって水ポンプの省エネ改修を行う際、省エネ用インペラが完成したらポンプを分解し、ローターアセンブリを取り出して元のインペラを外し、新しいインペラに交換した後、ポンプを再組み立てて運転すればよい。原水ポンプのポンプ本体、基礎、配管はいずれも変更する必要がなく、工事による改造は非常に便利で簡単です。 一方、冷却塔の水車の改修には工事量が多く、工期も長く、元に戻すことはできず、または元に戻す場合でも工事量や損失が非常に大きくなる。 4、水ポンプの改造コストが低く、料金も安い。うちの会社の場合、技術と資金を提供し、まず改良してから料金を請求します。成功しなければ料金はいただきません。当社が請求する省エネサービス料の総額は、一般的に8～10ヶ月分の節電による電気代を超えることはなく、一度だけ請求されます。つまり、顧客が1年間で節約できる電気代の方が、支払うサービス料の総額よりも多くなり、サービス料を全額支払った後には余剰が生じます。改造前に支払っていた電気代と比べると、省エネ改造サービス料は顧客に追加の負担をかけるどころか、逆にその年にその費用を節約でき、利益も得られるのです。 冷却塔水車の改造コストは高く、料金も高い。 1000m3/hの循環水システムを例にとると、ポンプの改造費用は約10数万円ですが、冷却塔の水車の改造費用は数十万円かかり、一般的にはこちらの2倍以上になります。 冷却塔水車を用いた省エネ改修が適しているのは、以下の2つの場合のみです。1、循環水システムにおいて余剰な水頭が必ず存在し、それをなくすことができない場合。例えば、プロセス上で圧力要件がある場合などです； 2、循環水システムにおける余剰水頭は必然的に存在し、なくすことはできない。例えば、給水装置間の高低差が特に大きく、30メートル以上にも達する場合、水を最も高い位置まで送り出すためには高い揚程が必要となる。そして、高い位置にある循環水と冷却水の戻り水との間には大きな落差が生じ、この配管区間の抵抗が小さい場合、余剰水頭が発生するのは避けられない。これら2つの場合において、水車に改造することは優れた省エネ策であり、良好な省エネ効果が得られる。 実際、これら2つの条件に合致するものはそれほど多くなく、すでに水車を改造した事例を含めても、多くはこれら2つの条件を満たしていません。水車による改造よりも、ポンプの省エネ改造の方が優れています。 最後に2点説明しておきます。一つ目は、一部の冷却塔用水力タービンメーカーが省エネルギー性の検証を行う際、元の送風機モーターの定格出力をもとに節電率を算出していることです。ご存知の通り、ファンモーターの実際の消費電力は定格出力よりも低く、冬場には稼働させないこともあるため、定格出力をもとに節電率を計算すると、実際の節電率よりも必ず高くなってしまいます。二つ目は、水車の改造が完了した後、元の循環水配管やバルブの開度を変えない状態で、ポンプの電流がわずかに低下することがある。この場合、これを水車の改造による省エネ効果だと思ってはいけない。逆に、これはシステムの抵抗が増大し流量が減少したためである。 個人的な見解に過ぎず、誤りや抜けがあるかもしれません。皆様のご議論をお待ちしています。