新型環保小型水輪機節能開發探究

郭輝

摘 要 冷卻塔是一種利用水循環來進行冷卻換熱的設施。由于設計的需要，冷卻塔的循環水系統中水泵含有大量富余揚程和流量，這些富余能量易被忽視而浪費。研究及實際應用效果均表明，在冷卻塔中應用水輪機來回收循環水系統中的這部分剩余的能量是一種確實有效的措施。文章綜述了可在冷卻塔中應用的水輪機原理、存在的問題及設計研究進展，并介紹采用水輪機替代電機的優勢及經濟效益，以期為新型環保小型水輪機節能開發提供參考。

關鍵詞 冷卻塔；水輪機；節能；設計研究

中圖分類號：TK73 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）03-0003-03

冷卻塔的工作原理是通過蒸發作用和熱交換使循環冷卻水從一系統中吸收熱量，將熱水噴撒至散熱材表面，通過熱水與冷空氣之間產生熱交換作用，使廢熱轉移到空氣及剛蒸發的水蒸氣中，最后排入大氣。冷卻塔的通風方式有自然通風、機械通和混合通風3種，其中機械通風是利用吹風加速水分的蒸發速度，使進入塔中的水流散熱冷卻，通過水泵將冷卻后的水流輸送到需要冷卻的設備中，通過熱交換帶走工業廢熱，然后再由水泵加壓將熱水流引入冷卻塔重新冷卻，形成一個水循環冷卻系統。

現有的機械通風冷卻塔一般吹風所用的風扇都是由電動機通過聯軸器、傳動軸等來驅動，這需要消耗巨大的電能；而冷卻塔通過水泵來驅動冷卻水在熱交換設備和冷卻塔之間進行循環時，由于需要考慮各種各樣的因素，在設計、制造、選型及使用時均會富余大量的揚程和流量，這部分富余的能量卻未被充分利用。水輪機是一種將水流產生的動能轉換為旋轉所需的機械動能的水力原動機，將水輪機添加到冷卻塔的水循環系統中，利用來自循環冷卻水系統水的重力勢能以及循環水泵的富余揚程轉化成機械動能，從而代替原有的電動機帶動風機旋轉吹風。冷卻塔節能水輪機的應用，既可以減少電能消耗，又充分利用能源，達到節能、環保、增加企業效益的目的。

1 用于冷卻塔水輪機的技術原理

用水輪機取代冷卻塔電機，首先要考慮的是冷卻塔水流所具備的功率。其公式為：

P（kW）=Q×H

其中：Q為進塔水流量（立方米/秒）；H為進塔水頭（米）。

冷卻塔的進塔水壓即水頭一般是0.05 MPa～0.08 MPa，進塔水流中具備的水頭H乘上相應的水流量Q即為冷卻塔水流所具備的功率。其中，循環冷卻水流量Q大于90%的額定流量時，水輪機即可發揮正常工作。理論上當風機所需的軸功率與循環水系統中剩余水流能量相等時，可用水輪機完全替代電機。冷卻塔用水輪機的能源主要是由循環水泵的富余揚程提供，并不會增加循環水泵的能耗。水輪機將這些富余揚程產生的水流動能，將其轉化為旋轉機械動能，通過輸出軸與風機相連，帶動其轉動產生通風效果，從而可以替代電機，達到節能目的，產生巨大的經濟效益和社會效益。

冷卻塔的循環水系統存在富余能源，主要有以下幾個原因。

1）在冷卻塔實際設計過程中，由于循環水系統中的水量很難被精確的計算出來，因此一般情況下，設計及施工時水泵的流量都會比最大需求水量多出10%～20%的余量。

2）對水頭要求則根據水溫不同而不同，如5℃、10℃和20℃溫差塔分別需要6 m、9 m及12 m左右的水頭。但是由于設計時考慮多種因素，使得實際上冷卻塔中循環水系統的溫差一般都比設計溫差低，這就使得實際上進塔的水頭是大于設計的水頭的，從而使系統中有大量水流能量富余。

3）在整個循環水系統中，冷卻塔位置高度、沿程管路彎頭、閥門產生的阻力以及在循環水路上換熱部件的阻力等等因素在設計水泵揚程時都必須進行統計分析，由于這些因素不能很精確的計算出來，因此，考慮更安全的生產需求，水泵的揚程時都會比計算數值多加10%～20%的余量來選型。

綜上可見，冷卻塔中循環水系統中的揚程和水量是富余的，一般富余的水頭為5 m～16 m。水輪機正是利用這些富余出來的水頭產生的能量沖擊葉輪，并將葉輪與風葉同軸布置，當葉輪轉動時就可以驅動風機葉片，從而實現同時抽風和布水的任務，達到替代電機的目的。

2 用于冷卻塔的小型或微型水輪機存在問題

傳統的水輪機主要應用于水電站，其應用特點是流量和水頭大，輸出功率高。在進行傳統的水輪機設計時，一般以提高水輪機的比轉速為著手點，但用于冷卻塔的水輪機則不同。要將冷卻塔和水輪機二者有機的結合起來，需解決以下幾個問題。

1）傳統的水輪機大都用于水力發電，其功率較大，而應用于冷卻塔的水輪機只是利用冷卻循環水系統的余壓工作，功率取決于系統的富余能量，也就是取決于流量和水頭。冷卻塔循環水系統流量范圍一般在0.06 m3/s～1.3 m3/s之間；水頭一般在5 m～16 m之間，遠小于傳統水輪機的相應參數。

2）冷卻塔風機的轉速不高，大中型冷卻塔風機的工作轉速一般在100 r/min～250 r/min之間，當水輪機輸出軸與風機轉動軸直接串聯時，由于風機轉速不高以及水輪機功率低，使得水輪機的比轉速也比較低（40 m.kW～60 m.kW）；而用于發電用的傳統水輪機比轉速則較高，最低的比轉速也在80 m.kW以上，因此，當水輪機用于冷卻塔上直聯驅動風機時，由于水輪機-風機組需要的單位轉速較低，一般為20 r/min～45 r/min，使用普通的水輪機都會偏離最優單位轉速而效率低下。

3）由于是在串聯的有壓水流系統中工作，水輪機還須滿足冷卻塔布水器噴嘴的壓力要求，這就限制了水輪機的類型及參數；同時，水輪機主軸直接與風機主軸串聯，將會影響到循環水系統的水力損失，因此要求水輪機的水力效率較高。

4）受冷卻塔內部空間及施工環境的限制，要求水輪機的尺寸和重量不能太大。總之，應用于冷卻塔中的水輪機受到冷卻塔中具體環境和各種參數如功率、能耗、比轉速、尺寸等的限制，必須對其進行改良優化。endprint

3 用于冷卻塔的小型或微型水輪機研究進展

水輪機基本參數反映水輪機工作過程的特性，有以下參數：作用在水輪機上作功的有效水頭、流量、軸功率、效率、轉速、轉輪直徑等。冷卻塔用水輪機在冷卻塔工作條件下，結構尺寸和形狀還受到冷卻塔形狀尺寸的約束，要求周向及高度方向尺寸都較小，同時還要求結構簡單、安裝和運行維護方便。從上述的存在問題可見，應用與冷卻塔水輪機的關鍵特性在于在水輪機是在串聯有壓水流系統中工作，且比轉速要求非常低，由于水流流量和工作水頭的限制性極大，要求水輪機有較高的工作性能。將目前現有型號參數的普通水輪機直接應用到冷卻塔中代替電機工作時會受到各種因素的限制，并不能達到令人滿意的效果。冷卻塔用水輪機作為一種新型的節能水輪機，目前國內外對其研究還較少。

張麗敏等以傳統混流式水輪機的設計為基礎，開發設計出一種適合冷卻塔中工作環境，運行穩定，性能良好的水輪機。為了減小水輪機橫向尺寸，取消固定導葉，只設活動導葉；并研究了水輪機的輪轉參數，經過數值模擬優化后水輪機直徑D1=0.487 m；并將原有雙列環形導葉葉柵改為單列環形葉柵數值模擬中分析研究轉輪葉片安放角度；還通過數值模型分別計算了三種葉型下的水輪機效率、水頭損失等，確定最佳方案為選用標準負曲度導葉，葉片安放位置0，單位轉速為64.5 r/min。為了便于減速裝置的安裝，首次提出了金屬梯形蝸殼，按照等速度矩原理進行各個斷面設計。為了減少水輪機軸向尺寸，采用l3。直錐形尾水管，將尾水管取消彎肘段與擴散段，僅保留直錐段。并根據冷卻塔的縱向空間大小選擇尾水管的長度則。

張飛狂研究出雙擊貫流式節能水輪機，該水輪機采用雙擊式、立軸、轉輪葉片的型線經優化設計，進水水頭為0.08 MPa。并從宏觀的角度建立葉輪實際動量矩的基本方程為M=QCL（流量、流速、力矩的乘積）。其功率即為角速度與動量矩的乘積，即P=ωM。并由上海交通大學上海市節能中心聯合對水輪機測試，測試數據：流量Q：94 m3/h；水頭H=4 m；傳感器顯示功率P=0.9 kW；轉速n=326 r/min，計算得水輪機的效率為0.88，JB/T標準為0.82。

陳滿華等在參考了傳統的雙擊式水輪機和混流式水輪機的設計方法，并通過對各個參數進行選擇計算，開發出適用于冷卻塔工作環境的雙擊式（SJN型）節能水輪機和混流式（HLN型）節能水輪機。研究結果發現，HLN型節能水輪機各過流部件的流態分布比SJN型節能水輪機更均勻，效率值整體比SJN型高約12%，性能遠優于SJN型節能水輪機。該水輪機主要由噴嘴、轉輪和尾水管三部分組成，結構簡單，制造、安裝和維護方便；適用工作范圍較寬，效率變化平緩；運行穩定，可靠性高。水輪機的參數中，噴嘴入口斷面面積由下式確定：

A=Q/v

式中：A為噴嘴的入口斷面面積（m2）；Q為通過水輪機的流量（m3/s）；為噴嘴入口流速（m/s）；并由出噴嘴入口流速和水輪機線速度確定了水輪機轉輪直徑。

李延頻等設計的冷卻塔專用超低比轉速水輪機具有轉輪有較大的進出口值徑比，D1/D2=2～2.5，葉片有較大的彎曲度，進出口安放角的差在100°～130°之間，導葉相對高度b0/D1=

0.07～0.1，比轉速為40～60 m.kW，單位轉速為20 r/min～40 r/min，單位流量0.15 m3/s～0.30 m3/s，該型號水輪機在現場使用性能良好。其中一種機型的轉速、流量均與冷卻塔相匹配，運行穩定，并有較高的能量轉換效率。

郭潤睿等通過分析各型水輪機的結構和性能特點及冷卻塔工作的實際條件，研制了一臺流量為200 m3/h的軸流式水輪機樣機，技術參數為：設計流量200 m3/h，設計運行范圍190 m3/h～210 m3/h，設計工作水頭<12 m，輸出軸功率4.5 kW，設計工作轉速>1800 r/min，所配備齒輪減速機的減速比為9。水輪機轉輪直徑為180 mm，轉輪葉片采用較大的葉柵稠密度，蝸殼采用梯形方案設計，導葉設計較低的相對高度。所研制的水輪機參數設計合理工作效率較高，每年可節約和充分利用大量的電能。

黃敏等采用CFD軟件，基于連續方程、動量方程和湍流方程的k-ε模型對對冷卻塔專用的貫流式水輪機進行了多轉輪直徑尺寸下二維定常數值模擬，獲得了流場的速度、壓力分布變化規律，并且對5種尺寸下的數值模擬結果進行比較分析，通過效率、流線圖、壓力等值線的對比分析選定最終優化方案，即在轉輪直徑在專利的基礎上減10 mm。

張蘭金等利用試驗和數值分析兩種方法研究了水循環系統中應用水輪機所引起的水力損失的特點，發現水輪機各個部件中，水力損失最大的為引水部件，轉輪次之，尾水管最小；而導致水力損失的主要原因是水輪機中的水流流態不順暢。并通過研究結果指出，可采用一些措施來減少水輪機轉輪的水力損失，如擴大蝸殼斷面來降低流體流速、采用翼型固定導葉、在結構強度允許的條件下減少固定導葉甚至可以者取消固定導葉、調整葉片進口安放角、葉片翼型彎度、包角等幾何參數等，若水輪機的水力效率為95%，則水輪機還有20%左右的節能空間。

綜上所述，國內對用于冷卻塔的水輪機的研究已取得了一定的進展，一些研究人員根據冷卻塔中的特征參數，如富余水頭、水流量和配套轉速等，設計出了適合在冷卻塔中工作的新型節能水輪機，且大部分取得了較好的效果，但仍存在一些的不足之處，投入大規模應用的型號較少，其原因主要在于水輪機的設計安裝受制于冷卻塔具體情況和要求。

4 水輪機應用于冷卻塔的優點

4.1 節能環保，具有巨大的經濟效益和社會效益

水輪機不需要增加額外的能源，而是利用冷卻塔循環水泵的富余揚程進行工作。實踐表明，應用水輪機替代冷卻塔中的電機，再保證冷去塔的正常工作的條件下，節約大量的電能，且由于減少了電機的傳動軸、減速機等設備，降低了噪聲污染，因此產生了巨大的經濟效益和社會效益。吳銳等對逆流式冷卻塔進行去除電機的改造，運行結果表明水輪機代替冷卻塔風扇電機具有良好的效果：取消電機后，每天24 h運轉，改造后每天可節電264 kW·h，每年按251個工作日計算，可節電66264 kW·h，節能效果十分可觀。徐志強等研究循環水冷卻風能節能改造，分析了在實際生產過程中的可行性和經濟效益，進過初步計算，預計兩年可收回投資費用，在使用周期內合計產生經濟利潤727.36萬元。楊潘溪等采用HLW3000型水輪機替換電機，計算結果發現，1間3000 m3/h的大型機械通風冷卻塔，經過電動風機節能改造后，每年節約電費57.14萬元。endprint