冷卻塔水輪機驅動風機技術綜述

黃瑜

摘 要： 冷卻塔中耗能主要在于：水循環回路中的泵送裝置以及冷卻塔上帶動空氣流動的風機的驅動電機。而于20世紀后期出現了這樣一種技術：為了減少這兩處的總耗能，在冷卻塔上部的循環管道上安裝一個水輪機，回收循環冷卻水的富余揚程，再用這部分回收的能量去驅動冷卻塔上方的風機旋轉，以減少驅動電機的耗能。這種技術于21世紀得到了快速的發展，對于水輪機冷卻塔的發明專利越來越多。

關鍵詞： 冷卻塔；水輪機；風機；節能；驅動

一、冷卻塔水輪機驅動風機技術分析

傳統的冷卻塔一般都是用電動機來驅動冷卻塔的風機，風機的抽風使進入冷卻塔的水流快速散熱冷卻，然后由水泵加壓將水流輸送到需要用水冷卻的設備使用后再引入冷卻塔冷卻，達到冷卻水循環使用。由于工業冷卻水再熱交換設備和冷卻塔之間的循環使通過水泵來驅動的。因考慮可靠性等多種因素，這種系統的水泵有大量富余揚程和流量，主要表現在：工程設計時考慮到安全生產，都會在滿足最大需求水量的基礎上加至少10%-20%的余量來確定水泵的流量；以及一般的工藝工程會在克服計算出的阻力數值的基礎上至少加10%-20%的余量來對水泵選型；而冷卻塔上的風機又使用外接驅動設備來驅動，則又將損耗一部分能量。

但在冷卻塔的風機下方或者附近設置一個水輪機，該水輪機用來回收上述兩種富余能量，并用以驅動冷卻塔的風機，則大大節約了驅動風機所用的電能，同時也能滿足換熱設備的工藝要求。

二、冷卻塔水輪機相關專利文獻的檢索與統計分析

于中文專利文獻摘要庫CNABS中，對于冷卻法塔水輪機相關技術檢索，得出的結果為277篇專利文獻。對相關文獻的申請年份進行統計，截止至2014結果如圖1：

圖1 歷年專利文獻量

由圖1可知，從2005年開始至2009年，冷卻塔水輪機技術的專利文獻量逐年迅速增長，于2010年有所下降之后，又開始新一次迅速增長，而2013年文獻量相對較少的原因可能是有一部分的申請還未被公開。

三、冷卻塔水輪機驅動風機技術發展

我國于20世紀七十年代引進冷卻塔技術，至今未有對冷卻塔的節能進行過系統的研究，各生產廠家之間的產品標準差異很大；冷卻塔的國家標準也只體現在降溫的溫差及噪音方面；為確保溫降效果，往往刻意加大水泵和風機的功率，在設計和選型時都將余量放得很大，從而使冷卻塔的使用企業付出了巨大的代價，也白白浪費掉大量的能源。

現結合專利文獻對冷卻塔水輪機驅動風機技術進行結介紹。

1、早期的專利申請

①專利申請CN98123800.9，免能冷塔。該發明是將冷卻塔的電機風機和布水器合二為一，取消電機，用水輪機原理設計的依靠液泵送壓，液體通過水輪機，由水輪機輸出傳遞動力。使風葉轉動產生風量，從而使氣液進行熱質交換。

早期的冷卻塔水輪機驅動風機技術都是采用水輪機完全替代電動機驅動風機旋轉。而隨著技術的進步，隨后的專利申請相對于專利申請①一個很明顯的改進是：進入水輪機做功的水量是可調節的。這樣一來，當外界條件變化，或者季節的變換導致的負荷變化時，可調節水輪機的進水量，使得風機的轉速、循環水的流量能及時做相應調整，以適應負荷的變化。

2、冷卻塔水輪機驅動風機技術的發展

從圖1可知，從2006年至今，冷卻塔水輪機驅動風機技術的專利文獻大幅度增長，說明該技術近年來得到了大力發展，技術在不斷的進步，早期冷卻塔水輪機驅動風機技術存在的缺陷也在不斷地得到改進。

②專利申請CN20072003219.7，水動能回收冷卻塔。該發明中，冷卻的熱水分成兩路分別從水輪機的兩個蝸殼進入，兩股水流隨著蝸殼的導引到達座環，又通過座環中導水葉片的導向流向轉輪，并推動轉輪轉動，與此同時，主軸隨轉輪轉動，從而帶動風葉輪轉動；從轉輪出來的水隨后經過一定的冷卻手段而得到換熱冷卻。

上述水輪機采用的是雙蝸殼對稱進水結構，使進入水輪機的水流形成以座環為中心的雙向對稱進水分布，從而使轉輪受力均勻，相對于早期的但進口水輪機，大大減小水輪機的振動，降低塔體振動和噪聲。

將水輪機替代冷卻塔的電機去驅動風機，雖省去了風機的驅動電機，但實際上是間接地通過水泵電機消耗著電能。冷卻塔出水口的富余水頭本是為提高系統可靠性而預留的裕量，隨著冷卻塔運行時間的增加，管損增大，該富余水頭會逐漸減小。在惡劣的條件下，為保證水輪機的軸功率，以使風機能正常運轉，而保證冷卻塔的冷卻需求，對水泵的要求就很高。故出現了水電聯合驅動冷卻塔風機的技術：

③專利申請CN20091024225.0，一種冷卻塔風機智能驅動裝置。該發明采用水輪機和電動機兩種驅動裝置驅動風機運轉，當水輪機單獨驅動風機運轉時，稱冷卻塔工作在低功耗運行模式；當電動機投入運行，與水輪機共同驅動風機運轉時，稱冷卻塔工作在標準運行模式。在負荷不是很高或環境不是很惡劣的條件下，冷卻塔對風量的需求較少，由水輪機經上述過程單獨驅動風機即可，冷卻塔進入低功耗運行模式，由此可以實現冷卻塔系統的節能運行。為了配合電動機的投入或退出，裝置中還相應地設置了傳感器和控制器，智能地驅動風機旋轉，以達到相應風量需求的同時能節省能量。

以上發明申請利用水輪機和電動機智能聯合驅動冷卻塔風機，解決了水輪機循環水富余揚程低，動力不足的問題。同時，由于負荷較高或環境比較惡劣的條件或系統故障的情況在全年只占很小的一部分時間，因此電動機只是根據需要進行間歇性運行，完全可以保證冷卻塔系統在可靠運行的前提下，實現節能降耗。

④專利申請CN20132014949.4，冷卻塔專用的油壓式水輪機。該發明的水輪機出軸連接高壓油泵的軸心，高壓油泵通過水輪機作功后油壓輸送至油馬達，高壓油泵的油壓來驅動油馬達，再帶動冷卻塔風機運轉，水輪機通過這種形式帶動冷卻塔風機運行，根據冷卻塔風機所需扭力來設計水輪機，完成冷卻塔汽水比熱交換功能，從根本上取消了冷卻塔風機電機。

上述申請將水輪機設置在冷卻塔外部，便于維護管理，解決了水輪機安裝在冷卻塔風筒內，葉輪直徑尺寸受限，效率低，管道在汽水比熱交換時產生繞流，對風機葉片使用可能不利，水輪機本體及附件容易腐蝕，不便維護等問題。

隨著科技的發展，現在許多大型機械都轉型成智能型，既節省勞動力、又能加強安全性，所以冷卻塔的智能型轉換也成為必然，而這種技術正體現在以下申請中：

⑤專利申請CN20132021434.7，一種基于PLC智能控制的安全冷卻塔。該發明中，冷卻塔包括冷卻塔主體、風機、水輪機、PLC控制柜、變頻調速水泵、回水水溫傳感器、變頻調速水泵轉速傳感器、布水系統管道壓力傳感器等。利用傳感器檢測循環管道上、風機、水輪機的重要性能參數，再將參數反饋到控制器中，再通過邏輯發生器來調控工作中的設備，達到實施監控。智能設備的投入，使冷卻塔的工作流程既快捷、又精準，節約了勞動力又準確地保證了設備安全。

四、展望

節能減排是當今社會倡導的主流，冷卻塔水輪機技術正是抓住這一主流，得到了眾多企業的重視。近年來冷卻塔水輪機驅動風機技術逐漸成熟，早期技術存在的許多缺陷在不斷地被克服中，對水輪機結構的改造，如雙進口式水輪機，驅動油壓式水輪機等，都是為了能更好地在冷卻塔中工作，克服一般水輪機在冷卻塔中運行存在的缺陷。而在智能技術高速發展的當下，提高冷卻塔水輪機驅動風機的智能化將成為21世紀的冷卻塔主流。