新型环保小型水轮机节能开发探究

郭辉

摘 要 冷却塔是一种利用水循环来进行冷却换热的设施。由于设计的需要，冷却塔的循环水系统中水泵含有大量富余扬程和流量，这些富余能量易被忽视而浪费。研究及实际应用效果均表明，在冷却塔中应用水轮机来回收循环水系统中的这部分剩余的能量是一种确实有效的措施。文章综述了可在冷却塔中应用的水轮机原理、存在的问题及设计研究进展，并介绍采用水轮机替代电机的优势及经济效益，以期为新型环保小型水轮机节能开发提供参考。

关键词 冷却塔；水轮机；节能；设计研究

中图分类号：TK73 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）03-0003-03

冷却塔的工作原理是通过蒸发作用和热交换使循环冷却水从一系统中吸收热量，将热水喷撒至散热材表面，通过热水与冷空气之间产生热交换作用，使废热转移到空气及刚蒸发的水蒸气中，最后排入大气。冷却塔的通风方式有自然通风、机械通和混合通风3种，其中机械通风是利用吹风加速水分的蒸发速度，使进入塔中的水流散热冷却，通过水泵将冷却后的水流输送到需要冷却的设备中，通过热交换带走工业废热，然后再由水泵加压将热水流引入冷却塔重新冷却，形成一个水循环冷却系统。

现有的机械通风冷却塔一般吹风所用的风扇都是由电动机通过联轴器、传动轴等来驱动，这需要消耗巨大的电能；而冷却塔通过水泵来驱动冷却水在热交换设备和冷却塔之间进行循环时，由于需要考虑各种各样的因素，在设计、制造、选型及使用时均会富余大量的扬程和流量，这部分富余的能量却未被充分利用。水轮机是一种将水流产生的动能转换为旋转所需的机械动能的水力原动机，将水轮机添加到冷却塔的水循环系统中，利用来自循环冷却水系统水的重力势能以及循环水泵的富余扬程转化成机械动能，从而代替原有的电动机带动风机旋转吹风。冷却塔节能水轮机的应用，既可以减少电能消耗，又充分利用能源，达到节能、环保、增加企业效益的目的。

1 用于冷却塔水轮机的技术原理

用水轮机取代冷却塔电机，首先要考虑的是冷却塔水流所具备的功率。其公式为：

P（kW）=Q×H

其中：Q为进塔水流量（立方米/秒）；H为进塔水头（米）。

冷却塔的进塔水压即水头一般是0.05 MPa～0.08 MPa，进塔水流中具备的水头H乘上相应的水流量Q即为冷却塔水流所具备的功率。其中，循环冷却水流量Q大于90%的额定流量时，水轮机即可发挥正常工作。理论上当风机所需的轴功率与循环水系统中剩余水流能量相等时，可用水轮机完全替代电机。冷却塔用水轮机的能源主要是由循环水泵的富余扬程提供，并不会增加循环水泵的能耗。水轮机将这些富余扬程产生的水流动能，将其转化为旋转机械动能，通过输出轴与风机相连，带动其转动产生通风效果，从而可以替代电机，达到节能目的，产生巨大的经济效益和社会效益。

冷却塔的循环水系统存在富余能源，主要有以下几个原因。

1）在冷却塔实际设计过程中，由于循环水系统中的水量很难被精确的计算出来，因此一般情况下，设计及施工时水泵的流量都会比最大需求水量多出10%～20%的余量。

2）对水头要求则根据水温不同而不同，如5℃、10℃和20℃温差塔分别需要6 m、9 m及12 m左右的水头。但是由于设计时考虑多种因素，使得实际上冷却塔中循环水系统的温差一般都比设计温差低，这就使得实际上进塔的水头是大于设计的水头的，从而使系统中有大量水流能量富余。

3）在整个循环水系统中，冷却塔位置高度、沿程管路弯头、阀门产生的阻力以及在循环水路上换热部件的阻力等等因素在设计水泵扬程时都必须进行统计分析，由于这些因素不能很精确的计算出来，因此，考虑更安全的生产需求，水泵的扬程时都会比计算数值多加10%～20%的余量来选型。

综上可见，冷却塔中循环水系统中的扬程和水量是富余的，一般富余的水头为5 m～16 m。水轮机正是利用这些富余出来的水头产生的能量冲击叶轮，并将叶轮与风叶同轴布置，当叶轮转动时就可以驱动风机叶片，从而实现同时抽风和布水的任务，达到替代电机的目的。

2 用于冷却塔的小型或微型水轮机存在问题

传统的水轮机主要应用于水电站，其应用特点是流量和水头大，输出功率高。在进行传统的水轮机设计时，一般以提高水轮机的比转速为着手点，但用于冷却塔的水轮机则不同。要将冷却塔和水轮机二者有机的结合起来，需解决以下几个问题。

1）传统的水轮机大都用于水力发电，其功率较大，而应用于冷却塔的水轮机只是利用冷却循环水系统的余压工作，功率取决于系统的富余能量，也就是取决于流量和水头。冷却塔循环水系统流量范围一般在0.06 m3/s～1.3 m3/s之间；水头一般在5 m～16 m之间，远小于传统水轮机的相应参数。

2）冷却塔风机的转速不高，大中型冷却塔风机的工作转速一般在100 r/min～250 r/min之间，当水轮机输出轴与风机转动轴直接串联时，由于风机转速不高以及水轮机功率低，使得水轮机的比转速也比较低（40 m.kW～60 m.kW）；而用于发电用的传统水轮机比转速则较高，最低的比转速也在80 m.kW以上，因此，当水轮机用于冷却塔上直联驱动风机时，由于水轮机-风机组需要的单位转速较低，一般为20 r/min～45 r/min，使用普通的水轮机都会偏离最优单位转速而效率低下。

3）由于是在串联的有压水流系统中工作，水轮机还须满足冷却塔布水器喷嘴的压力要求，这就限制了水轮机的类型及参数；同时，水轮机主轴直接与风机主轴串联，将会影响到循环水系统的水力损失，因此要求水轮机的水力效率较高。

4）受冷却塔内部空间及施工环境的限制，要求水轮机的尺寸和重量不能太大。总之，应用于冷却塔中的水轮机受到冷却塔中具体环境和各种参数如功率、能耗、比转速、尺寸等的限制，必须对其进行改良优化。endprint

3 用于冷却塔的小型或微型水轮机研究进展

水轮机基本参数反映水轮机工作过程的特性，有以下参数：作用在水轮机上作功的有效水头、流量、轴功率、效率、转速、转轮直径等。冷却塔用水轮机在冷却塔工作条件下，结构尺寸和形状还受到冷却塔形状尺寸的约束，要求周向及高度方向尺寸都较小，同时还要求结构简单、安装和运行维护方便。从上述的存在问题可见，应用与冷却塔水轮机的关键特性在于在水轮机是在串联有压水流系统中工作，且比转速要求非常低，由于水流流量和工作水头的限制性极大，要求水轮机有较高的工作性能。将目前现有型号参数的普通水轮机直接应用到冷却塔中代替电机工作时会受到各种因素的限制，并不能达到令人满意的效果。冷却塔用水轮机作为一种新型的节能水轮机，目前国内外对其研究还较少。

张丽敏等以传统混流式水轮机的设计为基础，开发设计出一种适合冷却塔中工作环境，运行稳定，性能良好的水轮机。为了减小水轮机横向尺寸，取消固定导叶，只设活动导叶；并研究了水轮机的轮转参数，经过数值模拟优化后水轮机直径D1=0.487 m；并将原有双列环形导叶叶栅改为单列环形叶栅数值模拟中分析研究转轮叶片安放角度；还通过数值模型分别计算了三种叶型下的水轮机效率、水头损失等，确定最佳方案为选用标准负曲度导叶，叶片安放位置0，单位转速为64.5 r/min。为了便于减速装置的安装，首次提出了金属梯形蜗壳，按照等速度矩原理进行各个断面设计。为了减少水轮机轴向尺寸，采用l3。直锥形尾水管，将尾水管取消弯肘段与扩散段，仅保留直锥段。并根据冷却塔的纵向空间大小选择尾水管的长度则。

张飞狂研究出双击贯流式节能水轮机，该水轮机采用双击式、立轴、转轮叶片的型线经优化设计，进水水头为0.08 MPa。并从宏观的角度建立叶轮实际动量矩的基本方程为M=QCL（流量、流速、力矩的乘积）。其功率即为角速度与动量矩的乘积，即P=ωM。并由上海交通大学上海市节能中心联合对水轮机测试，测试数据：流量Q：94 m3/h；水头H=4 m；传感器显示功率P=0.9 kW；转速n=326 r/min，计算得水轮机的效率为0.88，JB/T标准为0.82。

陈满华等在参考了传统的双击式水轮机和混流式水轮机的设计方法，并通过对各个参数进行选择计算，开发出适用于冷却塔工作环境的双击式（SJN型）节能水轮机和混流式（HLN型）节能水轮机。研究结果发现，HLN型节能水轮机各过流部件的流态分布比SJN型节能水轮机更均匀，效率值整体比SJN型高约12%，性能远优于SJN型节能水轮机。该水轮机主要由喷嘴、转轮和尾水管三部分组成，结构简单，制造、安装和维护方便；适用工作范围较宽，效率变化平缓；运行稳定，可靠性高。水轮机的参数中，喷嘴入口断面面积由下式确定：

A=Q/v

式中：A为喷嘴的入口断面面积（m2）；Q为通过水轮机的流量（m3/s）；为喷嘴入口流速（m/s）；并由出喷嘴入口流速和水轮机线速度确定了水轮机转轮直径。

李延频等设计的冷却塔专用超低比转速水轮机具有转轮有较大的进出口值径比，D1/D2=2～2.5，叶片有较大的弯曲度，进出口安放角的差在100°～130°之间，导叶相对高度b0/D1=

0.07～0.1，比转速为40～60 m.kW，单位转速为20 r/min～40 r/min，单位流量0.15 m3/s～0.30 m3/s，该型号水轮机在现场使用性能良好。其中一种机型的转速、流量均与冷却塔相匹配，运行稳定，并有较高的能量转换效率。

郭润睿等通过分析各型水轮机的结构和性能特点及冷却塔工作的实际条件，研制了一台流量为200 m3/h的轴流式水轮机样机，技术参数为：设计流量200 m3/h，设计运行范围190 m3/h～210 m3/h，设计工作水头<12 m，输出轴功率4.5 kW，设计工作转速>1800 r/min，所配备齿轮减速机的减速比为9。水轮机转轮直径为180 mm，转轮叶片采用较大的叶栅稠密度，蜗壳采用梯形方案设计，导叶设计较低的相对高度。所研制的水轮机参数设计合理工作效率较高，每年可节约和充分利用大量的电能。

黄敏等采用CFD软件，基于连续方程、动量方程和湍流方程的k-ε模型对对冷却塔专用的贯流式水轮机进行了多转轮直径尺寸下二维定常数值模拟，获得了流场的速度、压力分布变化规律，并且对5种尺寸下的数值模拟结果进行比较分析，通过效率、流线图、压力等值线的对比分析选定最终优化方案，即在转轮直径在专利的基础上减10 mm。

张兰金等利用试验和数值分析两种方法研究了水循环系统中应用水轮机所引起的水力损失的特点，发现水轮机各个部件中，水力损失最大的为引水部件，转轮次之，尾水管最小；而导致水力损失的主要原因是水轮机中的水流流态不顺畅。并通过研究结果指出，可采用一些措施来减少水轮机转轮的水力损失，如扩大蜗壳断面来降低流体流速、采用翼型固定导叶、在结构强度允许的条件下减少固定导叶甚至可以者取消固定导叶、调整叶片进口安放角、叶片翼型弯度、包角等几何参数等，若水轮机的水力效率为95%，则水轮机还有20%左右的节能空间。

综上所述，国内对用于冷却塔的水轮机的研究已取得了一定的进展，一些研究人员根据冷却塔中的特征参数，如富余水头、水流量和配套转速等，设计出了适合在冷却塔中工作的新型节能水轮机，且大部分取得了较好的效果，但仍存在一些的不足之处，投入大规模应用的型号较少，其原因主要在于水轮机的设计安装受制于冷却塔具体情况和要求。

4 水轮机应用于冷却塔的优点

4.1 节能环保，具有巨大的经济效益和社会效益

水轮机不需要增加额外的能源，而是利用冷却塔循环水泵的富余扬程进行工作。实践表明，应用水轮机替代冷却塔中的电机，再保证冷去塔的正常工作的条件下，节约大量的电能，且由于减少了电机的传动轴、减速机等设备，降低了噪声污染，因此产生了巨大的经济效益和社会效益。吴锐等对逆流式冷却塔进行去除电机的改造，运行结果表明水轮机代替冷却塔风扇电机具有良好的效果：取消电机后，每天24 h运转，改造后每天可节电264 kW·h，每年按251个工作日计算，可节电66264 kW·h，节能效果十分可观。徐志强等研究循环水冷却风能节能改造，分析了在实际生产过程中的可行性和经济效益，进过初步计算，预计两年可收回投资费用，在使用周期内合计产生经济利润727.36万元。杨潘溪等采用HLW3000型水轮机替换电机，计算结果发现，1间3000 m3/h的大型机械通风冷却塔，经过电动风机节能改造后，每年节约电费57.14万元。endprint