冷却塔水轮机驱动风机技术综述

黄瑜

摘 要： 冷却塔中耗能主要在于：水循环回路中的泵送装置以及冷却塔上带动空气流动的风机的驱动电机。而于20世纪后期出现了这样一种技术：为了减少这两处的总耗能，在冷却塔上部的循环管道上安装一个水轮机，回收循环冷却水的富余扬程，再用这部分回收的能量去驱动冷却塔上方的风机旋转，以减少驱动电机的耗能。这种技术于21世纪得到了快速的发展，对于水轮机冷却塔的发明专利越来越多。

关键词： 冷却塔；水轮机；风机；节能；驱动

一、冷却塔水轮机驱动风机技术分析

传统的冷却塔一般都是用电动机来驱动冷却塔的风机，风机的抽风使进入冷却塔的水流快速散热冷却，然后由水泵加压将水流输送到需要用水冷却的设备使用后再引入冷却塔冷却，达到冷却水循环使用。由于工业冷却水再热交换设备和冷却塔之间的循环使通过水泵来驱动的。因考虑可靠性等多种因素，这种系统的水泵有大量富余扬程和流量，主要表现在：工程设计时考虑到安全生产，都会在满足最大需求水量的基础上加至少10%-20%的余量来确定水泵的流量；以及一般的工艺工程会在克服计算出的阻力数值的基础上至少加10%-20%的余量来对水泵选型；而冷却塔上的风机又使用外接驱动设备来驱动，则又将损耗一部分能量。

但在冷却塔的风机下方或者附近设置一个水轮机，该水轮机用来回收上述两种富余能量，并用以驱动冷却塔的风机，则大大节约了驱动风机所用的电能，同时也能满足换热设备的工艺要求。

二、冷却塔水轮机相关专利文献的检索与统计分析

于中文专利文献摘要库CNABS中，对于冷却法塔水轮机相关技术检索，得出的结果为277篇专利文献。对相关文献的申请年份进行统计，截止至2014结果如图1：

图1 历年专利文献量

由图1可知，从2005年开始至2009年，冷却塔水轮机技术的专利文献量逐年迅速增长，于2010年有所下降之后，又开始新一次迅速增长，而2013年文献量相对较少的原因可能是有一部分的申请还未被公开。

三、冷却塔水轮机驱动风机技术发展

我国于20世纪七十年代引进冷却塔技术，至今未有对冷却塔的节能进行过系统的研究，各生产厂家之间的产品标准差异很大；冷却塔的国家标准也只体现在降温的温差及噪音方面；为确保温降效果，往往刻意加大水泵和风机的功率，在设计和选型时都将余量放得很大，从而使冷却塔的使用企业付出了巨大的代价，也白白浪费掉大量的能源。

现结合专利文献对冷却塔水轮机驱动风机技术进行结介绍。

1、早期的专利申请

①专利申请CN98123800.9，免能冷塔。该发明是将冷却塔的电机风机和布水器合二为一，取消电机，用水轮机原理设计的依靠液泵送压，液体通过水轮机，由水轮机输出传递动力。使风叶转动产生风量，从而使气液进行热质交换。

早期的冷却塔水轮机驱动风机技术都是采用水轮机完全替代电动机驱动风机旋转。而随着技术的进步，随后的专利申请相对于专利申请①一个很明显的改进是：进入水轮机做功的水量是可调节的。这样一来，当外界条件变化，或者季节的变换导致的负荷变化时，可调节水轮机的进水量，使得风机的转速、循环水的流量能及时做相应调整，以适应负荷的变化。

2、冷却塔水轮机驱动风机技术的发展

从图1可知，从2006年至今，冷却塔水轮机驱动风机技术的专利文献大幅度增长，说明该技术近年来得到了大力发展，技术在不断的进步，早期冷却塔水轮机驱动风机技术存在的缺陷也在不断地得到改进。

②专利申请CN20072003219.7，水动能回收冷却塔。该发明中，冷却的热水分成两路分别从水轮机的两个蜗壳进入，两股水流随着蜗壳的导引到达座环，又通过座环中导水叶片的导向流向转轮，并推动转轮转动，与此同时，主轴随转轮转动，从而带动风叶轮转动；从转轮出来的水随后经过一定的冷却手段而得到换热冷却。

上述水轮机采用的是双蜗壳对称进水结构，使进入水轮机的水流形成以座环为中心的双向对称进水分布，从而使转轮受力均匀，相对于早期的但进口水轮机，大大减小水轮机的振动，降低塔体振动和噪声。

将水轮机替代冷却塔的电机去驱动风机，虽省去了风机的驱动电机，但实际上是间接地通过水泵电机消耗着电能。冷却塔出水口的富余水头本是为提高系统可靠性而预留的裕量，随着冷却塔运行时间的增加，管损增大，该富余水头会逐渐减小。在恶劣的条件下，为保证水轮机的轴功率，以使风机能正常运转，而保证冷却塔的冷却需求，对水泵的要求就很高。故出现了水电联合驱动冷却塔风機的技术：

③专利申请CN20091024225.0，一种冷却塔风机智能驱动装置。该发明采用水轮机和电动机两种驱动装置驱动风机运转，当水轮机单独驱动风机运转时，称冷却塔工作在低功耗运行模式；当电动机投入运行，与水轮机共同驱动风机运转时，称冷却塔工作在标准运行模式。在负荷不是很高或环境不是很恶劣的条件下，冷却塔对风量的需求较少，由水轮机经上述过程单独驱动风机即可，冷却塔进入低功耗运行模式，由此可以实现冷却塔系统的节能运行。为了配合电动机的投入或退出，装置中还相应地设置了传感器和控制器，智能地驱动风机旋转，以达到相应风量需求的同时能节省能量。

以上发明申请利用水轮机和电动机智能联合驱动冷却塔风机，解决了水轮机循环水富余扬程低，动力不足的问题。同时，由于负荷较高或环境比较恶劣的条件或系统故障的情况在全年只占很小的一部分时间，因此电动机只是根据需要进行间歇性运行，完全可以保证冷却塔系统在可靠运行的前提下，实现节能降耗。

④专利申请CN20132014949.4，冷却塔专用的油压式水轮机。该发明的水轮机出轴连接高压油泵的轴心，高压油泵通过水轮机作功后油压输送至油马达，高压油泵的油压来驱动油马达，再带动冷却塔风机运转，水轮机通过这种形式带动冷却塔风机运行，根据冷却塔风机所需扭力来设计水轮机，完成冷却塔汽水比热交换功能，从根本上取消了冷却塔风机电机。

上述申请将水轮机设置在冷却塔外部，便于维护管理，解决了水轮机安装在冷却塔风筒内，叶轮直径尺寸受限，效率低，管道在汽水比热交换时产生绕流，对风机叶片使用可能不利，水轮机本体及附件容易腐蚀，不便维护等问题。

随着科技的发展，现在许多大型机械都转型成智能型，既节省劳动力、又能加强安全性，所以冷却塔的智能型转换也成为必然，而这种技术正体现在以下申请中：

⑤专利申请CN20132021434.7，一种基于PLC智能控制的安全冷却塔。该发明中，冷却塔包括冷却塔主体、风机、水轮机、PLC控制柜、变频调速水泵、回水水温传感器、变频调速水泵转速传感器、布水系统管道压力传感器等。利用传感器检测循环管道上、风机、水轮机的重要性能参数，再将参数反馈到控制器中，再通过逻辑发生器来调控工作中的设备，达到实施监控。智能设备的投入，使冷却塔的工作流程既快捷、又精准，节约了劳动力又准确地保证了设备安全。

四、展望

节能减排是当今社会倡导的主流，冷却塔水轮机技术正是抓住这一主流，得到了众多企业的重视。近年来冷却塔水轮机驱动风机技术逐渐成熟，早期技术存在的许多缺陷在不断地被克服中，对水轮机结构的改造，如双进口式水轮机，驱动油压式水轮机等，都是为了能更好地在冷却塔中工作，克服一般水轮机在冷却塔中运行存在的缺陷。而在智能技术高速发展的当下，提高冷却塔水轮机驱动风机的智能化将成为21世纪的冷却塔主流。