徐大榮，馬志龍

(1．杭州大路裝備有限公司，浙江 杭州 311234;

2．杭州水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司，浙江 杭州 310006)

0 引言

在每個(gè)水冷卻循環(huán)系統(tǒng)中，由于系統(tǒng)設(shè)計(jì)的原因，都存在可利用的余壓能量。將水冷卻循環(huán)系統(tǒng)中的余壓進(jìn)行利用是節(jié)能的重要措施之一。在冷卻塔水循環(huán)系統(tǒng)中，利用水輪機(jī)將其余壓轉(zhuǎn)換成做功的能量，是水輪機(jī)近年來(lái)發(fā)展的新的應(yīng)用領(lǐng)域，具有重要的經(jīng)濟(jì)利益［1］。

在國(guó)外，關(guān)于冷卻塔水輪機(jī)的應(yīng)用技術(shù)報(bào)道非常少。美國(guó)1965 年有份冷卻塔水輪機(jī)技術(shù)專利出現(xiàn)，但相對(duì)現(xiàn)在的技術(shù)是非常落后的［1］。到目前為止，包括美國(guó)在內(nèi)的其他歐美發(fā)達(dá)國(guó)家，均未見(jiàn)關(guān)于冷卻塔水輪機(jī)應(yīng)用技術(shù)和冷卻塔改造的資料或文獻(xiàn)。在國(guó)內(nèi)，冷卻塔水輪機(jī)技術(shù)由張飛狂［2］自2003年首次提出，經(jīng)歷10 多年的發(fā)展，已經(jīng)形成了一定的規(guī)模產(chǎn)業(yè)。截至目前為止，國(guó)內(nèi)已經(jīng)有10 多家從事冷卻塔水輪機(jī)改造和生產(chǎn)的企業(yè);有西安理工大學(xué)［3］、河海大學(xué)［4］和華北水利水電大學(xué)［5］等高校的相關(guān)科研人員從事了冷卻塔水輪機(jī)的理論研究和試驗(yàn)，獲得了一定的研究成果。但是，所有的項(xiàng)目開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)、理論研究和試驗(yàn)，都是針對(duì)循環(huán)系統(tǒng)的余壓能量大于該系統(tǒng)風(fēng)機(jī)所需能量的冷卻塔。

本文所論述的是針對(duì)循環(huán)系統(tǒng)的余壓能量小于該系統(tǒng)風(fēng)機(jī)所需能量的冷卻塔，提出一種有效利用余壓能量的解決方案，即雙驅(qū)動(dòng)冷卻塔水輪機(jī)。

1 研究的背景及目的

1．1 冷卻塔水輪機(jī)技術(shù)的應(yīng)用情況

工業(yè)冷卻塔水輪機(jī)技術(shù)是2010 年國(guó)家重點(diǎn)節(jié)能技術(shù)推廣項(xiàng)目，全國(guó)具有數(shù)目眾多的冷卻塔需要節(jié)能改造，市場(chǎng)潛力巨大。自從水輪機(jī)應(yīng)用于冷卻塔節(jié)能技術(shù)以來(lái)，已經(jīng)過(guò)不斷地發(fā)展和完善，使很多冷卻塔利用水輪機(jī)進(jìn)行了節(jié)能改造。對(duì)于系統(tǒng)余壓能量大于系統(tǒng)風(fēng)機(jī)所需能量的冷卻塔，近幾年技術(shù)已經(jīng)相對(duì)成熟。現(xiàn)在已廣泛應(yīng)用的一種超低比轉(zhuǎn)速冷卻塔水輪機(jī)，和發(fā)電水輪機(jī)相比，有其獨(dú)特的性能［6］。水輪－風(fēng)機(jī)組獨(dú)特的水頭特性、過(guò)流特性、轉(zhuǎn)速特性及工況自相似特性，與發(fā)電水輪機(jī)特性相差很大。早期也有幾種其他的冷卻塔水輪機(jī)技術(shù)，但在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，效率很低或自身存在很多問(wèn)題而沒(méi)有得到推廣使用。

1．2 存在的問(wèn)題

對(duì)于系統(tǒng)余壓能量不能滿足風(fēng)機(jī)所需能量的冷卻塔，這種直聯(lián)的超低比轉(zhuǎn)速混流式水輪機(jī)是不適合的。目前全國(guó)存在大量的冷卻塔，不滿足水輪機(jī)直聯(lián)風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的改造方式，有大量的冷卻塔系統(tǒng)余壓能量不能有效利用，這是非?？上У?。

1．3 研究的目的

為了真正做到節(jié)能，更加徹底、有效的利用冷卻塔循環(huán)系統(tǒng)余壓能量，研究一種雙驅(qū)動(dòng)冷卻塔水輪機(jī)裝置，能夠?qū)ο到y(tǒng)能量不能滿足系統(tǒng)風(fēng)機(jī)所需能量的冷卻塔進(jìn)行節(jié)能改造，使更多的具有余壓能量的冷卻塔可以進(jìn)行節(jié)能改造。

2 雙驅(qū)動(dòng)冷卻塔水輪機(jī)裝置

顧名思義，雙驅(qū)動(dòng)就是由兩種動(dòng)力同時(shí)驅(qū)動(dòng)。對(duì)于冷卻塔風(fēng)機(jī)的雙驅(qū)動(dòng)，就是電動(dòng)機(jī)和水輪機(jī)。如果這兩種動(dòng)力能夠簡(jiǎn)單的疊加，自由切換，對(duì)于系統(tǒng)余壓能量不能滿足風(fēng)機(jī)所需能量的冷卻塔，有效利用其余壓能量的問(wèn)題就可以很好的得到解決。假設(shè)某系統(tǒng)的余壓能量有80 kW，系統(tǒng)風(fēng)機(jī)所需的功率是100 kW。如果電動(dòng)機(jī)輸出功和水輪機(jī)輸出功能夠簡(jiǎn)單疊加的話，要使風(fēng)機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)，則電動(dòng)機(jī)只需要20 kW 就夠了，可節(jié)省80 kW 的功率，經(jīng)濟(jì)效益是非?？捎^的。

要使水輪機(jī)和電動(dòng)機(jī)同時(shí)驅(qū)動(dòng)冷卻塔風(fēng)機(jī)，且兩種動(dòng)力能夠簡(jiǎn)單疊加，沒(méi)有內(nèi)部損耗，必須從理論上解決下面幾個(gè)問(wèn)題:

(1)在整個(gè)裝置中，水輪機(jī)、電動(dòng)機(jī)、減速器和風(fēng)機(jī)如何連接在一起才是最有效的，才能安全和可靠運(yùn)行。(2)水輪機(jī)和電動(dòng)機(jī)如何啟動(dòng)。(3)什么形式的水輪機(jī)能夠滿足雙驅(qū)動(dòng)的要求。是否必須開(kāi)發(fā)一種新形式的水輪機(jī)，發(fā)電用常規(guī)水輪機(jī)是否可行。

2．1 雙驅(qū)動(dòng)冷卻塔水輪機(jī)聯(lián)接布置方式的研究

雙驅(qū)動(dòng)有主驅(qū)動(dòng)和輔助驅(qū)動(dòng)之分，顯能水輪機(jī)驅(qū)動(dòng)是輔助驅(qū)動(dòng)。風(fēng)機(jī)組的運(yùn)行程序應(yīng)該是這樣，先是電動(dòng)機(jī)聯(lián)接減速器帶動(dòng)風(fēng)機(jī)運(yùn)行，再是水輪機(jī)啟動(dòng)到轉(zhuǎn)速與電機(jī)相同時(shí)，通過(guò)離合器和電機(jī)聯(lián)接。類似于常規(guī)水輪發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)運(yùn)行，并網(wǎng)后機(jī)組的頻率不變。筆者曾經(jīng)參與過(guò)石油化工行業(yè)某液力透平項(xiàng)目，使用液力透平技術(shù)，可以有效利用循環(huán)系統(tǒng)的富液余壓能量［7］。具體的布置方式見(jiàn)圖1。

圖1 富胺液力透平機(jī)組示意圖

上述循環(huán)裝置的工作原理是:低壓貧液→高壓離心泵增壓→高壓化學(xué)反應(yīng)裝置→高壓富液→液力透平做功推動(dòng)離心泵→低壓富液→進(jìn)一步被利用

其中高壓富液的壓力和流量是變化的，電動(dòng)機(jī)必須考慮在液力透平不做功的時(shí)候能滿足高壓離心泵滿負(fù)荷運(yùn)行的要求。實(shí)際運(yùn)行時(shí)，當(dāng)液力透平機(jī)啟動(dòng)聯(lián)接到正在運(yùn)行的電機(jī)－離心泵組后，逐漸增加富液流量以提高液力透平的輸出功率。這時(shí)電動(dòng)機(jī)的輸入電流是逐漸減少的，說(shuō)明電動(dòng)機(jī)的輸出功率同時(shí)在降低。

如果將液力透平改成水輪機(jī)，高壓離心泵改成風(fēng)機(jī)，水輪機(jī)、電動(dòng)機(jī)和風(fēng)機(jī)同時(shí)連接在一個(gè)主軸上，風(fēng)機(jī)可由電動(dòng)機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)或和水輪機(jī)同時(shí)驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)，這就是冷卻塔雙驅(qū)動(dòng)裝置。只是介質(zhì)不同而已。因風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速低，需要在電動(dòng)機(jī)與風(fēng)機(jī)之間增加減速器，機(jī)組示意圖如圖2。

圖2 雙驅(qū)動(dòng)水輪機(jī)機(jī)組示意圖

其中電機(jī)是雙伸軸形式，其工作原理和運(yùn)行方式與液力透平是一樣的，而且液力透平技術(shù)已經(jīng)在很多石油化工項(xiàng)目中得到應(yīng)用。

總之，采用圖2 聯(lián)接方式的雙驅(qū)動(dòng)冷卻塔水輪機(jī)，是非常適合系統(tǒng)余壓能量不能滿足風(fēng)機(jī)所需能量冷卻塔的節(jié)能改造的。只要系統(tǒng)有多余的能量，就可以有效利用，而且不影響風(fēng)機(jī)的正常運(yùn)行。

2．2 水輪機(jī)形式的研究

2．2．1 比轉(zhuǎn)速的確定

比轉(zhuǎn)速是水輪機(jī)的綜合性能指標(biāo)，是選擇水輪機(jī)形式的一個(gè)重要的參數(shù)［8］。

式中 ns——比轉(zhuǎn)速;

N——功率;

n——轉(zhuǎn)速;

H——利用水頭。

由上述公式可知，對(duì)于給定的系統(tǒng)，其壓力、流量參數(shù)在一定的范圍變化較小，對(duì)比轉(zhuǎn)速值影響較小，影響較大的是電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。冷卻塔電動(dòng)機(jī)使用最多的是1500 r/min 和1000 r/min，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的選擇主要是與風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、減速器的功率和速比有關(guān)。表1 是幾個(gè)冷卻塔循環(huán)水余壓參數(shù)。

表1 冷卻塔循環(huán)水余壓參數(shù)表

由表1 可知，雙驅(qū)動(dòng)冷卻塔水輪機(jī)比轉(zhuǎn)速遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于直聯(lián)方案(冷卻塔用超低比轉(zhuǎn)速水輪機(jī))，但卻在常規(guī)發(fā)電水輪機(jī)比轉(zhuǎn)速的范圍內(nèi)，發(fā)電水輪機(jī)比轉(zhuǎn)速值范圍見(jiàn)表2。

表2 發(fā)電用水輪機(jī)比轉(zhuǎn)速范圍表

由表2 可知，水輪機(jī)形式可以直接從發(fā)電水輪機(jī)中選用。從使用水頭和比轉(zhuǎn)速值的比較，水輪機(jī)可采用臥式軸流式和軸伸貫流式。對(duì)于發(fā)電水輪機(jī)技術(shù)，國(guó)內(nèi)經(jīng)過(guò)了幾十年的發(fā)展，已經(jīng)形成了適合不同水頭、流量參數(shù)以及不同使用環(huán)境條件下的系列型號(hào)。目前，已經(jīng)應(yīng)用于電站的軸流式水輪機(jī)，其技術(shù)水平達(dá)到國(guó)際水平，水輪機(jī)模型最高效率超過(guò)了93%。貫流式水輪機(jī)因流道平順，模型最高效率超過(guò)了94%。

2．3 水輪機(jī)結(jié)構(gòu)和布置的研究

2．3．1 臥式軸流式

因冷卻塔的實(shí)際條件不允許軸流式水輪機(jī)立式布置，臥式布置的軸流式水輪機(jī)因流道不能完全按照模型設(shè)計(jì)，其效率需要進(jìn)行負(fù)修正［9］。根據(jù)發(fā)電水輪機(jī)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，軸流式水輪機(jī)采用臥式布置，效率修正后可以達(dá)到90%左右。

2．3．2 軸伸貫流式

軸伸貫流式水輪機(jī)本來(lái)就是臥式布置的。由于主軸穿過(guò)整個(gè)尾水流道而使損失增加，效率降低，最高模型效率只有91%左右。

針對(duì)表1 的1#～3#號(hào)機(jī)系統(tǒng)，做水輪機(jī)技術(shù)方案如表3。

表3 1#～3#機(jī)系統(tǒng)冷卻塔水輪機(jī)技術(shù)參數(shù)

2．3．3 水輪機(jī)結(jié)構(gòu)方案的研究

根據(jù)水輪機(jī)技術(shù)方案，水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的直徑很小，和模型直徑相當(dāng)，屬于微型水輪機(jī)。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該與發(fā)電水輪機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有所不同，更加類似于泵的設(shè)計(jì)［10］。軸承采用滾珠式，而不是油軸承。沒(méi)有活動(dòng)導(dǎo)葉，控制相對(duì)簡(jiǎn)單。圖3 和圖4 是水輪機(jī)兩種結(jié)構(gòu)形式的初步設(shè)計(jì)方案。

圖3 典型的臥式軸流結(jié)構(gòu)圖

圖4 典型的軸伸貫流式結(jié)構(gòu)圖

3 實(shí)際運(yùn)行

1#號(hào)機(jī)冷卻塔循環(huán)系統(tǒng)是能源管理項(xiàng)目，已經(jīng)成功改造。實(shí)際運(yùn)行證明，水輪機(jī)－電動(dòng)機(jī)雙驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)方案是可行的，整個(gè)裝置能夠安全、穩(wěn)定運(yùn)行，機(jī)組啟動(dòng)平順。但水輪機(jī)的實(shí)際效率并沒(méi)有預(yù)想的高，經(jīng)計(jì)算大概只有86%左右。分析主要原因，應(yīng)該是水輪機(jī)沒(méi)有活動(dòng)導(dǎo)葉以及尾水管沒(méi)有按照模型設(shè)計(jì)，造成轉(zhuǎn)輪前和尾水彎管部位的水力損失加大，使水輪機(jī)效率降低。

4 結(jié)輪

(1)采用水輪機(jī)－電動(dòng)雙驅(qū)動(dòng)裝置，可以使大量的冷卻塔循環(huán)水余壓能量得到利用，所有的冷卻塔都能進(jìn)行節(jié)能改造，沒(méi)有任何的限制，可以更加充分地節(jié)能，產(chǎn)生更多的經(jīng)濟(jì)效益。

(2)與水輪機(jī)直聯(lián)風(fēng)機(jī)方案相比，雖然增加了電機(jī)和減速器，增加了維護(hù)成本，但運(yùn)行更加穩(wěn)定，更加節(jié)能。

(3)本文是第一次論述水輪機(jī)－電動(dòng)機(jī)雙驅(qū)動(dòng)裝置在冷卻塔節(jié)能改造項(xiàng)目中的應(yīng)用，在實(shí)際實(shí)施過(guò)程中存在一定的問(wèn)題，如水輪機(jī)的效率不理想，只有86%，但研究方向是非常正確的。在今后的工作中，需要著重對(duì)水輪機(jī)的流道進(jìn)行研究，以開(kāi)發(fā)出適合冷卻塔實(shí)際情況的、高效率、性能優(yōu)良的水輪機(jī)，以便更加有效地節(jié)能。

［1］李延頻．工業(yè)冷卻塔專用超低比轉(zhuǎn)速混流式水輪機(jī)的特性研究［D］．西安:西安理工大學(xué)，2011．

［2］張飛狂．微型水輪機(jī)在冷卻塔的應(yīng)用［J］．工業(yè)水處理，2011，24(3):57 －59．

［3］李延頻，王凱，等．冷卻塔專用水輪機(jī)過(guò)流能力的近似計(jì)算［J］．西安理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，27(1):79 －81．

［4］鄭源，張麗敏，等．冷卻塔中新型混流式水輪機(jī)設(shè)計(jì)［J］．排灌機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2010，28(6):484 －487．

［5］陳德新，張文俊，陽(yáng)莉．冷卻塔風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)水輪機(jī)的工作特點(diǎn)與形式選擇［J］．水力發(fā)電，2010，36(12):54 －56．

［6］李延頻，南海鵬，陳德新．冷卻塔專用水輪機(jī)組的調(diào)節(jié)特性研究［J］．水力發(fā)電學(xué)報(bào)，2011，30(3):187 －190．

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［9］哈爾濱大電機(jī)研究所編． 水輪機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］． 北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1976．

［10］沈陽(yáng)水泵研究所，中國(guó)農(nóng)機(jī)化研究院編．葉片泵設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］．北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1983．