雙驅動冷卻塔水輪機裝置的研究

徐大榮，馬志龍

(1．杭州大路裝備有限公司，浙江 杭州 311234;

2．杭州水利水電勘測設計院有限公司，浙江 杭州 310006)

0 引言

在每個水冷卻循環(huán)系統(tǒng)中，由于系統(tǒng)設計的原因，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，利用水輪機將其余壓轉換成做功的能量，是水輪機近年來發(fā)展的新的應用領域，具有重要的經濟利益［1］。

在國外，關于冷卻塔水輪機的應用技術報道非常少。美國1965 年有份冷卻塔水輪機技術專利出現(xiàn)，但相對現(xiàn)在的技術是非常落后的［1］。到目前為止，包括美國在內的其他歐美發(fā)達國家，均未見關于冷卻塔水輪機應用技術和冷卻塔改造的資料或文獻。在國內，冷卻塔水輪機技術由張飛狂［2］自2003年首次提出，經歷10 多年的發(fā)展，已經形成了一定的規(guī)模產業(yè)。截至目前為止，國內已經有10 多家從事冷卻塔水輪機改造和生產的企業(yè);有西安理工大學［3］、河海大學［4］和華北水利水電大學［5］等高校的相關科研人員從事了冷卻塔水輪機的理論研究和試驗，獲得了一定的研究成果。但是，所有的項目開發(fā)設計、理論研究和試驗，都是針對循環(huán)系統(tǒng)的余壓能量大于該系統(tǒng)風機所需能量的冷卻塔。

本文所論述的是針對循環(huán)系統(tǒng)的余壓能量小于該系統(tǒng)風機所需能量的冷卻塔，提出一種有效利用余壓能量的解決方案，即雙驅動冷卻塔水輪機。

1 研究的背景及目的

1．1 冷卻塔水輪機技術的應用情況

工業(yè)冷卻塔水輪機技術是2010 年國家重點節(jié)能技術推廣項目，全國具有數(shù)目眾多的冷卻塔需要節(jié)能改造，市場潛力巨大。自從水輪機應用于冷卻塔節(jié)能技術以來，已經過不斷地發(fā)展和完善，使很多冷卻塔利用水輪機進行了節(jié)能改造。對于系統(tǒng)余壓能量大于系統(tǒng)風機所需能量的冷卻塔，近幾年技術已經相對成熟。現(xiàn)在已廣泛應用的一種超低比轉速冷卻塔水輪機，和發(fā)電水輪機相比，有其獨特的性能［6］。水輪－風機組獨特的水頭特性、過流特性、轉速特性及工況自相似特性，與發(fā)電水輪機特性相差很大。早期也有幾種其他的冷卻塔水輪機技術，但在實際應用時，效率很低或自身存在很多問題而沒有得到推廣使用。

1．2 存在的問題

對于系統(tǒng)余壓能量不能滿足風機所需能量的冷卻塔，這種直聯(lián)的超低比轉速混流式水輪機是不適合的。目前全國存在大量的冷卻塔，不滿足水輪機直聯(lián)風機驅動的改造方式，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摹?/p>

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，研究一種雙驅動冷卻塔水輪機裝置，能夠對系統(tǒng)能量不能滿足系統(tǒng)風機所需能量的冷卻塔進行節(jié)能改造，使更多的具有余壓能量的冷卻塔可以進行節(jié)能改造。

2 雙驅動冷卻塔水輪機裝置

顧名思義，雙驅動就是由兩種動力同時驅動。對于冷卻塔風機的雙驅動，就是電動機和水輪機。如果這兩種動力能夠簡單的疊加，自由切換，對于系統(tǒng)余壓能量不能滿足風機所需能量的冷卻塔，有效利用其余壓能量的問題就可以很好的得到解決。假設某系統(tǒng)的余壓能量有80 kW，系統(tǒng)風機所需的功率是100 kW。如果電動機輸出功和水輪機輸出功能夠簡單疊加的話，要使風機正常運轉，則電動機只需要20 kW 就夠了，可節(jié)省80 kW 的功率，經濟效益是非?？捎^的。

要使水輪機和電動機同時驅動冷卻塔風機，且兩種動力能夠簡單疊加，沒有內部損耗，必須從理論上解決下面幾個問題:

(1)在整個裝置中，水輪機、電動機、減速器和風機如何連接在一起才是最有效的，才能安全和可靠運行。(2)水輪機和電動機如何啟動。(3)什么形式的水輪機能夠滿足雙驅動的要求。是否必須開發(fā)一種新形式的水輪機，發(fā)電用常規(guī)水輪機是否可行。

2．1 雙驅動冷卻塔水輪機聯(lián)接布置方式的研究

雙驅動有主驅動和輔助驅動之分，顯能水輪機驅動是輔助驅動。風機組的運行程序應該是這樣，先是電動機聯(lián)接減速器帶動風機運行，再是水輪機啟動到轉速與電機相同時，通過離合器和電機聯(lián)接。類似于常規(guī)水輪發(fā)電機組并網運行，并網后機組的頻率不變。筆者曾經參與過石油化工行業(yè)某液力透平項目，使用液力透平技術，可以有效利用循環(huán)系統(tǒng)的富液余壓能量［7］。具體的布置方式見圖1。

圖1 富胺液力透平機組示意圖

上述循環(huán)裝置的工作原理是:低壓貧液→高壓離心泵增壓→高壓化學反應裝置→高壓富液→液力透平做功推動離心泵→低壓富液→進一步被利用

其中高壓富液的壓力和流量是變化的，電動機必須考慮在液力透平不做功的時候能滿足高壓離心泵滿負荷運行的要求。實際運行時，當液力透平機啟動聯(lián)接到正在運行的電機－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。這時電動機的輸入電流是逐漸減少的，說明電動機的輸出功率同時在降低。

如果將液力透平改成水輪機，高壓離心泵改成風機，水輪機、電動機和風機同時連接在一個主軸上，風機可由電動機單獨驅動或和水輪機同時驅動風機，這就是冷卻塔雙驅動裝置。只是介質不同而已。因風機轉速低，需要在電動機與風機之間增加減速器，機組示意圖如圖2。

圖2 雙驅動水輪機機組示意圖

其中電機是雙伸軸形式，其工作原理和運行方式與液力透平是一樣的，而且液力透平技術已經在很多石油化工項目中得到應用。

總之，采用圖2 聯(lián)接方式的雙驅動冷卻塔水輪機，是非常適合系統(tǒng)余壓能量不能滿足風機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，而且不影響風機的正常運行。

2．2 水輪機形式的研究

2．2．1 比轉速的確定

比轉速是水輪機的綜合性能指標，是選擇水輪機形式的一個重要的參數(shù)［8］。

式中 ns——比轉速;

N——功率;

n——轉速;

H——利用水頭。

由上述公式可知，對于給定的系統(tǒng)，其壓力、流量參數(shù)在一定的范圍變化較小，對比轉速值影響較小，影響較大的是電動機轉速。冷卻塔電動機使用最多的是1500 r/min 和1000 r/min，電動機轉速的選擇主要是與風機轉速、減速器的功率和速比有關。表1 是幾個冷卻塔循環(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，雙驅動冷卻塔水輪機比轉速遠遠高于直聯(lián)方案(冷卻塔用超低比轉速水輪機)，但卻在常規(guī)發(fā)電水輪機比轉速的范圍內，發(fā)電水輪機比轉速值范圍見表2。

表2 發(fā)電用水輪機比轉速范圍表

由表2 可知，水輪機形式可以直接從發(fā)電水輪機中選用。從使用水頭和比轉速值的比較，水輪機可采用臥式軸流式和軸伸貫流式。對于發(fā)電水輪機技術，國內經過了幾十年的發(fā)展，已經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。目前，已經應用于電站的軸流式水輪機，其技術水平達到國際水平，水輪機模型最高效率超過了93%。貫流式水輪機因流道平順，模型最高效率超過了94%。

2．3 水輪機結構和布置的研究

2．3．1 臥式軸流式

因冷卻塔的實際條件不允許軸流式水輪機立式布置，臥式布置的軸流式水輪機因流道不能完全按照模型設計，其效率需要進行負修正［9］。根據(jù)發(fā)電水輪機設計經驗，軸流式水輪機采用臥式布置，效率修正后可以達到90%左右。

2．3．2 軸伸貫流式

軸伸貫流式水輪機本來就是臥式布置的。由于主軸穿過整個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。

針對表1 的1#～3#號機系統(tǒng)，做水輪機技術方案如表3。

表3 1#～3#機系統(tǒng)冷卻塔水輪機技術參數(shù)

2．3．3 水輪機結構方案的研究

根據(jù)水輪機技術方案，水輪機轉輪的直徑很小，和模型直徑相當，屬于微型水輪機。在結構設計時應該與發(fā)電水輪機結構設計有所不同，更加類似于泵的設計［10］。軸承采用滾珠式，而不是油軸承。沒有活動導葉，控制相對簡單。圖3 和圖4 是水輪機兩種結構形式的初步設計方案。

圖3 典型的臥式軸流結構圖

圖4 典型的軸伸貫流式結構圖

3 實際運行

1#號機冷卻塔循環(huán)系統(tǒng)是能源管理項目，已經成功改造。實際運行證明，水輪機－電動機雙驅動風機方案是可行的，整個裝置能夠安全、穩(wěn)定運行，機組啟動平順。但水輪機的實際效率并沒有預想的高，經計算大概只有86%左右。分析主要原因，應該是水輪機沒有活動導葉以及尾水管沒有按照模型設計，造成轉輪前和尾水彎管部位的水力損失加大，使水輪機效率降低。

4 結輪

(1)采用水輪機－電動雙驅動裝置，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行節(jié)能改造，沒有任何的限制，可以更加充分地節(jié)能，產生更多的經濟效益。

(2)與水輪機直聯(lián)風機方案相比，雖然增加了電機和減速器，增加了維護成本，但運行更加穩(wěn)定，更加節(jié)能。

(3)本文是第一次論述水輪機－電動機雙驅動裝置在冷卻塔節(jié)能改造項目中的應用，在實際實施過程中存在一定的問題，如水輪機的效率不理想，只有86%，但研究方向是非常正確的。在今后的工作中，需要著重對水輪機的流道進行研究，以開發(fā)出適合冷卻塔實際情況的、高效率、性能優(yōu)良的水輪機，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速混流式水輪機的特性研究［D］．西安:西安理工大學，2011．

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

［3］李延頻，王凱，等．冷卻塔專用水輪機過流能力的近似計算［J］．西安理工大學學報，2011，27(1):79 －81．

［4］鄭源，張麗敏，等．冷卻塔中新型混流式水輪機設計［J］．排灌機械工程學報，2010，28(6):484 －487．

［5］陳德新，張文俊，陽莉．冷卻塔風機驅動水輪機的工作特點與形式選擇［J］．水力發(fā)電，2010，36(12):54 －56．

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

［7］趙月剛，郝偉． 氣體凈化富液余壓能量回收液力透平泵的應用［J］．石油和化工節(jié)能，2009(5):38 －40．

［8］季盛林，劉國柱．水輪機［M］．2 版．北京:水利電力出版社，1984．

［9］哈爾濱大電機研究所編． 水輪機設計手冊［M］． 北京:機械工業(yè)出版社，1976．

［10］沈陽水泵研究所，中國農機化研究院編．葉片泵設計手冊［M］．北京:機械工業(yè)出版社，1983．