冷卻塔水輪機(jī)驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)技術(shù)綜述

黃瑜

摘 要： 冷卻塔中耗能主要在于：水循環(huán)回路中的泵送裝置以及冷卻塔上帶動(dòng)空氣流動(dòng)的風(fēng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)。而于20世紀(jì)后期出現(xiàn)了這樣一種技術(shù)：為了減少這兩處的總耗能，在冷卻塔上部的循環(huán)管道上安裝一個(gè)水輪機(jī)，回收循環(huán)冷卻水的富余揚(yáng)程，再用這部分回收的能量去驅(qū)動(dòng)冷卻塔上方的風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)，以減少驅(qū)動(dòng)電機(jī)的耗能。這種技術(shù)于21世紀(jì)得到了快速的發(fā)展，對(duì)于水輪機(jī)冷卻塔的發(fā)明專(zhuān)利越來(lái)越多。

關(guān)鍵詞： 冷卻塔；水輪機(jī)；風(fēng)機(jī)；節(jié)能；驅(qū)動(dòng)

一、冷卻塔水輪機(jī)驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)技術(shù)分析

傳統(tǒng)的冷卻塔一般都是用電動(dòng)機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)冷卻塔的風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)的抽風(fēng)使進(jìn)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(shè)備使用后再引入冷卻塔冷卻，達(dá)到冷卻水循環(huán)使用。由于工業(yè)冷卻水再熱交換設(shè)備和冷卻塔之間的循環(huán)使通過(guò)水泵來(lái)驅(qū)動(dòng)的。因考慮可靠性等多種因素，這種系統(tǒng)的水泵有大量富余揚(yáng)程和流量，主要表現(xiàn)在：工程設(shè)計(jì)時(shí)考慮到安全生產(chǎn)，都會(huì)在滿(mǎn)足最大需求水量的基礎(chǔ)上加至少10%-20%的余量來(lái)確定水泵的流量；以及一般的工藝工程會(huì)在克服計(jì)算出的阻力數(shù)值的基礎(chǔ)上至少加10%-20%的余量來(lái)對(duì)水泵選型；而冷卻塔上的風(fēng)機(jī)又使用外接驅(qū)動(dòng)設(shè)備來(lái)驅(qū)動(dòng)，則又將損耗一部分能量。

但在冷卻塔的風(fēng)機(jī)下方或者附近設(shè)置一個(gè)水輪機(jī)，該水輪機(jī)用來(lái)回收上述兩種富余能量，并用以驅(qū)動(dòng)冷卻塔的風(fēng)機(jī)，則大大節(jié)約了驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)所用的電能，同時(shí)也能滿(mǎn)足換熱設(shè)備的工藝要求。

二、冷卻塔水輪機(jī)相關(guān)專(zhuān)利文獻(xiàn)的檢索與統(tǒng)計(jì)分析

于中文專(zhuān)利文獻(xiàn)摘要庫(kù)CNABS中，對(duì)于冷卻法塔水輪機(jī)相關(guān)技術(shù)檢索，得出的結(jié)果為277篇專(zhuān)利文獻(xiàn)。對(duì)相關(guān)文獻(xiàn)的申請(qǐng)年份進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，截止至2014結(jié)果如圖1：

圖1 歷年專(zhuān)利文獻(xiàn)量

由圖1可知，從2005年開(kāi)始至2009年，冷卻塔水輪機(jī)技術(shù)的專(zhuān)利文獻(xiàn)量逐年迅速增長(zhǎng)，于2010年有所下降之后，又開(kāi)始新一次迅速增長(zhǎng)，而2013年文獻(xiàn)量相對(duì)較少的原因可能是有一部分的申請(qǐng)還未被公開(kāi)。

三、冷卻塔水輪機(jī)驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)技術(shù)發(fā)展

我國(guó)于20世紀(jì)七十年代引進(jìn)冷卻塔技術(shù)，至今未有對(duì)冷卻塔的節(jié)能進(jìn)行過(guò)系統(tǒng)的研究，各生產(chǎn)廠家之間的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)差異很大；冷卻塔的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)也只體現(xiàn)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(fēng)機(jī)的功率，在設(shè)計(jì)和選型時(shí)都將余量放得很大，從而使冷卻塔的使用企業(yè)付出了巨大的代價(jià)，也白白浪費(fèi)掉大量的能源。

現(xiàn)結(jié)合專(zhuān)利文獻(xiàn)對(duì)冷卻塔水輪機(jī)驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)技術(shù)進(jìn)行結(jié)介紹。

1、早期的專(zhuān)利申請(qǐng)

①專(zhuān)利申請(qǐng)CN98123800.9，免能冷塔。該發(fā)明是將冷卻塔的電機(jī)風(fēng)機(jī)和布水器合二為一，取消電機(jī)，用水輪機(jī)原理設(shè)計(jì)的依靠液泵送壓，液體通過(guò)水輪機(jī)，由水輪機(jī)輸出傳遞動(dòng)力。使風(fēng)葉轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生風(fēng)量，從而使氣液進(jìn)行熱質(zhì)交換。

早期的冷卻塔水輪機(jī)驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)技術(shù)都是采用水輪機(jī)完全替代電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)。而隨著技術(shù)的進(jìn)步，隨后的專(zhuān)利申請(qǐng)相對(duì)于專(zhuān)利申請(qǐng)①一個(gè)很明顯的改進(jìn)是：進(jìn)入水輪機(jī)做功的水量是可調(diào)節(jié)的。這樣一來(lái)，當(dāng)外界條件變化，或者季節(jié)的變換導(dǎo)致的負(fù)荷變化時(shí)，可調(diào)節(jié)水輪機(jī)的進(jìn)水量，使得風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速、循環(huán)水的流量能及時(shí)做相應(yīng)調(diào)整，以適應(yīng)負(fù)荷的變化。

2、冷卻塔水輪機(jī)驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)技術(shù)的發(fā)展

從圖1可知，從2006年至今，冷卻塔水輪機(jī)驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)技術(shù)的專(zhuān)利文獻(xiàn)大幅度增長(zhǎng)，說(shuō)明該技術(shù)近年來(lái)得到了大力發(fā)展，技術(shù)在不斷的進(jìn)步，早期冷卻塔水輪機(jī)驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)技術(shù)存在的缺陷也在不斷地得到改進(jìn)。

②專(zhuān)利申請(qǐng)CN20072003219.7，水動(dòng)能回收冷卻塔。該發(fā)明中，冷卻的熱水分成兩路分別從水輪機(jī)的兩個(gè)蝸殼進(jìn)入，兩股水流隨著蝸殼的導(dǎo)引到達(dá)座環(huán)，又通過(guò)座環(huán)中導(dǎo)水葉片的導(dǎo)向流向轉(zhuǎn)輪，并推動(dòng)轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)動(dòng)，與此同時(shí)，主軸隨轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)風(fēng)葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)；從轉(zhuǎn)輪出來(lái)的水隨后經(jīng)過(guò)一定的冷卻手段而得到換熱冷卻。

上述水輪機(jī)采用的是雙蝸殼對(duì)稱(chēng)進(jìn)水結(jié)構(gòu)，使進(jìn)入水輪機(jī)的水流形成以座環(huán)為中心的雙向?qū)ΨQ(chēng)進(jìn)水分布，從而使轉(zhuǎn)輪受力均勻，相對(duì)于早期的但進(jìn)口水輪機(jī)，大大減小水輪機(jī)的振動(dòng)，降低塔體振動(dòng)和噪聲。

將水輪機(jī)替代冷卻塔的電機(jī)去驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)，雖省去了風(fēng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，但實(shí)際上是間接地通過(guò)水泵電機(jī)消耗著電能。冷卻塔出水口的富余水頭本是為提高系統(tǒng)可靠性而預(yù)留的裕量，隨著冷卻塔運(yùn)行時(shí)間的增加，管損增大，該富余水頭會(huì)逐漸減小。在惡劣的條件下，為保證水輪機(jī)的軸功率，以使風(fēng)機(jī)能正常運(yùn)轉(zhuǎn)，而保證冷卻塔的冷卻需求，對(duì)水泵的要求就很高。故出現(xiàn)了水電聯(lián)合驅(qū)動(dòng)冷卻塔風(fēng)機(jī)的技術(shù)：

③專(zhuān)利申請(qǐng)CN20091024225.0，一種冷卻塔風(fēng)機(jī)智能驅(qū)動(dòng)裝置。該發(fā)明采用水輪機(jī)和電動(dòng)機(jī)兩種驅(qū)動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，當(dāng)水輪機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，稱(chēng)冷卻塔工作在低功耗運(yùn)行模式；當(dāng)電動(dòng)機(jī)投入運(yùn)行，與水輪機(jī)共同驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，稱(chēng)冷卻塔工作在標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)行模式。在負(fù)荷不是很高或環(huán)境不是很惡劣的條件下，冷卻塔對(duì)風(fēng)量的需求較少，由水輪機(jī)經(jīng)上述過(guò)程單獨(dú)驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)即可，冷卻塔進(jìn)入低功耗運(yùn)行模式，由此可以實(shí)現(xiàn)冷卻塔系統(tǒng)的節(jié)能運(yùn)行。為了配合電動(dòng)機(jī)的投入或退出，裝置中還相應(yīng)地設(shè)置了傳感器和控制器，智能地驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)，以達(dá)到相應(yīng)風(fēng)量需求的同時(shí)能節(jié)省能量。

以上發(fā)明申請(qǐng)利用水輪機(jī)和電動(dòng)機(jī)智能聯(lián)合驅(qū)動(dòng)冷卻塔風(fēng)機(jī)，解決了水輪機(jī)循環(huán)水富余揚(yáng)程低，動(dòng)力不足的問(wèn)題。同時(shí)，由于負(fù)荷較高或環(huán)境比較惡劣的條件或系統(tǒng)故障的情況在全年只占很小的一部分時(shí)間，因此電動(dòng)機(jī)只是根據(jù)需要進(jìn)行間歇性運(yùn)行，完全可以保證冷卻塔系統(tǒng)在可靠運(yùn)行的前提下，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗。

④專(zhuān)利申請(qǐng)CN20132014949.4，冷卻塔專(zhuān)用的油壓式水輪機(jī)。該發(fā)明的水輪機(jī)出軸連接高壓油泵的軸心，高壓油泵通過(guò)水輪機(jī)作功后油壓輸送至油馬達(dá)，高壓油泵的油壓來(lái)驅(qū)動(dòng)油馬達(dá)，再帶動(dòng)冷卻塔風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，水輪機(jī)通過(guò)這種形式帶動(dòng)冷卻塔風(fēng)機(jī)運(yùn)行，根據(jù)冷卻塔風(fēng)機(jī)所需扭力來(lái)設(shè)計(jì)水輪機(jī)，完成冷卻塔汽水比熱交換功能，從根本上取消了冷卻塔風(fēng)機(jī)電機(jī)。

上述申請(qǐng)將水輪機(jī)設(shè)置在冷卻塔外部，便于維護(hù)管理，解決了水輪機(jī)安裝在冷卻塔風(fēng)筒內(nèi)，葉輪直徑尺寸受限，效率低，管道在汽水比熱交換時(shí)產(chǎn)生繞流，對(duì)風(fēng)機(jī)葉片使用可能不利，水輪機(jī)本體及附件容易腐蝕，不便維護(hù)等問(wèn)題。

隨著科技的發(fā)展，現(xiàn)在許多大型機(jī)械都轉(zhuǎn)型成智能型，既節(jié)省勞動(dòng)力、又能加強(qiáng)安全性，所以冷卻塔的智能型轉(zhuǎn)換也成為必然，而這種技術(shù)正體現(xiàn)在以下申請(qǐng)中：

⑤專(zhuān)利申請(qǐng)CN20132021434.7，一種基于PLC智能控制的安全冷卻塔。該發(fā)明中，冷卻塔包括冷卻塔主體、風(fēng)機(jī)、水輪機(jī)、PLC控制柜、變頻調(diào)速水泵、回水水溫傳感器、變頻調(diào)速水泵轉(zhuǎn)速傳感器、布水系統(tǒng)管道壓力傳感器等。利用傳感器檢測(cè)循環(huán)管道上、風(fēng)機(jī)、水輪機(jī)的重要性能參數(shù)，再將參數(shù)反饋到控制器中，再通過(guò)邏輯發(fā)生器來(lái)調(diào)控工作中的設(shè)備，達(dá)到實(shí)施監(jiān)控。智能設(shè)備的投入，使冷卻塔的工作流程既快捷、又精準(zhǔn)，節(jié)約了勞動(dòng)力又準(zhǔn)確地保證了設(shè)備安全。

四、展望

節(jié)能減排是當(dāng)今社會(huì)倡導(dǎo)的主流，冷卻塔水輪機(jī)技術(shù)正是抓住這一主流，得到了眾多企業(yè)的重視。近年來(lái)冷卻塔水輪機(jī)驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)技術(shù)逐漸成熟，早期技術(shù)存在的許多缺陷在不斷地被克服中，對(duì)水輪機(jī)結(jié)構(gòu)的改造，如雙進(jìn)口式水輪機(jī)，驅(qū)動(dòng)油壓式水輪機(jī)等，都是為了能更好地在冷卻塔中工作，克服一般水輪機(jī)在冷卻塔中運(yùn)行存在的缺陷。而在智能技術(shù)高速發(fā)展的當(dāng)下，提高冷卻塔水輪機(jī)驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)的智能化將成為21世紀(jì)的冷卻塔主流。