双驱动冷却塔水轮机装置的研究

徐大荣，马志龙

(1．杭州大路装备有限公司，浙江 杭州 311234;

2．杭州水利水电勘测设计院有限公司，浙江 杭州 310006)

0 引言

在每个水冷却循环系统中，由于系统设计的原因，都存在可利用的余压能量。将水冷却循环系统中的余压进行利用是节能的重要措施之一。在冷却塔水循环系统中，利用水轮机将其余压转换成做功的能量，是水轮机近年来发展的新的应用领域，具有重要的经济利益［1］。

在国外，关于冷却塔水轮机的应用技术报道非常少。美国1965 年有份冷却塔水轮机技术专利出现，但相对现在的技术是非常落后的［1］。到目前为止，包括美国在内的其他欧美发达国家，均未见关于冷却塔水轮机应用技术和冷却塔改造的资料或文献。在国内，冷却塔水轮机技术由张飞狂［2］自2003年首次提出，经历10 多年的发展，已经形成了一定的规模产业。截至目前为止，国内已经有10 多家从事冷却塔水轮机改造和生产的企业;有西安理工大学［3］、河海大学［4］和华北水利水电大学［5］等高校的相关科研人员从事了冷却塔水轮机的理论研究和试验，获得了一定的研究成果。但是，所有的项目开发设计、理论研究和试验，都是针对循环系统的余压能量大于该系统风机所需能量的冷却塔。

本文所论述的是针对循环系统的余压能量小于该系统风机所需能量的冷却塔，提出一种有效利用余压能量的解决方案，即双驱动冷却塔水轮机。

1 研究的背景及目的

1．1 冷却塔水轮机技术的应用情况

工业冷却塔水轮机技术是2010 年国家重点节能技术推广项目，全国具有数目众多的冷却塔需要节能改造，市场潜力巨大。自从水轮机应用于冷却塔节能技术以来，已经过不断地发展和完善，使很多冷却塔利用水轮机进行了节能改造。对于系统余压能量大于系统风机所需能量的冷却塔，近几年技术已经相对成熟。现在已广泛应用的一种超低比转速冷却塔水轮机，和发电水轮机相比，有其独特的性能［6］。水轮－风机组独特的水头特性、过流特性、转速特性及工况自相似特性，与发电水轮机特性相差很大。早期也有几种其他的冷却塔水轮机技术，但在实际应用时，效率很低或自身存在很多问题而没有得到推广使用。

1．2 存在的问题

对于系统余压能量不能满足风机所需能量的冷却塔，这种直联的超低比转速混流式水轮机是不适合的。目前全国存在大量的冷却塔，不满足水轮机直联风机驱动的改造方式，有大量的冷却塔系统余压能量不能有效利用，这是非常可惜的。

1．3 研究的目的

为了真正做到节能，更加彻底、有效的利用冷却塔循环系统余压能量，研究一种双驱动冷却塔水轮机装置，能够对系统能量不能满足系统风机所需能量的冷却塔进行节能改造，使更多的具有余压能量的冷却塔可以进行节能改造。

2 双驱动冷却塔水轮机装置

顾名思义，双驱动就是由两种动力同时驱动。对于冷却塔风机的双驱动，就是电动机和水轮机。如果这两种动力能够简单的叠加，自由切换，对于系统余压能量不能满足风机所需能量的冷却塔，有效利用其余压能量的问题就可以很好的得到解决。假设某系统的余压能量有80 kW，系统风机所需的功率是100 kW。如果电动机输出功和水轮机输出功能够简单叠加的话，要使风机正常运转，则电动机只需要20 kW 就够了，可节省80 kW 的功率，经济效益是非常可观的。

要使水轮机和电动机同时驱动冷却塔风机，且两种动力能够简单叠加，没有内部损耗，必须从理论上解决下面几个问题:

(1)在整个装置中，水轮机、电动机、减速器和风机如何连接在一起才是最有效的，才能安全和可靠运行。(2)水轮机和电动机如何启动。(3)什么形式的水轮机能够满足双驱动的要求。是否必须开发一种新形式的水轮机，发电用常规水轮机是否可行。

2．1 双驱动冷却塔水轮机联接布置方式的研究

双驱动有主驱动和辅助驱动之分，显能水轮机驱动是辅助驱动。风机组的运行程序应该是这样，先是电动机联接减速器带动风机运行，再是水轮机启动到转速与电机相同时，通过离合器和电机联接。类似于常规水轮发电机组并网运行，并网后机组的频率不变。笔者曾经参与过石油化工行业某液力透平项目，使用液力透平技术，可以有效利用循环系统的富液余压能量［7］。具体的布置方式见图1。

图1 富胺液力透平机组示意图

上述循环装置的工作原理是:低压贫液→高压离心泵增压→高压化学反应装置→高压富液→液力透平做功推动离心泵→低压富液→进一步被利用

其中高压富液的压力和流量是变化的，电动机必须考虑在液力透平不做功的时候能满足高压离心泵满负荷运行的要求。实际运行时，当液力透平机启动联接到正在运行的电机－离心泵组后，逐渐增加富液流量以提高液力透平的输出功率。这时电动机的输入电流是逐渐减少的，说明电动机的输出功率同时在降低。

如果将液力透平改成水轮机，高压离心泵改成风机，水轮机、电动机和风机同时连接在一个主轴上，风机可由电动机单独驱动或和水轮机同时驱动风机，这就是冷却塔双驱动装置。只是介质不同而已。因风机转速低，需要在电动机与风机之间增加减速器，机组示意图如图2。

图2 双驱动水轮机机组示意图

其中电机是双伸轴形式，其工作原理和运行方式与液力透平是一样的，而且液力透平技术已经在很多石油化工项目中得到应用。

总之，采用图2 联接方式的双驱动冷却塔水轮机，是非常适合系统余压能量不能满足风机所需能量冷却塔的节能改造的。只要系统有多余的能量，就可以有效利用，而且不影响风机的正常运行。

2．2 水轮机形式的研究

2．2．1 比转速的确定

比转速是水轮机的综合性能指标，是选择水轮机形式的一个重要的参数［8］。

式中 ns——比转速;

N——功率;

n——转速;

H——利用水头。

由上述公式可知，对于给定的系统，其压力、流量参数在一定的范围变化较小，对比转速值影响较小，影响较大的是电动机转速。冷却塔电动机使用最多的是1500 r/min 和1000 r/min，电动机转速的选择主要是与风机转速、减速器的功率和速比有关。表1 是几个冷却塔循环水余压参数。

表1 冷却塔循环水余压参数表

由表1 可知，双驱动冷却塔水轮机比转速远远高于直联方案(冷却塔用超低比转速水轮机)，但却在常规发电水轮机比转速的范围内，发电水轮机比转速值范围见表2。

表2 发电用水轮机比转速范围表

由表2 可知，水轮机形式可以直接从发电水轮机中选用。从使用水头和比转速值的比较，水轮机可采用卧式轴流式和轴伸贯流式。对于发电水轮机技术，国内经过了几十年的发展，已经形成了适合不同水头、流量参数以及不同使用环境条件下的系列型号。目前，已经应用于电站的轴流式水轮机，其技术水平达到国际水平，水轮机模型最高效率超过了93%。贯流式水轮机因流道平顺，模型最高效率超过了94%。

2．3 水轮机结构和布置的研究

2．3．1 卧式轴流式

因冷却塔的实际条件不允许轴流式水轮机立式布置，卧式布置的轴流式水轮机因流道不能完全按照模型设计，其效率需要进行负修正［9］。根据发电水轮机设计经验，轴流式水轮机采用卧式布置，效率修正后可以达到90%左右。

2．3．2 轴伸贯流式

轴伸贯流式水轮机本来就是卧式布置的。由于主轴穿过整个尾水流道而使损失增加，效率降低，最高模型效率只有91%左右。

针对表1 的1#～3#号机系统，做水轮机技术方案如表3。

表3 1#～3#机系统冷却塔水轮机技术参数

2．3．3 水轮机结构方案的研究

根据水轮机技术方案，水轮机转轮的直径很小，和模型直径相当，属于微型水轮机。在结构设计时应该与发电水轮机结构设计有所不同，更加类似于泵的设计［10］。轴承采用滚珠式，而不是油轴承。没有活动导叶，控制相对简单。图3 和图4 是水轮机两种结构形式的初步设计方案。

图3 典型的卧式轴流结构图

图4 典型的轴伸贯流式结构图

3 实际运行

1#号机冷却塔循环系统是能源管理项目，已经成功改造。实际运行证明，水轮机－电动机双驱动风机方案是可行的，整个装置能够安全、稳定运行，机组启动平顺。但水轮机的实际效率并没有预想的高，经计算大概只有86%左右。分析主要原因，应该是水轮机没有活动导叶以及尾水管没有按照模型设计，造成转轮前和尾水弯管部位的水力损失加大，使水轮机效率降低。

4 结轮

(1)采用水轮机－电动双驱动装置，可以使大量的冷却塔循环水余压能量得到利用，所有的冷却塔都能进行节能改造，没有任何的限制，可以更加充分地节能，产生更多的经济效益。

(2)与水轮机直联风机方案相比，虽然增加了电机和减速器，增加了维护成本，但运行更加稳定，更加节能。

(3)本文是第一次论述水轮机－电动机双驱动装置在冷却塔节能改造项目中的应用，在实际实施过程中存在一定的问题，如水轮机的效率不理想，只有86%，但研究方向是非常正确的。在今后的工作中，需要着重对水轮机的流道进行研究，以开发出适合冷却塔实际情况的、高效率、性能优良的水轮机，以便更加有效地节能。

［1］李延频．工业冷却塔专用超低比转速混流式水轮机的特性研究［D］．西安:西安理工大学，2011．

［2］张飞狂．微型水轮机在冷却塔的应用［J］．工业水处理，2011，24(3):57 －59．

［3］李延频，王凯，等．冷却塔专用水轮机过流能力的近似计算［J］．西安理工大学学报，2011，27(1):79 －81．

［4］郑源，张丽敏，等．冷却塔中新型混流式水轮机设计［J］．排灌机械工程学报，2010，28(6):484 －487．

［5］陈德新，张文俊，阳莉．冷却塔风机驱动水轮机的工作特点与形式选择［J］．水力发电，2010，36(12):54 －56．

［6］李延频，南海鹏，陈德新．冷却塔专用水轮机组的调节特性研究［J］．水力发电学报，2011，30(3):187 －190．

［7］赵月刚，郝伟． 气体净化富液余压能量回收液力透平泵的应用［J］．石油和化工节能，2009(5):38 －40．

［8］季盛林，刘国柱．水轮机［M］．2 版．北京:水利电力出版社，1984．

［9］哈尔滨大电机研究所编． 水轮机设计手册［M］． 北京:机械工业出版社，1976．

［10］沈阳水泵研究所，中国农机化研究院编．叶片泵设计手册［M］．北京:机械工业出版社，1983．