水動能回收冷卻塔水輪機(jī)技術(shù)分析

1、國內(nèi)水動能回收冷卻塔技術(shù)分析現(xiàn)有冷卻塔一般是用電動機(jī)通過聯(lián)軸器、傳動軸、減速器來驅(qū)動冷卻塔的風(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，然后又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)冷卻水在熱交換設(shè)備和冷卻塔之間的循環(huán)是通過水泵來驅(qū)動的。在設(shè)計(jì)、制造、選型及使用中，因考慮可靠性等多種因素，使該系統(tǒng)的水泵有大量富余揚(yáng)程和流量，這主要表現(xiàn)在以下幾個方面，（1）每個循環(huán)水系統(tǒng)中的水量很難被精確的計(jì)算出來，工藝工程師計(jì)算系統(tǒng)水流量時，為了安全生產(chǎn)及各方面的因素考慮都會在滿足最大需求水量的基礎(chǔ)上加至少10%-20%的余量來確定水泵的流量，這樣整個系

2、統(tǒng)的水量一定是富裕的。（2）在整個循環(huán)水系統(tǒng)中，每段水管、彎頭都有一定的阻力，冷卻塔的位置高低、換熱部件的阻力及壓力要求都會在系統(tǒng)中產(chǎn)生阻力，這些阻力也不能很精確的計(jì)算出來，所以工藝工程師計(jì)算的阻力值只是一個大概的數(shù)據(jù)，根據(jù)這個數(shù)值在選型水泵的揚(yáng)程時，考慮更安全的滿足生產(chǎn)需求，就在克服所計(jì)算出的阻力數(shù)值的基礎(chǔ)上至少加10%-20%的余量來選型-整個循環(huán)系統(tǒng)中揚(yáng)程一定是富裕的。但這些能量過去在系統(tǒng)里都白白浪費(fèi)了。而我公司水輪機(jī)就是充分利用這些多余的能量推動從而帶動風(fēng)扇的轉(zhuǎn)動。水動風(fēng)機(jī)顧名思義就是以水力驅(qū)動風(fēng)機(jī)，而不是傳統(tǒng)的電力。在水動風(fēng)機(jī)冷卻塔中，是以水輪機(jī)取代電機(jī)作為風(fēng)機(jī)動力源。水輪機(jī)的工作動

3、力來自系統(tǒng)的富余流量和富余揚(yáng)程。改造后，水泵提供的熱水經(jīng)過水輪機(jī)并帶動其旋轉(zhuǎn)。水輪機(jī)的輸出軸直接與風(fēng)機(jī)相連，進(jìn)而帶動風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)。根據(jù)規(guī)范，泵類在設(shè)計(jì)時一般都留有備用的出力余量，配用的拖動電動機(jī)一般定位于最大工作能力情況下，而大量的生產(chǎn)場合由于功率需求始終處于變動狀態(tài)，普遍采用的是低效的進(jìn)、出口閥門調(diào)節(jié)方式與負(fù)荷的變化相適應(yīng)。即采用變閥調(diào)節(jié)的方式，也就是在輸送流體的管道上利用改變閥門的開度，來調(diào)節(jié)泵的流量。這種調(diào)節(jié)方法通常也稱為節(jié)流調(diào)節(jié)，它是利用改變管道系統(tǒng)阻力的辦法，變更管道阻力特性曲線，以便獲得適合用戶需要的工作點(diǎn)。但是關(guān)小閥門可以減少流量，而系統(tǒng)從電網(wǎng)吸收的能量并沒有減少，拖動電動機(jī)的軸輸出

4、動力基本沒有改變，有相當(dāng)一部分能量消耗在閥門上，雖然閥門的輸出達(dá)到了工況要求，但是能量的有效比例減少了，而損耗增加了。從理論上來講，在采用變閥調(diào)節(jié)時，泵的功率基本不變，泵的性能曲線基本不變，而管道阻力特性曲線發(fā)生變化，泵的性能曲線與新的管道阻力特性曲線的交點(diǎn)處就是新的工作點(diǎn)，如下圖所示。變閥調(diào)節(jié)方式下性能曲線不變、管道阻力特性曲線改變，工作點(diǎn)沿性能曲線移動。根據(jù)多方的觀測結(jié)果也證明，在采用節(jié)流閥控制流量時，不控制泵本身，泵的工作點(diǎn)會隨管道阻力變化而變化，泵的功率有時也會有相應(yīng)的變化，但在正常工作范圍內(nèi)變化不大。這種節(jié)流調(diào)節(jié)所帶來的 阻力損失占據(jù)了水泵富余揚(yáng)程的絕大部分，我們的目標(biāo)就是要把這部分

5、阻力損失變?yōu)樗啓C(jī)的動力來源，也就是合理利用水泵的富余揚(yáng)程！合理調(diào)整管道布局，減少沿程管路損失合理調(diào)整閥門開啟度，降低節(jié)流調(diào)節(jié)的管路阻力通過以上兩方面的工作，減少管路系統(tǒng)阻力，使這部分阻力變?yōu)橥苿铀啓C(jī)工作的動力根據(jù)水泵流量與揚(yáng)程的關(guān)系，我們可知泵的功率與Q-H圖上原點(diǎn)和Q-H曲線上工作點(diǎn)所確定的矩形面積成正比。詳見下圖：即；P=當(dāng)系統(tǒng)加上水輪機(jī)后，將進(jìn)塔閥逐漸打開直至系統(tǒng)流量到需要值。因水泵功率與流量成正相關(guān)系，流量變化時水泵功率才變化，流量不變化時水泵電機(jī)功率也不變化。具體原理說明圖如下：A.在無任何操作前水泵和系統(tǒng)阻力之間的的工作交點(diǎn)為（Q2,H2），點(diǎn)（Q1,H1）為水泵的額定點(diǎn)。此時

6、的富裕揚(yáng)程為H1-H2。B.在進(jìn)塔閥全開后系統(tǒng)阻力曲線由A 變化為 B，工作交點(diǎn)為（Q3,H3）,此時的富裕揚(yáng)程為H2-H3。C .更換為水輪機(jī)后系統(tǒng)阻力曲線由B 變化為 C，工作交點(diǎn)變化為（Q1,H1）。D.水輪機(jī)更換后進(jìn)塔閥門開大調(diào)節(jié)后，系統(tǒng)水量沒有變化或變化到水泵額定流量，因水泵功率與流量成正比關(guān)系，因此水輪機(jī)更換后水泵電機(jī)功率并沒有增加或甚至減小。二、社會效益以及推廣應(yīng)用前景分析節(jié)能：充分利用循環(huán)水泵所具有的余壓，節(jié)約電能。拆除了風(fēng)機(jī)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)了真正意義上的100%節(jié)能?？煽浚核畡语L(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)嚴(yán)謹(jǐn)，結(jié)構(gòu)合理，運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，可靠性高，從根本上杜絕了電機(jī)，電控和減速機(jī)漏電、漏油、燒毀和損壞的故障，

7、為安全持續(xù)運(yùn)行提供了保證；水輪機(jī)的重量小于取消的電機(jī)、減速機(jī)、傳動軸三者之和，從而使冷卻塔重心下移，增加運(yùn)行環(huán)境安全性。安全：可在任何需防爆的環(huán)境下安全運(yùn)行。經(jīng)濟(jì)：因取消了電機(jī)和減速機(jī)，從根本上解決了傳動軸及減速機(jī)損壞問題，從而大大減少日常管理和維修保養(yǎng)成本。冷效好：隨著季節(jié)變化，水動風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速隨循環(huán)水流量的增減而增減，風(fēng)量也隨之增減，使冷卻塔的汽水比穩(wěn)定在最佳狀態(tài)，達(dá)到最佳冷卻效果。環(huán)保：風(fēng)機(jī)電動機(jī)轉(zhuǎn)速較高因而引起的冷卻塔的噪音和震動也較高，采用水動風(fēng)機(jī)冷卻塔可有效解決這一問題。三、技術(shù)核心水輪機(jī)是把水流的能量轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)機(jī)械能的動力機(jī)械，它屬于流體機(jī)械中的透平機(jī)械。水輪機(jī)按工作原理可分為沖擊

8、式水輪機(jī)和反擊式水輪機(jī)兩大類。沖擊式水輪機(jī)的轉(zhuǎn)輪受到水流的沖擊而旋轉(zhuǎn)，工作過程中水流的壓力不變，主要是動能的轉(zhuǎn)換；例如，南京星飛公司目前在市場上大量推廣的雙擊式水輪機(jī)就是沖擊式水輪機(jī)，由于該類型的水輪機(jī)只能利用水的動能，因此，對系統(tǒng)的能源利用效率不高，很多能源就白白浪費(fèi)了。反擊式水輪機(jī)的轉(zhuǎn)輪在水中受到水流的反作用力而旋轉(zhuǎn)，工作過程中水流的壓力能和動能均有改變，但主要是壓力能的轉(zhuǎn)換。目前，在市場中所使用的反擊型各式水輪機(jī)，是為水力機(jī)械配套使用的，其最小功率都在幾百千瓦以上，完全不符合冷卻塔風(fēng)機(jī)的工礦要求（冷卻塔風(fēng)機(jī)最大才一百多千瓦），不僅只能在其特定的水頭和流量范圍內(nèi)使用，而且只能在最優(yōu)工況下才

9、能達(dá)到較高的效率，從而嚴(yán)重制約了水能資源的開發(fā)利用進(jìn)程，甚至對有些水能資源根本無法開發(fā)。本公司獨(dú)家持有的水動能冷卻塔改造技術(shù)的核心是我公司根據(jù)冷卻塔熱力特性和循環(huán)系統(tǒng)的水力特性研發(fā)的冷卻塔用反擊式水輪機(jī)（專利號:200720032097.X）和水動能回收冷卻塔（專利號:200720032197.2），這是冷卻塔專用水輪機(jī)的第二代產(chǎn)品。該水輪機(jī)的水能利用率高，其葉輪效率可達(dá)92%以上，是專利發(fā)明人李大應(yīng)博士專門為冷卻塔設(shè)計(jì)的，經(jīng)過多年研究，做了無數(shù)次試驗(yàn)后研制成功的，該水輪機(jī)充分利用了循環(huán)水系統(tǒng)的水的動能和壓能，達(dá)到了能源利用的最大化，從而對低能量富余的冷卻塔系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)改造而達(dá)到節(jié)能的目的。圖1、

10、2、3為水動能回收冷卻塔結(jié)構(gòu)示意圖。四、研發(fā)歷程冷卻塔和水輪機(jī)都是傳統(tǒng)的工業(yè)產(chǎn)品，分別屬于不同的工業(yè)領(lǐng)域，過去在使用上很少有交叉。水輪機(jī)是把水流的能量轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)機(jī)械能的動力機(jī)械，它屬于流體機(jī)械中的透平機(jī)械。水輪機(jī)按工作原理可分為沖擊式水輪機(jī)和反擊式水輪機(jī)兩大類。沖擊式水輪機(jī)的轉(zhuǎn)輪受到水流的沖擊而旋轉(zhuǎn)，工作過程中水流的壓力不變，主要是動能的轉(zhuǎn)換；反擊式水輪機(jī)的轉(zhuǎn)輪在水中受到水流的反作用力而旋轉(zhuǎn)，工作過程中水流的壓力能和動能均有改變，但主要是壓力能的轉(zhuǎn)換。反擊式水輪機(jī)的效率要高于沖擊式。目前，在生產(chǎn)中所使用的各式水輪機(jī)，由于過去主要各種自然水域中作為水力機(jī)械使用，其工況要求是輸出功率大，使用水頭及

11、流量比較穩(wěn)定，對輸出功率的穩(wěn)定性要求不高，輸出功率和使用負(fù)載之間的比例較低，對效率轉(zhuǎn)換高低不敏感，因此傳統(tǒng)的水輪機(jī)不僅只能在其特定的水頭和流量范圍內(nèi)使用，而且只能在最優(yōu)工況下才能達(dá)到較高的效率。更為關(guān)鍵的是市場上很難找到一臺符合冷卻塔工藝使用要求的小功率、高效率的微型水輪機(jī)（冷卻塔風(fēng)機(jī)功率最大只有一百多千瓦，而水力機(jī)械最小也有幾百千瓦）由于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜而又龐大，設(shè)備的制造、運(yùn)輸?shù)扔泻艽蟮碾y度，從而嚴(yán)重制約了水能資源的開發(fā)利用進(jìn)程，甚至對有些水能資源根本無法開發(fā)。本專利的專利發(fā)明人之一李大應(yīng)先生是中國科技大學(xué)畢業(yè)的博士研究生，其在做課題研究的過程中發(fā)現(xiàn)了這一市場需求，隨即聯(lián)合了西北工業(yè)大學(xué)、合肥工

12、業(yè)大學(xué)、河海大學(xué)等院校機(jī)械專業(yè)、熱學(xué)專業(yè)、流體力學(xué)專業(yè)、空氣動力專業(yè)的專家、學(xué)者展開了跨領(lǐng)域的合作、研究開發(fā)，他們首先選取水輪機(jī)中最關(guān)鍵的部件葉輪利用從美國引進(jìn)的CFD軟件進(jìn)行流體模擬分析，在獲取了最佳理論數(shù)據(jù)后再開模生產(chǎn)到實(shí)踐中檢驗(yàn)，經(jīng)過不斷修正參數(shù)，其間歷經(jīng)了數(shù)十次反復(fù)，僅葉輪一項(xiàng)的模具費(fèi)用就高達(dá)百萬，經(jīng)過廣大專家、學(xué)者的不懈努力，公司歷經(jīng)三年才終于研制了符合冷卻塔需求的專用微型水輪機(jī)，該系列水輪機(jī)應(yīng)用廣泛，型號齊全，涵蓋了小時處理水量從200噸到6000噸的各種型號冷卻塔，能量轉(zhuǎn)換效率可達(dá)85%以上，其中，我公司最新研究的新型號其最高轉(zhuǎn)換效率已達(dá)92%，可以對目前在生產(chǎn)上運(yùn)用的90%以上冷卻塔進(jìn)行節(jié)能改造，改造后達(dá)到100%節(jié)能的效果。五、知識產(chǎn)權(quán)我們擁有