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西华大学硕士学位论文 水能回收装置的研发及其流场数值模拟 流体机械及工程专业 研究生方玉建指导老师赖喜德 能源节约与资源综合利用是我国经济和社会发展的一项长远战略方 针。冷却塔是冶金、石油、化工、制盐、电力、纺织等领域中广泛使用的 一种水循环冷却换热设备，其耗能相当大，节约能源和充分利用资源是这 些行业共同关心的问题。本研究针对这类工程实际需要，以某化工厂的冷 却塔节能改造为研究对象，分析了当前冷却塔中存在的主要闯题，利用叶 片式流体机械原理，研究开发出一种结构简单、高效的水能回收装置。利 用该水能回收装置可以充分回收循环冷却水剩余水力能量，取代传统风机 的电机驱动方式。采用该水能回收装置对现有这类冷却塔进行改造，不仅 可以大大地节能降耗，而且能带来节水、降低环境噪声、生产维修和维护 费用等各方面的效益。本课题是针对四川某化工厂1 5 0 0 t b 规格冷却塔实际 改造工程项目而进行研究开发的。 在研究开发过程中，不仅要求水能回收装置能高效率地转换剩余水力 能量。又要尽可能使装置的结构简单、运行可靠和制造工艺性好，并最大 限度地降低成本。本课题根据冷却塔的运行要求和循环冷却水回路的具体 情况，对水能回收装置过流部件进行水力设计。由于引水部件对装置的结 构和成本影响很大，同时也影响所开发的水能回收装置的水力效率，所以 对引水部件进行了多方案设计。该水能回收装置实属一种叶片式流体机械， 在叶片式流体机械的传统研究开发过程中，通常应该采用模型试验方法来 优选过流部件设计方案。为了缩短研制周期，降低研制成本，在本研究中 采用基于性能预测的现代水力设计方法的思想。经过研究分析，在引水部 件结构上可以采用圆形断面蜗壳( 方案i ) 和方形断面蜗壳( 方案i i ) ，方 案i i 在结构和制造工艺性方面比方案i 有优势，但是对于水力性能谁具有 优势及与叶轮的匹配性还不是太清楚在对水能回收装置过流部件两个方 西华大学硕士学位论文 案的初步水力设计基础上，对其弓i 水部件的内部复杂的紊流流场进行粘性 流动的数值模拟，在粘性流动的数值模拟的基础上进行性能预测取代传统 的模型试验通过对两个方案的引水部件的粘性流动的数值模拟，深入了 解流场的压力分布、速度分布、迹线、流量、环量和水力损失等，从流场 的分布合理性和能量转换总体性能参数的对比分析结果，可以优选设计方 案。对两个方案的引水部件的粘性流动的数值模拟结果进行了全面的比分 析，基本得出以下结论： 1 ) 两个方案的引水部件的蜗壳中内的流动基本满足7 - 7 。船r 。 2 )两个方案在流量上均能符合设计要求，且分布在宏观上大致相同， 在随导叶高度方向上，方案i 较均匀。方案i 的第一个断面的环量 比方案大7 左右，蜗壳出口环面环置分布比方案i i 较均匀。 3 )对4 个特殊断面的速度矢量的轴面分量方向分析发现，方案i 和方 案n 均是上下对称的，但是方案i i 中速度的该方向分量当巾达到一 定的值时，其分布呈现一定的涡旋性。所以，设计方形断面的形状 时要合理控制截面宽高比，以提高其水力性能。 4 1在流场结构上，圆形断面蜗壳的压力、速度和迹线以及流量和环量 分布较方形断面的蜗壳分布合理。尤其从迹线图中清楚地显示了两 种方案的水流运动的不同特点。 基于数值模拟结果分析，在研究开发中采用了方案i 的设计方法，大 大地缩短了产品开发周期并且降低开发成本。 采用本文研究开发思想已研制出了水能回收装置( 型号：s n 3 0 0 ) 样机， 并将安装在川西北某化工厂。投入运行后，每年每台水能回收装置将为该 化工厂节省电费3 0 万元。本文所述的研究开发方法可以进一步推广到其他 流体机械的研究开发过程中。 关键词：水能回收装置，引水部件，蜗壳，流场数值模拟，c f d 西华大学硕士学位论文 t h er & do f w a t e r p o w e rr e c y c l ee q u i p m e n t a n d i n s i d ef l o wn u m e r i c a ls i m u l a t i o n m a j o r ：f l u i dm a c h i n e r ya n de n g i n e e r i n g m d c a n d i d a t e f a n g y u j i a nt u t o r s ：l a ix i d e e n e r g ys a v i n ga n dm u l t i p l eu s eo fr e s o u r c ei sal o n g - t e r ms t r a t e g i cp o l i c y f o rt h ed e v e l o p m e n to fo u rc o u n t r y s e c o n o m ya n ds o c i e t y i n o r d e rt os a v e w a t e r , c o o l i n gt o w e r ( c d ，w h i c hi s u s e dt o c o o l i n g t h eh o tw a t e rf r o m m a n u f a c t u r i n gp r o c e s sa n dt h e nm a k e t h ew a t e rr e u s a b l e ，i sw i d e l ya p p l i e di n i n d u s t r i e ss u c ha s m e t a l l u r g y , p e t r o l e u m ，c h e m i c a l ，s a l tm a k i n g ，p o w e ra n d f a b r i c ，b u ti t se n e r g yc o n s u m p t i o ni st o ol a r g ea tp r e s e n t h o wt os a v ee n e r g y a n dm a k et h eb e s to fl i m i t e dr e s o u r c ei sm o s tc o n c e r n e di nc o m m o na m o n g t h e s eu s e r s ，s oi ti sf o rt h e s ep r a c t i c a le n g i n e e r i n gn e e d ，c t sc u r r e n t l ym a i n p r o b l e m sa n d i t s s u i t a b l er e c o n s t r u c t i o nm e t h o dw e r ea n a l y z e di nt h i sr e s e a r c h t a k i n g o n ec tr e c o n s t r u c t i o np r o j e c to fo n ec h e m i c a lf a c t o r ya so b j e c t ，as i m p l e a n de f f i c i e n tw a t e r p o w e rr e c y c l ee q u i p m e n t ，w h i c hc o n v e r t st h es u r p l u se n e r g y h e a do fc i r c u l a t i n gw a t e ri n t om e c h a n i c a le n e r g yt od r i v et h ef a n st h a tw a s f o r m e r l yd r i v e nb yae l e c t r i cm o t o r , w a sr e s e a r c h e da n dd e v e l o p e db a s e do n v a n ef l u i dm a c h i n e r yt h e o r y i ft h i sd e v i c ei s a d o p t e di n c t sr e c o n s t r u c t i o n p r o j e c t ，n o to n l yt h ee n e r g y c a nb eo b v i o u s l ys a v e d ，b u ta l s ot h eu s e rc a no b t a i n s u c hb e n e f i ta s s a v i n gw a t e r , c u t t i n gd o w nt h en o i s ea n dt h ee x p e n d i t u r eo f r e p a i ra n dm a i n t e n a n c e s u c had e v i c ed e s i g n e di nt h i sp a p e rs u i t sf o rt h ec t w i t ha c a p a c i t y o f1 5 0 0t o n p e r h o u rf o rac h e m i c a l f a c t o r y i ns i c h u a n p r o v i n c e i i i ， 西华大学硕士学位论文 d u r i n g t h e p r o c e s s o fr & d ，t h e r ea r et w om a i nc o n c e r n s f i r s ti t s e f f i c i e n c y f o r e n e r g y c o n v e r s i o ns h o u l db ee n h a n c e d b e s i d e s ，i t ss t r u c t u r e s h o u l db e 舔s i m p l ea sp o s s i b l e a n di t sw o r kl i a b i l i t ya n de a s yt om a n u f a c t u r e s h o u l da l s ob ee n s u r e di no r d e rt oc u td o w nc o s t t h eh y d r a u l i cd e s i g nf o ri t s m a i n c o m p o n e n t s w a sm a d ei nt h i s p a p e ra c c o r d i n g t oc t s r u n n i n g r e q u i r e m e n t s b e c a u s et h ei n d u e e r sc o m p o n e n t sc a na f f e c tn o to n l yi t ss t r u c t u r e a n dc o s t , b u ta l s oi t sh y d r a u l i ce f f i c i e n c y , t w os c h e m e sw e r ep r o p o s e da tt h e i n i t i a ld e s i g nf o rs p i r a l c a s i n g ；a f t e r w a r d sa3 一d i m e n t i o n a lv i s c o u sn u m e r i c a l s i m u l a t i o no ft h ec o m p l e xt u r b u l e n tf l o wf i e l di nt h ei n d u c e rc o m p o n e n t sw a s c a r r i e do u tw i t hc f d t e c h n i q u e ac o m p a r a t i v e l y f u l la n a l y s i sa n dp e r f o r m a n c e w a sm a d et or e a l i z eo p t i m i z a t i o nq u i c k l ya n de f f e c t i v e l ya n ds h o r t e np r o d u c t s d e v e l o pp e r i o da n d c u td o w nc o s t w i t ht h ev i s u a la n a l y s i so ft h ef l o wf i e l d ，i ti s s h o w nt h a tt h eh y d r a u l i cp e r f o r m a n c eo fc i r c u l a rs p i r a lc a s i n gi ss u p e r i o rt ot h e o u ew i t hr e c t a n g u l a ro n eo nm a n y a s p e c t s s oc i r c u l a rs p i r a lc a s i n gw a sa d o p t e d i nt h e d e s i g n t h i se q u i p m e n th a sb e e na l r e a d yi n s t a l l e da tap e t r o l e u m c h e m i c a lf a c t o r y i ns i c h u a np r o v i n c e a n df e e d b a c ks h o w st h a ti tw o r k sq u i t ew e l la n dc a ns a v e ￥3 0 0 。0 0 0f o rt h eu s e re a c hy e a r a l s ot h em e t h o da d d r e s s e di nt h i sp a p e r c a nb e f u r t h e ru s e di nt h er d p r o c e s so f o t h e rf l u i dm a c h i n e r y k e yw o r d s ：w a t e r p o w e rr e c y c l ee q u i p m e n t ，i n d u c e r sc o m p o n e n t s ， s p i r a lc a s i n g , n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，c f d i v 西华大学硕士学位论文 第一章引言 1 1 课题的背景及来源 冷却塔是冶金、石油、化工、制盐、电力、纺织等工业生产部门中广泛 使用的一种水循环冷却换热设备，近年来，其应用范围又拓展到了其他领域， 如大楼的中央空调系统。 随着我国国民经济的发展，由于工业用水量逐年增加，所以冷却塔的需 求量也在不断增加。据有关资料统计，2 0 0 1 年我国工业鬻水量为1 0 6 7 亿m ， 到2 0 1 0 年，工业需水量将达到1 5 6 01 1 7 1 3 。由于水的优良的热力性能，在工业 生产中，水被广泛作为冷却介质，所以7 0 8 0 工业用水为冷却用水，其 中7 8 8 0 为间接冷却，这部分水由于没有受到污染，可以采用冷却塔降 温实现循环利用。当前我国工业用水的循环利用率低，2 0 0 1 年水的综合重复 利用率仅为5 6 ，国家规定在2 0 1 0 年要求该项指标达到6 7 。即使这样， 我们于发达国家差距仍然是很大的，如美国的工业用水的循环重复利用率已 经达到9 2 9 5 【“。我国是世界贫水国，人均平均拥有量仅列倒数第4 位。 所以，提高工业用水的重复利用率，加强高性能、节能、环保冷却塔装置的 研究和开发是非常紧迫的。 目前，我国已建的冷却塔数量非常之大。据某资料介绍：我国工业生产 部门大型冷却塔就达3 8 0 0 座，塔顶风机容量达2 5 1 0 s k w ，年耗电量4 5 亿千瓦时【2 1 。部分已建的冷却塔由于设计年代比较早，设计标准低，存在许 多诸如热力性能较差、结构稳定性差、振动严重等突出的问题。因此，及时 吸收社会经济技术水平发展的优秀成果，加强对已建冷却塔的节能改造和研 究，提高冷却塔的冷效，降低装置能耗，一样是刻不容缓的。 老塔改造与新建冷却塔相比，具有投资少、收效快等显著特点，其冷效 可与新塔比美【3 】。开展这方面的研究开发工作不仅具有经济效益，而且具有 较大的社会和技术效益。四川某化工厂在进行该厂节能挖潜工作时，发现循 环冷却水除了冷却喷淋所需要的压力外，仍然剩余很大的水力能量。过剩的 水压力不仅造成能源浪费，还造成了严重的溅水问题，失水现象严重。因此， 西毕大学硕士学位论文 该厂委托我们研究开发出一套实用的水能回收装置用以回收这部分水能并 取代风扇电机达到节能目的，我们在分析了该厂的实际情况之后，确定利用 叶片式水力机械原理设计一套水能回收装置对这部分能量进行回收，配合该 厂的冷却塔改造工作。循环冷却水进塔水头偏高现象在钢筋混泥土机力通风 冷却塔中比较普遍，是具有一定菇性的问题，因此，这项研究具有较大的实 际工程价值。通过回收这部分水能，效益比较可观。如本课题组为某化工厂 开发了一套功率5 5 k w 的水能回收装置，取代了原有的电机。按每度电0 6 元计算，每套装置每年可以为该企业节约电费约为3 0 万元人民币1 4 1 。 1 2 本课题的研究目的和意义 1 2 1 本课题的研究目的 为了满足石油、化工、电力等行业节能的迫切需要，利用叶片式水力机 械的原理，研究开发出一套结构简单、高效、可靠的水能回收装嚣。为了缩 短产品开发周期和降低开发成本。对其引水部件内部紊流场采用c f d 技术 进行数值模拟，及进行性能预测，快速有效的优化水能回收装置的过流部件 的方案。 1 2 2 本课题的研究意义 水能回收装置是适应冷却塔改造工程项目一种新型的环保节能产品，具 有如下优点： ( 1 ) 节能 它利用循环冷却水所具有的多余能量，取代风扇电机，完全节省了风扇 电机的运行电耗。我国冷却塔数量很大，存在问题又多，所以根据实际情况 对部分冷却塔采用该装置配合以其他方式进行改造其社会、经济和环保效 益一样不容忽视。 ( 2 ) 低噪音 采用该装簧，取消了电机，能够降低冷却塔的噪音水平。冷却塔嗓音主 要有溅水噪音、风扇噪音、电机噪音和壳体振动辐射噪音四种类型。冷却塔 的噪声是个棘手的问题，通常是采取遮、拦、挡、罩等办法进行处理，试图 阻挡噪音的传播，但都很难收到令人满意的效果，而且还对冷却塔造成阻风 西华大学硕士学位论文 影响了冷却效果【7 l - 要解决这个问题，还应该从根本入手。循环水的剩余剩 余压力造成的水滴飞溅和风扇电机是两个主要噪音源。采用水能回收装置取 代了风扇电机，一方面消除了电机这一严重的噪声源：另外一方面改善了水 流条件，降低了水滴飞溅和飞溅造成的噪音。 ( 3 ) 高效、使用寿命长 冷却塔的冷效与气水比直接相关，采用该装置可以根据循环水量的变化 调整通风置的变化，从而保证个稳定的气水比，获得稳定的冷却效果。由 于根据水轮机原理进行设计，装置结构简单，运行平稳可靠，所以在维护和 检修方面，操作方便，只需对轴承进行定期维护和标准机械密封进行定期更 换，维修费用低。 ( 4 ) 安全 冷却塔电机有漏电伤人、火花爆炸的潜在危险，水轮机不用电且重量轻， 安装维修方便安全，而且可以在高危防爆场合使用。 ( 5 ) 适用 它适用于圆形、方形、矩形等形状的逆流、横流和斜流型的各种规格的 冷却塔。尤其在大型冷却塔的改造中，越能体现其经济效益。 我国的电力供需矛盾非常突出，2 0 0 4 年全国用电需求量的在不断增加， 缺电省市达到2 3 个，能源供应( 如煤电油运) 全面紧张的局势。各地政府 在加强节电意识的宣传工作的同时，采取了错峰、避峰、限电、拉闸、拉大 峰谷差价等节电措施，比如在实行峰谷电价方面，报道说上海市企业高峰时 段的超计划用电将加倍收费，最高可达5 倍，表现突出i3 1 。所以，在当前的 形势和国家政策的条件下，对该产品进行开发不仅可以为企业创造经济效 益，而且它作为一个新型的节能环保产品，具有一定的社会效益和环境效益， 值得推广。 另外，水能回收装置是一类流体动力装置，从流体机械的研究开发方法 来看，传统方法要通过模型试验。在装置的研发过程中，为了缩短产品开发 周期和降低开发成本，采用流场数值模拟技术，可以快速有效的优化过流部 件方案，为该装置的安全、稳定、高效运行提供技术保证。本研究中的一些 方法和经验值得可以进一步推广到相关流体机械的研究开发过程中。 西华大学硕士学位论文 在过去，为了正确进行流体机械过流部件的水力设计，必须采用理论计 算和试验相结合的方法：一般先根据已有理论进行初步设计，往往需要准备 好几个方案，然后进行试验得出产品的各项性能指标，对比进行淘汰，在新 的基础上进行改进，最终设计出性能优良的产品【5 1 。这种传统的设计方式试 验工作量大，产品开发周期长，费用离，适合于中、大型项目建设的需要。 进入上世纪8 0 年代，由于计算机和算法发展，c f d 技术逐步走向成熟，并 不断在工程领域得到应用，这一局面得到了改观。流体机械设计的工作者们 不必再完全依靠试验来完善设计了，可以在完成初步水力设计后利用c f d 技术进行流场的各种参数的计算，进行分析，改迸方案设计。然后根据工程 的重要性程度配以试验，检验设计产品的性能参数。经验表明该方法非常有 效，它明显地降低了流体机械的开发成本和开发周期，所以得到了广泛的应 用【6 “钔。 水能回收装置是基于叶片式流体机械原理开发出来的一种流体动力装 置。其具体结构与水轮机和泵都有差别，因此在装置的开发过程中。采用现 代的计算机辅助设计和计算分析与传统设计相结合的方法，取消试验环节， 根据数值模拟进行设计方案优化是可行的，充分利用了c f d 技术的优点， 节约开发成本，使开发的产品能够尽快的投入到工程中创造效益，具有非常 实际的经济意义。 1 3 国内外研究现状及发展 1 3 1 冷却塔组成 如前所述，冷却塔是水循环当中的换热冷却 设备。它有湿式、干式之分。湿式冷却塔中水 和空气直接接触，它利用了水的蒸发潜热，冷 效好；但水质容易受到污染。干式冷却塔中， 水和空气通过管壁进行换热，水质不易污染， 但冷效差。从通气角度区分，有采用自然通风 的大型风筒式冷却塔主要用于电厂和大型化 工企业。还有采用机械通风的机力通风冷却塔， f i g u r e 1 - 1s c h e m a t i co f c o o l i n g t o w e rs t m c t u r e 图1 - 1 冷却塔结构简图 4 西华大学硕士学位论文 它在工业中获得了广泛的应用，其结构如右图1 - 1 所示。 传统的机力通风冷却塔一般由配水装置、填料、通风机、进风窗、收水 器及水池等部件组成。按照空气和水流的方向不同，有逆流、横流和斜流等 之分。冷却塔的规格根据单位小时处理冷却水的能力进行区分确定，大型和 中、小型冷却塔是以单位小时水处理量1 0 0 0 t h 为界限进行划分的。各种不同 型号机力通风冷却塔所匹配的电机也是不相同，见下表： 表格卜i 机力通风冷却塔部分规格及风机功率匹配】 t a b l e1 - 1s p e c i f i c a t i o no fc o o l i n gt o w e ra n di t sf a n sm a t c h i n gp o w e r f l i 规 格( 咖) 2 0 03 0 04 0 05 0 06 0 07 5 01 0 0 02 0 0 04 0 0 0 s 0 0 。l i 风机功串( k w ) 7 51 l】51 8 j2 23 04 08 01 6 0。：。i 1 3 2 冷却塔存在的问题及节能改造方法 当前改造中遇到的已建机力通风冷却塔存在的问题有： ( 1 ) 冷效差 ( 2 ) 耗电多 ( 3 ) 噪音污染严重 ( 4 ) 循环水泵选型不当 ( 5 ) 漂水问题 ( 6 ) 水滴飞溅、失水量大 其中循环水泵选型不当问题相当严重，在上海市给水管理处在对冷却塔 循环水泵的选型是否恰当的调查测试中发现，现役水泵普遍存在着“选型不 当、富余量大”的问题，主要原因是，设计单位未按生产工艺和技术要求选 择泵的性能参数或未经精确计算而选用了富余量的水泵。 这些问题是怎么造成的? 如何解决问题? 当前，在老塔改造方面主要从 填料、布水系统、风机和电机方面着手，已经提出的改造措施主要有： ( 1 ) 改善布水方式，如采用旋转式布水、喷嘴布水，这两种方式所需的供 水压力均比较低，在0 0 4 5 0 0 5 m p a 左右。 ( 2 ) 采用高性能新型风机。目前，在风机的设计和制造水平上均有了很大 的提高，风机效率有所提高。满足噪音要求还研制出了低噪音轴流风 西华大学硕士学位论文 机。 ( 3 ) 改善塔内气流结构。冷却塔气流组织的不合理，一方面增加了塔的阻 力，增加了风机负荷和电耗，另外一方面往往造成不合理的噪音问题。 ( 4 ) 改进填料和填料结构。随着材料科学的发展，出现了许多新型材料， 如u p v c 等塑料材料。填料的结构也由单一交得丰富，有斜交错、折 波和复合波形等各种样式。 ( 5 ) 增加冷却塔的自控调节功能，出现了热控式冷却塔，实时根据循环水 的温度调整风机的运行适应常年不断变化的冷却负荷。 纵观当前冷却塔的改造措施，可以发现循环水泵选型不当和循环冷却水 的富余压力大的问题没有引起足够的重视。对于已建循环水系统，更换水泵 一方面需要增加大量的投资，而且改造工程量相应增加，所以并不是一个上 上之策。那么是否还存在另外一种方法昵? 采用水能回收装置就可以解决此 问题，它的优势表现在高效回收了循环冷却水的剩余压力驱动风机取代了风 机电机实现节能，同时提高水泵的工作效率。 1 3 3 水能回收装置的研究现状与发展 在国内外，主要侧重于采用电机的变频调速控制和低噪音电机产品的开 发。在无电机水轮机冷却塔或称之为水能回收装置是近年来出现的，所做的 研究开发工作相对较少。 在国内，冷却塔上利用循环水的能量有如下几种方式： ( 1 ) 旋转喷雾式布水器 它采用一种特殊研制的广角喷淋喷嘴，循环水流过喷嘴成雾状喷出，水 滴直径达到o 5 m m 1 o m m ，比一般冷却塔淋水装置小3 5 倍。由于水滴直 径小，增加了气水接触面积和接触时间。大大提高了冷却效果。该方法冷却 效果稳定、电耗低、漂水损失小、使用寿命长等优点，同时它可以取消填料， 降低设备造价。此外它有喷头设备一次性投入高、定期检查和维护麻烦，所 以比较适合新型塔型的开发。北京科亚达新技术开发公司研制的喷雾推进冷 却塔、江苏武进市武南玻璃钢厂与机械部第四研究院联合开发的w n l 喷雾通 风玻璃钢冷却塔、上海浦江环保设备厂开发的绿色环保冷却塔等均属于这种 类型。 西毕大学硕士学位论文 ( 2 ) 喷射型冷却塔 如右图所示，泵将循环热水泵送至喷嘴，热 水经喷嘴向上喷淋，喷出的热水与空气形成水一 气混合物，以一定速度进入扩散器。在扩散过程 中水一气混合的动能转换成压力能，使扩散器出 口处空气压力大于外部气体而将空气排出、扩散 器喉部之前端空气压力小于外部气体而将空气吸 入，形成空气流路。该方式水与空气二次接触， 冷却效果比较好，可以取消填料：由于取消了风扇和其电机，但增加了喷射 所需动力，设计合理的情况下可以节省电能：噪音低，仅为5 5 d b ( a ) 左右： 维护费用低而且方便。但是，应用范围集中在民用空调方面。由于其需要对 塔的结构进行改造，不适合于老塔改造。上海良机冷却设备有限公司开发的 l f c 型无风机冷却塔就属于该类型。 ( 3 ) 冷却塔专用水轮机1 3 , 1 2 】 f i g u r e 1 - 3t u r b i n e s p e c i a ld e s i g n e d f o r c o o l i n g t o w e r 图1 3 冷却塔专用水轮机 f i g u r e1 - 4c o o l i n gt o w e r w i t hf a nd r i v e nb y t u r b i n e 圈1 4 水轮机驱动风机冷却塔 图1 3 为上海飞狂设备公司开发的冷却塔专用水轮机，将它应用在了冷 却塔节能改造上，见图1 4 。该方法具有节能、低噪音、高效和使用寿命长、 安全、适用范围广等优点，尤其是该设备除轴承以外的主要部件可以改用塑 料玻璃钢制作，能够适应防腐要求非常严格的情况。改造情况表明，该方法 改造工程量小，节水节电效果明显，颇受欢迎。但是当前其应用主要集中在 小型的冷却塔改造项目上，设计产品的最大出力为1 8 5 k w 。查表1 ，对应 蒙 蔓世m2 一 星卧 西华大学硕士学位论文 的冷却塔规格为5 0 0 t h 。所以，它的应用范围偏小，需要对产品进行完善改 进，以适应更广泛的老塔改造要求。 1 3 4 流场数值模拟在流体机械类产品研发中的应用 各种流体机械的设计必须其功能要求和流动规律。只有这样才能获得b e 较优良的性能。以往依靠试验或模型试验对产品的水力性能进行检验。目前， 全三维粘性流动分析技术趋于成熟，在水力设计中的应用最新c f d 技术使我 们能够精确地分析和了解流体机械的内部水流结构，从而对流体机械各个过 流部件几何尺寸进行优化，提高流体机械的各项性能。有资料显示：在正负 1 5 负荷范围内，最大效率预估误差达1 2 5 ；在正负1 0 负荷范围内， 最大效率误差为0 9 1 6 】。由于c f d 分析和性能预测技术的应用大大提高了流 体机械水力设计的可靠性，水力设计和模型试验已不再采用多方案比较和优 选，而以计算机数值试验进行，从而大大缩短了流体机械的开发周期，提高 了流体机械流体动力设计的质量和技术含量。 v g s ( v o i t h - - g e s i e m e n s ) = 蛱联含体采用当今世界上最先进的水轮 f i g u r e1 - 5d e v e l o p m e n tp r o c e d u r e f o rt u r b i n ed e s i g no ft h r e e g o r g ep r o j e c ta d o p t e d b yv g $ c o m m u i t y 图1 5v g s 三峡联合体水轮机设计开发流程 西华大学硕士学位论文 机水力设计技术和计算流体动力分析( c f d ) 技术对三峡水轮机进行了精心的 水力优化设计。三峡水轮机最终水力设计经模型验收试验表明，三峡水轮机 模型最优效率达9 5 2 6 ，加权平均效率达9 2 8 7 。在整个运行区域，转 轮内无空化，其各项水力性能达到了目前世界上混流式水轮机的最高水平。 图5 所示为v g s = 峡联合体水轮机设计开发流程删。 加拿大某公司采用c f d 技术对魁北克8 0 年代初投入运行的运行效率低 下的几个水电站水轮机进行了包括蜗壳、导水机构、转轮和尾水管内部流动 的研究，对利用传统工艺制造的1 2 套水轮机设计和制造方面的不恰当之处 进行查找，找到了问题的根源所在，然后同样利用c f d 技术进行了低成本的 改型设计，提高了水轮机的效率1 1 3 j 。 1 4 本文的主要工作 针对当前冷却塔的存在问题和改造措施分析发现，循环水泵选型不当和 循环冷却水的富余压力大的是一个比较严重的问题，在改造方面没有引起足 够的重视。对于已建循环水系统，如果更换水泵虽然可以节省运行费用，但 是需要增加大量一次性投资，而且改造工程量相应增加，所以令许多用户望 而却步。无电机冷却塔的出现指明了利用循环水剩余能量实现节能不仅实现 节能降耗，而且改造工程量小。该方法非常实用，但是产品应用范围偏窄， 只停留在小型冷却塔改造项目的应用上。 本课题针对实际工程项目改造需要，对四川i 某化工厂1 5 0 0 t h 规格大型 冷却塔改造项目需要设计出了一套水能回收装置，不仅高效回收利用了循环 冷却水的剩余压力驱动风机取代了风机电机实现节能，同时提高了循环水泵 的工作效率，能够产生节水、节电、降低噪声、降低生产维修和维护费用等 各方面的效益。 在研究开发过程中，力求所研究开发的水能回收装置能高效率地转换剩 余水力能量，又要尽可能使水能回收装置的结构简单、可靠和制造工艺性好， 并最大限度地降低成本。本课题根据冷却塔的运行要求和循环冷却水回路的 具体情况，对水能回收装雹过流部件进行水力设计。由于引水部件对装置大 结构和成本影响很大，同时也影响所开发的水能回收装置的水力效率，所对 引水部件进行了多方案设计。该水能回收装置实属一种叶片式流体机械，在 西毕大学硕士学位论文 叶片式流体机械的传统研究开发过程中，通常应该采用模型试验方法来优选 过流部件设计方案。为了更快、更节约、更有效的进行该产品的开发，在完 成初步水力计算基础上，采用c f d 技术和计算机进行设计计算，对其内部复 杂的紊流流场进行粘性流动的数值模拟，对模拟的结果进行分析，并作一定 的性能预测，取代了费用大耗时多的模型试验方法。 1 ，5 本章小结 能源节约与资源综合利用是我国经济和社会发展的一项长远战略方针。 本研究针对冷却塔改造工程实际需要，以四川某化工厂1 5 0 0 油规格冷却塔 节能改造为研究对象，分析了当前冷却塔中存在的主要问题，利用叶片式流 体机械原理，研究开发出一种结构简单、高效的水能回收装置。该水能回收 装置充分转换冷却塔的循环冷却水剩余水力能量为机械能，以取代传统采用 电机驱动风机。采用该水能回收装置对现有这类冷却塔进行改造，不仅可以 大大地节能降耗，而且能带来节水、降低环境噪声、生产维修和维护费用等 各方面的效益。本课题是针对改造实际工程项目而进行研究开发的。在研究 开发过程中，采用基于性能预测的现代水力设计方法的思想。 本章首先分析了水能回收装置研究开发的目的和意义，然后系统回顾 了石化、热电行业的重要耗能设备冷却塔方面节能研究开展情况，分析了 当前存在的问题，得出水能回收装置是进行冷却塔改造的一个非常好的措 施。之后，系统的回顾了当前流体机械现代的水力设计方法和c f d 在产品研 发中的应用情况。最后，总结了本文的主要内容。在第二章中详细讲述水能 回收装置的设计情况，数值模拟的方法与基本知识在第三章中进行表述，第 四、五章将详细重点的讲述水能回收装置引水部件内部流场的c f d 分析。 西华大学硕士学位论文 第二章水能回收装置的工作原理和设计 2 1 工作原理 水能回收装置是利用冷却塔内循环水本身具有的剩余能量，采用水力机 械的工作原理进行设计。所要解决的问题是如何将这部分剩余水力能高效、 合理地转换成旋转机械能，然后用于带动冷却塔风机运转。 造成循环冷却水的剩余能量的原因是复杂的。按国家冷却塔技术标准规 定，选用冷却塔时，应按水温降为5 来确定冷却水流量。但很多工程设计 院在选用冷却塔时因对冷却塔产品水温降是否能达到5 而心存疑虑，为保 证冷却塔达到冷却效果，所以按温差4 来确定冷却水流量。这样做的后果 是增加了循环水流量以及相应水泵型号。在水泵型号方面，据调查现役水泵 普遍存在着“选型不当、富余量大”的问题，主要原因是，设计单位未按生 产工艺和技术要求选择泵的性能参数或未经精确计算而选用了富余量的水 泵。各种原因的综合作用造成了工程实际投产后发现冷却塔的进塔水头偏 高，严重的达到1 5 3 5 m h 2 0 ，造成了很大的能源浪费。具体到水能回收设 备的回收利用的水头需要根据用户根据冷却塔的实际进行测量确定。 对于水能回收装置，冷却塔可利用的进塔水头一般较低，对于大型冷却 塔流量相对较大，从选型方面考虑选用反击型轴流定桨式可以获得比较高的 效率。反击型水轮机一般由引水室、导水机构、转轮和尾水管等所组成。引 水室将水流按照所需要的速度( 包括大小和方向) 引入转轮，蜗壳式引水式 是水轮机中普遍采用的形式。导水机构控制和调节流量，从而改变功率，适 应负荷的变化。在转轮中，许多弯曲的叶片之间组成了流道，当水在流道中 流过时，叶轮流体的能量转换成旋转机械能。尾水管将离开转轮的水引导至 下游，同时回收利用转轮出口水流的部分能量，有直锥形尾水管性能较好， 在小型水轮机中应用较广泛。 水能回收装置的设计必须遵循叶片式流体机械的原理，但是，由于工作 在特殊的场合，所以在设计中必须考虑冷却塔的特点： 水能回收装置带动的是减速器或风机，不存在水轮机中甩或减负荷 西华大学硕士学位论文 的情况，所以不必考虑飞逸情况。 由于冷却塔供水由专设的水泵来满足，可利用的进塔水头和流量常 年稳定，这是一个非常好的情况。水轮机中需要根据负荷以及水库 水位的变化，调整水轮机的运行方式，以保证水轮机在高效率区间 运行。这里，不存在这样的情况，说明取消调节机构，对固定导叶 的安放角按照转轮的高效率运行点所需的来流角度要求。 风扇一般安装在冷却塔顶部，所以水能回收装置也是安装在冷却塔 顶部，从结构方面考虑必须设备的减振。从管理角度考虑应该增强 运行可靠性，减少维护。 2 2 装置的水力设计 2 2 1 设计要求 委托单位提供如下设计参数： 电机的额定出力为5 5 k w ，转速为1 4 8 0 r m i n , 风机直径为6 m ，转速1 9 0r r a i n ： 循环冷却水流量为1 5 0 0 m 3 h ，约0 4 2m 3 s ； 常年剩余水压为1 5 0m h 2 0 ，压力范围大致为1 2 0 2 0 0 m h 2 0 ： 转向：从出水管方向看，顺时针旋转。 要求装置达到的转速为1 4 8 0 r m i n ，额定出力：5 5 k w 。 以剩余水压为1 5 0m h 2 0 计算，可利用循环水的总能量： n ；倒t 9 。8 1 x 1 0 3x 0 4 2 1 5 - 6 1 8 k w 要求达到额定出力时，装置需要达到的效率为： 旦x 1 0 0 。8 8 6 1 8 2 2 2 转轮选型 根据上述设计参数和运行条件，初步确定用轴流定桨式转轮，查反击型 水轮机系列型谱，查到可以采用z d 5 6 0 ( z d a 3 0 ) 舻一1 0 9 和j p 5 0 2 两种方 案，两种转轮特性数据如下： 西毕大学硕士学位论文 表格2 - 1 轴流式z d 5 6 0 转轮( 舻- 1 0 。) 和j p 5 0 2 ( t p - 0 。) 特性数据 t a b l e2 1c h a r a c t e r i s t i cd a t af o ra x i a lr u n n e rz d 5 6 0a n dj p 5 0 2 使用转轮转轮导叶最优单设计模型汽 水头范围叶片轮毅比相对高度位转速单元流量蚀系数 h 型号 数 n l oo n o m 备注 ( m )z d b b o ( r r a i n )( 1 s ) 1 0 2 2z d 5 6 0 4 0 4 0 4 1 3 01 6 0 00 ，6 j p 5 0 2 50 3 5 80 41 2 7 81 3 4 40 3 8 其中：轴流式j p 5 0 2 型模型转轮( d ，= o 3 5 m ) 模型试验最高水力效率 为9 2 5 ( 导叶数和固定导叶数均为2 4 片，d o = 1 1 7 8 d 1 ) 。 根据上述转轮特性数据和设计参数，可以开始初步选型设计计算。 首先根据可利用水头、流量和估算效率计算机组的出力： n 一7 q h r l 然后根据下式计算转轮直径： d l - 式中各参数按水轮机设计规范进行选取。 在进行水轮机设计时，接下来应该确定机组的转速。但是对于水能回收 装景来说，由于风机和齿轮减速器已经确定，所要求的转速也基本固定，所 以仅需根据上面得到转轮直径d 。和平均水头校核转速，设定一个水头变化 范围，根据最小水头计算最大单元转速，根据最大水头计算最小单元转速， 校核保证转轮工作在最优区附近。 水能回收装置的安装位置和高度均已确定所以，可以根据现场的高程 数据和冷却塔的资料以及转轮汽蚀系数估算喷淋压力，检查是否满足要求。 最后根据公式：只。- k _ 。r 6q 2 h ( 1 0 4 n ) 计算装置的轴向水推力。 叶 采用上述计算过程，经过比较，最后确定选用转轮1 p 5 0 2 ，d 1 = 3 0 0 m m 。 西毕大学硕士学位论文 由于装置尺寸小，导叶数量是合理的。选取导叶数1 2 片，按照对称型导叶 计算l 。1 1 t 1 1 孕。0 0 9 5 ，所以取9 5 m m ，导叶相对高度取0 4 ，安放 二0 角取3 2 。 2 2 3 蜗壳的水力设计计算 蜗壳主要作用是保证水流在导水机构前形成一定的环量，使水流能够轴 对称地进入导水机构，保证流量沿圆周分配均匀，同时还应该满足强度要求。 蜗壳的主要参数有：蜗壳的材料和型式、包角、进口断面平均流速和水力损 失。其水力设计的内容包括：根据装置的功率和水头选取蜗壳的材料和型式： 确定蜗壳的包角和进口平均流速：选用蜗壳水力计算方法，计算各个断面的 尺寸并绘蜗壳几何尺寸单线图。 在该装置的设计中，考虑到装置尺寸小和为了向导水机构均匀供水，选 用完全蜗壳，包角巾。取3 4 5 ，制作和材料方面采用金属焊接结构，在断面 形状上，由于装置尺寸常小，从；b n q - 难易程度和水力性能方面拟定了圆形断 面和方形断面两种方案，并分别进行了设计计算。两种型式在制造工艺、成 本和水力性能方面都有一定的差异，在第四章中，针对不同断面形状的蜗壳 建立了引水部件的两个方案，并利用c f d 技术进行了全面的对比分析，以求 达到选优目的。下面将分别对两种断面形状的蜗壳水力计算进行叙述。 1 ) 圆形断面蜗壳f 6 2 8 】 蜗壳的水力计算和蜗壳与座环的连接方式有密切的关系，不同的连接方 式在计算上有很大的区别，在设计中，座环可以根据自己的要