水动能回收冷却塔水轮机技术分析.doc

北京光大恒信科技发展有限公司国内水动能回收冷却塔技术分析现有冷却塔一般是用电动机通过联轴器、传动轴、减速器来驱动冷却塔的风机，风机的抽风使进入冷却塔的水流快速散热冷却，然后又由水泵加压将水流输送到需要用水冷却的设备使用后再引入冷却塔冷却，达到冷却水循环使用。由于工业冷却水在热交换设备和冷却塔之间的循环是通过水泵来驱动的。在设计、制造、选型及使用中，因考虑可靠性等多种因素，使该系统的水泵有大量富余扬程和流量，这主要表现在以下几个方面，（1）每个循环水系统中的水量很难被精确的计算出来，工艺工程师计算系统水流量时，为了安全生产及各方面的因素考虑都会在满足最大需求水量的基础上加至少10%-20%的余量来确定水泵的流量，这样整个系统的水量一定是富裕的。（2）在整个循环水系统中，每段水管、弯头都有一定的阻力，冷却塔的位置高低、换热部件的阻力及压力要求都会在系统中产生阻力，这些阻力也不能很精确的计算出来，所以工艺工程师计算的阻力值只是一个大概的数据，根据这个数值在选型水泵的扬程时，考虑更安全的满足生产需求，就在克服所计算出的阻力数值的基础上至少加10%-20%的余量来选型-整个循环系统中扬程一定是富裕的。但这些能量过去在系统里都白白浪费了。而我公司水轮机就是充分利用这些多余的能量推动从而带动风扇的转动。水动风机顾名思义就是以水力驱动风机，而不是传统的电力。在水动风机冷却塔中，是以水轮机取代电机作为风机动力源。水轮机的工作动力来自系统的富余流量和富余扬程。改造后，水泵提供的热水经过水轮机并带动其旋转。水轮机的输出轴直接与风机相连，进而带动风机旋转。根据规范，泵类在设计时一般都留有备用的出力余量，配用的拖动电动机一般定位于最大工作能力情况下，而大量的生产场合由于功率需求始终处于变动状态，普遍采用的是低效的进、出口阀门调节方式与负荷的变化相适应。即采用变阀调节的方式，也就是在输送流体的管道上利用改变阀门的开度，来调节泵的流量。这种调节方法通常也称为节流调节，它是利用改变管道系统阻力的办法，变更管道阻力特性曲线，以便获得适合用户需要的工作点。但是关小阀门可以减少流量，而系统从电网吸收的能量并没有减少，拖动电动机的轴输出动力基本没有改变，有相当一部分能量消耗在阀门上，虽然阀门的输出达到了工况要求，但是能量的有效比例减少了，而损耗增加了。从理论上来讲，在采用变阀调节时，泵的功率基本不变，泵的性能曲线基本不变，而管道阻力特性曲线发生变化，泵的性能曲线与新的管道阻力特性曲线的交点处就是新的工作点，如下图所示。变阀调节方式下性能曲线不变、管道阻力特性曲线改变，工作点沿性能曲线移动。根据多方的观测结果也证明，在采用节流阀控制流量时，不控制泵本身，泵的工作点会随管道阻力变化而变化，泵的功率有时也会有相应的变化，但在正常工作范围内变化不大。这种节流调节所带来的 阻力损失占据了水泵富余扬程的绝大部分，我们的目标就是要把这部分阻力损失变为水轮机的动力来源，也就是合理利用水泵的富余扬程！合理调整管道布局，减少沿程管路损失合理调整阀门开启度，降低节流调节的管路阻力通过以上两方面的工作，减少管路系统阻力，使这部分阻力变为推动水轮机工作的动力根据水泵流量与扬程的关系，我们可知泵的功率与Q-H图上原点和Q-H曲线上工作点所确定的矩形面积成正比。详见下图：即；P=当系统加上水轮机后，将进塔阀逐渐打开直至系统流量到需要值。因水泵功率与流量成正相关系，流量变化时水泵功率才变化，流量不变化时水泵电机功率也不变化。具体原理说明图如下：A.在无任何操作前水泵和系统阻力之间的的工作交点为（Q2,H2），点（Q1,H1）为水泵的额定点。此时的富裕扬程为H1-H2。B.在进塔阀全开后系统阻力曲线由A 变化为 B，工作交点为（Q3,H3）,此时的富裕扬程为H2-H3。C .更换为水轮机后系统阻力曲线由B 变化为 C，工作交点变化为（Q1,H1）。D.水轮机更换后进塔阀门开大调节后，系统水量没有变化或变化到水泵额定流量，因水泵功率与流量成正比关系，因此水轮机更换后水泵电机功率并没有增加或甚至减小。二、社会效益以及推广应用前景分析节能：充分利用循环水泵所具有的余压，节约电能。拆除了风机电机，实现了真正意义上的100%节能。可靠：水动风机设计严谨，结构合理，运转平稳，可靠性高，从根本上杜绝了电机，电控和减速机漏电、漏油、烧毁和损坏的故障，为安全持续运行提供了保证；水轮机的重量小于取消的电机、减速机、传动轴三者之和，从而使冷却塔重心下移，增加运行环境安全性。安全：可在任何需防爆的环境下安全运行。经济：因取消了电机和减速机，从根本上解决了传动轴及减速机损坏问题，从而大大减少日常管理和维修保养成本。冷效好：随着季节变化，水动风机的转速随循环水流量的增减而增减，风量也随之增减，使冷却塔的汽水比稳定在最佳状态，达到最佳冷却效果。环保：风机电动机转速较高因而引起的冷却塔的噪音和震动也较高，采用水动风机冷却塔可有效解决这一问题。三、技术核心水轮机是把水流的能量转换为旋转机械能的动力机械，它属于流体机械中的透平机械。水轮机按工作原理可分为冲击式水轮机和反击式水轮机两大类。冲击式水轮机的转轮受到水流的冲击而旋转，工作过程中水流的压力不变，主要是动能的转换；例如，南京星飞公司目前在市场上大量推广的双击式水轮机就是冲击式水轮机，由于该类型的水轮机只能利用水的动能，因此，对系统的能源利用效率不高，很多能源就白白浪费了。反击式水轮机的转轮在水中受到水流的反作用力而旋转，工作过程中水流的压力能和动能均有改变，但主要是压力能的转换。目前，在市场中所使用的反击型各式水轮机，是为水力机械配套使用的，其最小功率都在几百千瓦以上，完全不符合冷却塔风机的工矿要求（冷却塔风机最大才一百多千瓦），不仅只能在其特定的水头和流量范围内使用，而且只能在最优工况下才能达到较高的效率，从而严重制约了水能资源的开发利用进程，甚至对有些水能资源根本无法开发。本公司独家持有的水动能冷却塔改造技术的核心是我公司根据冷却塔热力特性和循环系统的水力特性研发的冷却塔用反击式水轮机（专利号:200720032097.X）和水动能回收冷却塔（专利号:200720032197.2），这是冷却塔专用水轮机的第二代产品。该水轮机的水能利用率高，其叶轮效率可达92%以上，是专利发明人李大应博士专门为冷却塔设计的，经过多年研究，做了无数次试验后研制成功的，该水轮机充分利用了循环水系统的水的动能和压能，达到了能源利用的最大化，从而对低能量富余的冷却塔系统实现改造而达到节能的目的。图1、2、3为水动能回收冷却塔结构示意图。四、研发历程冷却塔和水轮机都是传统的工业产品，分别属于不同的工业领域，过去在使用上很少有交叉。水轮机是把水流的能量转换为旋转机械能的动力机械，它属于流体机械中的透平机械。水轮机按工作原理可分为冲击式水轮机和反击式水轮机两大类。冲击式水轮机的转轮受到水流的冲击而旋转，工作过程中水流的压力不变，主要是动能的转换；反击式水轮机的转轮在水中受到水流的反作用力而旋转，工作过程中水流的压力能和动能均有改变，但主要是压力能的转换。反击式水轮机的效率要高于冲击式。目前，在生产中所使用的各式水轮机，由于过去主要各种自然水域中作为水力机械使用，其工况要求是输出功率大，使用水头及流量比较稳定，对输出功率的稳定性要求不高，输出功率和使用负载之间的比例较低，对效率转换高低不敏感，因此传统的水轮机不仅只能在其特定的水头和流量范围内使用，而且只能在最优工况下才能达到较高的效率。更为关键的是市场上很难找到一台符合冷却塔工艺使用要求的小功率、高效率的微型水轮机（冷却塔风机功率最大只有一百多千瓦，而水力机械最小也有几百千瓦）由于其结构复杂而又庞大，设备的制造、运输等有很大的难度，从而严重制约了水能资源的开发利用进程，甚至对有些水能资源根本无法开发。本专利的专利发明人之一李大应先生是中国科技大学毕业的博士研究生，其在做课题研究的过程中发现了这一市场需求，随即联合了西北工业大学、合肥工业大学、河海大学等院校机械专业、热学专业、流体力学专业、空气动力专业的专家、学者展开了跨领域的合作、研究开发，他们首先选取水轮机中最关键的部件叶轮利用从美国引进的CFD软件进行流体模拟分析，在获取了最佳理论数据后再开模生产到实践中检验，经过不断修正参数，其间历经了数十次反复，仅叶轮一项的模具费用就高达百万，经过广大专家、学者的不懈努力，公司历经三年才终于研制了符合冷却塔需求的专用微型水轮机，该系列水轮机应用广泛，型号齐全，涵盖了小时处理水量从200吨到6000吨的各种型号冷却塔，能量转换效率可达85%以上，其中，我公司最新研究的新型号其最高转换效率已达92%，可以对目前在生产上运用的90%以上冷却塔进行节能改造，改造后达到100%节能的效果。五、知识产权我们拥有专