轴流式微型水轮机在节能型冷却塔中的应用

郭润睿，张国强，史金华，费笑勇

(1.中国科学院电工研究所，北京 100190;2.南京大洋冷却塔股份有限公司，江苏 南京 211307）

轴流式微型水轮机在节能型冷却塔中的应用

郭润睿1，张国强1，史金华2，费笑勇2

(1.中国科学院电工研究所，北京 100190;2.南京大洋冷却塔股份有限公司，江苏 南京 211307）

在节能型冷却塔中，用微型水轮机替代电动机驱动风扇叶片旋转可以利用循环冷却水的富余能量，节约风扇电机的能耗。然而目前国内对微型水轮机在冷却塔中驱动风机的工作机理研究不足，导致有些工程案例的应用效果不理想。通过分析各型水轮机的结构和性能特点及冷却塔工作的实际条件，制订了微型水轮机结构型式选择的技术规范，在此基础上进行了轴流式水轮机的应用研究，实验结果证明所研制的轴流式水轮机具有优异的性能，相关的研究成果已在若干个工程项目中得到了实际应用且节能效果明显。

冷却塔;富余能量;轴流式水轮机

1 引言

冷却塔是一种循环水冷却换热设备，利用水和空气的接触，通过蒸发作用和热交换将循环冷却水中的废热转移到空气及刚蒸发的水蒸气中，并将含有废热的空气最后排入大气。冷却塔按通风方式分为自然通风冷却塔和机械通风冷却塔。其中机械通风冷却塔以风机为动力驱动空气在冷却塔中流动，完成冷却塔的换热过程。冷却塔风机一般由电机驱动，其能耗比较大，一台流量为800m3/h的中温差逆流冷却塔，其风扇电机的功率可达30kW［1-2］。冷却塔的进水方式一般有两种:一是直接利用工业设备的回水压力上冷却塔，常用于净循环水系统;二是另外设置独立的供冷却塔进水的水泵，对循环水加压后上冷却塔，常用于浊循环水系统［3-4］。大量工程实践表明，无论哪一种进水方式，冷却塔的进塔循环水一般都有一定的富余能量，该部分能量因没有充分加以利用而耗散掉［5-7］。在条件允许的场合采用微型水轮机代替电动机驱动冷却塔风扇运转，不仅可以充分利用循环冷却水原本被浪费的富余能量，也可以节省风扇电机所消耗的电能，从整体上提高冷却塔的效能，对于工业和民用领域的冷却塔节能降耗具有重要的意义。

2 微型水轮机的型式选择

水轮机常规应用场合是水电站，其应用特点是流量和水头大，输出功率高，因此水轮机规格尺寸大，工作转速低，在进行水轮机设计时，技术人员一般努力提高水轮机的比转速，以便提高水轮机在同等功率时的工作转速，以减小水轮机转轮直径，简化发电机的结构［8］。循环冷却水系统的条件与水电站有很大不同，应用于冷却塔的微型水轮机，其工作流量和水头取决于水泵的规格和系统的富余能量，其流量范围一般为0.06～1.3 m3/s，水头一般不超过20m，远远小于水电站的相应参数。冷却塔风机的工作转速一般在100～250r/min左右［9］，因此要求微型水轮机有较低的比转速。此外，冷却塔内部的空间有限，要求微型水轮机的尺寸和重量不能太大。

从冷却塔的实际条件及各型水轮机的性能特点考虑，可以应用于冷却塔中的微型水轮机主要有以下几种型式:双击式水轮机、贯流式水轮机、混流式水轮机和轴流式水轮机［10］。从水轮机的比转速的角度考虑，双击式水轮机最为合适。双击式水轮机属冲击式水轮机，要求内部流体无压流动，而冷却塔的工作原理要求水轮机的出口必须具备一定的剩余压力，两者在原理上存在难以克服的矛盾，因此双击式水轮机可以应用于较低流量的冷却塔。但由于效率较低，输出同等功率需要的水头更大，在大流量的场合，该项缺点十分突出，影响经济性，因此很少应用于流量大于500m3/h的冷却塔中。贯流式水轮机没有蜗壳提供旋转矢量，其比转速非常高，适用于大流量和高转速的场合，虽然有研究人员研究贯流式水轮机在冷却塔中的应用，但贯流式水轮机实际上不适合驱动低转速工作的冷却塔风机。混流式水轮机和轴流式水轮机都有较高的工作效率，均可以应用于冷却塔中，其中，轴流式水轮机的比转速略高，用于驱动冷却塔风机需配备减速器。混流式水轮机的比转速要低于轴流式水轮机，在风机转速较高的小流量应用场合可以实现与风机的直连，取消减速器。但与风机直连的混流式水轮机比转速更低，输出大扭矩时需要流体有非常大的切向分速度，使得水轮机的结构尺寸增大，相应的重量和成本也增大，流体与转轮叶片的摩擦损失大大增加，水轮机的效率大幅下降，同时耗费了更多的水头，导致冷却塔工作流量的下降，使冷却塔被迫降额使用，尤其在大流量的冷却塔，风机的转速只有100～130r/min，混流式水轮机的上述缺点更为突出。

理论分析和工程实践均表明，在适当条件下应用混流式水轮机与风机直连，可以简化机械结构，提高运行效率和可靠性。但不分实际条件而刻意追求水轮机与风机的直连将会大幅降低水轮机的效率，降低冷却塔的运行性能，同时增大了水轮机的结构尺寸和重量，与节能降耗的出发点不符。因此在大流量的场合，为水轮机配置减速机，可以降低水轮机内部流体的相对流速及其阻力损失，提高运行效率，同时减小装置体积重量。而如果混流式水轮机和轴流式水轮机同样配备减速机，则轴流式水轮机有更高的性价比，轴流式水轮机通过配备减速机易于实现高效运行，其比转速略高，因而装置尺寸和重量更小;通过调节转轮叶片的安放角可以很方便地扩大轴流式水轮机的应用流量范围。此外，轴流式水轮机的结构更简单，机械可靠性高，造价低，不同规格的产品有较多的零部件尺寸相同，可以通用，易于实现不同规格产品的系列化生产。轴流式水轮机所配套的减速机目前的产业化已经非常充分，产品的性能和可靠性很高，种类规格齐全，价格低廉，可很好地配合轴流式水轮机的应用，轴流式水轮机驱动风机的示意图如图1所示。

图1 轴流式水轮机应用示意图Fig.1 Application of axial flow turbine on cooling tower

通过各型水轮机的比较分析，可知轴流式水轮机具有更好的性价比，更适合应用于冷却塔中代替电动机驱动风机运行，实现整个冷却塔系统的节能降耗。目前双击式和混流式水轮机国内已有研究单位进行了充分的研究，并已经实现了产业化，而轴流式水轮机在冷却塔中的应用研究则刚刚起步。

3 微型水轮机的设计及实验

在上述分析的基础上，研制了一台流量为200m3/h的轴流式水轮机样机，可以应用于流量为200m3/h的冷却塔产品中，技术参数为:设计流量200m3/h，设计运行范围190～210m3/h，设计工作水头＜12m，输出轴功率 4.5kW，设计工作转速 ＞1800r/min，所配备齿轮减速机的减速比为9。水轮机转轮直径为180mm，转轮叶片采用较大的叶栅稠密度应用升力法设计，蜗壳采用梯形方案设计，以降低流体阻力，导叶设计较低的相对高度以提高流体的切向流速。所设计轴流式水轮机的结构简图如图2所示。微型水轮机所驱动的冷却塔风机规格为24#轴流式风机(4叶片），额定风量:11×104m3/h，额定轴功率为4.4kW，风机额定转速为200r/min。

图2 微型水轮机结构简图Fig.2 Structure sketch of axial flow turbine

水轮机实验在位于江苏省南京市高淳县的南京大洋冷却塔股份有限公司进行，该公司建有测试流量涵盖200～2000m3/h的水轮机测试台，可以进行各型水轮机及各种冷却塔设备的实验和测试。实验使用一台流量为550m3/h、最高扬程为20m的水泵提供动力，驱动水轮机运转，在管路中设计有诸多分支管及阀门，模拟循环冷却水系统的管路阻力特性，通过组合调节各个管路阀门的开度，可模拟循环冷却水系统阻力系数的变换，既可调节水轮机的工作流量，也可调节水轮机的进出口压力。在水轮机的进水管路中安装流量计，用于测量水轮机的工作流量。在进水口和出水口分别安装有压力表，用于测量水轮机进口压力和出口压力，二者的差值即为水轮机的工作压力。在减速机轴和水轮机的轴部安装有转速传感器和扭矩传感器，并为之专门设计了支架，用于测量水轮机的转速和扭矩。忽略齿轮减速机的传动误差，利用水轮机的转速除以减速比即可得到风机的工作转速。

4 实验结果分析

测定水轮机在各流量条件下进出口压力、转速、转矩之后，根据实验结果绘制水轮机转速-流量曲线、输入功率-转速曲线、轴功率-流量曲线及效率-流量曲线如图3～图6所示，其中曲线［1］为水轮机出口压力0.8～5.2m时获得的工作曲线，曲线［2］为水轮机出口压力0～1.5m时获得的工作曲线。

如图3所示，当水轮机的工作流量为设计范围190～210m3/h时，水轮机的转速约为1840～2020r/min，对应风机的工作转速约为:204～224 r/min。水轮机的设计指标完全达到并超过设计指标。

图3中曲线［1］比曲线［2］的转速更高，表明水轮机的出口压力对水轮机的运行状态有一定影响。出口压力升高，则水轮机在风机负载不变的情况下，水轮机的进口压力升高，水轮机进口循环水的单位流量能量增大，水轮机达到额定输出功率所需工作流量也发生下降。

对比实验的结果表明，可以通过改变冷却塔布水管路及喷头的设计来调整水轮机流量和压力之间的比例，在富余能量较大的条件下，有利于控制水轮机的工作流量，同时改善冷却塔喷头的喷淋效果。

图3 水轮机的n-Q曲线Fig.3 Speed-flow rate relationship of turbine prototype

水轮机的输入功率-转速曲线如图4所示，通过实验曲线与y=kx3的标准三次方曲线对比可知，水轮机所消耗的循环水动能与转速近似满足式P'=γQ·H∝n3。而图3显示水轮机的转速和流量呈良好的线性关系，即满足Q∝n，因此可以推算水轮机的工作压力满足 ΔH(Q）∝n2，进而，ΔH(Q）∝Q2。由以上分析可知，所设计的水轮机在各流量条件下均可与风机的负载特性及循环水的阻力特性相匹配，从而保持较高的工作效率。

图4 水轮机的P'-n曲线Fig.4 Input power-flow rate relationship of turbine prototype

图5和图6分别为水轮机的轴功率-流量曲线和效率-流量曲线，水轮机的输出功率随流量的增加而单调增加，在管路阀门全开，阻力最小时将达到流量和功率的最大值。在设计流量范围内，水轮机的效率基本稳定在80%以上，在流量超过240m3/h后，仍可维持较高的效率，而流量低于170m3/h之后，效率大幅下降。这是由于低流量时水轮机内部流体与叶片等过流部件的撞击损失增大，容积损失所占比重增大，因此难以保证高效率。

图5 水轮机的P-Q曲线Fig.5 Shaft power-flow rate relationship of turbine prototype

5 节能效果估算

图6 水轮机的η-Q曲线Fig.6 Efficiency-flow rate relationship of turbine prototype

由图3、图5、图6可知:水轮机在流量为190～210m3/h额定工作范围内，所需的输入功率为3.0～5.3kW，输出功率约为2.4～4.4kW，在各流量条件下对应的工作效率约为:81.1%～83.2%。若该风机由电动机驱动，以工作效率为90%、功率因数为0.9的较理想情况估算，电动机在输出相同轴功率所需要的电功率为3.0～5.4kW。上述估算忽略了风机在不同工作状态下的效率变化，因而存在一定误差。水轮机工作所需的富余能量来源于驱动水泵的电能，以水泵效率为70%的较理想情况估算，水泵在驱动循环冷却水产生本文所述的富余能量所消耗的电功率为4.3～7.6kW，水轮机利用该部分能量即是充分回收利用了该部分本已浪费的能量。

由上述分析可知，用所研制的水轮机取代电动机，在冷却塔的额定工作范围内，可节约驱动风机电机的电功率3.0～5.4kW，相应使4.3～7.6kW用于驱动水泵的电功率得到充分利用。对于旧塔改造而言，这两部分功率均为必须消耗和难以回收利用的能耗，因此在冷却塔上应用所研制的水轮机，可节约和充分利用的电能为7.3～13.0kW，每年可节约及充分利用的电能为6.4万～11.4万kWh，对于更大流量的冷却塔，节能效果更为显著。

对于新建冷却塔而言，由于利用水轮机驱动冷却塔风机，需要将电能转化为循环冷却水的动能，再转化为驱动风机的动能，其能量转化环节比常规电机驱动风机多了两次，因而其能量损耗更大，所需电能更多(尤其水泵的效率较低，一般只有50% ～70%）。因此对于新建冷却塔，仍应首先考虑设计建造常规冷却塔，若水泵、循环冷却水管路等主要设计工作完成之后，系统仍满足前述的水轮机应用条件，作为备用措施则可以在新建冷却塔应用水轮机。

6 结论

在冷却塔中应用水轮机驱动风机为近年在冷却塔行业出现的新技术，由于实际应用的需要，本文分析了循环冷却水系统富余能量的产生机理，提出了在冷却塔中应用微型水轮机的条件，进而探讨了水轮机的型式选择，在此基础上探索轴流式水轮机的应用，研制了一台流量为200m3/h的轴流式水轮机样机，进行实验并实现了对水轮机轴功率的测定，掌握了水轮机的运行特性并评估其节能效果，为轴流式水轮机的产业化应用打下了基础。

实验研究和实际应用情况均表明，所研制的微型水轮机参数设计合理、工作效率较高，每年可节约和充分利用大量的电能，对推动冷却塔行业的节能降耗具有重要意义。

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Study of miniaxial flow turbine in energy-saving cooling towers

GUO Run-rui1，ZHANG Guo-qiang1，SHI Jin-hua2，FEI Xiao-yong2
(1.Institute of Electrical Engineering，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100190，China;2.Nanjing Dayang Cooling Tower Co.，Ltd，Nanjing 211307，China）

In energy-saving cooling towers，the miniaxial flow turbine are applied to drive cooling tower fans to replace motors in the conventional cooling towers.With the applied technology，the cooling towers can make full use of the surplus energy of circulating cooling water，while saving the energy consumption of fan motors of cooling towers.However，at present，the working mechanism of mini-hydraulic turbines driving cooling tower fans has not been adequately studied in our country，leading to many non-ideal engineering cases.Based on analyzing the condition of the cooling tower and the structure and performance characteristics of all types of hydroturbine，application criterions and technical specifications of selecting structure type of micro-turbine have been worked out，and then，some application research of axial flow turbine has been done.Experimental results demonstrate that the miniaxial flow turbine applied to drive cooling tower fans has good performance，and relevant research results have been applied in many projects and have get significant energy-saving effect.

cooling tower;surplus energy;miniaxial flow turbine

TK733

A

1003-3076(2012）04-0066-05

2012-05-10

郭润睿 (1982-），男，吉林籍，研究实习员，硕士，主要研究方向为冷却塔节能技术等;

张国强 (1964-），男，河北籍，研究员，博士，主要研究方向为冷却塔节能技术、蒸发冷却技术等。