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反擊式水輪風機在冷卻水塔的應(yīng)用
反擊式水輪風機在冷卻水塔的應(yīng)用【1】
摘要：文章簡要介紹了反擊式水輪風機的工作原理、應(yīng)用要求和運行特點，并以在實際改造中應(yīng)用的例子為說明，進一步闡述了反擊式水輪風機應(yīng)用的可行性及節(jié)能效果。
關(guān)鍵詞：反擊式水輪風機;循環(huán)水泵;富余揚程;富余流量
我公司制氧工藝流程為20000m3/h外壓縮空分流程，設(shè)計有冷卻水為1000m3/h的冷卻水塔。
冷卻水供水過程采用閉式循環(huán)，冷卻水塔為傳統(tǒng)的電機冷卻風機進行冷卻。
其工藝流程為回水首先經(jīng)過收水器收集后再均勻分配到各個噴頭，水自上而下流經(jīng)規(guī)整填料，后由風機進行冷卻、降溫。
常規(guī)的循環(huán)水泵為二用一備，正常供水壓力為0.38MPa，回水壓力為0.20MPa，正常水溫在25℃左右。
為了能達到有更好的節(jié)能的目的，通過查閱資料對比反擊式水輪風機冷卻的工作原理和適用場合后決定對其中的一臺冷卻風機進行技術(shù)改造，也即把原來由電機風機冷卻改為直接由反擊式水輪風機進行冷卻。
1 反擊式水輪風機的工作原理
反擊式水輪風機的工作原理就是利用循環(huán)水泵本身固有的機械特性也即水泵的富余揚程來推動反擊式水輪機做功，再通過傳動軸輸出功率進而帶動風機對循環(huán)水進行冷卻、降溫。
2 反擊式水輪風機的應(yīng)用要求
從反擊式水輪風機的工作原理我們可以知道，應(yīng)用反擊式水輪風機主要是利用水泵的余壓來做功，因此在選擇水輪機的應(yīng)用時，保證水泵具有富余的流量和富余的揚程是我們應(yīng)用水輪機的前提條件。
然而它們二者之間又是一種相互依存的關(guān)系：系統(tǒng)中存在的必然的富余流量可在很大程度上轉(zhuǎn)化為富余揚程，而設(shè)置水輪機使阻力的增加又必然會導致流量的減少，因此從應(yīng)用反擊式水輪風機來說，富余流量的存在起著至關(guān)重要的作用。
這里對于系統(tǒng)中所形成的充裕的富余流量，主要包含有在對系統(tǒng)設(shè)計時的熱力學、傳熱學計算，從換熱設(shè)備熱負荷、換熱面積到整個循環(huán)系統(tǒng)中冷卻水需求量的各個環(huán)節(jié)均放有的一定的余量，再到水泵選型時富余量的考慮方面。
而同樣對于水泵的富余揚程，通過查閱資料我們也可以得知，在水泵本身設(shè)計時所應(yīng)該具有的幾個方面，包括：從流體力學方面計算，在計算設(shè)備和管路阻損及提升高度、輸送距離的每個環(huán)節(jié)均放有的一定的余量;在計算出總的阻損后還應(yīng)再有1.1至1.3的壓力倍乘，并以此作為水泵選型的依據(jù);加上我們往往在對水泵進行選型時，因沒有恰好與選定參數(shù)一致的揚程，而選擇揚程較大的水泵;還有在對水泵系統(tǒng)設(shè)計時所需要考慮到的由于汽蝕、結(jié)垢等原因的影響而導致水泵的效率降低等，因此也都必須留有一定的富余揚程，以保證設(shè)備的長期正常運行。
綜合以上方面即是水泵的固有機械特性，也是我們選擇應(yīng)用反擊式水輪風機的首要
條件。
3 應(yīng)用反擊式水輪風機進行冷卻的特點
首先，與傳統(tǒng)的電機風機相比，反擊式水輪風機的動力來源主要為水力，這既節(jié)省了設(shè)備的電耗，而作為水輪機的傳動軸又可以直接與風機相連，中間不需要再通過其他的減速器和傳動軸等的連接，也大大減少了設(shè)備的日常管理和維修保養(yǎng)費用;其次，由于是單獨使用水輪機，其本身結(jié)構(gòu)也相對簡單，主要部件為葉輪，沒有易損件，維護起來也比較方便。
在風機的主要性能冷卻效果方面，由于水輪機的轉(zhuǎn)速是隨著循環(huán)水流量的增減而增減，風量亦隨之而增減，這在季節(jié)變化的時候，能讓冷卻塔的氣水比都穩(wěn)定在最佳的比例狀態(tài)，從而達到很好的冷卻效果。
在安全方面，由于不使用電，也可以從根本上杜絕由于電機帶電而引起的各種安全隱患，這尤其在空分要求較為嚴格的防爆區(qū)域內(nèi)也可以保證其的安全運行。
在環(huán)保方面，由于反擊式水輪冷卻風機的應(yīng)用，在冷卻塔中省去了風機電機和減速箱，因此可有效地降低因機械傳動和摩擦引發(fā)的振動和噪音，杜絕了漏油和機械維修，加上由于水輪機的能量轉(zhuǎn)換是在水流道上進行，噪音也減小了很多，這些方面也都大大減少了對周圍環(huán)境的污染。
而對于在風機的冷卻過程中所引起的飄水問題，由于水輪機本身具備的可調(diào)的轉(zhuǎn)速特性，也讓飄水損失能有效地減少，這一方面減少了循環(huán)水池的補充水量，節(jié)約了相應(yīng)的水費支出，另一方面也極大地降低了飄水所引起的對冷卻塔周圍環(huán)境的影響，更適宜風機的長期連續(xù)運行。
4 實施改造措施
通過計算對比我廠1000m3/h循環(huán)水塔的實際運行情況
(下轉(zhuǎn)第49頁)
(上接第59頁)
后，可以發(fā)現(xiàn)在循環(huán)水系統(tǒng)中還存有較大的富余揚程(20m左右)，可以應(yīng)用于反擊式水輪風機。
其具體的改造措施為：在不改變原來的風筒和基礎(chǔ)上，取消原來電機、減速機與風機的連接，取代之以水輪機與風機的連接;在進水管路的支配上，把由原來直接進入收水器的水管，改為先經(jīng)過水輪機后再經(jīng)過收水器，同時也為了能更有效地對水輪機進行流量調(diào)整，另外也增設(shè)了一路旁通管路直接引入收水器。
各路分管道在進水之前都各自用一個截止閥門加以流量調(diào)節(jié)和控制。
5 實際改造效果
改造完成后，通過對循環(huán)水溫降的觀察和進一步對比：改造前，開一臺風機，冷卻水的溫降在7℃左右，運行水輪機后，溫降在5℃左右，隨后再觀察其他在用設(shè)備的冷卻效果后也發(fā)現(xiàn)這些設(shè)備的主要性能參數(shù)都沒有明顯的變化，證明冷卻水溫度滿足實際的運行要求。
再后對循環(huán)水泵的運行參數(shù)觀察后也發(fā)現(xiàn)，除了原先的水泵出口壓力有所增加，由原來的0.38MPa上升到0.40MPa左右，而其對應(yīng)的循環(huán)水流量也由原來的1800m3/h下降到1500m3/h左右，觀察水泵的電流沒有明顯的上升變化。
6 結(jié)語
反擊式水輪風機在作為常溫冷卻水的冷卻方式時，只要在循環(huán)水系統(tǒng)中水泵本身具有充足的富余揚程和富余流量且對溫降要求不是特別高的情況下，可以利用原有的管道、基礎(chǔ)進行改造，這在水能的再次利用方面具有很高的價值并且達到很好的經(jīng)濟節(jié)能效益。
以我公司改造過的為例，一臺冷卻風機的電機額定功率為45kW，以每年實際運行時間350天計算，不包含計算其他節(jié)省的支出和維護費用等，單純電耗每年約可節(jié)省45×24×350=378000kW・h，具有非�？捎^的經(jīng)濟效益。
參考文獻
[1]于波，肖惠民.水輪機原理與運行[M].北京：中國電力出版社，2008.
反擊式水輪機型號選擇計算研究【2】
摘要：水輪機的型號選擇是水電站設(shè)計中的一項重要工作，在水電站中，正確，合理的選擇水輪機，對充分利用水流能量，保證電站機組的正常運行，降低成本，節(jié)約管理費用等均有直接的關(guān)系。
關(guān)鍵詞：水輪機型號 轉(zhuǎn)輪 轉(zhuǎn)速 標準直徑
0 引言
由于自然條件的差異，每個水電站都有不同的水頭和流量，每個水電站需要根據(jù)各自的具體參數(shù)和要求，選擇技術(shù)上合理，造價低，經(jīng)濟上能獲得最大效益的水輪機，其內(nèi)容包括：機組臺數(shù)及水輪機型號確定、水輪及裝置方式的確定、轉(zhuǎn)輪直徑與機組同步轉(zhuǎn)速確定、機組運轉(zhuǎn)綜合特性曲線的計算和繪制、水輪機最大吸出高度的計算和繪制和安裝高程的計算、待選方案的綜合比較。
1 機組臺數(shù)及水輪機型號確定
1.1 水輪機型式及轉(zhuǎn)輪型號確定
1.1.1 水輪機型式主要由所給出的原始數(shù)據(jù)，根據(jù)水輪機的應(yīng)用水頭范圍按下表進行選擇。
1.1.2 水輪機轉(zhuǎn)輪型號主要按照原始資料中的最高水頭查《混流式水輪機轉(zhuǎn)輪型譜參數(shù)表》，經(jīng)過初步比較判斷選擇多個型號的轉(zhuǎn)輪將其詳細參數(shù)記錄下來。
經(jīng)過對各機型參數(shù)的初步比較，選取上述部分水輪機機型進行計算，記錄具體參數(shù)并復制相應(yīng)的模型綜合特性曲線。
1.2 機組臺數(shù)選擇 一般情況下各電站均不采用一臺機組的設(shè)計。
故在滿足處理要求的情況下，可采用2 臺、3 臺、4臺、5、6……臺機組的設(shè)計方案進行計算比較，并比較所得結(jié)果，最終確定所選擇的臺數(shù)。
2 水輪機基本參數(shù)計算
根據(jù)電站水頭選定水輪機型號后，利用轉(zhuǎn)輪模型綜合特性曲線計算水輪機的基本參數(shù)D1、n、Hs等。
分別對所選的模型水輪機按照所選擇的臺數(shù)進行計算，求得轉(zhuǎn)輪直徑、機組同步轉(zhuǎn)速，并根據(jù)計算結(jié)果最終確定機組臺數(shù)。
將確定臺數(shù)的機組方案畫運轉(zhuǎn)綜合曲線作進一步比較。
2.1 轉(zhuǎn)輪直徑
D1=■ N=■
其中：N為水輪機的額定出力;Z為所選定的機組臺數(shù);Nf為發(fā)電機的額定容量;ηf發(fā)電機的效率大型機組取ηf=96%~97%，小型機組取ηf=95%~97%;Q11為限制工況點上的單位流量;Hr為電站的設(shè)計水頭。
根據(jù)上部計算所得的直徑，查表確定水輪機的標準直徑
2.2 計算水輪機的轉(zhuǎn)速
n=■
其中：Hcp為加權(quán)平均水頭;Hcp=(0.9~0.95)Hr(河床式取小值);n110為模型機最優(yōu)工況下的單位轉(zhuǎn)速。
按照計算所得的原型水輪機轉(zhuǎn)速，結(jié)合發(fā)電機的同步轉(zhuǎn)速，查找接近并且偏大的同步轉(zhuǎn)速，確定水輪機的標準轉(zhuǎn)速。
2.3 校驗水輪機的運行范圍 按照查得的標準直徑D1驗證水輪機出力是否滿足要求
N=9.81Q11D12Hr■η 其中：η=ηm+Δη
當N大于水輪機的額定出力時，說明D1符合要求;
按照查得的標準直徑D1和標準轉(zhuǎn)速n計算出水輪機在最大水頭、設(shè)計水頭和最小水頭下的單位轉(zhuǎn)速n11
n11=■
按照計算所得的單位轉(zhuǎn)速在模型綜合特性曲線上找到各方案所穿越的效率區(qū)，選擇通過最高效率區(qū)域的方案。
2.4 水輪機運轉(zhuǎn)綜合特性曲線 在確定轉(zhuǎn)輪型號、轉(zhuǎn)輪直徑D1以及標準轉(zhuǎn)速n 后，結(jié)合模型水輪機綜合特性曲線，將水輪機的工作水頭范圍劃分為若干個區(qū)域，從中選取5個特征水頭進行列表計算，求出在各水頭下，原形水輪機效率與出力之間的關(guān)系，吸出高度與出力之間的關(guān)系，并在坐標紙上以原型水輪機效率或吸出高度和出力為縱橫坐標描出各點，最后用光滑的曲線將各點連接，得到η= f(P)、Hs=f(P)曲線，在曲線上做η=常數(shù)，Hs=常數(shù)的水平線，找出各點，對應(yīng)在以水頭，出力為縱橫坐標的圖上描點，最后用光滑的曲線將各點連接。
2.5 水輪機的最大吸出高度Hs
Hs=10-■-(σ+ΔσM)H
其中:
?犖為下游水面到海平面的標高;
H為凈水頭、包括最大，最小，設(shè)計水頭的五個特征水頭值;
Δσ為水輪機氣蝕系數(shù)的修正值，查參考資料確定;
σ為模型水輪機的氣蝕系數(shù)，由各水頭所對應(yīng)的的n11m在模型綜合特性曲線上與5%出力限制線相交，由各交點讀出。
由以上計算中選擇一個最小值作為最大允許吸出高度
水輪機的吸出高度直接關(guān)系著水輪機的氣蝕性能，在確定水輪機的安裝高程時，可以通過選擇合理的吸出高度Hs來控制轉(zhuǎn)輪出口處的壓力值，以防止翼型空化的嚴重發(fā)生。
2.6 水輪機安裝高程的確定 吸出高度Hs是一個相對值，無法反映出絕對高程，因此要確定安裝標記基準，就需要計算出水輪機的安裝高程。
水輪安裝高程為：?犖=?犖w+Hs+■
其中?犖w為下游尾水位;
b0為水輪機導葉高度。
3 待選方案的綜合比較
繪制出水輪機的運轉(zhuǎn)綜合特性曲線后，需對兩機組的各項性能進行比較，并最終確定單一方案。
確定最終方案的參數(shù)包括：
3.1 水輪機的比轉(zhuǎn)速ns：比轉(zhuǎn)速是水輪機的一個綜合指標，從動能和經(jīng)濟學的觀點看，提高水輪機的比轉(zhuǎn)速是有利的，但是空化系數(shù)會增大，水輪機易發(fā)生氣蝕。
3.2 轉(zhuǎn)輪標準直徑D1：D1直接影響到水輪機的出力，在滿足要求的前提下，D1越小，則轉(zhuǎn)輪體積越小，質(zhì)量也越小，成本相應(yīng)減小。
3.3 機組平均效率ηcp和最高效率ηmax：越高越好。
3.4 水輪機吸出高度Hs：水輪機的吸出高度直接關(guān)系著水輪機的氣蝕性能，在確定水輪機的安裝高程時，可以通過選擇合理的吸出高度Hs來控制轉(zhuǎn)輪出口處的壓力值，以防止翼型空化的嚴重發(fā)生。
3.5 水輪機的飛逸轉(zhuǎn)速np：飛逸轉(zhuǎn)速的大小將直接影響機組的安全和造價，因此盡量限制飛逸轉(zhuǎn)速的升高，以降低機組的重量和造價。
3.6 機組的受阻容量ΔN：越小越好。
4 結(jié)束語
正確的選擇水輪機對水電站的影響很大，它影響電氣設(shè)備的結(jié)構(gòu)、型式、布置，決定著水電站主廠房的尺寸，直接關(guān)系到水電的經(jīng)濟效益，成本投資，要保證所選擇的水輪機的轉(zhuǎn)速高，允許析出高度大，轉(zhuǎn)輪直徑小，機組臺數(shù)少，最大效率和平均效率高，氣蝕系數(shù)小，運行穩(wěn)定，可靠;制造、運輸、安裝等方便。
參考文獻：
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[4]王慶明.小型水電站機電設(shè)計圖集.中國水利水電出版社出版.
[5]水電站機電設(shè)計手冊.水力機械.手冊組編.
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