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            水動風機(水輪機)冷卻塔

            發布日期:2017-01-20   點擊數: 2344

            水動風機的由來及可行性

            在被開發利用的能源中主要有熱能、水能、風能和核能,它們之中主要是轉換為電能,用于工業與民用之中。循環冷卻水中消耗的是電能,日常的運行成本中,除維護管理的少量費用之外,主要成本是電耗。

            機械通風冷卻塔的能耗

            冷卻塔的電能消耗主要為以下兩方面:

            1. 水泵的能耗

            水泵的能耗通常由兩部分組成,一部分是用水泵從熱水池取水,把熱水提升到冷卻塔內配水管網系統,通過配水管均勻配水;另一部分是水泵從冷卻后的冷水集水池中取水,把冷水提升到冷卻設備或產品的地方。如果需要冷卻的設備或產品位置較高,而冷卻塔的位置較低,則熱水靠重力流流入冷卻塔中進行冷卻,可省去熱水池和提升熱水的水泵。循環水系統來講,水泵的能耗包括這兩部分,如果有旁流處理系統和補充水系統,則也應包括在內。從熱水進入冷卻塔和利用熱水水力驅動風機來說,則指的是從熱水池取水把熱水送入冷卻塔內的水泵能耗。要使“水往高處流”,這部分的水泵能耗是必須的,也是難以節省的。

            2. 電動機驅動風機的能耗

            機械通風冷卻塔的風量是靠風機的風葉轉動來達到水冷卻所需要的設計風量,而風機是靠配備的電動機來驅動的,這部分能耗成為冷卻塔日常運行的主要成本。

            現以500t/h 逆流式標準型(Δt =5 ℃)冷卻塔為例,氣水比(G /Q 重量比)為0.68計,則風量G =340000m3/h ,配用風機直徑4000m m ,選用電動機為1815k W ,則冷卻塔運行一年以240d 計,電費以0.6 元/k W 計,這一年中500t/h 標準型冷卻塔一年消耗的能量(電能) 為106560k W ,計電費63936 元。某化肥廠冷卻水量30000m3/h , 配用3000m3/h 組合式橫流塔10 臺,每臺選用風機直徑8000m m ,配用電動機功率113.1k W ,按240d 計,則一年的電耗和電費分別為6514560k W 和3908736 元,即391 萬元/a ?梢娪秒妱訖C驅動冷卻塔風機消耗的電能和電費是相當可觀的, “水動風機冷卻塔”研究的就是是否可利用提升水泵壓能轉換為動能,推動水輪機與風機旋轉,達到相同的設計風量與冷卻效果的條件下,而省去電動機。

            冷卻塔水輪機驅動風機的可行性

            1 .提升水泵的揚程 水泵從熱水池取水,提升到冷卻塔配水管出口(含噴嘴出口)所需要的壓力由以下幾部分組成:

            1 )凈揚程(h 凈):

            水泵在熱水池吸水的最低水位標高至冷卻塔內配水管中心線的標高,稱為水泵需要的凈揚程,用H 凈(或h 凈)表示。例如,地面標高±0.00 計,水泵在熱水池中最低吸水水位標高為-2.2m ,冷卻塔內配水管中心的標高為12.8m (槽式、池式配水標高以水面計),則水泵的凈揚程h 凈=12.8 -(-2.2 )=15.0m 。

            2 )管路中的沿程水頭損失(h λ ):

            從水泵吸水管至冷卻塔內的配水管,水流在管道內流動過程中因摩擦產生的能量損失,稱為沿程水頭損失(h λ )。在相同管徑、 相同流量情況下,管道內壁光潔度越好,水頭損失越小,故塑料管、玻璃鋼管、復合管的水頭損失小于鋼管、鑄鐵管(含球墨鑄鐵管)。

            管內的流速與管道直徑成反比,沿程水頭損失與流速平方成正比,故流量不變的情況下,管徑越小,流速越大,水頭損失就增大。若在較長的輸水系統中,沿程各段的管道直徑可能是變化的,則應按管徑的不同分別計算沿程水頭損失(h λ ),最后相加得Σh λ 。對于冷卻塔來說,沿程的流量是不變化的,因此管徑也是相同的,故不存在分段計算。沿程水頭損失可根據管徑、流速、管道長度、管道材料查“水力計算表”而得。

            3 )局部水頭損失(h f )

            從水泵吸水管頭部起,管道系統中設有喇叭口、各種彎頭(管)、異徑管、閥門、止回閥、三通管等,水流流經這些部門均會造成能量損失,稱為局部損失,計算式為h f =ξ(V 2/2g )。因阻力系數ξ和流速V 不同,故各局部阻力h fi 是不相同的,把計算所得的各局部阻力損失相加,得系統中的總局部水頭損失Σh f 。

            綜上所述,水泵所需要的理論揚程為:

            2 .選用水泵的揚程

            式(8-1 )是設計計算所得水泵需要的理論揚程,但考慮到各種原因,其中包括可能產生的計算誤差,運行過程中管內壁粗糙度的增加、管道過水斷面的縮小等,均會增加能量的消耗而增加水頭損失,故設計單位在確定水泵揚程時,在理論揚程的基礎上再增加≥ 4m ,則設計單位確定的水泵揚程為:

            而實際選用的水泵揚程比式(8-2 )的要大,原因主要為以下兩方面:一是按式(8-2 )的揚程要求不容易選到水泵,如選小一些揚程的水泵,則不安全,故選用的水泵揚程比式(8-2 )的大;二是用戶單位在選用水泵時并不知道設計單位在理論揚程基礎上已加上≥ 4m ,因此在式(8-2 )的基礎上又增加了約5m 左右的揚程。所以實際選用的水泵揚程比理論揚程一般都大于5m 以上,稱為水泵的富余水頭,或稱為富余壓力。

            例如某400t/h 冷卻水的冷卻塔,計算結果的h 凈=13.5m ,Σh λ =2.8m ,Σh f =1.7m ,故水泵的理論揚程為H =13.5 +2.8 +1.7 =18m ;現若考慮確保安全,在理論揚程基礎上再增加5m 水頭,則水泵揚程為H =18m +5m =23m 。按原H =18m、Q =400t/h ,可選用10sh -13A 水泵,主要參數為:

            Q =342~482m3/h ;H =22.2~17.4m

            水泵軸功率N =25.8~28k W ;

            電動機軸功率N =40k W ;

            效率η=80 %, 83 %。

            現要求水泵揚程H =23m ,則選用10sh -13 水泵,主要參數為: Q =360~576m3/h ;H =27.0~19.0m

            水泵軸功率N =33.1~36.4k W ;

            電動機軸功率N =55k W ;

            效率η=80.0 %~86.0 %。

            10sh -13 水泵特性曲線,當流量Q =400m3/h 時,水泵的揚程(壓力)為26m ,因此水泵的實際富余水頭為8m 。電動機功率增加了15k W 。

            按標準型(Δt =5 ℃)400m3/h 低噪聲冷卻塔,配用的風機直徑為3800m m ,轉速為n =165r/min,風量G =185000m3/h,配用的電動機功率為N =715kW,F按Q =400m3/h ,水泵富余水頭8m 為例,能產生715k W 的軸功率使水輪機驅動風機轉動,達到設計的風量,則就可省去715k W 的電動機,達到節約能量的目的。

            利用水泵富余水頭H 產生推動水輪機轉動的有效軸功率計算式為:

            式中 γ——水的密度(kg/L 或kg/m 3 ),1m3 ·H2O =1000kg ;

            Q——水泵的流量(m3/s);

            H——水泵的富余揚程(m );

            η——水輪機的效率,越高越好,現研制的推動冷卻塔風機的最高效率可到88 %,一般為70 %~80 %左右。 如果式(8-3)中不除以102 ,則單位為(kg·m)/s ,故1k W =1.36 馬力,所以除以102 得功率的單位為k W 。因水的密度γ =1000kg/m3 ,則1000/102 =9.804 ,代入式(823 )得:

            現按上述:Q =400m3/h ≈ 0.1111m3/s;H =8m ;水輪機效率η=85 %~88 %。代入式(8-4 )中,得N效= 7.41~7.67k W ,而原配的驅動冷卻塔風機的電動機功率N =7.5k W ,這說明利用水泵的富余水頭來推動水輪機驅動風機轉動,達到設計要求的風量和冷卻效果,是可能的和可行的,關鍵是要研制高效的、符合冷卻塔中推動風機轉動達到設計轉速的水輪機。

            水輪機的選型

            水輪機冷卻塔概述

            水輪機是一種把水流能量轉換成旋轉機械能的動力機械。在水力發電中利用水電站的水頭和流量作功,即水輪機通過主軸帶動發電機將旋轉機械能轉換成電能。水輪機的基本工作參數為水頭H、流量Q、出力P、效率η、轉速n 。

            按水流對轉輪作用方式的不同,水輪機可分為反擊式水輪機和沖擊式水輪機兩大類,每類又分為若干形式,各種水輪機及其應用水頭范圍見表8-1 。

            1. 反擊式水輪機 反擊式水輪機轉動區內的水流在通過轉輪葉片通道時,始終是連續充滿整個轉輪的有壓流動,并在轉輪空間曲面形葉片的約束下連續不斷地改變流速的大小和方向,從而對轉輪葉片產生一個反作用力驅動轉輪旋轉。當水流通過水輪機后,其動能和勢能大部分被轉換成轉輪的旋轉機械能。

            1 )混流式水輪機(見圖8-1 )

            混流式水輪機的水流從四周沿徑向進入轉輪,然后近似以軸向流出轉輪;炝魇剿啓C應用水頭范圍較廣,約為20~700m 。結構簡單,運行穩定且效率高,是現代應用最廣泛的一種水輪機。

            2 )軸流式水輪機(見圖8-2 )

            軸流式水輪機的水流在導葉與轉輪之間由徑向流動轉變為軸向流動,而在轉輪區內水流保持軸向流動,軸流式水輪機的常用水頭約為3~50m 。軸流式在中低水頭、大流量場合中得到廣泛應用。根據轉輪葉片在運行中能否轉動,又可分為軸流定槳式(水輪機的轉動葉片是固定不動的)和軸流轉槳式(葉片可根據運行的改變而轉動)兩種。前者結構簡單、造價較低,但在偏離設計工況運行時效率會急劇下降,故一般用于水頭較低、出力較小及水頭變化幅度較小的場合;后者擴大了高效率區的范圍,提高了運行的穩定性。但需要一個操作葉片轉動的機構。因而結構較復雜,造價較高,一般用于水頭、出力均有較大變化幅度的場合。

            3 )斜流式水輪機(見圖8-3 )

            斜流式水輪機水流在轉輪區內沿著與主軸成某一角度的方向流動。斜流式水輪機的轉輪葉片大多做成可轉動的形式,具有較寬的高效率區,適用于水頭在軸流式與混流式水輪機之間,約為40~200m 。斜流式水輪機是在軸流轉槳式水輪機基礎上改進而來,其結構形式及性能特征與軸流轉槳式 水輪機類似,但由于其傾斜槳葉操作機構的結構特別復雜,加工工藝要求和造價均較高,一般在大中型場合使用,但應用不普遍。

            (4 )貫流式水輪機(見圖8-4 )

            貫流式水輪機是一種流道近似為直筒式的臥軸式水輪機,它不設引水蝸殼,葉片可做成固定的和可轉動的兩種。它的優點是流道平直、過流量大、效率高。但由于轉動葉片外緣的線速度大、周線長,因而旋轉密封困難。目前這種機型已很少使用。

            2. 沖擊式水輪機

            沖擊式水輪機的轉軸始終處于大氣中,來自壓力鋼管的高壓水流在進入水輪機之前已轉變成高速自由射流,該射流沖擊轉輪的部分輪葉,并在輪葉的約束下發生流速大小和方向的改變,從而將其動能大部分傳遞給輪葉,驅動轉輪旋轉。在射流沖擊輪葉的整個過程中,射流內的壓力基本不變,近似為大氣壓。沖擊式水輪機按射流沖擊轉輪的方式不同可分為水斗式、斜擊式和雙擊式三種。

            1 )水斗式水輪機(見圖8-5 )

            水斗式水輪機亦稱切擊式水輪機。從噴嘴出來的高速自由射流沿轉輪圓周切線方向垂直沖擊輪葉。這種水輪機適用于高水頭、小流量的場合,特別是當水頭超過400m 時,由于結構強度和氣蝕等條件的限制,混流式水輪機已不太適用,則常采用水斗式水輪機。

            2 )斜擊式水輪機(圖8-6 )

            從噴嘴出來的自由射流沿著與轉輪旋轉平面成一角度的方向,從轉輪的一側進入輪葉再從另一側流出輪葉。與水斗式相比,其過流量較大,但效率較低,因此這種水輪機一般多用于中小型場合,適用水頭20~300m 。

            (3 )雙擊式水輪機(圖8-7 )

            從噴嘴出來的射流先后兩次沖擊在轉輪葉片上。這種水輪機結構簡單、制作方便,但效率較低,轉輪葉片強度差,適用于單機出力小于1000k W 場合,適用水頭為5~100m 。

            雙擊式水輪機的轉輪由兩個圓盤和一定數量的葉片組成。

            葉片形狀為圓弧形或漸開線形,后者效率高,但制造工藝較復雜。水輪機的效率與葉片數目有關,在一定范圍內,葉片越多,效率越高,負荷變化時效率變化也越小。

            雙擊式水輪機轉輪直徑是指轉輪于射流中心線相切處的節圓直徑。其過流量主要與轉輪寬度有關,可按照流量的變化,來選定相應的轉輪寬度。因此,轉輪的直徑和轉速,可在較大的范圍內進行選擇,這樣就能制造直徑小、轉速高、成本低的雙擊式水輪機。

            水動風機冷卻塔水輪機選型

            1 .選型要求 用于冷卻塔內推動風機轉動的水輪機,由于冷卻塔本身要求和條件的限制,不是上述介紹的水輪機均可適用,而應根據要求進行分析研究后選型。用于冷卻塔水輪機的基本要求為:

            1 )水頭(H )低、流量(Q )小。

            冷卻塔的大小是由循環冷卻水量來決定的,一般在100~3000t/h ,再小的有50~30t/h 等,再大的有4000t/h 。這按秒流量計一般為0.0278~0.833t/s 。與水力發電的水量相比,是很小的流量;從水頭來看,用于冷卻塔的水輪機水頭是利用提升水泵的富余水頭,其可利用水頭的范圍為H =4~20m ,通常為5~15m ,這與水力發電的峽谷、庫區等水位小得多。

            因此,用于水動風機冷卻塔的水輪機,應是低水頭、小流量的水輪機才能符合要求。高水頭大流量的肯定不適用。

            2 )體積小,阻力少

            冷卻塔中風機的軸功率等于風經過冷卻塔各部分阻力的總和。風機設在風筒下部始端,原用電動機帶動風機時,風機由設在風筒頂端的支架固定,F采用水輪機驅動風機,水輪機設在冷卻塔配水管以上由中間進水管頂端,水輪機立軸與風機相連接,省去了原來的風機支架,水輪機、風機的重量均由中間進水管承受。省去了風機支架,減少了支架的通風阻力,但增設了水輪機,則增加了水輪機的阻力,如水輪機體積大,則阻力也增大,故要求水輪機體積盡可能小,以減小阻力,有利于驅動水輪機。

            3 )能耗省、效率高

            水泵的剩余(富余)水頭是有限的,要用來推動水輪機驅動風機轉動,達到設計的轉速和風量,這就要求充分地利用富余水頭的能量,水輪機的轉輪要輕,阻力要小,能耗要省。同時要求水輪機的效率要高,盡可能達到80 %以上,以提高水輪機的有效軸功率。

            4 )立軸式安裝

            風機葉片處在同一水平面,風機軸與葉片垂直,而水輪機必須是立軸式布置,而且應是小型水輪機。立軸布置還可以降低進水管水頭損失,提高水輪機效率。

            5 )便于安裝維護

            水輪機是金屬體,有一定的重量,又安裝在冷卻塔內上部正中,因此有一定的難度。小塔的水輪機可能人工就位安裝,但大塔的水輪機必須用機械吊裝就位,故要求水輪機重量輕、便于安裝。同時水輪機位于塔內上部,投入運行后維護修理很不方便,所以維護修理要少、工作量要小。

            還有其他方面的要求,不多論述了。

            2 .水輪機選型

            根據上述要求,對照表821 中水輪機形式和適用的水頭范圍,只有反擊式中的軸流式、 貫流式和沖擊式中雙擊式符合水動風機水輪機選型范圍,故其他形式一律不予考慮。

            反擊式水輪機的水流始終是連續充滿整個轉輪的有壓流動。軸流式水輪機的常用水頭范圍為3~50m ,符合水動風機水輪機的要求,但它適用于大流量,在大型水電站中使用,其模型水輪機流量為0.835m3/s 和1.236m3/s 。而3000t/h 冷卻塔的流量為0.833m3/s ,軸流式水輪機在實際應用中的流量均> 10m3/s ,因此不宜用作水動風機水輪機。

            貫流式水輪機的適應水頭為2~30m ,很適用于水動風機水輪機,但是貫流式水輪機的主軸都采用臥軸布置形式,如要布置成立軸式,則增加結構的復雜性,而在冷卻塔內安裝則要求簡單、體積小,故基本上不考慮。

            這樣只剩下沖擊式中的雙擊式水輪機(見圖8-7 ),其適應水頭為5~100m ,水動風機水輪機的水頭在此范圍內。其比轉速n s =35~150 ,甚至更高,比轉速也稱比速,其含義是:在1m 水頭下,產生1k W 功率時的水輪機轉速。比轉速n s 是一個綜合性參數,它集中反映了水輪機的轉速n、水頭H 和出力N 之間的關系,表示一個水輪機系列的特征。

            在水頭和出力相同的情況下,n s 愈大,轉速n 愈大,則機組尺寸愈小,機組造價低;在水頭和轉輪直徑相同的情況下,n s 大的水輪機可發出更多的出力(即出力大)。在沖擊式水輪機中,單噴嘴水斗式水輪機比轉速≤ 30 ;斜擊式水輪機n s =30~70 ;而雙擊式水輪機n s 為最高。而且適用于發電量1000k W 以下,即流量(Q )小,適應冷卻塔的水流量。

            同時雙擊式水輪機兩次沖擊轉輪上葉片轉動葉輪,結構也簡單,便于制作。綜合上述,選用沖擊式中的雙擊式水輪機作為水動風機水輪機,但根據冷卻塔的特點和需要,在現雙擊式水輪機基礎上進行適當而必要的改進和提高,如各種類型的冷卻塔,其冷卻水量和富余水頭基本上是不變的;雙擊式水輪機的轉輪始終處于大氣中,在噴嘴射流沖擊輪葉的整個過程中,射流內的壓力基本不變,近似為大氣壓。這對于冷卻塔中槽式、池式配水系統來說是符合的,但對管式配水系統來說,配水管內也是有壓的,即水流通過轉輪葉片流道及進口與出口始終是連續的有壓流動,這又是反擊式水輪機的特性,故對雙擊式水輪機用于冷卻塔水動風機中需進行改進和重新設計。

            結合圖8-7 ,因水泵富余水頭H 和冷卻水量Q 基本上是不變的,不存在流量和壓力的調節,故可取消調節閘板3 和舵輪4 ;噴嘴為矩形過水斷面,斷面的大小決定于流速V 的大小,有利于高速射流的動能傳遞給輪葉,驅動轉輪按設計轉速n 轉動;為提高效率,應適當增加葉片,并把葉片形狀做成漸開線形等。

            水輪機工作原理

            水輪機冷卻塔的工作參數

            水輪機的工作參數主要有:水頭H (m );流量Q (m 3/h 或m 3/s );出力P (k W );效率η(%);轉速n ( r/min );水流速度V (m/s );水的密度γ,γ 值為1000kg/m3 或9810N/m3 等。

            1 .水頭H (m ):

            水輪機的水頭(工作水頭),是指水輪機進口和出口截面處單位質量的水流能量差。進入冷卻塔內水輪機的水頭是提升水泵的富余水頭H c (也稱毛水頭),從水輪機進口到出口在轉輪中的水頭損失為Δh ,則水輪機的工作水頭為:

            H 又稱水輪機的凈水頭,是水輪機做功的有效水頭。在冷卻塔中,水泵是根據冷卻水量和需要的揚程選定的,在流量Q 不變的前提下,H 是個不變的定值,不像水電站那樣存在最大水頭H max ,最小水頭H min 和加權平均水頭H W 。H 也是水動風機水輪機的設計水頭,即水輪機的效率水頭。

            2 .流量Q (m3/s)

            水輪機的流量是單位時間內通過水輪機某一既定斷面的水流體積,通常用Q (m3/s )表示。在額定水頭下,水輪機以額定轉速、額定出力運行時所對應的水流量,稱為設計流量,對水動風機水輪機來說,就是冷卻塔的設計冷卻水量(m3/h )。

            3 .轉速n (r/min )

            水輪機的轉速是水輪機轉輪在單位時間內旋轉的次數,用n 表示,常用單位為r/min 。冷卻塔中,水輪機是立軸安裝,直接與風機軸連接,水輪機與風機同步旋轉,故水輪機與風機的轉速是相同的。

            4 .出力P (k W )與效率η(%)

            水輪機出力是水輪機軸端輸出的功率,常用P 表示,單位為k W 。

            水輪機的輸入功率為單位時間內通過水輪機的水流總能量,即水流的出力,用P n 表示,則P n 為:

            由于水流通過水輪機時存在一定的阻力、摩擦等的能量消耗,所以水輪機出力總是小于水流出力P n 。水輪機的輸出功率P (即出力)與輸入功率P n (水流出力)之比為水輪機效率,用ηt 表示,因存在能量損耗,故ηt < 1 。

            因此,水輪機的出力P 計算式為:

            這里需要說明的是式(8-6 )、(8-8 )與前述的式(8-3 )、(8-4 )的一致性,這里水輪機的出力(P )實際上是軸功率(常用N 表示),單位均為k W 。水的密度為1000kg/m3 。

            式(8-6 )中9810N/m3 ,是用N 表示,故9810/1000 =9.81 。式(8-3 )中如不除以102 ,則有效軸功率為N 效=γ·Q·H·η,其單位為(kg·m )/m3 。1k W =102 (kg·m )/s ,故γ/102 =1000/102 =9.804 ,這就是式(8-4 ),即N 效=9804Q·H·η(k W )。它的誤差僅為(9.81 -9.804 )/9.81 =0.06 %,故是一致的,兩種計算均可使用。

            水輪機是將水能轉化為水輪機軸端的出力(軸功率),產生旋轉力矩M 用來克服風機的阻抗力矩,并以角速度ω=2πn /60 旋轉。水輪機出力P 、旋轉力矩M 和角速度ω 之間的關系為:

            式中 ω——水輪機旋轉角速度(rad/s );

            M——水輪機主軸輸出的旋轉力矩(N2m );

            N——水輪機轉速(r/min )。


            水輪機冷卻塔的水流運動合成與分解

            當水輪機處于某一穩定情況時,其工作水頭、 流量和轉速都不變(用于冷卻塔中的水輪機就處在此狀態下工作。一般來說,H、Q、V 均是不變),并認為:水流在蝸殼、導水管、尾水管中的流動,以及在轉輪中相對于轉動葉片的運動,也都是恒定運動,則此時水輪機內的水流運動,可以看作是不隨時間而變化的恒定流動,但仍是空間的三元流動,目前還難以用數學公式來精確地描述。

            通常,采用速度三角形來分析穩定情況下水輪機內的流動。水流質點在轉輪內的復合運動,可分解成兩種運動:一種是水流質點從轉輪進口沿葉片流道至轉輪出口的流動,稱水流相對于轉輪的相對運動;另一種是水流質點同時隨轉輪的轉動而旋轉的圓周運動,稱牽連運動。對地球而言,水流在水輪機內的運動是上述兩種運動的復合運動,稱絕對運動。水輪機中某一點的水流運動情況可用該點的速度三角形來描述。速度三角形是流場中同一點的速度與分速度按平行四邊形法則構成的向量三角形。轉輪進、出口處的速度三角形,是研究水輪機工作過程和進行轉輪水力設計的工具。

            轉輪中的水流運動可看成上述相對運動與圓周運動(或稱牽連運動)的合成。根據這個特點可以用下列速度構成速度三角形:絕對速度V,即在靜止地面上看到的水流速度;相對速度W,即隨轉輪運動時見到的水流速度;圓周速度U,即考察點隨轉輪轉動時的線速度,其值為:

            式中 U——圓周速度(m/s);

            D——考察點所在圓周直徑(m );

            N——水輪機轉速(r/min )。

            若用速度關系表示,則有:

            構成的速度三角形如圖8-8 (a )。

            在實際應用中為了分析的方便又常把絕對速度沿圓周速度方向和垂直于圓周速度的方向正交分解,可得到兩個分速度[圖8-8 (b )]:


            1 .速度的圓周分速度Vu ,即絕對速度按正交分解在圓周速度方向的分速度,稱絕對速度圓周分速度。

            2 .軸向速度Vm ,即絕對速度按正交分解在軸向平面上的分速度,因Vm 在軸平面上,故Vm 稱為軸向速度。若用速度關系表示,則有:

            構成的速度三角形如圖8-8 (b )所示。在轉輪的水力設計時,或當分析水流在轉輪中的流動,常常要應用到這兩個速度分量。


            水動風機冷卻塔水輪機的工作原理

            雙擊式水輪機從噴嘴出來的水流射流,先后兩次沖擊在轉軸葉片上,其工作原理基本上如圖8-9 所示。圖中繪出了兩次沖擊的速度三角形的分析,F從力學的動量矩、合力矩及水輪機的功率來分析工作原理。

            根據動量矩原理,在單位時間內,動量矩等于外力的合力矩,按圖8-9 所示的速度三角形和力的分析,流量Q 是不變的,C1、C2、C3、C4分別為速度三角形中的絕對速度,L1、 L2、L3、L4分別與絕對速度垂直的距離,則合力矩M 為: M =QC1L1 +QC2L2 +QC3L3+QC4L4 (8-13 )

            為獲得高的、理想的葉輪效率,設計要求在葉輪的出口處未被利用的能量盡量小,即要求下一個葉片出口處的絕對速度C4 趨向于零,即QC4L4 → 0 ,則式(8-13 )成為: M =QC1L1 +QC2L2+QC3L3 (8-14 )

            式(8-14 )中,QC3L3是出口的動量矩,QC2L2是入水口的動量矩,由于能量的轉換需要,前者是減小的,后者是增加的。從圖8-9 可見:L2 =L3 ,C2 =C3 ,Q 相等,則QC 2L2 =QC3L3 ,即互補為零,則葉輪的實際動量矩是最終剩下來的葉片入口動量矩M =QC1L1 。轉輪進口水流絕對速度的方向角為α1 ,根據力學動量矩相等原則得: M =QC1L1 =QC1R1cosα1 (8-15 )

            水輪機出力P (即功率)是角速度ω 與動量矩的乘積,則得: P =ωM =ωQC1R1cosα1 (8-16 )

            水輪機輸入功率為γ·Q·H ,則式(8-16 )成為: P =ωM =ωQC1R1cosα1 =γ·Q·H (8-17 )

            水輪機的效率為η,則有效軸功率為: P效=ωMη =ωQC1R1cosα1η=γ·Q·H·η=9.81Q·H·η (8-18 )

            式中符號同前。

            上述計算式說明質量流量在能量轉換前后沒有變化,從式(8-18 )可見,水輪機的軸功率與Q·H·η成正比。對冷卻塔來說,各種規格的冷卻塔其設計的冷卻水量(Q )是定值,則P 與H 和η 成正比,故要求新研制的用于驅動冷卻塔風機的雙擊式水輪機效率η要高。同時H 越大,則軸功率也大,但這里的H 是指提升水泵的富余水頭,對于在使用的老塔來講,水泵早已選好,如果水泵的富余水頭能達到水輪機的軸功率和設計的轉速,則此冷卻塔可以改造,用水輪機來驅動風機,替代原來的電動機驅動風機,達到節電節能的目的。反之,則不能改造。

            綜合上述,用于冷卻塔水動風機的雙擊式水輪機如圖8-10 所示,與用于水力發電的水輪機相比,是很小的水輪機,可稱得上是“微型”水輪機,實際上比水電站的模型水輪機還小。水流經過水輪機的阻力損失視水輪機及Q、H、V 的大小有所不同,對于冷卻塔中采用槽式、池式配水系統來說,水輪機出水具有自由表面,阻力損失很小,相對來說水輪機效率高;對于冷卻塔采用管式配水來說,水輪機出水為壓力流,阻力損失一般在0.5m 左右,則水輪機效率相對低些,即出力P 會小些。但只要達到設計的軸功率和轉速,就能保證風量和冷卻效果。關鍵是軸功率,即為9.81·Q·H·η值。

            水輪機冷卻塔的動力分析

            根據水輪機工作水頭的定義和伯努利能量方程,在水輪機入口立過水斷面1-1 ,水輪機出口立過水斷面2-2 ,則存在單位質量水體的能量E1和E2 ,得基本能量表達式為:

            式中 E——單位質量水體的能量(m );

            Z——相對某一基準的位置高度(m ),稱為某截面的水流單位位置勢能,即比位能;

            P——相對壓力(N/m2或Pa ),P/γ稱為某截面的水流單位壓力勢能,即比壓能;

            γ——水的密度(9810N/m3 );

            α——斷面動能不均勻系數,計算中常取α1 =α2 =1 ;

            g——重力加速度(m/s2 );

            V——斷面平均流速(m/s ),αv 2/2g 稱為某截面的水流單位動能,即比能(m )。αv2/2g、P /γ與Z 的三項之和為某水流截面水的總比能。

            從式(8-22 )可見:水輪機的有效軸功率(出力)與流量的三次方成正比,與效率η成正比,而與水流過水斷面積F 的平方成反比。顯然,要提高水輪機的有效軸功率P 效,則要增加流量Q、提高效率η,縮小過水斷面積F 。冷卻塔中的流量Q 基本上是不變的,水輪機的效率η也在有限范圍內變化,一般要求達到80 %以上,因此水輪機的沖擊能量(動能)主要是靠縮小過水斷面積F、提高流速V 來實現的。

            水輪機在冷卻塔內安裝位置見圖8-11 (注:標準型逆流式圓形冷卻塔中的安裝位置)。水輪機立軸安裝,與風機軸直接連接,同步旋轉。原冷卻塔的進、出水管位于塔內的正中,既是進水管又是立柱,承擔布水管等重量,F進水管從上部穿過塔體水平進入水輪機,出發點是想減少阻力增加動能,但塔外進水管在某些場合會影響美觀,同時中間立管未充分發揮作用。故進水管從何處進入,視具體情況和不同要求而定。從圖8-11 可見: 采用水動風機水輪機基本上沒有影響原冷卻塔的部件和結構;并且減少了原設在風筒頂部的風機支架、電動機及其位置和傳動裝置系統。

            水動風機冷卻塔

            水輪機冷卻塔改造的基本原則和條件

            水動風機冷卻塔問世以來,首先用于對已有的電動風機冷卻塔的改造中。改造的基本原則和條件為:

            1. 不改變原來的設計水量和風量

            冷卻塔根據設計的冷卻水量,按設計的氣象參數、進出塔水溫差Δt、氣水比λ等,計算出設計風量G ,確定風機直徑和配用的電動機功率等。則改用水輪機驅動風機后,在冷卻水量保持不變的前提下,仍達到原來的冷卻風量和冷卻效果。也就是說,采用的水輪機軸功率達到原來配用的電動機功率,則風機的轉速、風量、冷效等均能達到。

            2 .冷卻塔的部件、結構保持不變

            無論是圓形逆流式機械通風冷卻塔,還是組合式方形逆橫式機械通風冷卻塔,其塔體都由上殼體(風筒及收縮段)、中殼體和進風口(窗)、底盤組成。塔體內自上而下為:風機支架(位于風筒頂部)、風機、收水器、布水(配水)系統、填料、填料支架。原電動機及傳動減速系統設在風筒外部(注:小型塔電動機在風機支架正中立軸安裝,與風機軸連接,同步旋轉),進、出塔水管設在塔內正中,F改造采用的水輪機設在風機與收水器之間(見圖8-11 ,圖中收水器未繪出,應在布水系統上面),水輪機體積小,安裝較方便,進水管可由原正中進入,也可在收縮段從外部水平進入?梢,冷卻塔原來的結構和部件基本均沒有改變,改造的工作量小,較方便簡單。

            3. 利用原有的提升水泵,不增加揚程

            原冷卻塔的提升水泵,是根據設計水量和需要的揚程(壓力)選用的,并考慮多方面的因素和選泵的實際情況,選用的水泵一般均有較富余的水頭。在電動機驅動風機的冷卻塔中,這部分富余水頭未被利用,實際上是被浪費了,F利用這部分水泵的富余水頭來推動水輪機驅動風機,達到相同的軸功率、轉速和風量,沒有調換水泵和增加揚程。如果水泵的富余水頭雖然能推動水輪機,但達不到軸功率(也達不到轉速和風量),則該塔就不能改造,即不能用水輪機代替電動機驅動風機。否則要調換揚程高的水泵,那么就不一定經濟和省電。

            4. 達到節能省電、降低噪聲、便于維護管理的目的

            利用水泵的富余水頭來推動水輪機驅動風機的首要目的是省去電動機、節省電耗、降低運行成本,同時達到降低冷卻塔噪聲和便于維護管理的目的。

            上述4 個方面的基本原則和條件,是相輔相成的,包含著對冷卻塔改造的出發點、動機和目的。

            水動風機冷卻塔的實踐

            利用水輪機驅動冷卻塔風機問世以來,首先用于對現有冷卻塔(通常稱為老塔)的改造中,至今已改造了100 多臺,多數為圓形逆流式玻璃鋼機械通風冷卻塔,部分為方形組合式逆橫流式玻璃鋼機械通風冷卻塔。其中有民用塔和工業塔,有標準型(低溫)塔和中溫塔,不少塔改造至今已運行3 年以上,一切正常,均達到了4 條原則中的第4 條目的,用戶普遍感到滿意。為更清楚地說明問題,現舉以下實例。

            【例1 】上海某研究所設2 臺200m3/h 玻璃鋼逆流式(圓形)機械通風冷卻塔,每臺塔的冷卻水供一臺8FS10 制冷機(134400kcal/h )進行冷卻,選用IS150-125-250 水泵3臺,2 用1 備,1 臺水泵供1 臺塔和1 臺制冷機。風機的有效軸功率為3.9k W ,配用的電動機為5.5k W 。提升水泵至冷卻塔配水管高度及沿程損失與局部損失是H =h 凈+h l +h f =11.7m 。

            IS150-125-250 為單級單吸懸臂式離心泵,主要參數為:

            Q1 =130m3/h ,H =22m ;Q2 =200m3/h ,H =20m ;Q3 =250m3/h ,H =18m 。

            配用電動機為Y180 M-4 ,功率N =18.5k W ,η=81 %,轉速為n =1460r/min 。

            則冷卻水量Q =200m3/h ,水泵揚程H =20m ,則富余水頭為H富=20 -11.7 =8.3m 。

            水輪機效率以85 %計,那么水輪機的有效軸功率為:

            P效=9.81 ×H ×Q ×η=9.81 ×8.3 ×0.056 ×0.85 =3.88k W ≈ 3.9k W

            改造至今近5 年來運行正常省去了2 臺5.5k W 的電動機,每年運行以240d 計,已節電為:

            5.5 ×2 ×240 ×24 ×5 =316800k W ,每1k W 以0.6 元計,節省19 萬元。用戶非常滿意。

            【例2 】河南某股份有限公司有同規格并列3 臺逆流式機械通風冷卻塔,兩邊的2 臺塔不進行改造,中間1 臺冷卻水量700m3/h 塔進行改造(用水輪機代替電動機驅動風機),該塔的基本情況為:Q =700m3/h ,風機直徑4.7m ,風機型號為JXLF-47 ,風機的主要參數為:風量G =31.8~64 萬m3/h ,全壓85~178Pa ,葉輪轉速10~280r/min ,葉片安裝角度8°~15°,葉片6 片,軸功率12.7~31.5k W ,配用電動機功率14~37k W ,減速機型號FZ-350 。

            配用的提升水泵型號為:12Sh-13A 雙吸離心泵,主要參數為:Q =551~810m3/h(0.153~0.225m3/s),揚程H =30~24m ,泵軸功率N =56.7~65.8k W ,配用電動機功率N =75k W 。轉速n =1470r/min 。查水泵特性曲線得Q =700m3/h 時,H =27m 。

            從水泵吸水水位至冷卻塔配水位高度約13.1m ,塔距水泵水平距離約50m ,沿管有3個異徑管,10 個彎頭和1 個閥門。沿程水頭損失和局部水頭損失之和(hl +hf)為2.8m ,則水泵實際需揚程H =h凈+hl +hf =13.1 +2.8 =15.9m 。富余水頭為27 -15.9 =11.1m ,水輪機效率以80 %計,則水輪機的有效軸功率為:                                           P效=9181 ×1111 ×011944 ×018 =16193k W

            風機轉速達到n ≥ 185r/min ,風量達到G =60 萬m3/h ,與左、右兩臺500m3/h 塔的比較見表8-2 。

            水輪機的軸功率,在η不變時,決定于流量Q 和水泵的富余水頭H ,這兩者是可以互補的,有的可能Q 小但H 大,有的可能Q 大但H 小,只要9.81 ×H ×Q ×η達到水輪機所要的軸功率,則就能進行改造。例如山西某有限公司,設計冷卻水量700m3/h ,采用2臺逆流式機械通風冷卻塔,每臺冷卻水量350m3/h 。但實際運行中總冷水量僅為530m3/h ,每臺塔冷卻水量只有265m3/h ,按設計水量缺少85m3/(h·臺)。但水泵總揚程H =45m ,冷卻塔高僅14m ,加上管道的沿程水頭損失和局部水頭損失,總和不會超過25m ,則水泵富余水頭≥ 20m ,以20m 計,水輪機效率以η=78 %,則水輪機的有效軸功率為:

            P效=9.81 ×H ×Q ×η=9.81 ×20 ×(265/3600 )×0.78 =11.3k W

            可見水輪機有效軸功率達到11.3k W ,遠大于實際所需要的有效軸功率,改造是成功的,也說明Q 與H 是可以互補的。

            水動風機冷卻塔的優特點

            用水輪機代替電動機驅動冷卻塔風機,在達到設計的冷卻風量和冷卻效果的前提下,與原電動機驅動風機冷卻塔相比較,有以下幾方面優特點:

            1. 塔體、結構、部件保持不變

            無論是安裝水輪機的新塔還是老塔改造,其原來的塔形(圓形逆流塔、方形組合塔、橫流塔)均保持原樣,無改變。內部的結構、 部件也無改變,僅在配水系統上部安裝了一臺與風機連軸的水輪機(入口與進水管連接),還省去了塔頂的風機支架、 電動機及變速傳動裝置系統。

            2. 節能節電、大幅度降低運行成本

            利用水輪機驅動風機的目的是省去驅動風機的電動機,在不增加提升水泵揚程的基礎上,利用水泵富余水頭做功,達到節能節電、大幅度降低運行成本的目的。

            現按標準型(即Δt =5 ℃)逆流塔為例來計算節能節電情況。按一年365d 中運行天數為250d 計,一天按24h 計,電費按0.6 元/k W 計,冷卻水量50~1000m3/h 共11 種規格,其1 年和10 年所節省的電能和運行成本費見表8-3 。如果一個循環冷卻水量為5 萬m3/h 的企業,則按上述數據計算,需要冷卻水量為3000m3/h 的塔近17 臺,每臺配用電動機功率為80.72k W ,則總功率為17 ×80.72 =1378.24k W ,需要支付電費494 萬元,則10 年為4940 萬元?梢娛欠浅?捎^的數字。

            3. 降低冷卻塔的噪聲

            冷卻塔按噪聲大小可分為標準型[65~75dB (A )]、低噪聲型[62~72dB (A )]、超低噪聲型[57~67dB (A )]3 種,均為A 聲計。大塔趨向上限,小塔超向下限。冷卻塔噪聲為:風機轉動產生的噪聲、淋水噪聲、風機、電機、傳動裝置共振產生的噪聲,有時共振產生的噪聲占了較重要的地位。

            現用水輪機取代了電動機、水輪機軸與風機軸直接連接,又省去傳動裝置系統,故基本上不存在共振,也就消除了共振引起的噪聲。更為重要的是,原風機支架設在風筒頂上,風機懸吊在風筒內,風機運轉時不僅整個塔體振動,而且風機的波動也大,現風機與水輪機連軸,支承在正中進水管上,穩定、振動小,故風機引起的噪聲也大幅度降低。如表8-2 所示,噪聲從75dB (A )降低到65dB (A ),從標準型成為低噪聲塔。

            冷卻塔的噪聲往往成為環境污染源之一,環保局對冷卻塔的噪聲有嚴格的要求和限制,一般安靜居住小區白天≤ 55dB (A ),晚上≤ 50dB (A )(注:減少5dB (A ),人的耳朵聽到的聲音減小一倍),因此對于飯店、賓館、影劇院等冷卻塔產生的噪聲,對周圍居住的居民影響較大,往往造成居民白天不能休息,晚上無法睡覺,投訴較多,F用水輪機取代電動機驅動風機,大幅度降低噪聲,具有明顯的環境效益和社會效益。

            4. 減少了維護管理工作量

            冷卻塔的日常維護管理,除適當時間更換填料、防止噴嘴堵塞和管道內異物沉積等之外,大量的、較多的是電動機、傳動變速系統的日常維護管理工作。如電機不轉、發熱、產生異常噪聲、達不到轉速;變速箱出現噪聲、齒輪磨損、皮帶打滑、油位太低等,F電機、變速裝置系統等均取消了,因此這些日常維護管理工作也不存在了,大大減少了維護管理工作量。

            從上述可見,取消電動機,用水輪機驅動風機,具有明顯的經濟效益、環保效益、社會效益和運行管理效益。

            水動風機節能分析與設計要求

            用水輪機取代電動機驅動風機,具有明顯的優特點,但不同規格的冷卻塔究竟具有多少富余水頭可以進行改造,如何理解水動風機冷卻塔的節能等,本節進行一些分析研究和討論,共同進行必要的商榷。

            冷卻塔水輪機軸功率及所需水頭

            1. 軸功率與需要水頭計算的說明與假設 因變化的因素很多,不少參數是有條件使用的,因此需作適當的說明和必要的假設,但有些假設條件可能偏高,也可能偏低,計算的結果與客觀實際會有一定出入。盡管如此,通過這些說明和假定所計算的結果,會得到一定的啟示,有一個粗略的了解和大致的應用范圍,是有一定的收益的。

            說明和假設大致如下:

            (1 )有些風機的軸功率,是可以從風機的樣本中根據需要的風量直接查到的。而有些風機樣本中,只有配用電動機的功率,沒有風機軸功率,則要把電動機功率換算成風機軸功率。而不同電動機的效率范圍很大,最高達到88 %;而小的僅為34 %,但大多數的電動機效率在70 %~80 %之間,小電動機效率一般均小于70 %,大電動機相對效率較高,計算中采用:小電動機效率以60 %計,偏中型的電動機以70 %~73 %計,偏大功率的電動機效率以75 %~80 %計。

            (2 )風機傳動裝置的效率,小塔(一般100m3/h 以內的),電動機立軸直接驅動風機,效率以100 %計;聯軸器直接驅動效率98 %計;三角皮帶(含齒輪)傳動95 %計。

            (3 )水輪機的效率變化幅度也較大,高的可達88 %,而低的僅70 %左右,一般小流量水輪機效率較高,大流量水輪機相對較低。同時水輪機效率還與冷卻塔配水形式有關。計算中小流量(小于200m3/h )塔效率按85 %計;300m3/h 以上塔水輪機效率按80 %計,都略偏高了一些。

            (4 )標準型塔(Δt =5 ℃)的風量按氣水比λ=0.65 計算;中溫塔(Δt =10 ℃)的風量按氣水比λ=0.85 計算。此氣水比值都在設計范圍內,是設計中接近采用的值。

            (5 )風機的有效軸功率是按風量直接從風機樣本查得或按配用的電動機功率換算得來。而水輪機做功需要達到風機軸功率所要的水頭(H ),是按風機軸功率N 計算而來,計算公式為:H =N /9.81 ·Q ·η,N 單位為k W ;Q 單位為m3/s;η單位為%。

            2. 水輪機所需要的計算水頭

            現按循環冷卻水量從50~4000m3/h ,以標準型塔(Δt =5 ℃)和中溫塔(Δt =10 ℃)兩種塔型,對水輪機達到冷卻風量所需要軸功率的水頭(H )進行計算,見表8-4 。

            通過計算,從表8-4 看,有以下幾方面的規律與特點:

            (1 )流量小的冷卻塔,水輪機軸功率所需要的H 相對小,隨著流量的增大,需要的H 也增加。Δt =5 ℃的塔,水量從Q =50m3/h , Q =4000m3/h ,需要的壓力水頭從7.5m左右上升到15m 左右;Δt =10 ℃的塔,水量從Q =50m3/h , Q =3000m3/h ,需要的壓力水頭從12.50m 左右上升到18.50m 左右。

            (2 )中溫型塔因風機需要的軸功率比低溫塔大,故相同流量的塔,水輪機需要的壓力水頭也大,多數要大3m 以上,故中溫塔水泵的富余水頭要比低溫塔水泵富余水頭大得多,否則H 不能滿足要求而無法改造。 (3 )低溫塔水量1500m3/h 以上的,水輪機需要的壓力水頭H > 13m ;中溫塔1500m3/h 以上的,水輪機需要的壓力水頭H > 16.5m 。一般水泵的富余水頭這么高是較少的,如水泵達不到此富余水頭,則較難改造。如果改造則風機轉速、風量和冷卻效果等可能達不到原來的要求。

            (4 )中溫塔(Δt =10 ℃)多數為中小型塔,大于1000 m3/h 的很少,基本上都是低溫塔。因此對塔的改造來說,主要是系列低溫塔,其次是中小型中溫塔。對于大于1000m3/h 的中溫塔,一是很少,二是水泵的富余揚程要大(> 16.5m ),因此不是改造的對象。

            表8-4 中計算所需要的水輪機壓力水頭H 值是建立在上述5 個假定條件基礎上的,實際情況有所不同,故存在著誤差,僅供參考。究竟能否改造,要根據當地塔的實際情況進行分析研究,計算確定。

            水輪機在新冷卻塔中的使用

            水輪機代替電動機驅動風機存在前述的4 個方面優特點,因此不僅用于老塔的改造中,也必然會與新冷卻塔配套使用,那么提升水泵揚程(壓力)如何確定,是否像老塔那樣從省去了風機電動機來說而達到100 %節能,對這些問題應進行分析和研究。

            1. 提升水泵的揚程

            在設計中,從熱水池把水提升到冷卻塔配水系統所需要的揚程,是按計算所得理論值再加4~6m 的富余水頭確定的。常用的富余水頭為4m 左右。按表8-4 的計算,此水頭做功是達不到水輪機所需要的軸功率的,則轉速、風量、冷卻都無法達到設計的要求。因此提升水泵的揚程必須滿足水輪機所需要的水頭(H )值,那么水泵的揚程如何確定,可分以下兩種情況討論:

            (1 )不考慮設計需要的富余水頭

            不考慮設計需要的富余水頭就是不另增加4~6m 的水壓,對水輪機來說,這4~6m的水頭也用來推動水輪機做功了,則水泵需要的揚程用公式表示為: H揚=h凈+Σ h1 +Σhf +h機。╩ ) (8-23 )

            式中 H揚———水泵揚程(m );

            h凈———水泵吸水池最低水位到冷卻塔配水系統高度(m );

            Σh1 ———從水泵吸水管到塔配水系統管道中的沿程水頭損失總和(m );

            Σhf ———從水泵吸水管到塔配水系統的喇叭口、閥門、彎頭等局部水頭損失之和(m );

            h機———水輪機軸功率所需要的水頭H (m )。

            設計考慮的4~6m 富余水頭是因考慮可能產生的計算誤差和今后管道粗糙度增加與沉淀物結垢,水頭損失增加而設的安全系數,F選泵揚程中未考慮該因素(注:改造塔中原有多余水頭全部利用了,也未考慮該因素)。從能量消耗來說,雖是節能了,但從運行、長期保持設計風量和水冷卻效果來說,欠較安全。

            (2 )考慮設計需要的富余水頭

            考慮設計的富余水頭是指水泵揚程達到水輪機軸功率所需要的水頭之后,還需增加4~ 6m 揚程。用公式表示為: H揚=h凈+Σh1 +Σhf +h機+(4~6)。╩) (8- 24 )

            水泵揚程比式(8-23 )多了4~6m ,考慮了可能產生的計算誤差和今后的阻力增加,故是偏安全的。

            以上兩種選泵揚程方式中采用哪種方式為妥,要視具體情況而定。例如,在設計計算相對較精確,基本不大會產生多大誤差的情況下,如果水泵提升系統的管道和配件采用的是塑料管和配件(PVC 、UPVC 、PE 、ABS 等)、鋼塑、鋁塑等復合管、玻璃鋼管等,這可考慮采用第一種選擇水泵揚程的方式。原因是上述水管內壁非常光滑,光潔度好,阻力很小,而且耐酸堿腐蝕、不易粗糙,也不易沉淀結垢而縮小過水斷面,故基本上可不考慮富余水頭或略考慮些即可。但如果管道系統采用的是鑄鐵管、鋼管,甚至鋼筋混凝管等,則要考慮今后阻力增大而消耗的水頭損失,選擇第二種水泵揚程的方式為妥。

            2. 節能情況分析

            假定設計的富余水頭定為5m ,按第一種選擇水泵揚程的方法,這5m 水頭也用來推動水輪機做功了,則按表8-3 、8-4 中電動機功率和風機所需的軸功率及需要的水頭來計算和分析節能的情況,見表8-5 。表中的節能是建立在已利用5m 富余水頭的基礎上,“需增加水頭”一項中的值是達到水輪機軸功率值“做功需要水頭”減去5m 得來的,這個增加水頭能做多少功立在“增加水頭做的功”一項中,然后把原風機配用的電動機功率減去“增加水頭做的功”,得到“減少的功率”,也就是節省的功率(電能),再除以電動機功率得節能的百分比值。

            由表8-5 可見:

            (1 )Δt =5 ℃的低溫型新塔,在利用5m 富余水頭(對塔來講即沒有考慮富余水頭)的情況下,除4000m3/h 塔(節能43.6 %)之外,節能均在50 %以上,高的達到近80 %。

            (2 )節能的基本規律為:中小型塔節能多,大塔節能少。表中可見,≤ 200m3/h 的塔,節能> 70 %;300~400m3/h 的塔,節能在60 %, 70 %;≥ 500m3/h 的(除1000m 3/h )節能在50 %左右?梢,Q 從小→ 大,節能從大→ 小。

            沒有考慮富余水頭,對塔的長期運行來說,缺乏安全感,時間長了,阻力會增大,摩阻損失增加,做功的水頭會減少,則會影響水輪機轉速、風量、水量和冷卻效果,故應適當地考慮富余水頭,F假定水泵的富余水頭仍為5m ,而這5m 水頭不考慮用于水輪機做功,那么節能的情況可參見表8-6 。表中、實際水頭可做功的功率、 一項中,小于150m3/h 的水輪機效率按η=0.85 計,大于150m3/h 的水輪機效率η=0.80 計。節能百分比是按“原配電動機功率”減去“實際水頭可做功的功率”,再除以“原配電動機功率”而得。

            從表8-6 可見:

            (1 )表中節能一項中有正值和負值(即正值為節能,負值不但不節能,反而增加能耗),表中最大的節能值僅為16.4 %,而反而增加能耗的高達19.82 %。存在既節能又耗能兩種情況。

            (2 )從表8-6 可見:水量≤ 400m3/h 的塔,在不利用5m 富余的情況下,還是節能的,但節能是有限的,一般不超過20 %;而水量> 400m3/h 的塔,在不利用5m 富余水頭的情況下,基本趨勢是反而增加能耗,高的近20 %。

            (3 )無論新塔還是老塔改造,只有充分利用提升水泵多余的5m 左右富余水頭,才能達到節能省電的目的,才有意義。否則,考慮要慎重,要通過計算根據是否節能作決定。

            對于中溫塔(Δt =10 ℃),除部分適合于老塔改造之外,其水泵的富余水頭要遠大于5m ,對新塔如不利用富余水頭來說,反而會增加能耗而不經濟,這里不再論述。

            水動風機冷卻塔節能分析與設計要求

            用水輪機取代電動機驅動風機,具有明顯的優特點,但不同規格的冷卻塔究竟具有多少富余水頭可以進行改造,如何理解水動風機冷卻塔的節能等,本節進行一些分析研究和討論,共同進行必要的商榷。







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