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反擊式水輪風(fēng)機(jī)在冷卻水塔的應(yīng)用
反擊式水輪風(fēng)機(jī)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(fēng)機(jī)的工作原理、應(yīng)用要求和運(yùn)行特點(diǎn)，并以在實(shí)際改造中應(yīng)用的例子為說明，進(jìn)一步闡述了反擊式水輪風(fēng)機(jī)應(yīng)用的可行性及節(jié)能效果。
關(guān)鍵詞：反擊式水輪風(fēng)機(jī);循環(huán)水泵;富余揚(yáng)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(jì)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(jī)冷卻風(fēng)機(jī)進(jìn)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(gè)噴頭，水自上而下流經(jīng)規(guī)整填料，后由風(fēng)機(jī)進(jìn)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(dá)到有更好的節(jié)能的目的，通過查閱資料對(duì)比反擊式水輪風(fēng)機(jī)冷卻的工作原理和適用場合后決定對(duì)其中的一臺(tái)冷卻風(fēng)機(jī)進(jìn)行技術(shù)改造，也即把原來由電機(jī)風(fēng)機(jī)冷卻改為直接由反擊式水輪風(fēng)機(jī)進(jìn)行冷卻。
1 反擊式水輪風(fēng)機(jī)的工作原理
反擊式水輪風(fēng)機(jī)的工作原理就是利用循環(huán)水泵本身固有的機(jī)械特性也即水泵的富余揚(yáng)程來推動(dòng)反擊式水輪機(jī)做功，再通過傳動(dòng)軸輸出功率進(jìn)而帶動(dòng)風(fēng)機(jī)對(duì)循環(huán)水進(jìn)行冷卻、降溫。
2 反擊式水輪風(fēng)機(jī)的應(yīng)用要求
從反擊式水輪風(fēng)機(jī)的工作原理我們可以知道，應(yīng)用反擊式水輪風(fēng)機(jī)主要是利用水泵的余壓來做功，因此在選擇水輪機(jī)的應(yīng)用時(shí)，保證水泵具有富余的流量和富余的揚(yáng)程是我們應(yīng)用水輪機(jī)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(yáng)程，而設(shè)置水輪機(jī)使阻力的增加又必然會(huì)導(dǎo)致流量的減少，因此從應(yīng)用反擊式水輪風(fēng)機(jī)來說，富余流量的存在起著至關(guān)重要的作用。
這里對(duì)于系統(tǒng)中所形成的充裕的富余流量，主要包含有在對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)的熱力學(xué)、傳熱學(xué)計(jì)算，從換熱設(shè)備熱負(fù)荷、換熱面積到整個(gè)循環(huán)系統(tǒng)中冷卻水需求量的各個(gè)環(huán)節(jié)均放有的一定的余量，再到水泵選型時(shí)富余量的考慮方面。
而同樣對(duì)于水泵的富余揚(yáng)程，通過查閱資料我們也可以得知，在水泵本身設(shè)計(jì)時(shí)所應(yīng)該具有的幾個(gè)方面，包括：從流體力學(xué)方面計(jì)算，在計(jì)算設(shè)備和管路阻損及提升高度、輸送距離的每個(gè)環(huán)節(jié)均放有的一定的余量;在計(jì)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(duì)水泵進(jìn)行選型時(shí)，因沒有恰好與選定參數(shù)一致的揚(yáng)程，而選擇揚(yáng)程較大的水泵;還有在對(duì)水泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)所需要考慮到的由于汽蝕、結(jié)垢等原因的影響而導(dǎo)致水泵的效率降低等，因此也都必須留有一定的富余揚(yáng)程，以保證設(shè)備的長期正常運(yùn)行。
綜合以上方面即是水泵的固有機(jī)械特性，也是我們選擇應(yīng)用反擊式水輪風(fēng)機(jī)的首要
條件。
3 應(yīng)用反擊式水輪風(fēng)機(jī)進(jìn)行冷卻的特點(diǎn)
首先，與傳統(tǒng)的電機(jī)風(fēng)機(jī)相比，反擊式水輪風(fēng)機(jī)的動(dòng)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(jī)的傳動(dòng)軸又可以直接與風(fēng)機(jī)相連，中間不需要再通過其他的減速器和傳動(dòng)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(fèi)用;其次，由于是單獨(dú)使用水輪機(jī)，其本身結(jié)構(gòu)也相對(duì)簡單，主要部件為葉輪，沒有易損件，維護(hù)起來也比較方便。
在風(fēng)機(jī)的主要性能冷卻效果方面，由于水輪機(jī)的轉(zhuǎn)速是隨著循環(huán)水流量的增減而增減，風(fēng)量亦隨之而增減，這在季節(jié)變化的時(shí)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(dá)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(jī)帶電而引起的各種安全隱患，這尤其在空分要求較為嚴(yán)格的防爆區(qū)域內(nèi)也可以保證其的安全運(yùn)行。
在環(huán)保方面，由于反擊式水輪冷卻風(fēng)機(jī)的應(yīng)用，在冷卻塔中省去了風(fēng)機(jī)電機(jī)和減速箱，因此可有效地降低因機(jī)械傳動(dòng)和摩擦引發(fā)的振動(dòng)和噪音，杜絕了漏油和機(jī)械維修，加上由于水輪機(jī)的能量轉(zhuǎn)換是在水流道上進(jìn)行，噪音也減小了很多，這些方面也都大大減少了對(duì)周圍環(huán)境的污染。
而對(duì)于在風(fēng)機(jī)的冷卻過程中所引起的飄水問題，由于水輪機(jī)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(bǔ)充水量，節(jié)約了相應(yīng)的水費(fèi)支出，另一方面也極大地降低了飄水所引起的對(duì)冷卻塔周圍環(huán)境的影響，更適宜風(fēng)機(jī)的長期連續(xù)運(yùn)行。
4 實(shí)施改造措施
通過計(jì)算對(duì)比我廠1000m3/h循環(huán)水塔的實(shí)際運(yùn)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(yáng)程(20m左右)，可以應(yīng)用于反擊式水輪風(fēng)機(jī)。
其具體的改造措施為：在不改變?cè)瓉淼娘L(fēng)筒和基礎(chǔ)上，取消原來電機(jī)、減速機(jī)與風(fēng)機(jī)的連接，取代之以水輪機(jī)與風(fēng)機(jī)的連接;在進(jìn)水管路的支配上，把由原來直接進(jìn)入收水器的水管，改為先經(jīng)過水輪機(jī)后再經(jīng)過收水器，同時(shí)也為了能更有效地對(duì)水輪機(jī)進(jìn)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(jìn)水之前都各自用一個(gè)截止閥門加以流量調(diào)節(jié)和控制。
5 實(shí)際改造效果
改造完成后，通過對(duì)循環(huán)水溫降的觀察和進(jìn)一步對(duì)比：改造前，開一臺(tái)風(fēng)機(jī)，冷卻水的溫降在7℃左右，運(yùn)行水輪機(jī)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(shí)際的運(yùn)行要求。
再后對(duì)循環(huán)水泵的運(yùn)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(duì)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(fēng)機(jī)在作為常溫冷卻水的冷卻方式時(shí)，只要在循環(huán)水系統(tǒng)中水泵本身具有充足的富余揚(yáng)程和富余流量且對(duì)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(jìn)行改造，這在水能的再次利用方面具有很高的價(jià)值并且達(dá)到很好的經(jīng)濟(jì)節(jié)能效益。
以我公司改造過的為例，一臺(tái)冷卻風(fēng)機(jī)的電機(jī)額定功率為45kW，以每年實(shí)際運(yùn)行時(shí)間350天計(jì)算，不包含計(jì)算其他節(jié)省的支出和維護(hù)費(fèi)用等，單純電耗每年約可節(jié)省45×24×350=378000kW・h，具有非常可觀的經(jīng)濟(jì)效益。
參考文獻(xiàn)
[1]于波，肖惠民.水輪機(jī)原理與運(yùn)行[M].北京：中國電力出版社，2008.
反擊式水輪機(jī)型號(hào)選擇計(jì)算研究【2】
摘要：水輪機(jī)的型號(hào)選擇是水電站設(shè)計(jì)中的一項(xiàng)重要工作，在水電站中，正確，合理的選擇水輪機(jī)，對(duì)充分利用水流能量，保證電站機(jī)組的正常運(yùn)行，降低成本，節(jié)約管理費(fèi)用等均有直接的關(guān)系。
關(guān)鍵詞：水輪機(jī)型號(hào) 轉(zhuǎn)輪 轉(zhuǎn)速 標(biāo)準(zhǔn)直徑
0 引言
由于自然條件的差異，每個(gè)水電站都有不同的水頭和流量，每個(gè)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(jià)低，經(jīng)濟(jì)上能獲得最大效益的水輪機(jī)，其內(nèi)容包括：機(jī)組臺(tái)數(shù)及水輪機(jī)型號(hào)確定、水輪及裝置方式的確定、轉(zhuǎn)輪直徑與機(jī)組同步轉(zhuǎn)速確定、機(jī)組運(yùn)轉(zhuǎn)綜合特性曲線的計(jì)算和繪制、水輪機(jī)最大吸出高度的計(jì)算和繪制和安裝高程的計(jì)算、待選方案的綜合比較。
1 機(jī)組臺(tái)數(shù)及水輪機(jī)型號(hào)確定
1.1 水輪機(jī)型式及轉(zhuǎn)輪型號(hào)確定
1.1.1 水輪機(jī)型式主要由所給出的原始數(shù)據(jù)，根據(jù)水輪機(jī)的應(yīng)用水頭范圍按下表進(jìn)行選擇。
1.1.2 水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪型號(hào)主要按照原始資料中的最高水頭查《混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪型譜參數(shù)表》，經(jīng)過初步比較判斷選擇多個(gè)型號(hào)的轉(zhuǎn)輪將其詳細(xì)參數(shù)記錄下來。
經(jīng)過對(duì)各機(jī)型參數(shù)的初步比較，選取上述部分水輪機(jī)機(jī)型進(jìn)行計(jì)算，記錄具體參數(shù)并復(fù)制相應(yīng)的模型綜合特性曲線。
1.2 機(jī)組臺(tái)數(shù)選擇 一般情況下各電站均不采用一臺(tái)機(jī)組的設(shè)計(jì)。
故在滿足處理要求的情況下，可采用2 臺(tái)、3 臺(tái)、4臺(tái)、5、6……臺(tái)機(jī)組的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行計(jì)算比較，并比較所得結(jié)果，最終確定所選擇的臺(tái)數(shù)。
2 水輪機(jī)基本參數(shù)計(jì)算
根據(jù)電站水頭選定水輪機(jī)型號(hào)后，利用轉(zhuǎn)輪模型綜合特性曲線計(jì)算水輪機(jī)的基本參數(shù)D1、n、Hs等。
分別對(duì)所選的模型水輪機(jī)按照所選擇的臺(tái)數(shù)進(jìn)行計(jì)算，求得轉(zhuǎn)輪直徑、機(jī)組同步轉(zhuǎn)速，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果最終確定機(jī)組臺(tái)數(shù)。
將確定臺(tái)數(shù)的機(jī)組方案畫運(yùn)轉(zhuǎn)綜合曲線作進(jìn)一步比較。
2.1 轉(zhuǎn)輪直徑
D1=■ N=■
其中：N為水輪機(jī)的額定出力;Z為所選定的機(jī)組臺(tái)數(shù);Nf為發(fā)電機(jī)的額定容量;ηf發(fā)電機(jī)的效率大型機(jī)組取ηf=96%~97%，小型機(jī)組取ηf=95%~97%;Q11為限制工況點(diǎn)上的單位流量;Hr為電站的設(shè)計(jì)水頭。
根據(jù)上部計(jì)算所得的直徑，查表確定水輪機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)直徑
2.2 計(jì)算水輪機(jī)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(jī)最優(yōu)工況下的單位轉(zhuǎn)速。
按照計(jì)算所得的原型水輪機(jī)轉(zhuǎn)速，結(jié)合發(fā)電機(jī)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(jī)的標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)速。
2.3 校驗(yàn)水輪機(jī)的運(yùn)行范圍 按照查得的標(biāo)準(zhǔn)直徑D1驗(yàn)證水輪機(jī)出力是否滿足要求
N=9.81Q11D12Hr■η 其中：η=ηm+Δη
當(dāng)N大于水輪機(jī)的額定出力時(shí)，說明D1符合要求;
按照查得的標(biāo)準(zhǔn)直徑D1和標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)速n計(jì)算出水輪機(jī)在最大水頭、設(shè)計(jì)水頭和最小水頭下的單位轉(zhuǎn)速n11
n11=■
按照計(jì)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(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)綜合特性曲線 在確定轉(zhuǎn)輪型號(hào)、轉(zhuǎn)輪直徑D1以及標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)速n 后，結(jié)合模型水輪機(jī)綜合特性曲線，將水輪機(jī)的工作水頭范圍劃分為若干個(gè)區(qū)域，從中選取5個(gè)特征水頭進(jìn)行列表計(jì)算，求出在各水頭下，原形水輪機(jī)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(biāo)紙上以原型水輪機(jī)效率或吸出高度和出力為縱橫坐標(biāo)描出各點(diǎn)，最后用光滑的曲線將各點(diǎn)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(diǎn)，對(duì)應(yīng)在以水頭，出力為縱橫坐標(biāo)的圖上描點(diǎn)，最后用光滑的曲線將各點(diǎn)連接。
2.5 水輪機(jī)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(biāo)高;
H為凈水頭、包括最大，最小，設(shè)計(jì)水頭的五個(gè)特征水頭值;
Δσ為水輪機(jī)氣蝕系數(shù)的修正值，查參考資料確定;
σ為模型水輪機(jī)的氣蝕系數(shù)，由各水頭所對(duì)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(diǎn)讀出。
由以上計(jì)算中選擇一個(gè)最小值作為最大允許吸出高度
水輪機(jī)的吸出高度直接關(guān)系著水輪機(jī)的氣蝕性能，在確定水輪機(jī)的安裝高程時(shí)，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(yán)重發(fā)生。
2.6 水輪機(jī)安裝高程的確定 吸出高度Hs是一個(gè)相對(duì)值，無法反映出絕對(duì)高程，因此要確定安裝標(biāo)記基準(zhǔn)，就需要計(jì)算出水輪機(jī)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(jī)導(dǎo)葉高度。
3 待選方案的綜合比較
繪制出水輪機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)綜合特性曲線后，需對(duì)兩機(jī)組的各項(xiàng)性能進(jìn)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(jī)的比轉(zhuǎn)速ns：比轉(zhuǎn)速是水輪機(jī)的一個(gè)綜合指標(biāo)，從動(dòng)能和經(jīng)濟(jì)學(xué)的觀點(diǎn)看，提高水輪機(jī)的比轉(zhuǎn)速是有利的，但是空化系數(shù)會(huì)增大，水輪機(jī)易發(fā)生氣蝕。
3.2 轉(zhuǎn)輪標(biāo)準(zhǔn)直徑D1：D1直接影響到水輪機(jī)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(jī)組平均效率ηcp和最高效率ηmax：越高越好。
3.4 水輪機(jī)吸出高度Hs：水輪機(jī)的吸出高度直接關(guān)系著水輪機(jī)的氣蝕性能，在確定水輪機(jī)的安裝高程時(shí)，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(yán)重發(fā)生。
3.5 水輪機(jī)的飛逸轉(zhuǎn)速np：飛逸轉(zhuǎn)速的大小將直接影響機(jī)組的安全和造價(jià)，因此盡量限制飛逸轉(zhuǎn)速的升高，以降低機(jī)組的重量和造價(jià)。
3.6 機(jī)組的受阻容量ΔN：越小越好。
4 結(jié)束語
正確的選擇水輪機(jī)對(duì)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(jì)效益，成本投資，要保證所選擇的水輪機(jī)的轉(zhuǎn)速高，允許析出高度大，轉(zhuǎn)輪直徑小，機(jī)組臺(tái)數(shù)少，最大效率和平均效率高，氣蝕系數(shù)小，運(yùn)行穩(wěn)定，可靠;制造、運(yùn)輸、安裝等方便。
參考文獻(xiàn)：
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[4]王慶明.小型水電站機(jī)電設(shè)計(jì)圖集.中國水利水電出版社出版.
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