水轮机技术在冷却塔系统中的应用

水轮机技术在冷却塔系统中的应用

发表时间：2018-08-13T15:18:30.493Z 来源：《建筑细部》2018年1月中作者：张煜[导读] 生产实践证明，优化节能控制系统保证水轮机工作性能的稳定，使节能效果达到最佳，同时还具有很好的推广应用价值。

河海大学能源与电气学院摘要：针对冷却塔风机的现状，在分析冷却塔风机闭环变频节能控制原理的基础上，设计人员开发了冷却塔风机优化节能控制系统。采用S7-200系列PLC和变频器技术，实现了变频调速风机的闭环控制；风机故障报警系统的有机结合实现了风机的安全控制。生产实践证明，优化节能控制系统保证水轮机工作性能的稳定，使节能效果达到最佳，同时还具有很好的推广应用价值。关键词：水轮机技术；冷却塔系统；应用引言

风机作为冷却塔降温的关键部件，循环水从冷却塔上端延填料落下时，冷却风机吸入大量空气，通过填料使循环水与空气有较充分的接触，并将循环水热量传递给周围空气，使水温降下来。但长期以来，化工工厂循环水冷却塔的高能耗耗问题却未引起足够重视，大部分老式冷却塔没有采用任何节能措施。由于冷却塔的设计散热量是根据在夏天最高温时，循环水系统最大热负载的条件下选定的。然而在实际设备运行时，由于季节、气候、工作负载的等效热负载等诸多因素都决定了机组经常是处于在较负荷的情况下运行，所以按工频运行的机组耗电通常是不必要且浪费的。通过采用变频控制，能够大幅度节约电能，并且对整个企业的节能减排起到正面的促进作用。

1、水轮机冷却塔工艺

（1）技术原理：对冷却塔进行了改造，将电动风扇改为涡轮风扇，水轮机的工作动力来自循环冷却水系统的重力势能和循环水泵的多余水头。运行中保证冷却塔的技术参数，循环水泵的能耗不变，风机的输出轴与风机直接连接，带动风机旋转，省去了原有的电机驱动风机系统，实现了节能降耗目的。

（2）工艺流程：取消冷却塔减速箱和电机→把冷却塔用水轮机安装在原减速箱基础上→安装原风机→连通进水管和水轮进口→连通布水器和水轮机出口（如图1所示）。

2、冷却塔风机使用中存在的问题 2.1、冷却塔风机的工作原理

冷却塔系统在全球范围内应用广泛，按照结构分为单体型和多单体组合型，按照水系统分为逆流型和交叉流动型，按照安全位置分为地面或者架设在屋顶等形式。设计方案主要受以下因素影响：①设施自身的冷却要求；②所处区域要求以及自身要求之间的平衡；③在火灾或者其他灾害时维持冷却性能的需要；④防火分隔或者隔墙限制火势发展的要求；⑤为人员提供通行的便利以及安装在屋顶架设的需要。

冷却塔性能测试和认证是一个复杂的过程。测试将各种隐患和自然灾害对其造成的影响等因素考量在内，其中包括：火灾、静态以及循环气流压力（比如风压）和大风卷起的碎片冲击（当冷却塔处于热带龙卷风地区时经常受到的体积较大碎片冲击）。如果处在地震带上，应当做好防震措施。

2.2、目前使用存在的问题

（1）为保证生产工艺的要求，一般在夏季开一个风机，大约循环水的温度可降低1℃。在其他季节打开风扇，将循环水温度降低2-4°C，根据安全生产的要求，水温应达到控制精度，现有的手动控制方法难以准确及时地控制水温，实现1℃的水温控制。打开水温通常超过2-4°C，而水温太低而不能打开2-4°C。由于水温的变化，反应速度与生产负荷，环境温度和风扇启动和停止的次数有关。实际运行时，水温不能及时准确调整。粉丝在夏季和其他季节的工作量过大，夜间冷却能力过高（昼夜温差）。人工叶片的角度调整需要关闭施工，不能及时调整和控制。频繁的满负荷风扇运行会导致水温低，造成电能的浪费。

（2）频繁启动这样的高功率器件会产生大的启动电流浪涌，导致能量浪费。大功率电机不适合频繁启动，电机存在安全隐患。一旦电机发生故障，恢复很困难，生产受到影响。如果在风机运行过程中发生超限报警，必须停止查找故障位置。然而，在塔内热水蒸汽的恶劣环境中很难找到故障，故障排除是在其他风力涡轮机的条件下进行的，不能可靠地断电。塔内温度高，湿度高，人身安全无法保证。通常情况下，没有发现隐患，并继续进行操作，存在安全风险。

3、水轮机在冷却塔系统中的应用 3.1、方案设计

由于该项目处于鄂尔多斯，该地区属于沙漠干性气候。昼夜与季节性温差很大，设备的设计散热负荷随着室外气温的变化而变化，夏季白天跟晚上温差达40%。如果冷却风机按工频额定转速运行，能耗巨大。同时在高温季节冷却风机的频繁启动，带来的数千安培的启动电流也会给整个装置的配电系统带来巨大的影响。因此笔者计划采用变频控制来解决上述存在的问题。

3.2、冲击式水轮机

现代水轮机按水能转换的特征分为反击式和冲击式。冲击式水轮机包括水斗式、斜击式和双击式，都属于低比转速或超低比转速水轮机。在单喷嘴单转轮情况下，水斗式水轮机比转速范围为10～20（m·kW制），斜击式水轮机的比转速在35～50（m·kW制），双击式水轮机的比转速在30～80（m·kW制）。从比转速角度考虑，斜击式和双击式水轮机的比转速与冷却塔水轮机要求的比转速范围40～60（m·kW 制）较接近，适用于冷却塔风机直联驱动。冲击式水轮机属于无压式水轮机，而冷却塔水轮机需要在有压串联水流系统中工作，所以冲击式水轮机不适用。如果把斜击式水轮机的喷嘴进水改为全周进水，能够适应有压水流系统，且有较高的效率，也不会发生振动。

现代水轮机在水能转换方面的特点是反击和影响。冲击式涡轮机包括料斗式，斜盘式和双击式，所有这些都属于低比速或超低比转速涡轮机。在单喷嘴单转子壳体中，佩尔顿水轮机的特定速度范围是10-20（m·kW制），倾斜水轮机的特定速度是35-50（m·kW制）。双击涡轮机的比例是双倍的。转速为30至80（m·kW制）。从比转速的角度来看，斜盘式和双联水轮机的具体转速接近冷却塔水轮机所需的40? 60（m·kW制）系统的具体转速范围，适用于直接驱动冷却塔风扇。冲击式涡轮机是无压涡轮机，而冷却塔涡轮机需要在增压系列水流系统中工作，所以冲击式涡轮机不适用。

3.3、单台冷却塔风机闭环节能控制方法

通过风扇的风量控制实现冷却塔稳定的出水温度，通过改变风扇运转速度可以达到风量。如图1所示，安装在冷却塔出口歧管上的带有变送器的温度传感器将出口温度信号转换成可识别的标准电流信号，并将其传输至可编程控制器模块进行逻辑分析。转换，将得到的值与预设温度参数进行比较，然后将控制信号发送给变频器调整风扇电机转速，使冷却水温度保持在一定范围内。当循环水系统出水温度高于设定值时，控制变频器增加风机转速或风机转速，以降低出水温度；当出水温度降低时，也可以控

制风扇速度或风扇的数量以降低出水温度。在一定范围内，这形成了一个闭环反馈控制系统。

结束语

由于变频器带V/F模式，与冷却塔系统所使用的普通的鼠笼式异步电机匹配良好，在近几年的实际运行中，该变频系统的合理运行方式，使电气设备处于一个优良的工况，不但减少了设备的停机和检修时间，还大大延长了设备的使用寿命，减少了设备运行的能耗，实现了设备节电、节水、节省人力的目标，最终达到系统高效率运的目的。

参考文献：

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[2]许志乾，安德鲁·沃克.冷却塔系统概况及其认证的必要性[J].消防技术与产品信息，2018，31（02）：88-90.

[3]冯会玲，刘洋，孙宸.水轮机技术在冷却塔系统中的应用[J].冶金能源，2017，36（06）：14-15+25.