摘要：在化工、冶金、食品、电力等工业生产过程中，都有一些产生热量的工艺环节，在这些生产流程中需要对温度进行控制，即对生产过程中产生的热量进行吸收，达到降温的目的．为了节省宝贵的水资源，常采用循环冷却的方式进行冷却．这种循环冷却水系统在设计时换热器、管路、冷却塔布水器以及水泵都留有2%～5%的压力余能(水头)，系统中这些压力余能累积就有相当可观的剩余能量．如果将这些剩余能量加以利用，将会节约大量能源．关键词：超低比转数水轮机;余能利用;循环冷却水;水轮－风机组;水轮发电机;透平泵 引言
根据工业生产的需要，工业循环冷却水系统具有不同的构成方式，比较典型的循环水系统有冷热水串联系统、冷热水独立系统和循环水回水开敞式系统．但无论构成方式采用哪种形式，其系统余能一般在5～30m，少数可达到50m左右，都属中低水头余能系统．
1工业循环水系统的余能利用方式
1.1根据工业循环水余能不同，其余能利用方式也
应不同．大致可采用水轮－风机组余能利用方式、小型或微型水轮发电装置向外送电的余能利用方式和透平泵余能利用方式3种．水轮－风机组余能利用方式如果冷却塔处的可利用余能足以驱动风机，可开发专用超低比转数水轮机，与风机直联，组成水轮－风机组．目前，超低比转数混流式水轮机已经被广泛应用于工业循环冷却水的余能利用实践中，成为典型水轮机。
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1.2小型或微型水轮发电装置向外送电的余能利用方式
如果串联系统中余能较多，除驱动风机外还有开发利用的价值，或者串联系统中的余能不足以驱动风机，但有开发利用价值的，则可以考虑在合适的位置装1套小型或微型水轮发电机组，以向外供电．这时水轮机的布置位置要根据实际情况进行选择．可以布置在换热器出口，或布置在冷却塔进口处．
1.3透平泵的余能利用方式
当系统余能足以带动循环水泵时，可以通过水轮机利用余能来直接驱动循环水泵组成水轮机－水泵组，被称之为透平泵．当余能不足以单独驱动水泵但有开发价值时，可以在循环水泵的一端安装水轮机，另一端安装电动机，用水轮机和电动机同时驱动循环水泵，达到节能的目的．水轮机和水泵有2种常用的配置方式，即①水轮机直接驱动水泵，②水力透平辅助电动机驱动水泵．透平泵的原理与农业提水灌溉用的水轮泵相同，都是用水轮机代替电动机拖动水泵，从而达到节约电能或利用余能的目的．虽然水轮泵在提水灌溉和水力发电方面的应用逐渐减少，但透平泵在工业循环水余能利用方面却得到了很好的发展．利用工业余能的透平泵，其原动机部分可以用水轮机，也可以用反转水泵来代替水轮机，即水泵反转作透平．自20世纪30年代Kitteredge等首次发现泵反转可以用作透平以来，人们对液力透平的研究和应用逐步完善．因水泵具有结构简单、品种规格众多、价格低廉、无需重新开发、效率相对较高、维护检修费用低等优点，反转水泵作透平成为最主要的循环冷却水余能利用方式．
2关键技术
2.1水轮－风机组的关键技术
水轮－风机组的关键是专用水轮机的设计．水轮－风机组通过水轮机利用循环水余能代替电动机驱动风机，从而达到节能的目的．从水轮机尾水管流出的水流仍然保持一定的压能，进入布水器供喷嘴工作，并以足够的流速喷淋而下，与风机产生的风流作相反方向流动，从而得到冷却．整个水流系统是有压的，换热器、水轮机、喷嘴均串联在有压系统中，即进口水流有压，出口水流也有压．为保证循环冷却水系统的冷却效果，水轮机的转速和功率要和风机的额定转速和功率相匹配．因此，水轮机的单位参数由冷却水系统的剩余能量(即水轮机可利用水头)、冷却塔循环水量(即水轮机流量)和风机转速(即水轮机转速)来确定，由于风机转速低，决定了冷却塔水轮机具有典型的超低比转数特性．另外，因受到通风条件的限制，其平面尺寸不能太大．尽管水轮机应用于冷却塔经历了近11a的时间，目前有了性能较好的冷却塔专用水轮机，但人们对其认识还不够深刻，尤其是冷却塔专用水轮机都需要专门设计，成本较高、效率较低，不利于其推广应用．1)成本较高．循环冷却水系统中驱动风机用的水轮机，因其特殊工作环境，具有典型的超低比转数的特征，这决定了专用水轮机是超低比转数反击式水轮机，其适合的比转数为40～60m·kW．比较合适的机型是混流式水轮机．但常规发电水轮机比转数较高，目前已有的发电用混流式水轮机中，最低的比转数也在80m·kW以上，不能用常规发电水轮机与风机直联驱动风机，需要经过专门的设计．因此，不能批量生产，导致成本较高，不利于产品的推广．2)机型单一．目前，关于冷却塔专用水轮机一般都用超低比转数混流式水轮机，但这种水轮机的占地面积比较大，有些情况下过于扁平，加工困难．而轴流式水轮机和斜流式水轮机流道都是开敞式的，占地面积和加工困难的问题很容易被克服，但如何让这些原本是高比转数的水轮机实现超低比转数，还缺乏一套成熟的理论做指导，实践中也有一系列的问题需要解决．目前这方面的研究还是空白．3)缺乏对超低比转数水轮机内部流场的研究．超低比转数混流式水轮机是目前被广泛应用的机型，由于要与风机匹配，机型扁平，效率较常规发电水轮机低．目前，还缺乏对这种机型水力损失、内部流动规律等的深入研究．因此，利用理论分析、试验方法和CFD分析方法，开发设计出效率较高、能标准化生产的专用超低比转数水轮机是以后研究的方向．
2.2水轮机选型
水轮机选型是循环水发电系统设计的关键．水轮机的型式与参数的选择是否合理，将直接影响循环水发电系统的动能指标及运行稳定性、可靠性．循环水发电系统设计中水轮机的选型主要根据循环水系统的流量、水头以及循环水系统的布置方式等情况进行综合考虑，尽量选择工程实践中已有的机型，选择若干个方案进行技术经济比较，最终确定出循环水系统中水轮机或水轮发电机组的最佳型式与参数．循环水余能发电系统中水轮机选型的基本原则、设计的基本方法与常规发电水轮机相同．但根据循环水系统的实际情况可选择合适水轮发电机组的布置位置，由循环水系统中水轮机的可利用水头和流量可以选择水轮机的型式．因水轮发电机的转速一般不超过1500r/min，在水轮机选型时要注意:如果计算出水轮机的转速过高(超过3000r/min)，则要选用比转数较低的水轮机，以便能有与之相匹配的发电机．
3透平泵的关键技术
目前大量使用水泵反转作水力透平并直接驱动水泵来实现工业流程流体余压的回收利用，由于反转泵效率低、可工作范围窄，不但使余压回收效率低，还要使用昂贵的超越离合器．所以，研究效率高、工作范围宽并且稳定性好的新型水力透平是解决目前透平泵问题的关键
结语
对于水轮－风机组的利用方式，其关键在于水轮－风机组中水轮机的设计．但其专用水轮机的开发成本较高、效率较低、机型单一、缺乏对超低比转数水轮机内部流场的研究．因此，开发效率较高且能标准化生产的专用超低比转数水轮机是以后研究的方向．
参考文献
［1］袁野．高效消防水轮泵的设计及其稳定性分析［D］．江苏大学流体机械工程技术研究中心，2013．
［2］陈浩．液力透平泵的设计与研究［D］．江苏大学流体机械工程技术研究中心，2013．
［3］骆辛磊，徐建求．拓宽水轮泵概念发挥节能优势———关于水轮泵如何走出困境的思考［J］．中国水利，2008(4):65－66．
论文作者:成国平
论文发表刊物:《工程管理前沿》2019年第9期
论文发表时间:2019/8/15
标签：水轮机论文; 风机论文; 水轮论文; 水泵论文; 转数论文; 系统论文; 超低论文; 《工程管理前沿》2019年第9期论文;