水輪機在新冷卻塔中使用

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+Σh1+Σhf+h機m8-23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Hm。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。現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+4～6m8-24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：1Δt=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4000m3h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，≤200m3h的塔，節能70%；300～400m3h的塔，節能在60%，70%；≥500m3h的除1000m3h節能在50%左右。可見，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。現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150m3h的水輪機效率按η=0、85計，大于150m3h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≤400m3h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400m3h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。

冷卻塔內氣流能量及阻力

在冷卻塔的工作條件下，風機的通風量決定于冷卻塔的全部空氣動力阻力，而這一阻力等于風機的全風壓力。風機的工作點使以風機的特性曲線與冷卻塔的空氣動力阻力性能曲線的交點來表示。1、能量方程氣體在冷卻塔內的流動如同管道內流動相似，其連續性方程式是質量守恒原理在流體運動中的表現形式。氣體在進行穩定流動時，從某段一端流入的質量等于另一端流出的質量，如圖9-4所示，即單位時間內流過每一截面的流體質量為一常數，用式表示為：式中γ1、v1、F1——表示斷面121處氣體的密度kg·s2m4、面積m2和流速ms；γ2、v2、F2——表示斷面222處氣體的密度、面積和流速。此式稱為連續性方程式。對于空氣來說，雖然壓縮性很大，但在冷卻塔中流動時，通風阻力較小，一般為10～30mmH2O，前后壓力變化很小，這些變化可認為忽略不計，故可當作不可壓縮來看待，即ρ1=ρ2，則式9-12可變成為v1F1=v2F2=常數。按圖9-4，氣體在塔內流動的能量方程主要描述氣體流動時的壓能、動能及位能三者相互變化的規律，這個規律表明理想氣體在塔內作無擾動現象流動時，任何一個截面的壓能、動能、位能三者之和是一個常數，即伯努利方程：式中P1、P2——截面1-1、2-2上的壓力kgm2；γ——氣體的密度kgm3；v1、v2——截面1-1、2-2上的流速ms；g——重力加速度，9、81ms2；Z1、Z2——截面1-1、2-2距基準面020的高度m。實際氣體在塔內流動時，是有壓力損耗的，使總能逐漸減小，如采用ΣH表示阻力損耗的能量，則空氣在塔內流動時的實際能量方程為：等式兩邊乘γ，可寫成：式中P、Z·γ、v22g）·γ分別被稱為靜壓、位壓位能、速壓動能，而ΣH·γ=ΣΔP表示壓力損失總和。靜壓是冷卻塔內氣體垂直作用在物體上的壓力，可正可負；位壓亦叫位能，由重力作用而引起，距地面越高位能越大；速壓亦稱動能又稱速度頭，由速度引起，隨速度大小而變化，它的方向與速度方向一致，永遠是正值。靜壓和動壓在一定條件下會互相轉化，并且可用來克服塔內的阻力。以圓形逆流式機械通風冷卻塔來說，中塔體和風筒不是擴散風筒的截面是不變的，收縮段的截面是變化的。如果氣流均勻分布，則氣體在截面不變段流動時，如果流速不變則動壓不變，所以阻力只能用壓能靜壓的消耗來克服；氣體在截面變化段流動時，如果要保持靜壓不變，就必須利用動壓的變化來補償阻力損失。能量的轉化可用下式計算：可見，由于流速降低而增加的靜壓力等于阻力損失，即靜壓增加值全部消耗在克服阻力上。2、冷卻塔的壓力損失1動壓力損失在塔內流動的空氣，因具有速度故要消耗部分動能，即動壓力，其值計算為：式中v——空氣的流速ms，一般來說，冷卻塔的風量是不變的，但風經過的斷面是變化的，故風速也是變化的，其變化的范圍為20msv1ms。γ——空氣的密度kgm3，根據等參數查有關圖表。2局部阻力局部阻力可分為兩類：一是流量不變時產生的局部阻力；二是流量改變時產生的局部阻力，冷卻塔屬前種。但局部阻力都可按下式計算：式中ΔPz——各部件的局部阻力kgm2或mmH2O。ξ——局部阻力系數，表示部分動壓消耗在克服部件阻力上。一般用實驗方法確定。3總局部阻力冷卻塔通風阻力包括沿程摩阻、局部阻力和動壓損失等3個部分。總的局部阻力如《冷卻塔的設計與計算》那章所述，由進風口、導流設施、淋水裝置、配水系統、收水器、風筒、氣流的收縮、擴大、轉彎等組成。總局部阻力表達式為：式中ξi——局部阻力系數；vi——相應部位的空氣流速ms；γi——相應部位的空氣密度kgm3；g——重力加速度9、81ms2。