圖為專家在循環水系統節能新裝備——新型冷卻塔專用水輪機科技成果鑒定會上聽取企業匯報情況。

 
 
　　編者按 循環水領域是工業耗水大戶，其用量約占整個工業用水量的70%。每年，工業企業對循環水冷卻處理均需要耗費大量電能，循環冷卻水系統年耗電量估計約為1000億千瓦時，其節能效果對工業企業影響巨大。特別是循環冷卻水系統中最重要的設備之一——傳統冷卻塔耗能嚴重。雖然歷經幾十年的技術進步，但目前我國工業冷卻塔的高耗能等系列問題一直未能得到有效解決，這也成為了制約工業企業節能減排的重要因素之一。

　　近日，由江蘇河海嘉裕節能科技有限公司和河海大學共同研制完成的循環水系統節能新裝備—新型長葉型超低比轉速混流式水輪機引起了業內人士關注。這個剛剛通過中國石油和化學工業聯合會組織的科技成果鑒定的新型節能設備，能為單臺5000立方米/時處理水量的冷卻塔每年節電1468800千瓦時，折標煤514噸，全年節約電費95萬余元，被專家一致認為達到國際先進水平，專用水輪機效率達到國際領先。為深度分析這一節能技術，及其能為化企所帶來的潛在效益，本報特別組織了這一報道。

　　2013年9月以來，華北多地深陷霧霾重圍，市民調侃“好天氣基本靠風吹”。深究原因，工業企業用電量不斷增加是導致霧霾頻發的重要因素之一。千方百計削減工業企業用電量需要依靠技術進步，特別是開發新型節能設備。

　　冷卻塔專用水輪機正是這樣的設備。這個應用在冷卻塔上的專用設備看似不起眼，卻能達到驚人的節能效果。據相關市場調研分析統計，如對全國現有的可進行水動風機冷卻塔改造的傳統電動風機冷卻塔進行改造，每年可節約1000億千瓦時的電力消耗，相當于三峽水電站一年發電量，同時減少二氧化碳排放量約為1億噸。

　　那么，這個專用設備能帶來怎樣的節能減排效果？它是如何為冷卻塔節能的？它安全可靠嗎？應用這樣的設備又能為石油和化工企業帶來哪些節能效益？記者對此進行了深入采訪。

圖為檢測平臺上待測的水輪機。

　　水輪機替代電動機 冷卻塔實現零電耗

　　“到目前為止，工業冷卻塔冷卻時所用的風機均由電動機帶動，這些電動機一年所耗的電能是非常大的。”多位專家向記者表達了同樣的聲音。

　　“就以一臺冷卻水量約1000噸/時的冷卻塔為例，所配電機功率約為45千瓦，按每天工作24小時計算，每年300天，年電能消耗量約為32.4萬千瓦時。全國數以萬計的冷卻塔，所配電機的電能消耗是相當驚人。”該設備開發者之一河海大學教授鄭源說。

　　怎樣才能大幅削減冷卻塔的電耗？針對紛繁復雜的系統節能難題，江蘇河海嘉裕節能科技有限公司與河海大學共同進行了深入廣泛的研究，結合多年研發和工程實踐經驗，最終確定用新型高效水輪機替代電動機做為冷卻塔風機動力源從而達到節能效果的構想。

　　“具體來說，就是利用循環水系統中的富余能量來推動水輪機轉動，由此帶動風機旋轉，降溫效果不變。用水輪機替代了電動機，實現了零電耗，起到根本性的節能效果。”河海嘉裕節能科技有限公司總經理張曉石對記者說。

　　據了解，現行的冷卻塔行業制造標準，較多考慮冷卻塔的安全性及可靠性能，為此，在冷卻塔的氣水比、布水面積、填料面積、淋水密度、水泵流量及揚程、管道系統及閥門、風機風量及功率等各個參數上均有富余量，多余的風量和水量及揚程均被白白浪費掉，消耗了大量的能源。

　　“我們這個項目開發研制的系列長葉型超低比轉速混流式水輪機，就是利用這些被浪費的能量，包括了設計時考慮的安全與工藝余量、勢能、動能、水泵自身調節能力和閥門開啟度的調節等5項。用這些富裕能量推動水輪機轉輪，由此帶動風機旋轉，達到降溫的目的，從而實現廢能利用與降耗減排。”張曉石說。

　　記者了解到，目前采用水輪機為動力源的水動風機冷卻塔已經得到了行業和國家的認可。國家質量認證中心2012年已經正式把水動風機冷卻塔列入開式冷卻塔的行業標準《開式冷卻塔節能認證技術規范》之內。另外，一些地方政府和節能行業也積極展開學術研究，出版了許多地方標準，如由上海發改委牽頭的上海市地方標準：DB31/T 615-2012《冷卻塔循環水系統富余能量回收利用的評價方法》等。

　　原水利部副部長索麗生在參加該技術成果鑒定會時表示，利用循環冷卻水的余壓驅動冷卻塔風機，節能降耗效果顯著。該水輪機的開發及應用，符合國家節能減排的政策，應用前景廣闊。

圖為工作人員正在檢測水輪機各項工作參數。

　　產學研合作破瓶頸 水輪機效率首超90%

　　水輪機能夠把循環水系統中的富余能量利用起來，直接帶動風機運轉，但是否能夠達到系統要求，保證冷卻效果，其中最重要的指標就是水輪機的效率。

　　記者了解到，自2006年以來，一些企業陸續嘗試過采用水輪機取代電機系統，但大多以失敗告終，分析原因，最根本的一條是水輪機效率低下。冷卻塔專用水輪機最早效率僅達到50%，此前最高效率也僅僅達到80%。水輪機效率無法提高的技術瓶頸，嚴重制約了其大范圍的推廣應用。

　　為此，河海嘉裕節能科技有限公司選擇了與河海大學進行深度地產學研合作，合力打破瓶頸。

　　張曉石告訴記者，合作方案確立后，公司便依托河海大學運用先進的模型制作、數據分析軟件開始了高效水輪機的研發工作；經過工程技術專家們的反復研討和模擬試驗，歷經多年，終于成功開發出具有自主知識產權的長葉型及雙葉型高效水輪機，并取得一系列專利授權和科研成果。同時，通過技術論證結合水輪機制作工藝要求，突破傳統加工制造工藝，運用先進加工設備，標準化、模具化制作出全系列多型號長壽命的高效水輪機。

　　“我們與河海大學共同開發的新型水輪機效率能夠達到90.5％，從而解決了在冷卻塔中用水輪機取代風葉電機所存在的獨特技術難題，滿足冷卻要求，替代原風葉電機，真正實現電動風機冷卻塔向水動節能型冷卻塔的轉變。”張曉石說。

　　不僅如此，為提高軸流風機的經濟運行，河海嘉裕節能科技有限公司又與上海交通大學合作研發節能風機，使得風機效率明顯提高。張曉石告訴記者，公司采用的節能風機為專用的水輪機驅動形式，效率往往比老式風機75%左右提高10%以上，能達到85%以上。

　　記者了解到，為了確保水輪機各項參數準確無誤，在產品研發的同時，河海嘉裕節能科技有限公司與河海大學一起設計并建造了目前國內唯一一個高精度大型冷卻塔專用水輪機測試臺，用來對水輪機進行系統地、精確的能量等特性測試。

　　“這個平臺我們投資了500余萬，完全是依照國際標準建造的，平臺所采用的檢測方法和設備都是目前國際上最先進的，綜合性能達到了國內外領先水平。每一臺水輪機完成制作工序后都會裝置在測試平臺上，以電子操作系統，加入模擬運轉數據。從100噸/時~6000噸/時的水流量都可進行模擬操作，以測試水輪機的實際效力，保證每臺水輪機的精良品質。”張曉石說。

 
　　記者在現場看到，測試平臺主要是由水泵、緩沖罐、閥門試驗臺架、全自動數字化控制臺幾部分組成。檢測平臺通過對流量、壓力、水輪機扭矩、風機轉速等核心參數的實時處理運算，測算出水輪機的實際效率。

圖為河海嘉裕節能科技有限公司與河海大學一起設計并建造的目前國內唯一一個高精度大型冷卻塔專用水輪機測試臺。

　

　　模式創新降低風險 化企應用效益可觀

　　應用這一技術新建冷卻塔或者對傳統冷卻塔進行改造，使用單位年節約量、投資回報率具體如何？會不會產生投資風險？

　　對于記者的疑問，張曉石表示，為打消企業關于改造風險的顧慮，他們創新采用了合同能源管理模式，即由江蘇河海嘉裕公司投資對系統進行改造，改造完成，確認節能效果之后，再將節約下來的電費按一定比例分成，這樣企業既不需要承擔改造的投資費用，又可以享受改造的收益，還可以完成節能指標任務，從而達到企業、節能服務公司、政府等多方受益的良好局面。

　　張曉石為記者算了一筆經濟賬：首先，按5000噸水輪機1臺、電機額定功率數為200千瓦、按實際運行功率數為0.85計算，功率為170千瓦，改造后每年節約的電量為1468800千瓦時，折標煤為514噸。按全國用電均價0.65元計算，全年節約電費954720元。“我們公司生產的水輪機壽命為100000小時以上，使用可達12年以上。前6年用能單位效益分成為30%，即每年分得286416元。后6年的節省量為使用單位全部享用，即每年954720元。”張曉石說。

　　此外，通過此項節能改造，還省去了原有的風機電機、聯軸節、減速機，使得維護檢修的成本大大降低，故障發生率也大大下降，節約了大量的運行維護成本費用。

　　“我們對用戶是有承諾的，一是確保滿足用戶的工藝降溫要求，無論新塔或老塔改造。二是確保用戶的水泵不增加功率。換句話說，確保用戶水泵的電流不增加，如老塔改造前用戶可自行測定水泵電流并記錄備案。三是上述兩個承諾有一個達不到，我司將無償并無條件地承擔冷卻塔的全部改造費用。”張曉石告訴記者。

　　在冷卻塔專用水輪機技術成熟后，河海嘉裕先后對鋼鐵、化工等8個行業進行多次考察，核算結果顯示，僅化工行業現有冷卻塔容量達11000萬噸/年，年消耗電量約400億千瓦時。

　　“如果將國內現有冷卻塔進行改造，再加上每年新增的冷卻塔，若其中的70%采用水動風機冷卻塔，就可實現為國家每年節電近1000億千瓦時，折合標煤3500萬噸。如加強推廣應用，冷卻塔專用水輪機能為國家宏偉的節能減排和改善大氣環境做出巨大貢獻。”張曉石說。

圖為已應用于水動風機冷卻塔上的新型長葉型超低比轉速混流式水輪機。

　　環保安全經濟高效 已有多項應用實例

　　采訪中，一些專家和已經應用水動風機冷卻塔的企業負責人對記者表示，新型的長葉型超低比轉速混流式水輪機可以應用于冷卻塔，不論是改造舊的冷卻塔還是生產新的水動冷卻塔，不僅節能效果顯著，同時環保安全等優勢也很突出。

　　記者總結起來，該設備主要有五個方面的優點。

　　一是環保。由于我國電能生產目前大都來自火電廠，節約電能就意味著電煤消耗的減少與排放物的減少，減少了對環境的污染。此外，由于水動風機冷卻塔省去了風機電機和減速箱，可大大降低冷卻塔的震動和噪聲，也減少對環境的污染。

　　二是安全。冷卻塔電機有漏電傷人、火花爆炸等潛在危險，水輪機不用電，省去了電纜、電控，具有防爆功能，增加了冷卻塔的運行環境安全性。

　　三是高效。長葉型超低比轉速混流式水輪機最高效率達90.5％，水輪機軸直接與風葉相連，不需再通過其它減速器等，其傳動效率比傳統電動傳動效率大幅提高，且風量隨著水流量的變化相應變化，始終穩定在較好的氣水比。

　　四是使用壽命長。水輪機運轉平穩，因此只要達到材料設計強度和密封，使用壽命很長，故障低，維修也極為簡單，更換一些標準件即可，比電機減速器的維修要簡單得多。

　　五是通用。凡是使用傳統冷卻塔的場合，均可采用水動風機冷卻塔，并能對所有類型的傳統冷卻塔進行節能改造，實施節能技改越早，改造的塔形越大，其節能效果越明顯。冷卻塔廣泛地應用于國民經濟的許多部門，如電力、石油、化工、鋼鐵、輕紡、民用賓館等。現有的機械通風的冷卻塔，均可以采用該水輪機改造成為水動風機冷卻塔。基于統計資料分析，全國現有冷卻塔可進行改造的容量約24157萬噸。

　　目前，該設備已成功應用于河南煤化等10余個工程項目，建成投產以來運轉安全可靠，完全滿足了冷卻循環水系統的各項工藝指標。

　　以河南煤化集團公司為例，該公司某循環水系統單臺5000立方米/時水動風機冷卻塔，采用河海嘉裕制造的水輪機來驅動用以降溫的直徑9750毫米的風機。該塔建成投入運行以來運轉平穩，完全滿足冷卻循環水系統的各項工藝指標。據介紹，國家標準GB/T7190.2-2008規定的冷卻塔冷卻能力滿足95%即為合格，此次現場采集的參數（實際環境溫度、冷卻塔進出水溫、冷卻塔進塔風量、循環水量等）經過嚴密的計算，冷卻能力達到102.1%，超過國家標準。

　　參加該技術成果鑒定會的來自清華大學、華中科技大學、中國寰球工程公司、中國石化工程公司、寶鋼股份集團公司、天辰工程有限公司、賽鼎工程有限公司、東華科技、五環工程公司、揚子石化、陜西煤業等單位的專家一致認為，該水輪機的工程應用表明，在原有設計參數不變的條件下，利用該水輪機替代電機驅動風機，達到原有的設計指標經濟效益顯著。在新建循環冷卻水裝置時，該水輪機驅動風機技術可作為一種優選方案。

　　
　　江蘇河海嘉裕節能科技有限公司與河海大學進行深度產學研合作，目前已獲得4項發明專利，形成了冷卻塔專用水輪機500臺套生產能力，為多家企業進行了冷卻塔節能改造。同時，河海大學水輪機研發中心及教育部可再生能源發電技術工程研究中心已落戶企業。圖為江蘇河海嘉裕節能科技有限公司。 （圖片均由本報記者徐衛東攝）