图为专家在循环水系统节能新装备——新型冷却塔专用水轮机科技成果鉴定会上听取企业汇报情况。
编者按 循环水领域是工业耗水大户，其用量约占整个工业用水量的70%。每年，工业企业对循环水冷却处理均需要耗费大量电能，循环冷却水系统年耗电量估计约为1000亿千瓦时，其节能效果对工业企业影响巨大。特别是循环冷却水系统中最重要的设备之一——传统冷却塔耗能严重。虽然历经几十年的技术进步，但目前我国工业冷却塔的高耗能等系列问题一直未能得到有效解决，这也成为了制约工业企业节能减排的重要因素之一。
近日，由江苏河海嘉裕节能科技有限公司和河海大学共同研制完成的循环水系统节能新装备—新型长叶型超低比转速混流式水轮机引起了业内人士关注。这个刚刚通过中国石油和化学工业联合会组织的科技成果鉴定的新型节能设备，能为单台5000立方米/时处理水量的冷却塔每年节电1468800千瓦时，折标煤514吨，全年节约电费95万余元，被专家一致认为达到国际先进水平，专用水轮机效率达到国际领先。为深度分析这一节能技术，及其能为化企所带来的潜在效益，本报特别组织了这一报道。
2013年9月以来，华北多地深陷雾霾重围，市民调侃“好天气基本靠风吹”。深究原因，工业企业用电量不断增加是导致雾霾频发的重要因素之一。千方百计削减工业企业用电量需要依靠技术进步，特别是开发新型节能设备。
冷却塔专用水轮机正是这样的设备。这个应用在冷却塔上的专用设备看似不起眼，却能达到惊人的节能效果。据相关市场调研分析统计，如对全国现有的可进行水动风机冷却塔改造的传统电动风机冷却塔进行改造，每年可节约1000亿千瓦时的电力消耗，相当于三峡水电站一年发电量，同时减少二氧化碳排放量约为1亿吨。
那么，这个专用设备能带来怎样的节能减排效果？它是如何为冷却塔节能的？它安全可靠吗？应用这样的设备又能为石油和化工企业带来哪些节能效益？记者对此进行了深入采访。
图为检测平台上待测的水轮机。
水轮机替代电动机 冷却塔实现零电耗
“到目前为止，工业冷却塔冷却时所用的风机均由电动机带动，这些电动机一年所耗的电能是非常大的。”多位专家向记者表达了同样的声音。
“就以一台冷却水量约1000吨/时的冷却塔为例，所配电机功率约为45千瓦，按每天工作24小时计算，每年300天，年电能消耗量约为32.4万千瓦时。全国数以万计的冷却塔，所配电机的电能消耗是相当惊人。”该设备开发者之一河海大学教授郑源说。
怎样才能大幅削减冷却塔的电耗？针对纷繁复杂的系统节能难题，江苏河海嘉裕节能科技有限公司与河海大学共同进行了深入广泛的研究，结合多年研发和工程实践经验，最终确定用新型高效水轮机替代电动机做为冷却塔风机动力源从而达到节能效果的构想。
“具体来说，就是利用循环水系统中的富余能量来推动水轮机转动，由此带动风机旋转，降温效果不变。用水轮机替代了电动机，实现了零电耗，起到根本性的节能效果。”河海嘉裕节能科技有限公司总经理张晓石对记者说。
据了解，现行的冷却塔行业制造标准，较多考虑冷却塔的安全性及可靠性能，为此，在冷却塔的气水比、布水面积、填料面积、淋水密度、水泵流量及扬程、管道系统及阀门、风机风量及功率等各个参数上均有富余量，多余的风量和水量及扬程均被白白浪费掉，消耗了大量的能源。
“我们这个项目开发研制的系列长叶型超低比转速混流式水轮机，就是利用这些被浪费的能量，包括了设计时考虑的安全与工艺余量、势能、动能、水泵自身调节能力和阀门开启度的调节等5项。用这些富裕能量推动水轮机转轮，由此带动风机旋转，达到降温的目的，从而实现废能利用与降耗减排。”张晓石说。
记者了解到，目前采用水轮机为动力源的水动风机冷却塔已经得到了行业和国家的认可。国家质量认证中心2012年已经正式把水动风机冷却塔列入开式冷却塔的行业标准《开式冷却塔节能认证技术规范》之内。另外，一些地方政府和节能行业也积极展开学术研究，出版了许多地方标准，如由上海发改委牵头的上海市地方标准：DB31/T 615-2012《冷却塔循环水系统富余能量回收利用的评价方法》等。
原水利部副部长索丽生在参加该技术成果鉴定会时表示，利用循环冷却水的余压驱动冷却塔风机，节能降耗效果显著。该水轮机的开发及应用，符合国家节能减排的政策，应用前景广阔。
图为工作人员正在检测水轮机各项工作参数。
产学研合作破瓶颈 水轮机效率首超90%
水轮机能够把循环水系统中的富余能量利用起来，直接带动风机运转，但是否能够达到系统要求，保证冷却效果，其中最重要的指标就是水轮机的效率。
记者了解到，自2006年以来，一些企业陆续尝试过采用水轮机取代电机系统，但大多以失败告终，分析原因，最根本的一条是水轮机效率低下。冷却塔专用水轮机最早效率仅达到50%，此前最高效率也仅仅达到80%。水轮机效率无法提高的技术瓶颈，严重制约了其大范围的推广应用。
为此，河海嘉裕节能科技有限公司选择了与河海大学进行深度地产学研合作，合力打破瓶颈。
张晓石告诉记者，合作方案确立后，公司便依托河海大学运用先进的模型制作、数据分析软件开始了高效水轮机的研发工作；经过工程技术专家们的反复研讨和模拟试验，历经多年，终于成功开发出具有自主知识产权的长叶型及双叶型高效水轮机，并取得一系列专利授权和科研成果。同时，通过技术论证结合水轮机制作工艺要求，突破传统加工制造工艺，运用先进加工设备，标准化、模具化制作出全系列多型号长寿命的高效水轮机。
“我们与河海大学共同开发的新型水轮机效率能够达到90.5％，从而解决了在冷却塔中用水轮机取代风叶电机所存在的独特技术难题，满足冷却要求，替代原风叶电机，真正实现电动风机冷却塔向水动节能型冷却塔的转变。”张晓石说。
不仅如此，为提高轴流风机的经济运行，河海嘉裕节能科技有限公司又与上海交通大学合作研发节能风机，使得风机效率明显提高。张晓石告诉记者，公司采用的节能风机为专用的水轮机驱动形式，效率往往比老式风机75%左右提高10%以上，能达到85%以上。
记者了解到，为了确保水轮机各项参数准确无误，在产品研发的同时，河海嘉裕节能科技有限公司与河海大学一起设计并建造了目前国内唯一一个高精度大型冷却塔专用水轮机测试台，用来对水轮机进行系统地、精确的能量等特性测试。
“这个平台我们投资了500余万，完全是依照国际标准建造的，平台所采用的检测方法和设备都是目前国际上最先进的，综合性能达到了国内外领先水平。每一台水轮机完成制作工序后都会装置在测试平台上，以电子操作系统，加入模拟运转数据。从100吨/时~6000吨/时的水流量都可进行模拟操作，以测试水轮机的实际效力，保证每台水轮机的精良品质。”张晓石说。
记者在现场看到，测试平台主要是由水泵、缓冲罐、阀门试验台架、全自动数字化控制台几部分组成。检测平台通过对流量、压力、水轮机扭矩、风机转速等核心参数的实时处理运算，测算出水轮机的实际效率。
图为河海嘉裕节能科技有限公司与河海大学一起设计并建造的目前国内唯一一个高精度大型冷却塔专用水轮机测试台。
模式创新降低风险 化企应用效益可观
应用这一技术新建冷却塔或者对传统冷却塔进行改造，使用单位年节约量、投资回报率具体如何？会不会产生投资风险？
对于记者的疑问，张晓石表示，为打消企业关于改造风险的顾虑，他们创新采用了合同能源管理模式，即由江苏河海嘉裕公司投资对系统进行改造，改造完成，确认节能效果之后，再将节约下来的电费按一定比例分成，这样企业既不需要承担改造的投资费用，又可以享受改造的收益，还可以完成节能指标任务，从而达到企业、节能服务公司、政府等多方受益的良好局面。
张晓石为记者算了一笔经济账：首先，按5000吨水轮机1台、电机额定功率数为200千瓦、按实际运行功率数为0.85计算，功率为170千瓦，改造后每年节约的电量为1468800千瓦时，折标煤为514吨。按全国用电均价0.65元计算，全年节约电费954720元。“我们公司生产的水轮机寿命为100000小时以上，使用可达12年以上。前6年用能单位效益分成为30%，即每年分得286416元。后6年的节省量为使用单位全部享用，即每年954720元。”张晓石说。
此外，通过此项节能改造，还省去了原有的风机电机、联轴节、减速机，使得维护检修的成本大大降低，故障发生率也大大下降，节约了大量的运行维护成本费用。
“我们对用户是有承诺的，一是确保满足用户的工艺降温要求，无论新塔或老塔改造。二是确保用户的水泵不增加功率。换句话说，确保用户水泵的电流不增加，如老塔改造前用户可自行测定水泵电流并记录备案。三是上述两个承诺有一个达不到，我司将无偿并无条件地承担冷却塔的全部改造费用。”张晓石告诉记者。
在冷却塔专用水轮机技术成熟后，河海嘉裕先后对钢铁、化工等8个行业进行多次考察，核算结果显示，仅化工行业现有冷却塔容量达11000万吨/年，年消耗电量约400亿千瓦时。
“如果将国内现有冷却塔进行改造，再加上每年新增的冷却塔，若其中的70%采用水动风机冷却塔，就可实现为国家每年节电近1000亿千瓦时，折合标煤3500万吨。如加强推广应用，冷却塔专用水轮机能为国家宏伟的节能减排和改善大气环境做出巨大贡献。”张晓石说。
图为已应用于水动风机冷却塔上的新型长叶型超低比转速混流式水轮机。
环保安全经济高效 已有多项应用实例
采访中，一些专家和已经应用水动风机冷却塔的企业负责人对记者表示，新型的长叶型超低比转速混流式水轮机可以应用于冷却塔，不论是改造旧的冷却塔还是生产新的水动冷却塔，不仅节能效果显著，同时环保安全等优势也很突出。
记者总结起来，该设备主要有五个方面的优点。
一是环保。由于我国电能生产目前大都来自火电厂，节约电能就意味着电煤消耗的减少与排放物的减少，减少了对环境的污染。此外，由于水动风机冷却塔省去了风机电机和减速箱，可大大降低冷却塔的震动和噪声，也减少对环境的污染。
二是安全。冷却塔电机有漏电伤人、火花爆炸等潜在危险，水轮机不用电，省去了电缆、电控，具有防爆功能，增加了冷却塔的运行环境安全性。
三是高效。长叶型超低比转速混流式水轮机最高效率达90.5％，水轮机轴直接与风叶相连，不需再通过其它减速器等，其传动效率比传统电动传动效率大幅提高，且风量随着水流量的变化相应变化，始终稳定在较好的气水比。
四是使用寿命长。水轮机运转平稳，因此只要达到材料设计强度和密封，使用寿命很长，故障低，维修也极为简单，更换一些标准件即可，比电机减速器的维修要简单得多。
五是通用。凡是使用传统冷却塔的场合，均可采用水动风机冷却塔，并能对所有类型的传统冷却塔进行节能改造，实施节能技改越早，改造的塔形越大，其节能效果越明显。冷却塔广泛地应用于国民经济的许多部门，如电力、石油、化工、钢铁、轻纺、民用宾馆等。现有的机械通风的冷却塔，均可以采用该水轮机改造成为水动风机冷却塔。基于统计资料分析，全国现有冷却塔可进行改造的容量约24157万吨。
目前，该设备已成功应用于河南煤化等10余个工程项目，建成投产以来运转安全可靠，完全满足了冷却循环水系统的各项工艺指标。
以河南煤化集团公司为例，该公司某循环水系统单台5000立方米/时水动风机冷却塔，采用河海嘉裕制造的水轮机来驱动用以降温的直径9750毫米的风机。该塔建成投入运行以来运转平稳，完全满足冷却循环水系统的各项工艺指标。据介绍，国家标准GB/T7190.2-2008规定的冷却塔冷却能力满足95%即为合格，此次现场采集的参数（实际环境温度、冷却塔进出水温、冷却塔进塔风量、循环水量等）经过严密的计算，冷却能力达到102.1%，超过国家标准。
参加该技术成果鉴定会的来自清华大学、华中科技大学、中国寰球工程公司、中国石化工程公司、宝钢股份集团公司、天辰工程有限公司、赛鼎工程有限公司、东华科技、五环工程公司、扬子石化、陕西煤业等单位的专家一致认为，该水轮机的工程应用表明，在原有设计参数不变的条件下，利用该水轮机替代电机驱动风机，达到原有的设计指标经济效益显著。在新建循环冷却水装置时，该水轮机驱动风机技术可作为一种优选方案。
江苏河海嘉裕节能科技有限公司与河海大学进行深度产学研合作，目前已获得4项发明专利，形成了冷却塔专用水轮机500台套生产能力，为多家企业进行了冷却塔节能改造。同时，河海大学水轮机研发中心及教育部可再生能源发电技术工程研究中心已落户企业。图为江苏河海嘉裕节能科技有限公司。 （图片均由本报记者徐卫东摄）
