水动风机冷却塔的发展与适用性浅议

水动风机冷却塔的发展与适用性浅议
一、水动风机冷却塔发展简述
二、水动风机冷却塔适用性（局限性）浅议
三、水动风机冷却塔节能技术与水泵节能技术的比较

水动风机冷却塔的发展与适用性浅议
一、水动风机冷却塔发展简述
20世纪70年代，玻璃钢冷却塔在我国开始应用并逐步推广开来，其中的冷却塔风机通常是由电机驱动。90年代末国内产生了“用水轮机代替电机驱动冷却塔风机”的设想，并且积极探索、试制相关产品加以推广、应用，这一技术及相关产业逐步发展、壮大起来。
时至今日，“用水轮机代替电机驱动冷却塔风机”这一技术也没有一个权威、统一的名称，叫法可谓五花八门，例如：无电机冷却塔、免电冷却塔、水轮机冷却塔、节能冷却塔、水力风机冷却塔、水力通风冷却塔、水动能回收冷却塔，等等。本文姑且称之为“水动风机冷却塔”，而把其中的水轮机称为“冷却塔水轮机”。
纵观近30年来水动风机冷却塔技术的发展过程，其实就是不断研发和改进冷却塔水轮机使之更加适用、更加高效的过程，也就是说冷却塔水轮机的发展过程就体现了水动风机冷却塔的发展过程。
经检索现有资料可知，国内关于“用水轮机代替电机驱动冷却塔风机”的记载，有据可查最早的是张飞狂1998年10月29日专利申请公开说明书《免能冷塔》。
从名称来看，该专利是着眼于整个冷却塔系统命名的，描述主体是节能冷却塔，主要描述了系统的组成、工作流程和节能原理，更多的是体现了一种设想。其权利要求包括“权利要求书1、免能冷塔是将现有技术冷却塔的电机风机和布水器两者合一，取消电机，由液力作为动力，进行布液同时抽风的一种热质交换的装置，其特征是用水轮机原理设计的依靠液泵送压；液体通过水轮机，由水轮机输出传递动力，使风叶转动产生风量。”
虽然该专利没明确用“水动风机冷却塔”等名词，其具体描述也和现在关于水动风机冷却塔的描述不完全一样，但是从实质内容来讲，该专利确确实实在国内首次提出了水动风机冷却塔最具新颖性、创造性的节能技术核心：取消风机电机,以冷却塔进水余能为动力来带动水轮机，由水轮机代替电机驱动冷却塔风机。
虽然客观地说，该技术核心算不上什么高深理论，也不是需要长时间、大资金研究才能获得的发明，但是申请人率先提出并申请了专利，在保护期内，其权利要求确实成了以后水动风机冷却塔绕不开的基础原理。
随后几年间，又有二十几例关于冷却塔节能、新型冷却塔的相似专利，但都没有突破“由水轮机代替电机驱动冷却塔风机” 这一技术核心，了无新意，有的仅是重新画个示意图，把类似流程、原理描述一番。某些专利的新颖性、创造性和实用性水平由此可见一斑。在此顺便说一声，大家对所谓专利技术没必要过于迷信。
张飞狂不但最早提出了水动风机冷却塔技术思想，更难得的是他身体力行、勇于实验研制、积极推广应用。
对于此后数年间张飞狂及其公司的产品性能及改造项目是否完美、专利权纠纷如何评判，我们不便置评也不予置评，但笔者个人认为，张飞狂可谓是水动风机冷却塔技术先驱，这一点是应该承认和尊重的。因此，本文中对其初期的研制、推广工作进行了较多介绍。
下面，本人根据期刊杂志、专利、网络收集整理的资料以及自己的一点实际工程经验，简单梳理一下冷却塔水轮机的发展过程，与大家分享交流。
为了较好地介绍和理解冷却塔水轮机的发展，我们首先介绍一下现有冷却塔水轮机的主要分类：
按工作原理不同，主要分为：双击式、混流式、轴伸贯流式（通常称为管道式）水轮机；
按是否需要减速机分为：带减速机型、直联型（不带减速机）
按水轮机安装在风筒内外分为：内置式和外置式；
按是否单一动力分为：水动力水轮机和混合动力水轮机。
冷却塔水轮机大体经过以下几个发展阶段：
1、早期双击式水轮机（内置、直联型）（1997—2005年）
张飞狂自己介绍，早在1997年初他就开始探索、试验、研制冷却塔水轮机，研制出机型的同时申请了专利。
1999年9月19日《浙江制冷》内部期刊《‘飞狂冷塔’水力取风的设计和应用》文中提到，已推广应用20多家，冷却塔水流量绝大部分为200 m3/h 、300 m3/h，另外600m3/h、400 m3/h冷却塔各有一个。
2001年注册成立上海飞狂冷却设备有限公司，公司以商业服务的经营模式主营“免能无电机”冷却塔; L系列水轮机。
2004年3月20日《工业水处理》期刊《微型水轮机在冷却塔的应用》文中提到：在江浙沪一带“100多家塔的改造均使用了水轮机取代电机,均运转正常。”，该文作者系上海飞狂冷却设备有限公司经理 张飞狂，收稿日期为2003年 9月 14日。
2004年6月28日～7月1日“冷却塔研究会成立暨技术交流大会”在古城扬州召开。上海飞狂冷却设备有限公司成为成员单位，大会《论文集》收录了张飞狂论文《冷却塔比电耗趋零的探讨》。
应该是通过此次大会，更多人知道了水动风机冷却塔节能技术，其影响由此扩大到全国。
2002年张飞狂针对此前应用中出现的一些问题，进行了总结和改进，于2002.03.27申请了专利《冷却塔水轮机》，这是国内第一次以“冷却塔水轮机”命名的专利，具体描述了组成、结构，可算是对双击式的阶段性总结。
张飞狂研制最初的冷却塔水轮机时，既无实际应用经验可循，又对其工况特殊性缺乏认识，简单地以发电用的双击式水轮机为基础，进行套用。发电用的双击式水轮机本来是卧式安装，为了带动冷却塔风机，冷却塔水轮机改为立式安装，为此在结构上进行了适当的改造。
发电用的双击式水轮机适合在水流无压状态下工作，而冷却塔水轮机则是串联在有压管路中工作，这样就破坏了双击式水轮机的基本条件，不但不能有效的达到双击，而且尾水涌动对转轮造成阻碍，相应地造成两大缺陷：一是效率低，出力小，风机转速达不到要求，致使达不到良好的冷却效果；二是产生很大振动和噪声，导致主轴水封易损坏漏水、轴承经常损坏，需要吊出风机检修，维修很麻烦。
在用于300 m3/h以下的小型冷却塔时，以上缺陷尚不明显，用于500 m3/h以上冷却塔时就出现种种问题。
    总起来看，这段时间理论研究不深，张飞狂不断探索、试验、失败、研究、推广、应用，在市场的孕育下不断有创新、改进，可以说属于张飞狂摸索独行阶段。
2、西华大学外置轴流式冷却塔水轮机（2005年）
在2005年以前，除张飞狂多次在期刊杂志著文介绍冷却塔水轮机外，仅见到西华大学发表了少量相关论文，未见其他个人或单位有关研究报道。
大约在2003年，四川某化工厂为了节能降耗，针对本厂流量1500m3/h、剩余水头15m的循环水冷却塔委托西华大学研究开发水能回收装置。
西华大学围绕此课题开展了研究工作，开发研制了轴流式水轮机代替电机驱动冷却塔风机，实现水能回收，于2004年12月、2005年上半年发表了有关论文。并且于2005年研制成功样机在该化工厂投入实际运行。2008年有文章介绍，仍然正常运行，效果良好。
2005年11月1日西华大学申请专利《水能回收装置》，描述的是外置轴流式冷却塔水轮机。
该课题同时也作为四川省教育厅自然科学重点项目(2005A123) “水能回收技术及新产品研究开发”，2006年6月省科技厅组织鉴定。
这应该是国内最早达到1500 m3/h、当时最大的冷却塔水轮机，也是首台轴流式冷却塔水轮机，不同于已有较多用户的双击式。按说应该是冷却塔水轮机发展过程中重要一笔，但不知为何宣传不多，后来也没有进一步就冷却塔水轮机进行研究开发，也没见有生产厂家制造、推广应用，以至于知者不多，谈者寥寥，在冷却塔水轮机的发展史上没能产生与之相当的影响。笔者也是在反复检索中偶尔获知。
3、双击式改进定型阶段（2005-2007年）
从2005年起，某些有一定资金实力且看好冷却塔水轮机未来商机的人士开始介入该行业。2005年南京某公司，购买专利，开始投资、研制冷却塔水轮机，于2006年8月在以前基础上研制成功改进型双击式水轮机，用于冷却塔的改造中，获得了较好的节能与综合效益，并于2006年9月28日在南京召开“水动风机冷却塔”鉴定会。
资料介绍，该公司2007年实现销售额为1500万元人民币，当时预计2008年将实现利润超过5000万。
可以说，资金和有实力厂家的加入提升了冷却塔水轮机的发展速度和水平，使之进入一定规模化发展阶段。
张普妲（张飞狂的女儿 ）于2007年 1月 22日申请专利《双击式蛙鸣状水轮机》，指出了以前双击式水轮机存在的一些问题并进行了优化改进，也标志着张飞狂系双击式水轮机结构更趋合理，性能更趋稳定，效率有所提高，逐步成熟定型。
经过不断发现问题、解决问题，经过2005-2006年总结经验教训，不断改进完善，双击式水轮机逐步趋于定型，效率和以前相比有了提高，性能趋于稳定，是2007年以前实际运行的主要机型。
至此，经过前期七、八年实际应用总结和理论研究，大家对双击式水轮机有了比较一致的认识：双击式水轮机结构简单,性能稳定可靠,易于安装维护,但运行效率较低,出力小,无法完全满足大流量冷却塔中的工作要求，仅适用于小型塔（300 m3/h以下）。
4、高比转速混流式水轮机（内置、带减速机）开发（2007—2008年）
在认识到双击式水轮机不适用大流量冷却塔后，这促使大家研究开发新型冷却塔水轮机。
2007.06.22有人申请《冷却塔用反击式水轮机》专利，这是关于带减速器反击混流式冷却塔水轮机的最早资料。
某公司网站资料介绍，他们2007年“研发出带减速器反击混流式水轮机，------。
2007年，世界首台反击混流式水轮机在深圳市**大院成功运行，该机型已成为行业的主流。大约半年后，众多同行也开始仿造反击混流式水轮机，但由于他们技术不过关，搞出的减速器故障率很高”。
该机是高比转速混流式水轮机，应用时间不长，很快被下一代混流式水轮机代替。减速器故障率高是淘汰原因之一。
5、轴伸贯流式水轮机（又称管道式，外置、带减速机2008-2009年）
2008年7月28日申请的专利《水轮机驱动风机的冷却塔》，介绍了轴伸贯流式水轮机（又称管道式）。
从网上资料分析可知，2009年2月已有按此生产的水轮机现场投入使用。
这是目前实际应用较多的冷却塔水轮机机型之一。
如果是对老塔改造，其对风筒内部设备、基础、管路等结构改变较少。
6、超低比转速混流式水轮机（内置、直联型）（2008—2009年）
从2008年初开始，一些厂家开始与高等院校联合研究开发冷却塔专用水轮机，开辟了理论研究和市场需求结合、资金与知识结合的美好发展期。主要研究高校有：华北水利水电学院 河海大学 西安理工大学等
研究人员对冷却塔水轮机工作特性与调节特性进行了深入的理论分析与试验研究，发现其和发电水轮机相比具有两大特点：一是串联在有压水流中工作；而是具有超低比转速特性。在理论指导下开发出了全新的冷却塔专用超低比转速混流式水轮机（内置、直联型）。
国家发改委公告2010年33号《国家重点节能技术推广目录（第三批）》第26项以技术名称：《工业冷却塔用混流式水轮机技术》将该型冷却塔水轮机列为推广技术。之后在2014年、2015年、2016年《国家重点节能低碳技术推广目录》中连续列入。
上述推介文中提到，在循环冷却水系统存在9-10m落差的条件下，可用水轮机完全取代传统的风机电机。
需要说明的是：公告中并没有明确指明技术提供单位，只是提到“该技术通过南京市科技成果鉴定，已应用于石油、化工、钢铁和轻纺等行业。已对全国300余家企业的冷却塔进行了节能改造，节能效果显著。”
但有多个水轮机厂家宣称自己公司水轮机技术被评为国家发改委重点节能技术推广项目。
该机型大约2009年开始实际投运。  
如果是对老塔改造，其对风筒内部设备、基础、管路等结构改变较多。
7、外置卧轴水轮机（外置、带减速机 高比转速 2009年）
2009年2月26日上海某发明人申请专利《一种冷却塔用传动水轮机装置及其含有该水轮机的冷却塔》最早介绍了水轮机外置、混流式（或轴流式）卧轴安装的布置形式。
文中没明确水轮机是混流式还是轴流式。从插图来看，既可以是混流式，也可以是轴流式。如果是轴流式，则实际上就和“2、西华大学外置轴流式冷却塔水轮机”是一样的。按混流式来说，则是新颖的。
该专利说明书中阐述了水轮机外置相对水轮机内置的好处，大意如下：
内置式冷却塔水轮机安装于风筒中间，占用了通风面积，而要保证有足够大的通风面积，水轮机外径就受到限制，也就限制了水轮机出力和最佳匹配设计。而本发明采用了卧式传动结构的水轮机，它是在冷却塔体外作功，叶轮可随意放大，进水口面积等水力参数设计优化性较强，故能降低损耗，提高效能。
从网上资料分析可知，四川某公司2009年上半年就有该型混流式冷却塔水轮机出厂，并投入实际运行。
该机外形及布置形式同“2、西华大学外置轴流式冷却塔水轮机（2005年）”差不多，区别仅是：一个叶轮是轴流式，另一个叶轮是混流式。不知两者有无关联。
该公司2011 7 5就此申请了专利《一种冷却塔风机的动力装置》。
8、水电混合动力冷却塔水轮机（2009-2012年）
随着水动风机冷却塔改造应用的增多，越来越多地出现了改造后风机转速不够、达不到冷却效果的情况。为应对这种情况，解决水轮机出力不够的问题，人们开发了水电混合动力冷却塔水轮机。
除水动力外，混合动力冷却塔水轮机另装有电机传动，当仅凭水动力风机转速不够时，启动电机辅助或代替水动力，这无疑能增大冷却塔水轮机的适用范围，使冷却塔较小富裕水头的节能利用成为可能，笔者认为可以算作一次重大改进。
这方面最早的专利是山东德州某公司2012 3 6日申请专利《冷却塔水电混合动力装置》。
某公司网站介绍，在2009年开始研发水电混合动力冷却塔风机节能装置，2009年底第一代冷却塔专用水电混合动力节能风机问世，2010年产品稳定和完善后第一代混合动力节能风机正式推向市场。目前产品已经发展到第五代。
笔者认为，双动力有一个关键问题需要解决，那就是“要保证电力辅助驱动只是针对水力驱动补足所缺，起辅助作用，而不能喧宾夺主，更不能越俎代庖”。就好比两人拉车，一个主力，一个辅助，首先主力的绳子必须是紧绷的，用尽全力；如果反过来，主力的绳子是松的，车子主要靠辅助者拉动，则失去了节能的本意。甚或，辅助者拉力大且速度快，甚至超过了主力的速度，则主力岂不成了阻碍者、耗能者。所以说，客户选用双动力冷却塔水轮机时，应该请厂家说明，是如何保证水驱动力与辅助驱动力良好匹配和有机结合的，驱动力的分配和合理及时补充是如何控制实现的，怎么保证最大限度地利用水驱动力，按需输出辅助驱动力。请想想看，这并不是一个很简单、很容易的事情，要感到方案有道理、实施有保障才行。
根据我的了解（仅是笔者个人见解，不一定准确），当前应用较多、性能较好的冷却塔水轮机主要有两种，第一种是“6、超低比转速混流式水轮机（内置、直联型）”，见下图。

  
file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/msohtml1/01/clip_image002.gif
第二种是“5、轴伸贯流式水轮机（又称管道式，外置、带减速机”,见下图。
file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/msohtml1/01/clip_image003.jpg

当然这两种都可以配合混合动力驱动。
以上是笔者在检索和研究了大量资料的基础上，按时间顺序把冷却塔水轮机的发展过程及每种水轮机的特点作了一个简单小结。有些类型的水轮机在时间上是交叉出现、同时存在的。某公司声称至今已经研发优化到第八代。笔者文中没有分代介绍冷却塔水轮机，因为感到既没有一个明确的标准，也没有一个权威的说法。
也搞不清到底从哪年开始，水动冷却塔市场迅猛发展起来，形成一个相当规模的产业，生产厂家也是一哄而上。目前，从事水动风机冷却塔改造和冷却塔水轮机生产的企业已有数十家，其中既有有实力有技术的厂家，也不乏跟风的山寨公司。所使用的水轮机也五花八门，但是鱼龙混杂、良莠不齐，也不乏山寨产品。
经过这些年的推广应用，既有效果很好的成功例子，也有不少失败的教训。大浪淘沙，一些山寨公司也被淘汰出局。最近几年，人们对冷却塔水轮机的研究越发深入，对其认识也更客观理性，认识到水动风机冷却塔节能改造具有其适用性和局限性，不再盲目冲动地进行改造。
二、水动风机冷却塔适用性（局限性）浅议（待续 ）
三、水动风机冷却塔节能技术与水泵节能技术的比较（待续 ）

版主，我帖子的内容咋没有了？