本發(fā)明涉及一種冷卻塔及其性能診斷數(shù)學模型的建立方法。

背景技術：

自然通風逆流濕式冷卻塔是火電廠應用最為廣泛的冷端設備，其性能好壞直接影響發(fā)電機組運行的安全性和經濟性。一般情況下，出塔水溫越低，機組發(fā)電效率越高。對于300mw機組而言，出塔水溫每升高1℃，凝汽器飽和溫度升高約0.8℃，凝汽器真空降低約300pa，發(fā)電效率降低0.2-0.3％。因此，有必要對冷卻塔的實際運行狀態(tài)進行監(jiān)測及評估，確保冷卻塔維持最佳性能。目前，冷卻塔實際運行性能需要通過熱力性能試驗來進行評估，需要耗費大量人力、物力和時間。基于傳熱傳質領域常用的焓差法，本文提出一種逆流濕式冷卻塔性能診斷數(shù)學模型，僅通過分析電廠實際運行數(shù)據便可以實時評估冷卻塔運行性能是否達到設計值。

中國專利201210003778.9公開了一種變頻冷卻塔風機運行狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷遠程監(jiān)控系統(tǒng)，其由pc機、冷卻塔風機監(jiān)控終端，rs232/rs485轉換器及rs485總線構成，冷卻塔風機監(jiān)控系統(tǒng)通過rs485總線連接至rs232/rs485轉換器，rs232/rs485轉換器連接pc機，冷卻塔風機監(jiān)控終端由mcu及與mcu連接的葉片故障監(jiān)測電路、傳動軸故障監(jiān)測電路、振動監(jiān)測模塊、電機電流監(jiān)測電路、齒輪箱油位監(jiān)測電路、齒輪箱油溫監(jiān)測電路、電機轉速監(jiān)測電路、lcd顯示電路、報警電路、停開機電路、看門狗電路、電源電路、時鐘電路、復位電路及rs-485轉換電路構成。該方案設計復雜，成本高昂，不能有效解決上述問題。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術中存在的上述不足，而提供一種結構設計合理，步驟簡單高效，成本更低的冷卻塔性能診斷數(shù)學模型的建立方法。本方法建立的模型可以有效評估冷卻塔實際運行性能，替代冷卻塔性能診斷現(xiàn)場試驗，為冷卻塔故障診斷和狀態(tài)檢修提供理論依據。本發(fā)明還涉及應用該性能診斷數(shù)學模型的冷卻塔。

本發(fā)明解決上述問題所采用的技術方案是：冷卻塔，包括塔筒、雨區(qū)、填料、配水系統(tǒng)和收水器，雨區(qū)、填料、配水系統(tǒng)和收水器均安裝在塔筒內，填料位于雨區(qū)上方，配水系統(tǒng)位于填料上方，收水器位于配水系統(tǒng)上方，塔筒的中心安裝有中央豎井，塔筒的底部設置有進風口，塔筒的頂部設置有出口，塔筒上設置有進水口和出水口，其特征在于：還包括數(shù)據采集裝置、數(shù)據處理裝置和數(shù)據顯示裝置，數(shù)據采集裝置與數(shù)據處理裝置相連，數(shù)據處理裝置與數(shù)據顯示裝置相連；數(shù)據采集裝置包括密度傳感器、風速傳感器、流量傳感器和溫度傳感器，密度傳感器分為塔外空氣密度傳感器、塔內空氣密度傳感器和填料斷面空氣密度傳感器，塔外空氣密度傳感器安裝在塔筒的外壁上，塔內空氣密度傳感器安裝在塔筒的內壁上，填料斷面空氣密度傳感器安裝在填料的底面；風速傳感器安裝在填料的底面，且風速傳感器與填料斷面空氣密度傳感器一體式安裝，流量傳感器安裝在填料內部；溫度傳感器分為出塔水溫溫度傳感器和進塔水溫溫度傳感器，出塔水溫溫度傳感器安裝在出水口，進塔水溫溫度傳感器安裝在進水口；數(shù)據處理裝置包括計算裝置、負反饋裝置和判斷裝置，計算裝置與判斷裝置相連，負反饋裝置與計算裝置相連。

本發(fā)明所述計算裝置包括抽力計算裝置和阻力計算裝置，抽力計算裝置和阻力計算裝置相連，塔外空氣密度傳感器和塔內空氣密度傳感器均與抽力計算裝置相連，風速傳感器和填料斷面空氣密度傳感器均與阻力計算裝置相連。

本發(fā)明所述計算裝置包括冷卻能力計算裝置和冷卻任務計算裝置，冷卻能力計算裝置和冷卻任務計算裝置相連，數(shù)據采集裝置還包括氣體流量傳感器和液體流量傳感器，氣體流量傳感器和液體流量傳感器均與冷卻能力計算裝置相連，出塔水溫溫度傳感器和進塔水溫溫度傳感器均與冷卻任務計算裝置相連。

一種冷卻塔性能診斷數(shù)學模型的建立方法，其特征在于：包括以下步驟：

1)冷卻塔的空氣動力計算：包括冷卻塔的抽力計算和冷卻塔的阻力計算，其中：

a)冷卻塔的抽力計算：

h＝heg(ρ1-ρ2),

式中，h為冷卻塔的抽力，he為冷卻塔的有效抽力高度；g為重力加速度；ρ1為塔外空氣密度，ρ2為塔內的空氣密度；

b)冷卻塔的阻力計算：

ξ＝ξ1+ξ2+ξ3

ξ2＝6.72+0.654d+3.5q+1.43vf-60.61ε-0.36vfd

ξ3＝(ao/af)²

式中，z為冷卻塔的阻力，ξ為冷卻塔的總阻力系數(shù)；ρf為填料斷面的空氣密度；vf為填料斷面風速；ξ1為從進風口到配水系統(tǒng)上部的阻力系數(shù)；ξ2為雨區(qū)阻力系數(shù)；ξ3為塔筒出口阻力系數(shù)；ξf為填料阻力系數(shù)；ε為進風口面積與淋水面積之比；d為填料底部直徑；q為淋水密度；ao為塔筒出口直徑；af為填料斷面直徑；

2)冷卻塔的熱力計算：包括冷卻塔的冷卻能力計算和冷卻塔的冷卻任務計算，其中

c)冷卻塔的冷卻能力計算：

nc＝n+nw

n＝aλⁿ

式中，nc為冷卻塔的冷卻能力；n為填料模擬試驗求得的冷卻數(shù)；a為試驗系數(shù)，由填料模擬試驗求得；n為試驗指數(shù)，由填料模擬試驗求得；λ為氣水比；nw為因尾冷高度不同而附加的冷卻能力；hi為設計冷卻塔進風口高度；hm為試驗冷卻塔進風口高度；

d)冷卻塔的冷卻任務計算：

式中，nt為冷卻塔的冷卻任務；t1為進塔水溫；t2為出塔水溫，；cw為水的比熱；i″為水溫t對應的飽和空氣比焓；i為對應i″的空氣比焓；

3)迭代計算：

e)首先輸入已知條件，假設一個出塔水溫t2和一個填料斷面風速vf，求解h和z，當|h－z|≥0.01時，修正vf，然后重新求解h和z，直至|h－z|<0.01；當|h－z|<0.01時，

再分別計算冷卻任務nt和冷卻能力nc；

f)當|h－z|<0.01且|nc－nt|≥0.01時，重復步驟e)，直至|nc－nt|<0.01，然后確定實際的出塔水溫t2和實際的填料斷面風速vf，其中，出塔水溫t2的取值區(qū)間為(t21，t22)，填料斷面風速vf的取值區(qū)間為(vf1，vf2)。

本發(fā)明所述冷卻塔的冷卻任務采用辛普遜二段近似積分求解

式中，i"1為水溫t1對應的飽和空氣比焓，i"2為水溫t2對應的飽和空氣比焓，i"m分別為水溫tm對應的飽和空氣比焓，其中tm＝(t1+t2)/2；i1為空氣進口平均比焓、i2為出口平均比焓、im為進出口平均比焓。

本發(fā)明步驟3)完成后,采用冷卻水溫對比法評價冷卻性能，其中，

冷卻水溫對比法：

式中，η為冷卻能力；δtt為實際運行工況下的冷卻水溫差；δtd為按運行工況計算的冷卻水溫差。

本發(fā)明提供了一種冷卻塔，以及基于該冷卻塔基于焓差法建立了逆流濕式冷卻塔性能診斷數(shù)學模型，模型包括冷卻塔的空氣動力計算和熱力計算兩部分，空氣動力計算要求冷卻塔總抽力與總阻力的平衡，熱力計算要求冷卻塔冷卻能力與冷卻任務的平衡。模型考慮了冷卻塔尺寸和環(huán)境側風對計算結果的影響，并進行了合理修正；此外，還討論了獲得具有物理意義真實解的限制條件。

通過冷卻塔設計工況數(shù)據對模型進行了準確性驗證，并對冷卻塔實際運行數(shù)據進行了診斷分析。結合冷卻塔調研，結果表明：本模型可以有效評估冷卻塔的實際運行性能，為冷卻塔的故障診斷和狀態(tài)檢修提供理論依據，為冷卻塔的遠程監(jiān)督和節(jié)能優(yōu)化提供技術支持，可以部分替代冷卻塔性能診斷現(xiàn)場試驗，節(jié)省了人力和時間。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實施例的冷卻塔剖面結構示意圖。

圖2是本發(fā)明實施例的冷卻塔的性能診斷數(shù)學模型初始邏輯流程示意圖。

具體實施方式

下面結合附圖并通過實施例對本發(fā)明作進一步的詳細說明，以下實施例是對本發(fā)明的解釋而本發(fā)明并不局限于以下實施例。

實施例。

參見圖1-2。

本實施例包括一種冷卻塔。

冷卻塔包括塔筒3、雨區(qū)12、填料5、配水系統(tǒng)4和收水器，雨區(qū)12、填料5、配水系統(tǒng)4和收水器均安裝在塔筒3內，填料5位于雨區(qū)12上方，配水系統(tǒng)4位于填料5上方，收水器位于配水系統(tǒng)4上方，塔筒3的中心安裝有中央豎井，塔筒3的底部設置有進風口10，塔筒3的頂部設置有出口2，塔筒3上設置有進水口和出水口。

冷卻塔還包括數(shù)據采集裝置、數(shù)據處理裝置和數(shù)據顯示裝置，數(shù)據采集裝置與數(shù)據處理裝置相連，數(shù)據處理裝置與數(shù)據顯示裝置相連；數(shù)據采集裝置包括密度傳感器、風速傳感器、流量傳感器6和溫度傳感器，密度傳感器分為塔外空氣密度傳感器9、塔內空氣密度傳感器11和填料斷面空氣密度傳感器7，塔外空氣密度傳感器9安裝在塔筒3的外壁上，塔內空氣密度傳感器11安裝在塔筒3的內壁上，填料斷面空氣密度傳感器7安裝在填料5的底面；風速傳感器8安裝在填料5的底面，且風速傳感器8與填料斷面空氣密度傳感器7一體式安裝，流量傳感器6安裝在填料5內部；溫度傳感器分為出塔水溫溫度傳感器和進塔水溫溫度傳感器，出塔水溫溫度傳感器安裝在出水口，進塔水溫溫度傳感器安裝在進水口；數(shù)據處理裝置包括計算裝置、負反饋裝置和判斷裝置，計算裝置與判斷裝置相連，負反饋裝置與計算裝置相連。

計算裝置包括抽力計算裝置和阻力計算裝置，抽力計算裝置和阻力計算裝置相連，塔外空氣密度傳感器9和塔內空氣密度傳感器11均與抽力計算裝置相連，風速傳感器8和填料斷面空氣密度傳感器7均與阻力計算裝置相連。

計算裝置還包括冷卻能力計算裝置和冷卻任務計算裝置，冷卻能力計算裝置和冷卻任務計算裝置相連，數(shù)據采集裝置還包括氣體流量傳感器和液體流量傳感器，氣體流量傳感器和液體流量傳感器均與冷卻能力計算裝置相連，出塔水溫溫度傳感器和進塔水溫溫度傳感器均與冷卻任務計算裝置相連。氣體流量傳感器和液體流量傳感器用于計算氣水比。

本實施例還包括該冷卻塔的性能診斷數(shù)學模型的建立方法。本實施例包含三部分，分別為包括冷卻塔的空氣動力計算、冷卻塔的熱力計算和冷卻塔性能診斷數(shù)學模型的建立。

一、冷卻塔的空氣動力計算

冷卻塔空氣動力計算的最終結果是求得阻力z和抽力h的平衡，即z＝h。此時，冷卻塔內部的氣水流動達到穩(wěn)定狀態(tài)。

a)冷卻塔的抽力計算

自然通風逆流濕式冷卻塔的空氣流動是由塔內外空氣密度差產生的抽力所引起的。在冷卻塔中，氣水之間發(fā)生傳熱傳質，空氣溫度升高，濕度增大，密度減小。在配水系統(tǒng)上部塔筒內，空氣密度近似均勻，冷卻塔的抽力h可按下式計算：

h＝heg(ρ1-ρ2)(1)

式中，he為冷卻塔的有效抽力高度，單位為m；g為重力加速度，單位為m/s²；ρ1為塔外的空氣密度，ρ2為塔內的空氣密度，單位為kg/m³。

有效高度he應是塔外大氣在進風口半高處的壓力和塔內相應高度處空氣的壓力差。一般認為從進風口中部以上空氣開始吸熱，直到噴嘴以下，且此段空氣密度呈線性變化，則有效高度取值為配水系統(tǒng)上部到塔頂?shù)木嚯x加噴嘴到進風口半高處距離的一半。

b)冷卻塔的阻力計算

空氣從進風口進入冷卻塔，穿過雨區(qū)、填料、配水系統(tǒng)、收水器，從塔出口排出，在穿過這些部件時會產生通風阻力。冷卻塔的阻力z可用下式表示：

ξ＝ξ1+ξ2+ξ3(3)

ξ2＝6.72+0.654d+3.5q+1.43vf-60.61ε-0.36vfd(5)

ξ3＝(ao/af)²(6)

式中，ξ為冷卻塔的總阻力系數(shù)；ρf為填料斷面的空氣密度，單位為kg/m³；vf為填料斷面風速，單位為m/s；ξ1為從進風口到配水系統(tǒng)上部的阻力系數(shù)；ξ2為雨區(qū)阻力系數(shù)；ξ3為塔筒出口阻力系數(shù)；ξf為填料阻力系數(shù)；ε為進風口面積與淋水面積之比；d為填料底部直徑，單位為m；q為淋水密度，單位為m³/(m²·h)；ao為塔筒出口直徑，單位為m；af為填料斷面直徑，單位為m。

二、冷卻塔的熱力計算

冷卻塔熱力計算的最終結果就是求得冷卻能力nc和冷卻任務nt的平衡，即nc＝nt。此時，冷卻塔內空氣溫度、濕度以及水溫分布均達到穩(wěn)定狀態(tài)。

c)冷卻塔的冷卻能力

冷卻塔的冷卻能力nc由以下三部分組成：

1)從配水噴嘴開始到填料頂面，水滴在上升氣流中冷卻。這部分冷卻能力約占全塔冷卻能力的10％。

2)填料高度范圍內的冷卻。這一部分是冷卻塔冷卻能力的主要部分，約占全塔冷卻能力的70％。

3)填料以下到集水池水面之間水滴的尾部冷卻，約占全塔冷卻能力的20％。

在填料模擬試驗中，并未將上述三部分冷卻能力分開測定，而是測定三部分總和。冷卻塔熱力計算中可采用模擬試驗數(shù)據擬合得到的關聯(lián)式，但由于試驗裝置尾冷高度一般只有2-3米，所以應再額外加上設計冷卻塔尾冷值與試驗裝置尾冷值的差值，作為設計冷卻塔的冷卻能力nc，如下式：

nc＝n+nw(7)

n＝aλⁿ(8)

式中，nc為冷卻塔的冷卻能力；n為填料模擬試驗求得的冷卻數(shù)；a為試驗系數(shù)，由填料模擬試驗求得；n為試驗指數(shù)，由填料模擬試驗求得；λ為氣水比；nw為因尾冷高度不同而附加的冷卻能力；hi為設計冷卻塔進風口高度，m；hm為試驗冷卻塔進風口高度，m。

需要指出的是，填料模擬試驗時，同一平面的空氣參數(shù)是均勻一致的，求得的冷卻能力適用于一維計算；而大型冷卻塔的進風口較高，底部直徑較大，空氣徑向流程較長，使得進入填料的空氣溫度、濕度、速度等初參數(shù)并不均勻，近似二維分布，所以大型塔的冷卻能力要根據冷卻塔尺寸進行必要的修正。

此外，大量研究表明，環(huán)境側風會對冷卻塔的性能產生不利影響，風速為4m/s時的出塔水溫較無風時約升高0.65～0.85℃，所以要進行側風影響的修正。

d)冷卻塔的冷卻任務

已知氣象條件、進塔水溫、出塔水溫和氣水比的條件下，冷卻塔的冷卻任務nt采用焓差法可以表示為：

式中，nt為冷卻塔的冷卻任務；t1為進塔水溫，單位為℃；t2為出塔水溫，單位為℃；cw為水的比熱，單位為kj/kg·℃；i″為水溫t對應的飽和空氣比焓，單位為kj/kg；i為對應i″的空氣比焓，單位為kj/kg。

通常情況下，冷卻任務nt可用辛普遜二段近似積分求解：

式中，i"1為水溫t1對應的飽和空氣比焓，i"2為水溫t2對應的飽和空氣比焓，i"m分別為水溫tm對應的飽和空氣比焓，其中tm＝(t1+t2)/2；i1為空氣進口平均比焓、i2為出口平均比焓、im為進出口平均比焓。

公式(11)中，冷卻任務nt是出塔水溫t2的函數(shù)，由4條曲線組成，存在3個間斷點，即i″2＝i1、i″m＝im和i″1＝i2。其中，前3條曲線只有數(shù)學意義，并不具有實際意義，只有最右側的第4條曲線具有現(xiàn)實物理意義，是進行冷卻塔熱力計算時，非線性方程式nc＝nt的唯一合理真實解。從物理意義上來說，氣水換熱的驅動力是局部水溫t對應的飽和空氣比焓與局部空氣比焓之間的焓差推動力，基于此，求得真實解的限制條件為公式(11)中的3個焓差必須同時大于0，否則可能會錯失真實解。

三、冷卻塔性能診斷數(shù)學模型的建立

參考有關逆流濕式冷卻塔的熱力設計方法，建立逆流濕式冷卻塔性能診斷數(shù)學模型，基本思想就是在已知冷卻塔結構尺寸參數(shù)及塔芯部件熱力及阻力特性的條件下，根據各種氣象條件、循環(huán)水量和進塔水溫計算出冷卻后的出塔水溫及通風量等參數(shù)。首先使用夏季頻率10％氣象條件下的冷卻塔設計工況來驗證冷卻塔性能診斷模型的準確性，然后通過對比計算出塔水溫和實際出塔水溫的差異，即可判斷冷卻塔性能是否達到設計值。根據國家相關測試規(guī)程，采用冷卻水溫對比法來評價冷卻性能，即

式中，η為冷卻能力，單位為％；δtt為實際運行工況下的冷卻水溫差，單位為℃；δtd為按運行工況計算出的冷卻水溫差，單位為℃。

當η>95％時，冷卻能力達到設計值；當η>105％時，冷卻能力超過設計值。而當η<95％時，則認為冷卻塔的冷卻能力未達到設計值，應該分析原因并進行檢修維護。

如上文所述，冷卻塔的計算包括空氣動力計算和熱力計算兩部分，由于出塔水溫t2和填料斷面風速vf都是未知的，因此，冷卻塔性能求解是一個迭代計算的過程。其中，出塔水溫t2的取值區(qū)間為(t21，t22)，填料斷面風速vf的取值區(qū)間為(vf1，vf2)。模型建立開始時先輸入已知條件。t21、t22、vf1和vf2均可根據實際情況選定。

e)計算時，首先假設一個出塔水溫t2，作為優(yōu)選，此處初值t2＝(t21+t22)/2。在此基礎上再假設填料斷面風速vf，作為優(yōu)選，此處初值vf＝(vf1+vf2)/2。求解h和z。當|h－z|<0.01的程序判斷為否時，修正vf，重新計算求解h和z，重復該步驟，直至|h－z|<0.01的程序判斷為是；當|h－z|<0.01判斷為是時，即求出在出塔水溫為t2時，滿足冷卻塔抽力h和阻力z相平衡時的填料斷面風速vf，|h－z|<0.01已經可以滿足實際需求精度；

f)在此填料斷面風速vf下，求解冷卻能力nc和冷卻任務nt；如果nt>nc，同時|nc－nt|<0.01為否時，則說明假設的出塔水溫t2偏小，然后修正增大t2重新計算，重復步驟e)；如果nt<nc，同時|nc－nt|<0.01為否時，則說明假設的出塔水溫t2偏大，然后修正減小t2重新計算，重復步驟e)，直至兩平衡均滿足為止，即|h－z|<0.01且|nc－nt|<0.01，方可確定出塔水溫t2和填料斷面風速vf。

四、模型的準確性驗證

本文采用華電濰坊電廠#1-#4冷卻塔和鐵嶺電廠#1、#4-#6冷卻塔為研究對象，對上文建立的冷卻塔性能診斷模型進行驗證和分析。

為描述簡便，濰坊電廠#1-#4冷卻塔采用濰坊#1-#4塔描述，鐵嶺電廠#1、#4-#6冷卻塔采用鐵嶺#1、#4-#6塔描述。

其中由于濰坊#1塔和#2塔、濰坊#3塔和#4塔、鐵嶺電廠#1塔和#4塔、鐵嶺#5塔和#6塔的型號分別相同，所以僅以濰坊#1、#3塔和鐵嶺#1、#5塔為代表，取其設計工況對模型進行準確性驗證，詳細數(shù)據如表1所示。由表可知，各冷卻塔的設計出塔水溫與采用性能診斷模型的計算出塔水溫偏差較小，在0.01-0.24℃之間，這說明本文建立的冷卻塔性能診斷數(shù)學模型可以準確評估冷卻塔性能。

表1冷卻塔設計工況對模型準確性的驗證

五、冷卻塔運行數(shù)據診斷分析

對每個冷卻塔均選取三個不同環(huán)境參數(shù)下的實際運行工況，所有數(shù)據均取自電廠dcs系統(tǒng)。根據工況參數(shù)采用冷卻塔性能診斷數(shù)學模型進行了計算，實際出塔水溫、計算出塔水溫和冷卻性能數(shù)據詳見表2。

由表2可以看出，在診斷的8座冷卻塔中，只有濰坊電廠#3和#4冷卻塔的冷卻性能在95％以上，達到了設計值，其余6座冷卻塔均未達到設計值，許多工況下的冷卻性能僅為80％左右，這說明冷卻塔運行中必然存在許多問題。

通過調研發(fā)現(xiàn)，濰坊電廠#1和#2冷卻塔已經運行20年以上，噴濺裝置和淋水填料損壞比較嚴重，而#3和#4冷卻塔投運不到10年，運行狀況較好；鐵嶺電廠的幾座冷卻塔均存在設計面積偏小的問題，而且噴嘴濺落高度僅為0.5m左右，不符合0.8m一般標準，導致配水均勻性較差，此外，填料、除水器、配水管損壞現(xiàn)象較為嚴重，局部存在水柱。因此，電廠必須加強冷卻塔的日常監(jiān)督和維護，及時更換損壞的塔芯部件，并采取必要的節(jié)能優(yōu)化技術改造，確保冷卻塔運行在最佳狀態(tài)，提高機組運行的經濟性。

表2冷卻塔實際運行數(shù)據的診斷分析

此外，需要說明的是，本說明書中所描述的具體實施例，其零、部件的形狀、所取名稱等可以不同，本說明書中所描述的以上內容僅僅是對本發(fā)明結構所作的舉例說明。凡依據本發(fā)明專利構思所述的構造、特征及原理所做的等效變化或者簡單變化，均包括于本發(fā)明專利的保護范圍內。本發(fā)明所屬技術領域的技術人員可以對所描述的具體實施例做各種各樣的修改或補充或采用類似的方式替代，只要不偏離本發(fā)明的結構或者超越本權利要求書所定義的范圍，均應屬于本發(fā)明的保護范圍。