专利名称：干式冷却塔控风特性实验系统及控风设计方案的制作方法
技术领域：
本发明涉及的是热电厂干式冷却塔对自然风影响的控制能力的动态仿真风洞实验模拟系统以及通过该系统优选出的若干干式冷却塔控风设计方案。
目前在我国运行的干式冷却塔的冷却效率在自然风的影响下明显下降已经是一个严峻的事实。安装在大同第二热电厂的海勒式空气冷却塔依设计的散热量保证系数，要求自然风速不超过2m/s。实际运行表明，外界自然风速超过3m/s时影响就很明显。在同等环境温度与发电机出力200MW的条件下，无风时凝结器真空度90%;有3m～4m/s自然风时，真空度降为85～86%。此时耗煤量相应增加，发每度电多耗煤约为10克。风速若为5m～6m/s，则必须降低负荷。按大同地区的气象条件，年平均风速大于3m/s的时间约为4500小时;风速大于4m/s的时间约为1680小时。使负荷从200MW降至130MW以下的大风天气约有1000小时。粗略的保守计算不难知道，一台200MW的机组，由于大风天气对冷却塔效率的不利影响，每年多消耗煤约4000吨，少发电约0.5亿度，电厂直接经济损失在500万元以上，由于限电停电造成生产单位的间接经济损失得以亿计，这是非常惊人的数字。
为了解决上述问题，本发明在现场实测研究的基础上提出一套风洞模拟实验系统，探寻改善风对干式冷却塔效率不利影响的措施。
本发明首先对干式冷却塔无风和有风时的塔内空气流场和温度分布特性进行了实测研究。
应用杯式风速计测得的无风和有风时的冷却塔入口处的气流速度分布见图4。可以看到，在无风时，119个扇形段(357)的平均气流速度大约为6.0m/S，而在有4级左右的风(风速5～7m/s)时，除了迎风面的三、四扇段外进塔气流速度都降低了，平均进气速度降到了4.8m/s(即平均降低1.2m/s)。这说明，自然风的影响使干式冷却塔的进口和出口气流速度下降。由于散热器的散热效率是与气流速度的幂次方成比例的，所以自然风确使干式塔冷却效率下降。
塔内气温分布是使用气球悬吊半导体遥感温度计进行测量的。图5和图6分别给出了沿周向和铅垂方向测得的无风和有风时的温度分布，风速为4级左右，约为5-7m/s。
图5所给出的温度分布的测量点，分布在塔内高25m半径约38m的圆周上，每隔12°一个点，共30个测点，无风时平均温度为38℃，有风时平均温度增至45.5℃，即增加7.5℃。
图6所示垂向温度分布，基本上是沿冷却塔的中心轴线测量的，每隔10m一个测点，共12个测点，无风时平均温度为33℃，有风时平均温度增至41℃，即增加8℃。
有风时塔内温度升高是和进出塔口空气速度降低相联系的。由于穿过散热器的气流速度下降，气流穿过散热器的时间加长，从而温度升高较多。
图4、图5、图6给出了干式冷却塔受自然风影响的效果，但还不能说明原因。仅从塔内温度升高这一效果来看，它将使塔的抽力增大。很显然，一定还有使塔的抽力降得更低的外部原因才使自然风的实际影响是使冷却塔的总抽力或者说有效抽力下降。
为了弄清自然风降低干式冷却塔的有效抽力的原因和研究改善自然风不利影响的措施，本发明依据相似性原理提出了一套风洞模拟实验系统，并据此优选出若干控风设计方案。
本发明中的风洞模拟实验系统由回流式边界层风洞(1)、电加热锅炉(2)、循环水系统(3)、散热器(5)、塔筒(4)、底板(7)组成，其中回流式边界层风洞具有两个试验段(11)，(12)，试验段前部铺有粗糙元(13)，以形成模拟大气边界层的风速剖面。
电加热锅炉(2)中装有电加热器(21，22)，顶部装有溢流阀(23)，外部装有监测水位的水位显示管(24)，底部装有出水阀(25)。
循环水系统(3)中的热水经上水总管(31)进入稳定室(32)，然后经进水管(33)分别进入各散热器(4)，再由各散热器的排水管(34)经流量调节喷管(35)喷出，喷出的水由聚水池(36)集中，然后经回水总管(37)由回水泵(38)返回电加热锅炉(2)。
散热器(5)分为若干段，其结构为翅片管式并与能模拟实际的冷却塔散热器结构相匹配。散热器(5)上安装冷却塔(4)，置于风洞底板(7)上。
根据上述模型，优选出五项方案a.在冷却塔(4)底外加翅墙(13);
b.在冷却塔(4)顶部加半围墙(14);
c.在冷却塔(4)底外加聚风室(15);
d.在冷却塔(4)内部安装十字墙(16);
e.在冷却塔(4)底内部安装导风锥(17)。
本发明的优点是1.依据相似原理建立的一套干式冷却塔对自然风影响的控制能力的动态仿真风洞实验模拟系统，具有整套的稳定热水循环和散热装置，并采用计算机进行实时温度与风速测量。可以通过风洞实验快速地检测干式冷却塔控风特性的效果，并反映出产生这种效果的空气动力学机制。该系统能够较好地反映真空塔的运行及风力影响情况，能够快速直接选择各种改进方案，不仅适用于海勒式干塔，也适合于其它类型的干塔，其基本原理与测控方法也适合于湿式冷却塔。2.通过干式冷却塔控风特性实验系统的工作，优选出的若干干式冷却塔控风设计方案，具有结构简单、造价低廉、控风效果良好的特点。可以作为目前已有干式冷却塔的改型以及为重新设计塔达到良好性能的依据、采用此类方案可以不同程度地提高干式冷却塔的控风能力。不仅可以减少自然风带来的不利影响，甚至可以利用自然风来提高冷却效率，使发电机正常出力，节约煤耗。为我国发展能源作出贡献。
图1是干式冷却塔控风特性实验系统示意图。其中2-电加热锅炉，21-炉外电加热器，22-炉内电加热器，23-溢流阀，24-水位显示管，25-出水阀，3-循环水系统，31-上水总管，32-稳定室，33-进水管，34-排水管，35-流量调节喷管，36-聚水池，37-回水总管，38-回水泵，4-冷却塔，5-散热器，6-半导体温度计，7-底板。
图2是回流式边界层风洞示意图。其中1-回流式边界层风洞，11-前试验段，12-后试验段，13-粗糙元。
图3是检测系统框图。其中5-散热器，8-传感器，9-直流放大器，10-直交流A/D变换器，11-计算机，12-显示/打印装置。
图4是自然风对干式冷却塔进口风速的影响(大同二电6号塔实测结果)。
图5是自然风对干式冷却塔内温度分布(环向)的影响(大同二电6号塔实测结果)。
图6是自然风对干式冷却塔内温度分布(垂向)的影响(大同二电6号塔实测结果)。
图7是原型冷却塔模型。其中4-冷却塔，5-散热器。
图8是塔底外加十字翅墙模型。其中13-翅墙。
图9是塔底外加十字翅墙(带门洞)模型。其中131-门洞。
图10是塔顶加半围墙模型。其中14-半围墙。
图11是塔底加聚风室模型。其中15-聚风室。
图12是塔底内部安装十字墙模型。其中16-十字墙。
图13是塔底内部安装带十字翅圆锥模型。其中17-倒风锥，18-十字翅。
实施例一、风洞和模型风洞为具有两个试验段的回流式边界风洞(图2)，试验在第一试验段中进行。试验段宽2.4m，高1.8m，长8m。试验段前部铺有4m长的粗糙元，以形成模拟大气边界层的风速剖面。模型缩尺比为1/180。电加热锅炉(2)的容量为1.2立方米，炉外电加热器(21)采用3千瓦电热管，炉内电加热器(23)采用2千瓦电热管。散热器部分由紫铜管(外径φ12mm，内径φ10mm)和紫铜翅片(厚0.3mm)构成。散热器共分6个扇形区，每个扇形区形成独立的热循环水系统，循环水系统(3)中的上水总管(31)、稳定室(33)、进水管(33)均包裹隔热材料。在与散热器相连的进、出水管处安装有半导体温度计(7)，塔筒为玻璃钢制成，厚3.0mm(图7)。
二、优选方案根据上述模拟系统，对下述5项10种方案进行了变风速和变风向的风洞实验，详见下表
其中方案Ⅰ在冷却塔底外部的翅墙(13)共4个，其墙面沿塔底半径方向，彼此相隔90°，安装位置根据冷却塔周围环境与主风向由风洞试验确定，墙高为散热器高度，墙宽为墙高的三分之二。冷却塔底的十字翅墙(13)的底部开有门洞(131)，门洞(131)的高度为翅墙(13)高度的六分之一，门洞(131)的宽度为翅墙(13)宽度的五分之一。方案Ⅱ在冷却塔(4)顶部的半围墙(14)可以是沿墙顶圆周回转式的，安装位置是半围墙弓背朝主风向。在冷却塔(4)顶部的半围墙可以是由若干片可升降的墙片构成的组式的结构。方案Ⅲ在冷却塔(4)底部的聚风室(15)采用百叶窗式环形室，其高度与散热器(5)高度相同，宽度为散热器(5)的宽度的三分之二。方案Ⅳ在冷却塔(4)内部安装的十字墙(16)与散热器(5)同高，其长度为63米。方案Ⅴ塔内导风锥(17)与塔同轴，锥底部直径约为塔底半径的三分之二，锥高约为散热器高度的两倍。塔内导风锥(17)可带有十字翅墙(18)，翅墙(18)与导风锥(17)同高，其底宽为圆锥直径的十分之一，顶宽等于导风锥半径。
三、测量系统整个实验采用了计算机自动测量系统，测量内容包括(1)各扇形段的散热器入口水温及出口水温。
(2)塔内参考温度。
(3)塔外参考温度(风洞气流温度)。
测控系统方框图见图3。
权利要求
1.一种干式冷却塔控风特性实验系统，其特征是该系统由回流式边界层风洞(1)、电加热锅炉(2)、循环水系统(3)、冷却塔(4)、散热器(5)、底板(7)组成1.1回流式边界层风洞(1)具有两个试验段(11、12)，试验段前部铺有粗糙元(13)；1.2电加热锅炉(2)中装有电加热器(21、22)，顶部装有溢流阀(23)，外部装有监测水位的水位显示管(24)，底部装有出水阀(25)；1.3循环水系统(3)中的热水经上水总管(31)进入稳定室(32)，然后经进水管(33)分别进入各散热器(5)，再由各散热器的排水管(34)经流量调节喷管(35)喷出，喷出的水由聚水池(36)集中，然后经回水总管(37)由回水泵(38)返回电加热锅炉(2)；1.4散热器(5)分为若干段，其结构为翅片管式并与能模拟实际的冷却塔散热器结构相匹配；1.5散热器(5)上安装冷却塔(4)，置于风洞底板(7)上。
2.根据权利要求1所述的干式冷却塔控风特性实验系统，其特征是电加热锅炉(2)的容量为1.2立方米，炉内电加热器(21)采用3千瓦电热管，炉外电加热器(22)采用2千瓦电热管。
3.根据权利要求1或2所述的干式冷却塔控风特性实验系统，其特征是循环水系统(3)中的上水总管(31)、稳定室(32)、进水管(33)均包裹隔热材料。
4.根据权利要求3所述的干式冷却塔控风特性实验系统，其特征是构成散热器(5)的紫铜管外径为12毫米，内径为10毫米;紫铜翅厚0.3毫米，散热器共分六个扇形区，每个扇形区形成独立的热水循环系统;在与散热器相连的进、出水管处安装有半导体温度计(7)。
5.根据权利要求4所述的干式冷却塔控风特性实验系统，其特征是来自半导体温度计(7)的信号送入传感器(8)，经直流放大器(9)放大，再送入A/D变换器(12)输出检测结果。
6.一组根据权利要求1所述的干式冷却塔控风特性实验系统优选出的冷却塔控风设计方案，其特征是6.1或在冷却塔(4)底外加翅墙(13);6.2或在冷却塔(4)顶部加半围墙(14);6.3或在冷却塔(4)底外加聚风室(15);6.4或在冷却塔(4)底内部安装十字墙(16);6.5或在冷却塔(4)底内部安装导风锥(17);
7.根据权利要求6所述的干式冷却塔控风设计方案，其特征是所说的在冷却塔底外部的翅墙(13)共4个，其墙面沿塔底半径方向，彼此相隔90°，墙高为散热器高度，墙宽为墙高的三分之二。
8.根据权利要求7所述的干式冷却塔控风设计方案，其特征是在冷却塔底的十字翅墙(13)的底部开有门洞(131)，门洞(131)的高度为翅墙(13)高度的六分之一，门洞(131)的宽度为翅墙(13)宽度的五分之一。
9.根据权利要求6所述的干式冷却塔控风设计方案，其特征是所说的在冷却塔(4)顶部的半围墙(14)可以是沿墙顶圆周回转式的，安装位置是半围墙弓背朝主风向。
10.根据权利要求9所述的干式冷却塔控风设计方案，其特征是所说的在冷却塔(4)顶部的半围墙可以是由若干片可升降的墙片构成帆式的结构。
11.根据权利要求6所述的干式冷却塔控风设计方案，其特征是所说的在冷却塔(4)底部的聚风室(15)采用百叶窗式环形室，其高度与散热器(5)高度相同，宽度为散热器(5)的宽度的三分之二。
12.根据权利要求6所述的干式冷却塔控风设计方案，其特征是所说的在冷却塔塔筒(4)内部安装的十字墙(16)与散热器(5)同高，其长度为63米。
13.根据权利要求6所述的干式冷却塔控风设计方案，其特征是所说的塔内导风锥(17)与塔同轴，锥底部直径为塔底半径的三分之二，锥高为散热器高度的两倍。
14.根据权利要求13所述的干式冷却塔控风设计方案，其特征是所说的塔内导风锥(17)可带有十字翅墙(18)，翅墙(18)与导风锥(17)同高，其底宽为圆锥直径的十分之一，顶宽等于导风锥半径。
全文摘要
本发明涉及的是热电厂干式冷却塔对自然风影响的控制能力的动态仿真风洞实验模拟系统，以及通过该系统优选出的若干干式冷却塔控风设计方案。干式冷却塔控风特性实验系统由回流式边界层风洞、电加热锅炉、循环水系统、冷却塔、散热器、底板组成。据此系统优选出了五项冷却塔控风设计方案，即在冷却塔底外加翅墙，在冷却塔顶部加半围墙，在冷却塔底外加聚风室，在冷却塔底内部安装十字墙，在冷却塔底内部安装导风锥。
文档编号F28C1/00GK1072770SQ92114520
公开日1993年6月2日 申请日期1992年12月21日 优先权日1992年12月21日
发明者魏庆鼎, 张伯寅, 刘可器, 孟宪忠, 杜向东, 赵振国, 陆振铎, 石金玲 申请人:北京大学