基于非均匀喷溅装置的冷却塔实时动态配水系统及方法与流程

本发明涉及一种基于非均匀喷溅装置的冷却塔实时动态配水系统及方法。

背景技术：

冷却塔是电站冷端系统的重要设备，其冷却效率的高低影响整个热力系统的效率。而冷却塔配水的均匀度与冷却效率的高低密切相关。受环境侧风的影响，冷却塔内空气动力场经常出现气流干区短路问题，保持塔内各处的气水比一致，这就是配水优化的原则。

环境侧风对冷却塔内部的冷却效果有很大影响，因此根据侧风的实时方向和大小来调节冷却塔内部淋水密度，使得环境侧风下的配水与冷却塔内的空气动力场相耦合就十分重要。目前冷却塔还是实行全塔均匀配水，每一区域的淋水密度都相同，无法调节迎风区、背风区及侧风区中任一区域的淋水密度大小，不能最大程度的增加气水之间的换热，使得冷却效率无法达到最佳。

由于环境温度等因素的影响，冷却塔夏季和冬季的配水方式也需要有所改变。目前冷却塔实行从内向外的配水方式，在冬季时，水量的减小造成冷却塔内填料外围某些区域可能配不着水，不能充分利用外围空气流量大的特点，最大程度的发挥冷却塔的冷却性能。而且在冬季时，进风口处是最普遍，也是最容易结冰的部位，外围配水管如果没有水流，低温会使得冷却塔结冰，影响冷却塔工作效率。

目前冷却塔的配水系统没有设立外部测量系统，无法获得环境侧风的实时风向、风速等影响因素的数值，仅有配水系统但无法动态的调节水流量，不能根据塔外侧风环境来实时动态改变塔内各区域的淋水密度。

技术实现要素：

本发明目的在于：利用一个中央圆形竖井，采用管式配水方式，将冷却塔圆周面均分为8块扇形区域，通过在线监测冷却塔外部的环境侧风风向和风速，实时调节各区对应的电动阀门开度使得配水量变化，同时调节微型步进电机的工作状态，以及布置在各扇形区域边缘位置上的非均匀溅水碟的挡板方向，即可控制冷却塔内部各区域的淋水密度，实现实时动态分区配水。

为实现上述目的，本发明通过如下技术方案来实现：

一种基于非均匀喷溅装置的冷却塔实时动态配水系统，系统包括配水系统、淋水系统、风向风速检测系统以及处理控制模块；风向风速检测系统均匀布置在冷却塔四周，将其测量的外部风向、风速信息提供给处理控制模块来调节控制配水系统和淋水系统，三个系统互相配合，共同实现冷却塔的实时动态配水；

配水系统，包括中央圆形竖井、主水管、分水管、配水管、外围圆形管、电动阀、逆止阀，中央圆形竖井连接8个等高设置的主水管，并且向圆周延伸，将冷却塔圆周面均分为8个45°的扇形区域，分别为I、II、III、IV、V、VI、VII、VIII配水区域，每根输水管负责其左右22.5度共计45度区域的配水任务。圆周外围设置外围圆形管，每个扇形区域内设置一个分水管，将扇形区域等分成两个区域，每个区域内均匀配置若干配水管，配水管垂直于主水管；主水管、分水管都连接至外围圆形管；每根主水管上都设有电动阀和逆止阀，电动阀前后位置都装有压力表，将压力值反馈给控制处理模块。

淋水系统包括溅水碟，溅水碟分布在主水管、分水管和配水管上；用于给冷却塔填料喷淋，溅水碟布置方式采用交叉错位布置，单根配水管上两溅水碟间距为1.8米，相邻两根配水管间距0.9米。这样的布置方案可以实现区域全覆盖，避免重复喷水，也减少溅水碟布置数量，降低成本。

风向风速检测系统包括8个均匀布置在冷却塔四周的风向风速仪，布置高度为进风口处的三分之二，风向风速仪包括风杯、风标和风向风速感应器，风杯收集风速信号、风标收集风向信号，并输出至风向风速感应器，由实时风速和风向确定迎风区、背风区和侧风区，风正对的区域即为迎风区，迎风区对面的区域为背风区，剩下的即为侧风区，将信息输出至处理控制模块，处理控制模块根据输入及反馈信号来调节溅水碟的旋转角度和电动阀的开度，以实现各区域的不同淋水密度。

上述主水管由内层输水管和外层输水管组成，内层输水管在中心位置与中央圆形竖井连接，外层输水管与在冷却塔外围圆周位置的外围圆形管连接，内层输水管与外层输水管通过三根均匀分布排列的连接板支撑固定；外层输水管上布置有排气阀，用于系统注水启动时排气，同时水管在运行中由于气体聚集而振动，利用排气阀排出管中气体；配水时，水流由中央圆形竖井进入内层输水管，逐渐流入到外围圆形管，而后再回流进入外层输水管给配水管供水。

主水管既使得淋水密度与空气动力场相耦合，也实现了冷却塔夏季全区配水，冬季仅外区配水。主水管中的外层输水管给各层配水管供水，水流由塔周向塔中心处流动，每经过一处喷溅装置，总的水量不断减少，由于沿程阻力和局部阻力的影响，喷溅装置的进口压头自塔周向塔中心逐渐降低，同一型号的溅水碟的出水量也逐渐减小，呈现外区淋水密度大，内区淋水密度小的淋水特征，配合冷却塔外围通风量大，内部通风量小的空气动力场特点，实现了配水均匀度与侧风影响下冷却塔内的空气动力场的耦合。同时，由于冬季的循环水量小，水流仅在外围淋水到不了内部，而进风口处是最容易结冰的部位，所以冬季外围配水可以防止冷却塔结冰。

上述溅水碟分为均匀溅水碟和非均匀溅水碟，非均匀溅水碟均匀分布在分水管以及配水管区域中长度最长的配水管上。配水管长度由内至外是先增加后减小，非均匀溅水碟布置在最长的那根上，位置距离塔周为D为冷却塔的直径，均匀溅水碟均匀分布在主水管以及其余配水管上。外围圆形管上不设置溅水碟配水，因为冷却塔内壁处存在空气流速很低的薄膜层，设置溅水碟配水虽增加了淋水面积，但也增加空气进入进风口以及向内流动的阻力，减少冷却塔的通风量。

上述非均匀溅水碟包括第一层溅水碟、第二层溅水碟、微型步进电机、传动轴、主动齿轮、从动齿轮、挡板、支架、连接管、电机支架；第一层溅水碟与第二层溅水碟依次位于连接管下端，第一层溅水碟、第二层溅水碟、连接管通过支架固定，第一层溅水碟外侧包裹挡板，挡板上端与从动齿轮固定连接，从动齿轮通过尼龙轴承安装在连接管上，从动齿轮与主动齿轮啮合，主动齿轮通过传动轴连接一个微型步进电机，微型步进电机通过电机支架固定在连接管上，微型步进电机上设置接线盒；连接管内设置渐缩喷管，使得连接管内直径从开口处向下依次递减。

上述支架为开口矩形状，具有三根，且环绕连接管均匀分布，三根支架的上端连接在连接管的管体上，下端汇合至第二层溅水碟底部，与第二层溅水碟固定，三根支架中部架设横杆汇合至第一层溅水碟底部，与第一层溅水碟固定。

上述挡板包括倾斜顶板、侧板、倾斜底板以及防溅垫，侧板为圆弧状的，侧板上端通过倾斜顶板延伸至从动齿轮，下端连接倾斜底板，倾斜底板为扇形状，中央为喷溅口；倾斜底板上设置若干导流条，倾斜底板的两侧边缘处设置防漏边；侧板内壁设置一个防溅垫槽，用于放置防溅垫。

上述侧板上设置若干铆钉孔，防溅垫为硅胶材质，直接注塑成型，弧度与挡板内壁的弧度一致，防溅垫外侧设置若干与铆钉孔对应的铆钉，防溅垫通过将铆钉压入侧板的铆钉孔后，与侧板固定；防溅垫内侧设置若干圆形凹槽，用于阻止水滴四处飞溅。

一种基于非均匀喷溅装置的冷却塔实时动态配水方法，利用上述的系统，步骤如下：

(a)当无风或环境侧风风速V<0.25m/s，其对冷却效果影响不大，调节主水管上的电动阀阀门开度一致，控制非均匀溅水碟的挡板匀速旋转，保持全塔均匀配水，淋水密度为6-7.5m³/(m²·h)；

(b)当环境侧风风速V>0.25m/s且V<0.4m/s时，迎风区雨区水滴会阻挡风进入冷却塔内部，降低冷却效果，调小迎风区主水管上的电动阀阀门开度，降低迎风区的淋水密度小于6m³/(m²·h)，其他区主水管上的进口电动阀门开度不变，让环境风更多的进入到冷却塔内部；

(c)当环境侧风风速V>0.4m/s且V<0.7m/s时，迎风区雨区水滴会更多的阻挡进入冷却塔内部的风量，调节迎风区边缘位置上的非均匀溅水碟的挡板，使得挡板转向迎风区内部，水流喷向两边的侧风区，降低迎风区的淋水密度，“雨帘”的掀开让环境风更多的进入到冷却塔内部，换热效率增大；

(d)当环境侧风风速V>0.7m/s时出现“穿堂风”，迎风区雨区“雨帘”对风的阻碍作用不大，环境侧风直接从背风区排出，背风区冷却效果增强。调大背风区主水管上的电动阀阀门开度，增大进水量，同时调节背风区的非均匀溅水碟的挡板，使得挡板转向背风区外部，水流喷向背风区内部，增加背风区的淋水密度。

本发明所达到的有益效果：

本发明利用一个中央圆形竖井，采用管式配水方式，将冷却塔圆周面均分为8块扇形区域，对各区域实行分区配水。从中央圆形竖井向塔周输水的8条配水管为内外管双层设计，水由内管流入外围圆形管后再由塔周向塔中心处流动，呈现外区淋水密度大，内区淋水密度小的淋水特征。通过冷却塔外部设置的风向和风速检测装置在线监测环境侧风的风向和风速，实时调节各区对应的电动阀门开度使得配水量变化，同时调节微型步进电机的工作状态，以及布置在各扇形区域边缘位置上的非均匀溅水碟的挡板方向，对不同区域实现不同方向的喷射，即可控制冷却塔内部各区域的淋水密度，利用实时动态分区配水实现了配水均匀度与侧风影响下冷却塔内的空气动力场的耦合。

附图说明

图1是冷却塔实时动态配水系统总体布置图；

图2是实时动态配水系统管路结构示意图；

图3是图1中B的局部放大图；

图4是主水管结构示意图；

图5是图4的A-A剖视图

图6是溅水碟平面布置图；

图7是非均匀溅水碟结构示意图；

图8是非均匀喷溅装置的剖面图；

图9是挡板结构示意图；

图10是防溅垫结构示意图

图11是风向风速检测系统与塔内配水系统连接图；

图12是非均匀溅水碟布置位置示意图；

图13是不同方案下非均匀溅水碟喷水效果图一；

图14是不同方案下非均匀溅水碟喷水效果图二。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

如图1所示，一种基于非均匀喷溅装置的冷却塔实时动态配水系统，系统包括配水系统、淋水系统、风向风速检测系统以及处理控制模块11；风向风速检测系统均匀布置在冷却塔四周，将其测量的外部风向、风速信息提供给处理控制模块11来调节控制配水系统和淋水系统，三个系统互相配合，共同实现冷却塔的实时动态配水；

如图2、图3所示，配水系统，包括中央圆形竖井1、主水管2、分水管3、配水管4、外围圆形管5、电动阀6、逆止阀8，中央圆形竖井1连接8个等高设置的主水管2，并且向圆周延伸，将冷却塔圆周面均分为8个45°的扇形区域，分别为I、II、III、IV、V、VI、VII、VIII配水区域，每根输水管负责其左右22.5度共计45度区域的配水任务。圆周外围设置外围圆形管5，每个扇形区域内设置一个分水管3，将扇形区域等分成两个区域，每个区域内均匀配置若干配水管4，配水管4垂直于主水管2；主水管2、分水管3都连接至外围圆形管5；每根主水管2上都设有电动阀6和逆止阀8，电动阀前后位置都装有压力表7，将压力值反馈给控制处理模块11。

淋水系统包括溅水碟，溅水碟分布在主水管2、分水管3和配水管4上；用于给冷却塔填料喷淋，如图6所示，溅水碟布置方式采用交叉错位布置，单根配水管上两溅水碟间距为1.8米，相邻两根配水管间距0.9米。这样的布置方案可以实现区域全覆盖，避免重复喷水，也减少溅水碟布置数量，降低成本。

如图11所示，风向风速检测系统包括8个均匀布置在冷却塔四周的风向风速仪，布置高度为进风口处的三分之二，风向风速仪包括风杯13、风标14和风向风速感应器12，风杯13收集风速信号、风标14收集风向信号，并输出至风向风速感应器12，由实时风速和风向确定迎风区、背风区和侧风区，风正对的区域即为迎风区，迎风区对面的区域为背风区，剩下的即为侧风区，将信息输出至处理控制模块，处理控制模块11根据输入及反馈信号来调节溅水碟的旋转角度和电动阀的开度，以实现各区域的不同淋水密度。

如图4、图5所示，上述主水管2由内层输水管2-2和外层输水管2-1组成，内层输水管2-2在中心位置与中央圆形竖井1连接，外层输水管2-1与在冷却塔外围圆周位置的外围圆形管5连接，内层输水管2-2与外层输水管2-1通过三根均匀分布排列的连接板2-3支撑固定；外层输水管2-1上布置有排气阀15，用于系统注水启动时排气，同时水管在运行中由于气体聚集而振动，利用排气阀15排出管中气体；配水时，水流由中央圆形竖井1进入内层输水管2-2，逐渐流入到外围圆形管5，而后再回流进入外层输水管2-1给配水管供水。

主水管2既使得淋水密度与空气动力场相耦合，也实现了冷却塔夏季全区配水，冬季仅外区配水。主水管2中的外层输水管2-1给各层配水管供水，水流由塔周向塔中心处流动，每经过一处喷溅装置，总的水量不断减少，由于沿程阻力和局部阻力的影响，喷溅装置的进口压头自塔周向塔中心逐渐降低，同一型号的溅水碟的出水量也逐渐减小，呈现外区淋水密度大，内区淋水密度小的淋水特征，配合冷却塔外围通风量大，内部通风量小的空气动力场特点，实现了配水均匀度与侧风影响下冷却塔内的空气动力场的耦合。同时，由于冬季的循环水量小，水流仅在外围淋水到不了内部，而进风口处是最容易结冰的部位，所以冬季外围配水可以防止冷却塔结冰。

如图3、图12、图13、图14所示，上述溅水碟分为均匀溅水碟9和非均匀溅水碟10，非均匀溅水碟10均匀分布在分水管2以及靠近配水管区域中长度最长的配水管上。配水管长度由内至外是先增加后减小，非均匀溅水碟布置在最长的那根上，位置距离塔周为D为冷却塔的直径，均匀溅水碟9均匀分布在主水管2以及其余配水管4上。外围圆形管5上不设置溅水碟配水，因为冷却塔内壁处存在空气流速很低的薄膜层，设置溅水碟配水虽增加了淋水面积，但也增加空气进入进风口以及向内流动的阻力，减少冷却塔的通风量。

如图7所示，一种非均匀喷溅装置，包括第一层溅水碟10-1、第二层溅水碟10-2、微型步进电机10-3、传动轴10-5、主动齿轮10-16、从动齿轮10-13、挡板10-7、支架10-9、连接管10-10、电机支架10-12；第一层溅水碟10-1与第二层溅水碟10-2依次位于连接管10-10下端，第一层溅水碟10-1、第二层溅水碟10-2、连接管10-10通过支架10-9固定，第一层溅水碟10-1外侧包裹挡板10-7，挡板10-7上端与从动齿轮10-13固定连接，从动齿轮10-13通过尼龙轴承10-8安装在连接管10-10上，尼龙轴承10-8与从动齿轮10-13、连接管10-10均为过盈配合连接。尼龙轴承10-8外圈内圈材质为POM尼龙塑料，中间是玻璃钢珠。从动齿轮10-13与主动齿轮10-6啮合，主动齿轮10-6通过传动轴10-5连接一个微型步进电机10-3，微型步进电机10-3通过电机支架10-12固定在连接管10-10上，微型步进电机10-3上设置接线盒10-4。

微型步进电机10-3通过接线盒10-4连接电源来驱动电机的运转，同时接收和反馈控制信号。微型步进电机10-3接收脉冲信号后按设定的方向转动一个固定的角度，即步进角，根据脉冲数量来控制角位移量，通过调整挡板10-7的遮挡角度从而达到准确定位非均匀喷溅区域的目的，具有快速启停、角度精确的特点，同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，达到快速调整挡板10-7的角度以达到指定区域的目的。微型步进电机10-3的工作状态有连续匀速旋转、指定角度旋转、停止三种，当连续匀速旋转时，挡板7在圆周平面内连续匀速阻挡第一层溅水碟10-1喷溅出的水流，从一定时间范围内来看，实际上实现的是整个喷溅区域的均匀喷溅；当需要对某一指定区域喷溅时，则给出脉冲信号让步进电机按指定角度旋转，驱使挡板10-7遮挡住指定的非喷溅区域后停止即可。

主动齿轮10-6、从动齿轮10-13与挡板10-7的材质都为聚醚醚酮(PEEK)，具有耐腐蚀性，低噪音，重量轻的特点，降低成本的同时也减小了零件的重量，主动齿轮10-6直径小于从动齿轮10-13直径，两者啮合良好。

如图8所示，上述连接管10-10内设置渐缩喷管10-11，使得连接管10-10内直径从开口处向下依次递减。

如图7所示，上述支架10-9为开口矩形状，具有三根，且环绕连接管10-10均匀分布，三根支架10-9的上端连接在连接管10-10的管体上，下端汇合至第二层溅水碟10-2底部，与第二层溅水碟10-2固定，三根支架10-9中部架设横杆10-14汇合至第一层溅水碟10-1底部，与第一层溅水碟10-1固定。

如图9所示，上述挡板10-7包括倾斜顶板10-7-6、侧板10-7-7、倾斜底板10-7-1以及防溅垫10-7-8，侧板10-7-7为圆弧状的，侧板10-7-7上端通过倾斜顶板10-7-6延伸至从动齿轮10-13，下端连接倾斜底板10-7-1，倾斜底板10-7-1为扇形状，中央为喷溅口；倾斜底板10-7-1上设置若干导流条10-7-2，引导水流往倾斜底板10-7-1中心聚拢，为让水流往中心聚集且防止水流量过大而溢出。倾斜底板10-7-1的两侧边缘处设置防漏边10-7-3；侧板10-7-7内壁设置一个防溅垫槽10-7-5，用于放置防溅垫10-7-8。

第一层溅水碟10-1的正下方布置有第二层溅水碟10-2，其直径小于第一层溅水碟10-1直径。第二层溅水碟10-1的水流，来自挡板10-7阻挡的喷溅水流以及第一层溅水碟10-1的滴落水滴，水流通过倾斜底板10-7-1快速汇聚到中心位置，依靠势能冲击第二层溅水碟10-2。双层溅水碟及挡板的设计充分利用了富余水流及其势能，使得喷溅区域面积增大，同时也减小了单层溅水碟喷溅造成的中空区域面积。

倾斜底板10-7-1与水平面的夹角为20°，越靠近溅水碟中心的位置越低，有利于被挡板阻挡而无法喷溅出去的水流向中心集聚。

如图10所示，上述侧板10-7-7上设置若干铆钉孔10-7-4，防溅垫10-7-8为硅胶材质，直接注塑成型，弧度与侧板10-7-7内壁的弧度一致，防溅垫10-7-8外侧设置若干与铆钉孔10-7-4对应的铆钉10-7-10，防溅垫10-7-8通过将铆钉10-7-10压入侧板10-7-7的铆钉孔10-7-4后，与侧板10-7-7固定。

上述防溅垫10-7-8内侧设置若干圆形凹槽10-7-9，用于阻止水滴四处飞溅。

一种基于非均匀喷溅装置的冷却塔实时动态配水方法，其特征在于利用权利要求1-7所述的系统，所述步骤如下：

(a)当无风或环境侧风风速V<0.25m/s，其对冷却效果影响不大，调节主水管上的电动阀阀门开度一致，控制非均匀溅水碟的挡板匀速旋转，保持全塔均匀配水，淋水密度为6-7.5m³/(m²·h)；

(b)当环境侧风风速V>0.25m/s且V<0.4m/s时，迎风区雨区水滴会阻挡风进入冷却塔内部，降低冷却效果，调小迎风区主水管上的电动阀阀门开度，降低迎风区的淋水密度小于6m³/(m²·h)，其他区主水管上的进口电动阀门开度不变，让环境风更多的进入到冷却塔内部；

(c)当环境侧风风速V>0.4m/s且V<0.7m/s时，迎风区雨区水滴会更多的阻挡进入冷却塔内部的风量，调节迎风区边缘位置上的非均匀溅水碟的挡板，使得挡板转向迎风区内部，水流喷向两边的侧风区，降低迎风区的淋水密度，“雨帘”的掀开让环境风更多的进入到冷却塔内部，换热效率增大；

(d)当环境侧风风速V>0.7m/s时出现“穿堂风”，迎风区雨区“雨帘”对风的阻碍作用不大，环境侧风直接从背风区排出，背风区冷却效果增强。调大背风区主水管上的电动阀阀门开度，增大进水量，同时调节背风区的非均匀溅水碟的挡板，使得挡板转向背风区外部，水流喷向背风区内部，增加背风区的淋水密度。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。