冷却塔及其性能诊断数学模型的建立方法与流程

本发明涉及一种冷却塔及其性能诊断数学模型的建立方法。

背景技术：

自然通风逆流湿式冷却塔是火电厂应用最为广泛的冷端设备，其性能好坏直接影响发电机组运行的安全性和经济性。一般情况下，出塔水温越低，机组发电效率越高。对于300mw机组而言，出塔水温每升高1℃，凝汽器饱和温度升高约0.8℃，凝汽器真空降低约300pa，发电效率降低0.2-0.3％。因此，有必要对冷却塔的实际运行状态进行监测及评估，确保冷却塔维持最佳性能。目前，冷却塔实际运行性能需要通过热力性能试验来进行评估，需要耗费大量人力、物力和时间。基于传热传质领域常用的焓差法，本文提出一种逆流湿式冷却塔性能诊断数学模型，仅通过分析电厂实际运行数据便可以实时评估冷却塔运行性能是否达到设计值。

中国专利201210003778.9公开了一种变频冷却塔风机运行状态监测与故障诊断远程监控系统，其由pc机、冷却塔风机监控终端，rs232/rs485转换器及rs485总线构成，冷却塔风机监控系统通过rs485总线连接至rs232/rs485转换器，rs232/rs485转换器连接pc机，冷却塔风机监控终端由mcu及与mcu连接的叶片故障监测电路、传动轴故障监测电路、振动监测模块、电机电流监测电路、齿轮箱油位监测电路、齿轮箱油温监测电路、电机转速监测电路、lcd显示电路、报警电路、停开机电路、看门狗电路、电源电路、时钟电路、复位电路及rs-485转换电路构成。该方案设计复杂，成本高昂，不能有效解决上述问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术中存在的上述不足，而提供一种结构设计合理，步骤简单高效，成本更低的冷却塔性能诊断数学模型的建立方法。本方法建立的模型可以有效评估冷却塔实际运行性能，替代冷却塔性能诊断现场试验，为冷却塔故障诊断和状态检修提供理论依据。本发明还涉及应用该性能诊断数学模型的冷却塔。

本发明解决上述问题所采用的技术方案是：冷却塔，包括塔筒、雨区、填料、配水系统和收水器，雨区、填料、配水系统和收水器均安装在塔筒内，填料位于雨区上方，配水系统位于填料上方，收水器位于配水系统上方，塔筒的中心安装有中央竖井，塔筒的底部设置有进风口，塔筒的顶部设置有出口，塔筒上设置有进水口和出水口，其特征在于：还包括数据采集装置、数据处理装置和数据显示装置，数据采集装置与数据处理装置相连，数据处理装置与数据显示装置相连；数据采集装置包括密度传感器、风速传感器、流量传感器和温度传感器，密度传感器分为塔外空气密度传感器、塔内空气密度传感器和填料断面空气密度传感器，塔外空气密度传感器安装在塔筒的外壁上，塔内空气密度传感器安装在塔筒的内壁上，填料断面空气密度传感器安装在填料的底面；风速传感器安装在填料的底面，且风速传感器与填料断面空气密度传感器一体式安装，流量传感器安装在填料内部；温度传感器分为出塔水温温度传感器和进塔水温温度传感器，出塔水温温度传感器安装在出水口，进塔水温温度传感器安装在进水口；数据处理装置包括计算装置、负反馈装置和判断装置，计算装置与判断装置相连，负反馈装置与计算装置相连。

本发明所述计算装置包括抽力计算装置和阻力计算装置，抽力计算装置和阻力计算装置相连，塔外空气密度传感器和塔内空气密度传感器均与抽力计算装置相连，风速传感器和填料断面空气密度传感器均与阻力计算装置相连。

本发明所述计算装置包括冷却能力计算装置和冷却任务计算装置，冷却能力计算装置和冷却任务计算装置相连，数据采集装置还包括气体流量传感器和液体流量传感器，气体流量传感器和液体流量传感器均与冷却能力计算装置相连，出塔水温温度传感器和进塔水温温度传感器均与冷却任务计算装置相连。

一种冷却塔性能诊断数学模型的建立方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)冷却塔的空气动力计算：包括冷却塔的抽力计算和冷却塔的阻力计算，其中：

a)冷却塔的抽力计算：

h＝heg(ρ1-ρ2),

式中，h为冷却塔的抽力，he为冷却塔的有效抽力高度；g为重力加速度；ρ1为塔外空气密度，ρ2为塔内的空气密度；

b)冷却塔的阻力计算：

ξ＝ξ1+ξ2+ξ3

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

ξ3＝(ao/af)²

式中，z为冷却塔的阻力，ξ为冷却塔的总阻力系数；ρf为填料断面的空气密度；vf为填料断面风速；ξ1为从进风口到配水系统上部的阻力系数；ξ2为雨区阻力系数；ξ3为塔筒出口阻力系数；ξf为填料阻力系数；ε为进风口面积与淋水面积之比；d为填料底部直径；q为淋水密度；ao为塔筒出口直径；af为填料断面直径；

2)冷却塔的热力计算：包括冷却塔的冷却能力计算和冷却塔的冷却任务计算，其中

c)冷却塔的冷却能力计算：

nc＝n+nw

n＝aλⁿ

式中，nc为冷却塔的冷却能力；n为填料模拟试验求得的冷却数；a为试验系数，由填料模拟试验求得；n为试验指数，由填料模拟试验求得；λ为气水比；nw为因尾冷高度不同而附加的冷却能力；hi为设计冷却塔进风口高度；hm为试验冷却塔进风口高度；

d)冷却塔的冷却任务计算：

式中，nt为冷却塔的冷却任务；t1为进塔水温；t2为出塔水温，；cw为水的比热；i″为水温t对应的饱和空气比焓；i为对应i″的空气比焓；

3)迭代计算：

e)首先输入已知条件，假设一个出塔水温t2和一个填料断面风速vf，求解h和z，当|h－z|≥0.01时，修正vf，然后重新求解h和z，直至|h－z|<0.01；当|h－z|<0.01时，

再分别计算冷却任务nt和冷却能力nc；

f)当|h－z|<0.01且|nc－nt|≥0.01时，重复步骤e)，直至|nc－nt|<0.01，然后确定实际的出塔水温t2和实际的填料断面风速vf，其中，出塔水温t2的取值区间为(t21，t22)，填料断面风速vf的取值区间为(vf1，vf2)。

本发明所述冷却塔的冷却任务采用辛普逊二段近似积分求解

式中，i"1为水温t1对应的饱和空气比焓，i"2为水温t2对应的饱和空气比焓，i"m分别为水温tm对应的饱和空气比焓，其中tm＝(t1+t2)/2；i1为空气进口平均比焓、i2为出口平均比焓、im为进出口平均比焓。

本发明步骤3)完成后,采用冷却水温对比法评价冷却性能，其中，

冷却水温对比法：

式中，η为冷却能力；δtt为实际运行工况下的冷却水温差；δtd为按运行工况计算的冷却水温差。

本发明提供了一种冷却塔，以及基于该冷却塔基于焓差法建立了逆流湿式冷却塔性能诊断数学模型，模型包括冷却塔的空气动力计算和热力计算两部分，空气动力计算要求冷却塔总抽力与总阻力的平衡，热力计算要求冷却塔冷却能力与冷却任务的平衡。模型考虑了冷却塔尺寸和环境侧风对计算结果的影响，并进行了合理修正；此外，还讨论了获得具有物理意义真实解的限制条件。

通过冷却塔设计工况数据对模型进行了准确性验证，并对冷却塔实际运行数据进行了诊断分析。结合冷却塔调研，结果表明：本模型可以有效评估冷却塔的实际运行性能，为冷却塔的故障诊断和状态检修提供理论依据，为冷却塔的远程监督和节能优化提供技术支持，可以部分替代冷却塔性能诊断现场试验，节省了人力和时间。

附图说明

图1是本发明实施例的冷却塔剖面结构示意图。

图2是本发明实施例的冷却塔的性能诊断数学模型初始逻辑流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图并通过实施例对本发明作进一步的详细说明，以下实施例是对本发明的解释而本发明并不局限于以下实施例。

实施例。

参见图1-2。

本实施例包括一种冷却塔。

冷却塔包括塔筒3、雨区12、填料5、配水系统4和收水器，雨区12、填料5、配水系统4和收水器均安装在塔筒3内，填料5位于雨区12上方，配水系统4位于填料5上方，收水器位于配水系统4上方，塔筒3的中心安装有中央竖井，塔筒3的底部设置有进风口10，塔筒3的顶部设置有出口2，塔筒3上设置有进水口和出水口。

冷却塔还包括数据采集装置、数据处理装置和数据显示装置，数据采集装置与数据处理装置相连，数据处理装置与数据显示装置相连；数据采集装置包括密度传感器、风速传感器、流量传感器6和温度传感器，密度传感器分为塔外空气密度传感器9、塔内空气密度传感器11和填料断面空气密度传感器7，塔外空气密度传感器9安装在塔筒3的外壁上，塔内空气密度传感器11安装在塔筒3的内壁上，填料断面空气密度传感器7安装在填料5的底面；风速传感器8安装在填料5的底面，且风速传感器8与填料断面空气密度传感器7一体式安装，流量传感器6安装在填料5内部；温度传感器分为出塔水温温度传感器和进塔水温温度传感器，出塔水温温度传感器安装在出水口，进塔水温温度传感器安装在进水口；数据处理装置包括计算装置、负反馈装置和判断装置，计算装置与判断装置相连，负反馈装置与计算装置相连。

计算装置包括抽力计算装置和阻力计算装置，抽力计算装置和阻力计算装置相连，塔外空气密度传感器9和塔内空气密度传感器11均与抽力计算装置相连，风速传感器8和填料断面空气密度传感器7均与阻力计算装置相连。

计算装置还包括冷却能力计算装置和冷却任务计算装置，冷却能力计算装置和冷却任务计算装置相连，数据采集装置还包括气体流量传感器和液体流量传感器，气体流量传感器和液体流量传感器均与冷却能力计算装置相连，出塔水温温度传感器和进塔水温温度传感器均与冷却任务计算装置相连。气体流量传感器和液体流量传感器用于计算气水比。

本实施例还包括该冷却塔的性能诊断数学模型的建立方法。本实施例包含三部分，分别为包括冷却塔的空气动力计算、冷却塔的热力计算和冷却塔性能诊断数学模型的建立。

一、冷却塔的空气动力计算

冷却塔空气动力计算的最终结果是求得阻力z和抽力h的平衡，即z＝h。此时，冷却塔内部的气水流动达到稳定状态。

a)冷却塔的抽力计算

自然通风逆流湿式冷却塔的空气流动是由塔内外空气密度差产生的抽力所引起的。在冷却塔中，气水之间发生传热传质，空气温度升高，湿度增大，密度减小。在配水系统上部塔筒内，空气密度近似均匀，冷却塔的抽力h可按下式计算：

h＝heg(ρ1-ρ2)(1)

式中，he为冷却塔的有效抽力高度，单位为m；g为重力加速度，单位为m/s²；ρ1为塔外的空气密度，ρ2为塔内的空气密度，单位为kg/m³。

有效高度he应是塔外大气在进风口半高处的压力和塔内相应高度处空气的压力差。一般认为从进风口中部以上空气开始吸热，直到喷嘴以下，且此段空气密度呈线性变化，则有效高度取值为配水系统上部到塔顶的距离加喷嘴到进风口半高处距离的一半。

b)冷却塔的阻力计算

空气从进风口进入冷却塔，穿过雨区、填料、配水系统、收水器，从塔出口排出，在穿过这些部件时会产生通风阻力。冷却塔的阻力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为冷却塔的总阻力系数；ρf为填料断面的空气密度，单位为kg/m³；vf为填料断面风速，单位为m/s；ξ1为从进风口到配水系统上部的阻力系数；ξ2为雨区阻力系数；ξ3为塔筒出口阻力系数；ξf为填料阻力系数；ε为进风口面积与淋水面积之比；d为填料底部直径，单位为m；q为淋水密度，单位为m³/(m²·h)；ao为塔筒出口直径，单位为m；af为填料断面直径，单位为m。

二、冷却塔的热力计算

冷却塔热力计算的最终结果就是求得冷却能力nc和冷却任务nt的平衡，即nc＝nt。此时，冷却塔内空气温度、湿度以及水温分布均达到稳定状态。

c)冷却塔的冷却能力

冷却塔的冷却能力nc由以下三部分组成：

1)从配水喷嘴开始到填料顶面，水滴在上升气流中冷却。这部分冷却能力约占全塔冷却能力的10％。

2)填料高度范围内的冷却。这一部分是冷却塔冷却能力的主要部分，约占全塔冷却能力的70％。

3)填料以下到集水池水面之间水滴的尾部冷却，约占全塔冷却能力的20％。

在填料模拟试验中，并未将上述三部分冷却能力分开测定，而是测定三部分总和。冷却塔热力计算中可采用模拟试验数据拟合得到的关联式，但由于试验装置尾冷高度一般只有2-3米，所以应再额外加上设计冷却塔尾冷值与试验装置尾冷值的差值，作为设计冷却塔的冷却能力nc，如下式：

nc＝n+nw(7)

n＝aλⁿ(8)

式中，nc为冷却塔的冷却能力；n为填料模拟试验求得的冷却数；a为试验系数，由填料模拟试验求得；n为试验指数，由填料模拟试验求得；λ为气水比；nw为因尾冷高度不同而附加的冷却能力；hi为设计冷却塔进风口高度，m；hm为试验冷却塔进风口高度，m。

需要指出的是，填料模拟试验时，同一平面的空气参数是均匀一致的，求得的冷却能力适用于一维计算；而大型冷却塔的进风口较高，底部直径较大，空气径向流程较长，使得进入填料的空气温度、湿度、速度等初参数并不均匀，近似二维分布，所以大型塔的冷却能力要根据冷却塔尺寸进行必要的修正。

此外，大量研究表明，环境侧风会对冷却塔的性能产生不利影响，风速为4m/s时的出塔水温较无风时约升高0.65～0.85℃，所以要进行侧风影响的修正。

d)冷却塔的冷却任务

已知气象条件、进塔水温、出塔水温和气水比的条件下，冷却塔的冷却任务nt采用焓差法可以表示为：

式中，nt为冷却塔的冷却任务；t1为进塔水温，单位为℃；t2为出塔水温，单位为℃；cw为水的比热，单位为kj/kg·℃；i″为水温t对应的饱和空气比焓，单位为kj/kg；i为对应i″的空气比焓，单位为kj/kg。

通常情况下，冷却任务nt可用辛普逊二段近似积分求解：

式中，i"1为水温t1对应的饱和空气比焓，i"2为水温t2对应的饱和空气比焓，i"m分别为水温tm对应的饱和空气比焓，其中tm＝(t1+t2)/2；i1为空气进口平均比焓、i2为出口平均比焓、im为进出口平均比焓。

公式(11)中，冷却任务nt是出塔水温t2的函数，由4条曲线组成，存在3个间断点，即i″2＝i1、i″m＝im和i″1＝i2。其中，前3条曲线只有数学意义，并不具有实际意义，只有最右侧的第4条曲线具有现实物理意义，是进行冷却塔热力计算时，非线性方程式nc＝nt的唯一合理真实解。从物理意义上来说，气水换热的驱动力是局部水温t对应的饱和空气比焓与局部空气比焓之间的焓差推动力，基于此，求得真实解的限制条件为公式(11)中的3个焓差必须同时大于0，否则可能会错失真实解。

三、冷却塔性能诊断数学模型的建立

参考有关逆流湿式冷却塔的热力设计方法，建立逆流湿式冷却塔性能诊断数学模型，基本思想就是在已知冷却塔结构尺寸参数及塔芯部件热力及阻力特性的条件下，根据各种气象条件、循环水量和进塔水温计算出冷却后的出塔水温及通风量等参数。首先使用夏季频率10％气象条件下的冷却塔设计工况来验证冷却塔性能诊断模型的准确性，然后通过对比计算出塔水温和实际出塔水温的差异，即可判断冷却塔性能是否达到设计值。根据国家相关测试规程，采用冷却水温对比法来评价冷却性能，即

式中，η为冷却能力，单位为％；δtt为实际运行工况下的冷却水温差，单位为℃；δtd为按运行工况计算出的冷却水温差，单位为℃。

当η>95％时，冷却能力达到设计值；当η>105％时，冷却能力超过设计值。而当η<95％时，则认为冷却塔的冷却能力未达到设计值，应该分析原因并进行检修维护。

如上文所述，冷却塔的计算包括空气动力计算和热力计算两部分，由于出塔水温t2和填料断面风速vf都是未知的，因此，冷却塔性能求解是一个迭代计算的过程。其中，出塔水温t2的取值区间为(t21，t22)，填料断面风速vf的取值区间为(vf1，vf2)。模型建立开始时先输入已知条件。t21、t22、vf1和vf2均可根据实际情况选定。

e)计算时，首先假设一个出塔水温t2，作为优选，此处初值t2＝(t21+t22)/2。在此基础上再假设填料断面风速vf，作为优选，此处初值vf＝(vf1+vf2)/2。求解h和z。当|h－z|<0.01的程序判断为否时，修正vf，重新计算求解h和z，重复该步骤，直至|h－z|<0.01的程序判断为是；当|h－z|<0.01判断为是时，即求出在出塔水温为t2时，满足冷却塔抽力h和阻力z相平衡时的填料断面风速vf，|h－z|<0.01已经可以满足实际需求精度；

f)在此填料断面风速vf下，求解冷却能力nc和冷却任务nt；如果nt>nc，同时|nc－nt|<0.01为否时，则说明假设的出塔水温t2偏小，然后修正增大t2重新计算，重复步骤e)；如果nt<nc，同时|nc－nt|<0.01为否时，则说明假设的出塔水温t2偏大，然后修正减小t2重新计算，重复步骤e)，直至两平衡均满足为止，即|h－z|<0.01且|nc－nt|<0.01，方可确定出塔水温t2和填料断面风速vf。

四、模型的准确性验证

本文采用华电潍坊电厂#1-#4冷却塔和铁岭电厂#1、#4-#6冷却塔为研究对象，对上文建立的冷却塔性能诊断模型进行验证和分析。

为描述简便，潍坊电厂#1-#4冷却塔采用潍坊#1-#4塔描述，铁岭电厂#1、#4-#6冷却塔采用铁岭#1、#4-#6塔描述。

其中由于潍坊#1塔和#2塔、潍坊#3塔和#4塔、铁岭电厂#1塔和#4塔、铁岭#5塔和#6塔的型号分别相同，所以仅以潍坊#1、#3塔和铁岭#1、#5塔为代表，取其设计工况对模型进行准确性验证，详细数据如表1所示。由表可知，各冷却塔的设计出塔水温与采用性能诊断模型的计算出塔水温偏差较小，在0.01-0.24℃之间，这说明本文建立的冷却塔性能诊断数学模型可以准确评估冷却塔性能。

表1冷却塔设计工况对模型准确性的验证

五、冷却塔运行数据诊断分析

对每个冷却塔均选取三个不同环境参数下的实际运行工况，所有数据均取自电厂dcs系统。根据工况参数采用冷却塔性能诊断数学模型进行了计算，实际出塔水温、计算出塔水温和冷却性能数据详见表2。

由表2可以看出，在诊断的8座冷却塔中，只有潍坊电厂#3和#4冷却塔的冷却性能在95％以上，达到了设计值，其余6座冷却塔均未达到设计值，许多工况下的冷却性能仅为80％左右，这说明冷却塔运行中必然存在许多问题。

通过调研发现，潍坊电厂#1和#2冷却塔已经运行20年以上，喷溅装置和淋水填料损坏比较严重，而#3和#4冷却塔投运不到10年，运行状况较好；铁岭电厂的几座冷却塔均存在设计面积偏小的问题，而且喷嘴溅落高度仅为0.5m左右，不符合0.8m一般标准，导致配水均匀性较差，此外，填料、除水器、配水管损坏现象较为严重，局部存在水柱。因此，电厂必须加强冷却塔的日常监督和维护，及时更换损坏的塔芯部件，并采取必要的节能优化技术改造，确保冷却塔运行在最佳状态，提高机组运行的经济性。

表2冷却塔实际运行数据的诊断分析

此外，需要说明的是，本说明书中所描述的具体实施例，其零、部件的形状、所取名称等可以不同，本说明书中所描述的以上内容仅仅是对本发明结构所作的举例说明。凡依据本发明专利构思所述的构造、特征及原理所做的等效变化或者简单变化，均包括于本发明专利的保护范围内。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。