CN102789167B - 基于超大型冷却塔的雨区阻力系数的工业控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于超大型冷却塔的雨区阻力系数的工业控制方法，包括：通过雨区阻力模拟试验，测试超大型冷却塔在各个预设工况下的雨区阻力系数；采用二维计算方法获取超大型冷却塔在各个预设工况下的雨滴当量直径；得出超大型冷却塔中雨滴当量直径与雨区高度的对应关系；采用二维计算方法计算超大型冷却塔在特定工况下的雨区阻力系数；根据计算的所述特定工况下的雨区阻力系数，对超大型冷却塔进行工业控制。本发明可实现超大型冷却塔雨区阻力系数的精确计算。可应用于包括发电机组运行控制和冷却塔精确设计等在内的工业控制领域，能够显著地提高控制精度，增强工业控制的稳定性和可靠性。

Description

基于超大型冷却塔的雨区阻力系数的工业控制方法

技术领域

本发明涉及超大型冷却塔技术领域，尤其涉及一种基于超大型冷却塔的雨区阻力系数的工业控制方法。

背景技术

逆流式自然通风湿式冷却塔广泛的应用于国民经济的诸多部门，主要有电力、石油、化工等，其作用是将挟带废热的冷却水在塔内与空气直接接触进行热交换，使废热传输给空气并散入大气。这种类型冷却塔通风筒常采用双曲线形，用钢筋混凝土浇制，塔筒底部为进风口，空气从进风口进入塔体，穿过填料下的雨区，和热水流动成相反方向流过填料，再从塔筒出口流出。在冷却塔中，热水经填料后成雨状落入集水池，因此通常将填料以下，水池水面以上的部分称为雨区。

冷却塔空气动力计算是冷却塔工艺设计的核心，也是再循环供水系统优化设计和热力设计的依据，阻力计算是空气动力计算的重要组成部分。对于冷却塔雨区的通风阻力占整个冷却塔阻力的一半以上，冷却塔其它部分的阻力可以通过模型试验等方法求得，而如何求解雨区阻力，国内外一直没有比较准确可靠的方法。目前一般是通过计算拟合得出计算公式，它和填料断面风速、进风口面积与淋水面积比、淋水密度以及塔底壳直径有关。但该方法只能适用于对中小型冷却塔和淋水密度较小的工况下的工业控制。随着近年来电力行业尤其是核电的迅速发展，冷却塔淋水面积不断增大(约12000平方米至20000平方米)，塔底壳直径可达150m。如果仍采用一般方法进行雨区阻力计算，计算结果会产生较大偏差甚至错误，进而对工业控制产生不可估量的影响。

发明内容

基于此，本发明提供了一种基于超大型冷却塔的雨区阻力系数的工业控制方法。

一种基于超大型冷却塔的雨区阻力系数的工业控制方法，包括以下步骤：

通过雨区阻力模拟试验，测试超大型冷却塔在各个预设工况下的雨区阻力系数；

其中，通过雨区模拟试验装置，进行不同的雨区高度、淋水深度、断面风速以及淋水密度下的雨区阻力特性试验，得出各个预设工况下的雨区阻力试验结果；所述雨区模拟试验装置参数设置如下：淋水雨区的高度模拟范围为0～15m，淋水深度可调范围为0～8m，淋水密度的变化范围为5～20m3/(m2·h)，风速可调范围为0～3.5m/s；

通过雨区阻力模拟试验，测试超大型冷却塔在各个预设工况下的雨区阻力；将测试的所述雨区阻力与雨区高度相除，得出超大型冷却塔在各个预设工况下的雨区阻力系数；

根据测试的所述雨区阻力系数，采用二维计算方法获取超大型冷却塔在各个预设工况下的雨滴当量直径；

其中，采用二维计算方法进行雨区阻力特性进行数值计算，稳定运行状态下，塔内空气流态为湍流状态，流动符合定常不可压二维雷诺时均方程，采用k-ε双方程湍流模型进行方程封闭；

将离散化方程采用SIMPLE方法迭代求解，迭代采用欠松驰，通过调试松驰因子使迭代收敛，收敛的控制条件是以所有计算点所有方程的余额的和与塔的流入量比小于0.05％；雨滴运动方程式为常微分方程，采用四阶龙格库塔法求解；

雨区阻力系数的计算是通过数值模拟求得雨区前后断面的压差，即可求得单位长度雨区的阻力系数；对试验和计算的雨区阻力系数进行对比分析，对不同雨区高度下，相同淋水密度、淋水深度和相同气水比下的单位长度雨区阻力系数试验结果和单位长度的计算结果进行分析，与实测值符合较好时确定相应的雨滴当量直径；

根据获取的所述各个预设工况下的雨滴当量直径，得出超大型冷却塔中雨滴当量直径与雨区高度的对应关系；

根据得出的所述对应关系，采用二维计算方法计算超大型冷却塔在特定工况下的雨区阻力系数；

根据计算的所述特定工况下的雨区阻力系数，对超大型冷却塔进行工业控制。

与一般技术相比，本发明基于超大型冷却塔的雨区阻力系数的工业控制方法，根据测试的超大型冷却塔在各个预设工况下的雨区阻力系数，获取超大型冷却塔在各个预设工况下的雨滴当量直径，进而得出雨滴当量直径与雨区高度的对应关系。根据该对应关系，可实现超大型冷却塔雨区阻力系数的精确计算。本发明可应用于包括发电机组运行控制和冷却塔精确设计等在内的工业控制领域，能够显著地提高控制精度，增强工业控制的稳定性和可靠性。

附图说明

图1是本发明基于超大型冷却塔的雨区阻力系数的工业控制方法的流程示意图。

具体实施方式

为更进一步阐述本发明所采取的技术手段及取得的效果，下面结合附图及较佳实施例，对本发明的技术方案，进行清楚和完整的描述。

请参阅图1，为本发明基于超大型冷却塔的雨区阻力系数的工业控制方法的流程示意图。本发明基于超大型冷却塔的雨区阻力系数的工业控制方法包括以下步骤：

S101通过雨区阻力模拟试验，测试超大型冷却塔在各个预设工况下的雨区阻力系数；

作为其中一个实施例，所述预设工况包括预设的雨区高度、淋水深度、断面风速以及淋水密度。

作为其中一个实施例，通过雨区阻力模拟试验，测试超大型冷却塔在各个预设工况下的雨区阻力；将测试的所述雨区阻力与雨区高度相除，得出超大型冷却塔在各个预设工况下的雨区阻力系数。

通过雨区模拟试验装置，进行不同雨区高度、不同淋水深度、不同断面风速以及不同淋水密度下的雨区阻力特性试验，得出不同工况下的雨区阻力试验结果。模拟试验装置参数按满足超大型冷却塔要求设置，淋水雨区的高度模拟范围为0～15m，淋水深度可调范围为0～8m，淋水密度的变化范围为5～20m3/(m2·h)，风速可调范围为0～3.5m/s。

雨区阻力为雨区前后断面压力的差，由于阻力测试前后断面尺寸及测压管布置相同，前后断面各测点的压力平均值作为断面前后压力，两者的差即为雨区阻力，可用下式计算：

$\mathrm{\ΔP}=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\Δp}}_{1i}-{\mathrm{\Δp}}_{2i}}{n}$

其中，ΔP_1i为雨区前断面的各测点全压与大气压差，单位Pa；ΔP_2i为雨区后断面的各测点全压与大气压差，Pa；n为测点个数；

淋水区的阻力系数可表示为：

$\frac{\mathrm{\Δp}}{L}=\mathrm{\ξ\ρ}\frac{V^2}{2}$

其中，Δp为气流通过淋水区的阻力，单位N/m2；L为淋水区长度，单位m；V为淋水雨区断面平均速度，单位m/s；ξ为单位长度雨区的阻力系数；ρ为空气密度，单位kg/m3。

S102根据测试的所述雨区阻力系数，采用二维计算方法获取超大型冷却塔在各个预设工况下的雨滴当量直径；

作为其中一个实施例，对于一个预设工况，按照预设的雨滴当量直径，采用二维计算方法计算超大型冷却塔的雨区阻力系数；

将计算的所述雨区阻力系数与测试的所述雨区阻力系数进行比较，并根据比较结果对预设的雨滴当量直径进行修正；

按照修正后的雨滴当量直径，采用二维计算方法重新计算超大型冷却塔的雨区阻力系数；

当按照修正后的雨滴当量直径计算的所述雨区阻力系数与测试的所述雨区阻力系数相同时，将修正后的雨滴当量直径作为该预设工况下的雨滴当量直径。

采用二维计算方法进行雨区阻力特性进行数值计算，稳定运行状态下，塔内空气流态为湍流状态，流动符合定常不可压二维雷诺时均方程，采用k-ε双方程湍流模型进行方程封闭。

连续方程：

$\frac{\∂u}{\∂x}+\frac{\∂v}{\∂y}=0$

动量方程：

$\frac{\∂\left(\mathrm{\ρuu}\right)}{\∂x}+\frac{\∂\left(\mathrm{\ρuv}\right)}{\∂y}-\frac{\∂}{\∂x}\left({\mathrm{\μ}}_e\frac{\∂u}{\∂x}\right)-\frac{\∂}{\∂y}\left({\mathrm{\μ}}_e\frac{\∂u}{\∂y}\right)=-\frac{\∂p}{\∂x}+\frac{\∂}{\∂x}\left({\mathrm{\μ}}_e\frac{\∂u}{\∂x}\right)+\frac{\∂}{\∂y}\left({\mathrm{\μ}}_e\frac{\∂v}{\∂x}\right)-F_x$

$\frac{\∂\left(\mathrm{\ρuv}\right)}{\∂x}+\frac{\∂\left(\mathrm{\ρvv}\right)}{\∂y}-\frac{\∂}{\∂x}\left({\mathrm{\μ}}_e\frac{\∂v}{\∂x}\right)-\frac{\∂}{\∂y}\left({\mathrm{\μ}}_e\frac{\∂v}{\∂y}\right)=-\frac{\∂p}{\∂y}+\frac{\∂}{\∂x}\left({\mathrm{\μ}}_e\frac{\∂u}{\∂y}\right)+\frac{\∂}{\∂y}\left({\mathrm{\μ}}_e\frac{\∂v}{\∂x}\right)-F_x-\mathrm{\ρg}$

κ方程：

$\frac{\∂}{\∂x}\left(\mathrm{\ρuk}\right)+\frac{\∂}{\∂y}\left(\mathrm{\ρvk}\right)=\frac{\∂}{\∂x}\left(\frac{{\mathrm{\μ}}_e}{{\mathrm{\σ}}_k}\frac{\∂k}{\∂x}\right)+\frac{\∂}{\∂y}\left(\frac{{\mathrm{\μ}}_e}{{\mathrm{\σ}}_k}\frac{\∂k}{\∂y}\right)+G_k-\mathrm{\ρ\ϵ}$

ε方程：

$\frac{\∂}{\∂x}\left(\mathrm{\ρu\ϵ}\right)+\frac{\∂}{\∂y}\left(\mathrm{\ρv\ϵ}\right)=\frac{\∂}{\∂x}\left(\frac{{\mathrm{\μ}}_e}{{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\ϵ}}}\frac{\∂\mathrm{\ϵ}}{\∂x}\right)+\frac{\∂}{\∂y}\left(\frac{{\mathrm{\μ}}_e}{{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\ϵ}}}\frac{\∂\mathrm{\ϵ}}{\∂y}\right)+\frac{C_1{G}_k\mathrm{\ϵ}-C_2{\mathrm{\ρ\ϵ}}^2}{k}$

可以归纳成一个统一的方程形式，设求解参数为φ：

$\frac{\∂}{\∂x}\left(\mathrm{\ρu\φ}\right)+\frac{\∂}{\∂y}\left(\mathrm{\ρv\φ}\right)-\frac{\∂}{\∂x}\left({\mathrm{\Γ}}_{\mathrm{\φ}}\frac{\∂\mathrm{\φ}}{\∂x}\right)-\frac{\∂}{\∂y}\left({\mathrm{\Γ}}_{\mathrm{\φ}}\frac{\∂\mathrm{\φ}}{\∂y}\right)=S$

上式的离散化方程：

a_Pφ_P＝a_Eφ_E+a_Wφ_W+a_Sφ_S+a_Nφ_N+b

将上述离散化方程采用SIMPLE方法迭代求解，迭代采用欠松驰，通过调试松驰因子使迭代收敛，收敛的控制条件是以所有计算点所有方程的余额的和与塔的流入量比小于0.05％。而雨滴运动方程式系常微分方程，采用四阶龙格库塔法求解。具体求解程序如下：给定模拟装置出口风速；用SIMPLE法求解空气流场；用龙格库塔法求解雨滴速度；判别流场是否收敛，若不收敛继续用SIMPLE法求解空气流场；计算雨区阻力系数；输出计算结果。

雨区阻力系数的计算是通过数值模拟求得雨区前后断面的压差，即可求得单位长度雨区的阻力系数。对试验和计算的雨区阻力系数进行对比分析，对不同雨区高度下，相同淋水密度、淋水深度和相同气水比下的单位长度雨区阻力系数试验结果和单位长度的计算结果进行分析，与实测值符合较好时确定相应的雨滴当量直径。

S103根据获取的所述各个预设工况下的雨滴当量直径，得出超大型冷却塔中雨滴当量直径与雨区高度的对应关系；

推导出雨滴当量直径随雨区高度的变化规律，单位长度的雨区阻力系数的计算结果与实测值符合情况，给出雨滴当量直径随不同雨区高度变化关系曲线。

推出雨滴当量直径随雨区高度的变化曲线，可掌握超大型冷却塔的雨滴变化特性：随着雨区高度的增加，雨滴当量直径变大，但增加趋势变缓，这是因为随着雨区高度的增加，雨滴速度会增大，当雨区高度增大到一定程度时，雨滴的降落速度将不再变化，因此单位长度的雨区阻力系数也将不再变化，对应的雨滴当量直径也会停止变化。

S104根据得出的所述对应关系，采用二维计算方法计算超大型冷却塔在特定工况下的雨区阻力系数；

作为其中一个实施例，可获取超大型冷却塔在特定工况中的雨区高度；根据获取的所述特定工况中的雨区高度和得出的所述对应关系，计算超大型冷却塔在特定工况下的雨滴当量直径；根据计算的所述特定工况下的雨滴当量直径，采用二维计算方法计算超大型冷却塔在特定工况下的雨区阻力系数。

根据符合超大型冷却塔特性的雨滴当量直径随不同雨区高度变化关系曲线，作为输入条件，即可进行不同雨区高度、不同断面风速以及不同淋水密度下的雨区阻力值的计算，从而获得各种规模超大型冷却塔的准确的阻力系数。

S105根据计算的所述特定工况下的雨区阻力系数，对超大型冷却塔进行工业控制。

根据计算的所述特定工况下的雨区阻力系数，可对超大型冷却塔进行工业控制。可用于包括发电机组运行控制和冷却塔精确设计等在内的工业控制领域。可提高超大型冷却塔空气动力计算的精度，冷却塔空气动力计算是冷却塔工艺设计的核心，也是再循环供水系统优化设计和热力设计的依据，阻力计算是空气动力计算的重要组成部分，其中雨区阻力计算更是其中的重点和难点，本发明提出的数值计算方法可以大幅提升超大型冷却塔空气动力计算的精度。

所述特定工况下的雨区阻力系数还可用于发电机组的运行控制，提高发电机组运行的稳定性和可靠性，避免出现资源浪费的情况。冷却塔能否实现精确设计，达到设计优化时要求的冷却效果，直接关系到发电机组的运行稳定性和可靠性，实际冷效低于设计冷效，可能会导致机组达不到额定发电功率，同时影响整个机组的稳定性和安全性，可能在部分气象条件下会导致出现机组停机现象；实际冷效高于设计冷效，则导致冷却塔造价的大幅增加，造成资源浪费，运行电耗和费用也相应增加，同时还会导致发电机组出现过冷现象，造成机组发电的不稳定。本发明为超大型冷却塔的精确设计提供了技术支撑。

与一般技术相比，本发明基于超大型冷却塔的雨区阻力系数的工业控制方法，根据测试的超大型冷却塔在各个预设工况下的雨区阻力系数，获取超大型冷却塔在各个预设工况下的雨滴当量直径，进而得出雨滴当量直径与雨区高度的对应关系。根据该对应关系，可实现超大型冷却塔雨区阻力系数的精确计算。本发明可应用于包括发电机组运行控制和冷却塔精确设计等在内的工业控制领域，能够显著地提高控制精度，增强工业控制的稳定性和可靠性。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (4)

1.一种基于超大型冷却塔的雨区阻力系数的工业控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

通过雨区阻力模拟试验，测试超大型冷却塔在各个预设工况下的雨区阻力系数；

其中，通过雨区模拟试验装置，进行不同的雨区高度、淋水深度、断面风速以及淋水密度下的雨区阻力特性试验，得出各个预设工况下的雨区阻力试验结果；所述雨区模拟试验装置参数设置如下：淋水雨区的高度模拟范围为0～15m，淋水深度可调范围为0～8m，淋水密度的变化范围为5～20m3/(m2·h)，风速可调范围为0～3.5m/s；

通过雨区阻力模拟试验，测试超大型冷却塔在各个预设工况下的雨区阻力；将测试的所述雨区阻力与雨区高度相除，得出超大型冷却塔在各个预设工况下的雨区阻力系数；

根据测试的所述雨区阻力系数，采用二维计算方法获取超大型冷却塔在各个预设工况下的雨滴当量直径；

其中，采用二维计算方法进行雨区阻力特性进行数值计算，稳定运行状态下，塔内空气流态为湍流状态，流动符合定常不可压二维雷诺时均方程，采用k-ε双方程湍流模型进行方程封闭；

将离散化方程采用SIMPLE方法迭代求解，迭代采用欠松驰，通过调试松驰因子使迭代收敛，收敛的控制条件是以所有计算点所有方程的余额的和与塔的流入量比小于0.05％；雨滴运动方程式为常微分方程，采用四阶龙格库塔法求解；

雨区阻力系数的计算是通过数值模拟求得雨区前后断面的压差，即可求得单位长度雨区的阻力系数；对试验和计算的雨区阻力系数进行对比分析，对不同雨区高度下，相同淋水密度、淋水深度和相同气水比下的单位长度雨区阻力系数试验结果和单位长度的计算结果进行分析，与实测值符合较好时确定相应的雨滴当量直径；

根据获取的所述各个预设工况下的雨滴当量直径，得出超大型冷却塔中雨滴当量直径与雨区高度的对应关系；

根据得出的所述对应关系，采用二维计算方法计算超大型冷却塔在特定工况下的雨区阻力系数；

根据计算的所述特定工况下的雨区阻力系数，对超大型冷却塔进行工业控制。

2.根据权利要求1所述的基于超大型冷却塔的雨区阻力系数的工业控制方法，其特征在于，所述预设工况包括预设的雨区高度、淋水深度、断面风速以及淋水密度。

3.根据权利要求1所述的基于超大型冷却塔的雨区阻力系数的工业控制方法，其特征在于，所述采用二维计算方法计算超大型冷却塔在特定工况下的雨区阻力系数的步骤，包括以下步骤：

获取超大型冷却塔在特定工况中的雨区高度；

根据获取的所述特定工况中的雨区高度和得出的所述对应关系，计算超大型冷却塔在特定工况下的雨滴当量直径；

根据计算的所述特定工况下的雨滴当量直径，采用二维计算方法计算超大型冷却塔在特定工况下的雨区阻力系数。

4.根据权利要求1所述的基于超大型冷却塔的雨区阻力系数的工业控制方法，其特征在于，所述采用二维计算方法获取超大型冷却塔在各个预设工况下的雨滴当量直径的步骤，包括以下步骤：

对于一个预设工况，按照预设的雨滴当量直径，采用二维计算方法计算超大型冷却塔的雨区阻力系数；

将计算的所述雨区阻力系数与测试的所述雨区阻力系数进行比较，并根据比较结果对预设的雨滴当量直径进行修正；

按照修正后的雨滴当量直径，采用二维计算方法重新计算超大型冷却塔的雨区阻力系数；

当按照修正后的雨滴当量直径计算的所述雨区阻力系数与测试的所述雨区阻力系数相同时，将修正后的雨滴当量直径作为该预设工况下的雨滴当量直径。