CN102809321A - 一种超大型逆流式自然通风冷却塔配水方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种超大型逆流式自然通风冷却塔配水方法，包括步骤：建立其中一个喷头的三维几何模型和配水管的三维几何模型；设置第一边界条件；根据第一边界条件、预设的第一配水管流量、湍动能方程和湍流耗散函数方程，获取喷头的三维几何模型进水侧与喷头测的压力差；根据压力差和喷头处的水流流速，获取喷头的水流阻力系数；设置第二边界条件；根据第二边界条件、预设的第二配水管流量、湍动能方程和湍流耗散函数方程，获取喷头的水流量；根据喷头的水流量、冷却塔的喷头数以及淋水区域总面积，获得冷却塔的淋水密度；当冷却塔的淋水密度小于预设的淋水密度时，增大配水管进水测水流压力。可以提高冷却塔配水的均匀性，提高冷却塔配水的可靠性。

Description

一种超大型逆流式自然通风冷却塔配水方法

技术领域

本发明涉及发电机冷却领域，特别是涉及一种超大型逆流式自然通风冷却塔配水方法。

背景技术

目前逆流塔多用中央竖井、槽管结合的配水方式。配水槽与中央竖井相连，配水管与配水槽相连，配水管下部连接三通并分至一个或两个喷头。

目前，通常采用简单的一维计算方法进行配水的水力计算得到淋水密度的估计值；

该配水模拟方法具有如下不足：

1）现行一维计算方法大量的采用经验公式和经验系数，将会使配水计算结果出现失真的现象，导致冷却塔配水均匀性较差。

2）超大型冷却塔配水管的长度一般超过30m，单条配水管设置的喷头数量一般超过60个，配水系统越趋复杂会发生误差放大的情况。

发明内容

本发明的目的在于提出一种超大型逆流式自然通风冷却塔配水方法，可以提高冷却塔配水的均匀性，提高冷却塔配水的可靠性。

为达到上述目的，采用的技术方案是：

一种超大型逆流式自然通风冷却塔配水方法，包括步骤：

建立其中一个喷头的三维几何模型以及建立配水管的三维几何模型；

设置第一边界条件；其中，所述第一边界条件包括：配水管进水侧截面的水流压力和水流流速、所述喷头的水流压力和水流流速、所述配水管内管壁表面的水流压力和水流流速；

根据所述第一边界条件、预设的第一配水管流量、湍动能方程和湍流耗散函数方程，获取所述喷头的三维几何模型进水侧与喷头测的压力差；

根据所述压力差和所述喷头处的水流流速，获取所述喷头的水流阻力系数；

设置第二边界条件，其中，所述第二边界条件包括：所述配水管进口测的水流压力、配水管的管壁粗糙度、喷头的过流面积以及所述喷头的水流阻力系数；

根据所述第二边界条件、预设的第二配水管流量、所述湍动能方程和所述湍流耗散函数方程，获取所述喷头的水流量；

根据所述喷头的水流量、冷却塔的喷头数以及冷却塔的淋水区域总面积，获得冷却塔的淋水密度；

当所述冷却塔的淋水密度小于预设的淋水密度时，增大配水管进水测水流压力。

本发明先建立单个喷头的三维几何模型和配水管的三维几何模型，通过设置合理的喷头的三维几何模型的边界条件，并利用预设的第一配水管流量、湍动能方程和湍流耗散函数方程，可得到喷头的三维几何模型进水侧与喷头测的压力差；根据该压力差可得到喷头的水流阻力系数；根据喷头的水流阻力系数，并利用预设的第二配水管流量、所述湍动能方程和所述湍流耗散函数方程，获取各个喷头的水流量，可得到各个喷头的水流量；根据冷却塔配水管上的所有喷头数目和淋水区域面积，可得到冷却塔的淋水密度；当冷却塔的淋水密度小于预设的淋水密度时，增大配水管进水测水流压力。相比于传统的冷却塔配水方法，本发明可以提高冷却塔配水的均匀性，提高冷却塔配水的可靠性。

附图说明

图1为本发明的一个实施例流程图。

具体实施方式

为便于理解本发明，下面将结合附图进行说明。

本发明提出一种超大型逆流式自然通风冷却塔配水方法，请参考图1，包括步骤：

S101、建立其中一个喷头的三维几何模型以及建立配水管的三维几何模型；

S102、设置第一边界条件；

设置第一边界条件；其中，第一边界条件包括：配水管进水侧截面的水流压力和水流流速、喷头的水流压力和水流流速、配水管内管壁表面的水流压力和水流流速。

S103、根据第一边界条件、预设的第一配水管流量、湍动能方程和湍流耗散函数方程，获取喷头的三维几何模型进水侧与喷头测的压力差；

S104、根据压力差和喷头处的水流流速，获取喷头的水流阻力系数；

S105、设置第二边界条件；

设置第二边界条件，其中，第二边界条件包括：配水管进口测的水流压力、配水管的管壁粗糙度、喷头的过流面积以及喷头的水流阻力系数。

S106、根据第二边界条件、预设的第二配水管流量、湍动能方程和湍流耗散函数方程，获取该喷头的水流量；

S107、根据喷头的水流量、冷却塔的喷头数以及冷却塔的淋水区域总面积，获得冷却塔的淋水密度；

S108、当冷却塔的淋水密度小于预设的淋水密度时，增大配水管进水测水流压力。

为更好的理解，将从以下步骤进行详细阐述，包括：

一、建立其中一个喷头的三维几何模型以及建立配水管的三维几何模型；

建立其中一个喷头的三维几何模型时，可以采用以下方法：获取喷头的喷嘴直径D1和配水管道的直径D2，配水管道长度取了15倍的配水管道直径长度，进口端（进水侧）为10倍管道直径长度，另一端为5倍管道直径长度，管道末端为壁面条件，建立喷头的三维几何模型；

建立配水管的三维几何模型时，由于管道是严格对称的，为避免过大的计算量，对其一半的配水管进行模型的建立。

二、设置第一边界条件；

设置边界条件时，在配水管道与喷头连接处划分较密网格，壁面处的起始网格尺寸为1mm，增长率为1.1，最大网格尺寸为6mm。由于配水管道很长，因此选用了一个小区域进行这部分的网格划分，在距离喷头管道中心轴线两侧各100mm处选取配水管道的两个截面，构成这部分区域体，这部分网格总数42万。

对喷头的喷嘴部分，网格处理方式与配水管道相同，对横截面进行网格加密，给定侧壁面网格数，进行拉伸平铺完成体网格的划分，截面网格的起始尺寸0.5mm，增长率1.08，最大网格3mm，网格总数4.3万；

根据该网格进行设置第一边界条件。

三、根据第一边界条件、预设的第一配水管流量、湍动能方程和湍流耗散函数方程，获取喷头的三维几何模型进水侧与喷头测的压力差；

具体的，湍动能方程（k方程）：

$\frac{\∂\left(\mathrm{\ρk}\right)}{\∂t}+\frac{\∂}{\∂x}(\mathrm{\ρuk}-{\mathrm{\μ}}_k\frac{\∂k}{\∂x})+\frac{1}{r}\frac{\∂}{\∂r}\left[r(\mathrm{\ρvk}-{\mathrm{\μ}}_k\frac{\∂k}{\∂r})\right]=S_k$

湍流耗散函数方程（ε方程）：

$\frac{\∂\left(\mathrm{\ρ\ϵ}\right)}{\∂t}+\frac{\∂}{\∂x}(\mathrm{\ρuk}-{\mathrm{\μ}}_{\mathrm{\ϵ}}\frac{\∂\mathrm{\ϵ}}{\∂x})+\frac{1}{r}\frac{\∂}{\∂r}\left[r(\mathrm{\ρv\ϵ}-{\mathrm{\μ}}_{\mathrm{\ϵ}}\frac{\∂\mathrm{\ϵ}}{\∂r})\right]=S_{\mathrm{\ϵ}}$

其中，μ_t＝ρC_μk²/ε，μ_k＝μ+μ_t/σ_k，μ_ε＝μ+μ_t/σ_ε

μ_eff＝μ+μ_t＝μ+ρC_μk²/ε，S_k=Θ-ρε，

$\mathrm{\Θ}=[\frac{2}{3}{\mathrm{\μ}}_t(2\frac{\∂u}{\∂x}-\frac{\∂v}{\∂r}-\frac{v}{r})-\frac{2}{3}\mathrm{\ρk}]\frac{\∂u}{\∂x}+[\frac{2}{3}{\mathrm{\μ}}_t(2\frac{\∂v}{\∂r}-\frac{\∂u}{\∂x}-\frac{v}{r})-\frac{2}{3}\mathrm{\ρk}]\frac{\∂v}{\∂r}$

$+[\frac{2}{3}{\mathrm{\μ}}_t(2\frac{v}{r}-\frac{\∂u}{\∂x}-\frac{\∂v}{\∂r})-\frac{2}{3}\mathrm{\ρk}]\frac{v}{r}+{\mathrm{\μ}}_t{(\frac{\∂u}{\∂x}+\frac{\∂v}{\∂r})}^2$

C_μ＝0.09，σ_k＝1.0，σ_ε=1.3，C₁=1.44，C₂=1.92，ρ,k,ε,μ,μ_t分别为流体密度、湍动能、湍流耗散率、流体动力粘性系数和湍流粘性系数；u,v分别为流体速度在x，r方向的分量；x方向（竖直方向）r方向（径向）。

具体计算时，在FLUENT软件上进行。

通过第一边界条件、预设的第一配水管流量、湍动能方程和湍流耗散函数方程，获取喷头的三维几何模型进水侧与喷头测的压力差ΔP。

四、根据压力差和喷头处的水流流速，获取喷头的水流阻力系数；

具体的，根据公式

获取喷头的水流阻力系数；

其中，ΔP为压力差；ξ为喷头的水流阻力系数；ρ为水的密度；V为喷头处的水流流速。

为了提高准确度，可输入多个预设的第一配水管流量，那么根据步骤三可得到多个压力差；

根据步骤三中的多个压力差，在本步骤中可得到多个喷头的水流阻力系数；

求取多个喷头的水流阻力系数的平均值。以该喷头的水流阻力系数的平均值来设置步骤五的中的喷头的水流阻力系数。

五、设置第二边界条件；

具体的，在设置第二边界条件时，对整个配水管道划分网格，在靠近壁面处的网格都要进行加密，粗管道由壁面到管中心起始网格尺寸为6mm，最大网格20mm，网格增长率为1.2；细管道由壁面到管中心起始网格为4mm，最大为15mm，网格增长率为1.1。

在配水管道与喷头连接处网格划分较密，在两侧距离喷头中心轴线各50mm处选取配水管道的两个截面，构成一个小的区域进行喷头处小体的网格划分，由喷头处向外扩散网格尺寸逐渐增加，粗管径的喷头处，起始网格尺寸为1mm，增长率为1.1，最大网格尺寸为6mm；细管径的喷头处，起始网格尺寸为1mm，增长率为1.1，最大网格尺寸为4mm。

异管径连接处，网格划分也比较密，由细管径一端向粗管径一端网格尺寸逐渐增加，起始网格为4mm，增长率为1.15，最大网格尺寸为6mm。

根据配水管网格设置第二边界条件。

另外，电站的冷却塔在全年运行中一般处于无人问津的状态，在长时间运行情况下，对带有槽式配水系统的冷却塔实际考察时发现，配水管和喷嘴内存在积淤、结垢发生部分堵塞的现象，而采用海水作为循环介质时还会发生海生物生长的情况，因此设置旧配水管的第二边界条件时，适当调整配水管的管壁粗糙度、喷头的过流面积。

六、根据第二边界条件、预设的第二配水管流量、湍动能方程和湍流耗散函数方程，获取该喷头的水流量；

七、根据喷头的水流量、冷却塔的喷头数以及冷却塔的淋水区域总面积，获得冷却塔的淋水密度；

由于冷却塔配水管上的喷头设置均匀，喷头规格几乎一致，因此，根据其中一个喷头的流水量、配水管上所有喷头的数目以及冷却塔的淋水区域总面积，可获得冷却塔的淋水密度。

八、当冷却塔的淋水密度小于预设的淋水密度时，增大配水管进水测水流压力。

当冷却塔的淋水密度小于预设的淋水密度时，增大配水管进水测水流压力。

在其中一个实施方式中，为了方便工作人员掌握冷却塔配水状况，还包括步骤：发出报警提示。

本发明先建立单个喷头的三维几何模型和配水管的三维几何模型，通过设置合理的喷头的三维几何模型的边界条件，并利用预设的第一配水管流量、湍动能方程和湍流耗散函数方程，可得到喷头的三维几何模型进水侧与喷头测的压力差；根据该压力差可得到喷头的水流阻力系数；根据喷头的水流阻力系数，并利用预设的第二配水管流量、湍动能方程和湍流耗散函数方程，获取各个喷头的水流量，可得到各个喷头的水流量；根据冷却塔配水管上的所有喷头数目和淋水区域面积，可得到冷却塔的淋水密度；当冷却塔的淋水密度小于预设的淋水密度时，增大配水管进水测水流压力。相比于传统的冷却塔配水方法，本发明可以提高冷却塔配水的均匀性，提高冷却塔配水的可靠性。

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 (5)

1.一种超大型逆流式自然通风冷却塔配水方法，其特征在于，包括步骤：

建立其中一个喷头的三维几何模型以及建立配水管的三维几何模型；

设置第一边界条件；其中，所述第一边界条件包括：配水管进水侧截面的水流压力和水流流速、所述喷头的水流压力和水流流速、所述配水管内管壁表面的水流压力和水流流速；

根据所述第一边界条件、预设的第一配水管流量、湍动能方程和湍流耗散函数方程，获取所述喷头的三维几何模型进水侧与喷头测的压力差；

根据所述压力差和所述喷头处的水流流速，获取所述喷头的水流阻力系数；

设置第二边界条件；其中，所述第二边界条件包括：所述配水管进口测的水流压力、配水管的管壁粗糙度、喷头的过流面积以及所述喷头的水流阻力系数；

根据所述第二边界条件、预设的第二配水管流量、所述湍动能方程和所述湍流耗散函数方程，获取所述喷头的水流量；

根据所述喷头的水流量、冷却塔的喷头数以及冷却塔的淋水区域总面积，获得冷却塔的淋水密度；

当所述冷却塔的淋水密度小于预设的淋水密度时，增大配水管进水测水流压力。

2.根据权利要求1所述的超大型逆流式自然通风冷却塔配水方法，其特征在于，

所述根据压力差和所述喷头处的水流流速，获取所述喷头的水流阻力系数的步骤具体为：

根据公式获取所述喷头的水流阻力系数；

其中，ΔP为所述压力差；ξ为所述喷头的水流阻力系数；ρ为水的密度；V为所述喷头处的水流流速。

3.根据权利要求1所述的超大型逆流式自然通风冷却塔配水方法，其特征在于，

当存在多个所述预设的第一配水管流量时，在所述根据第一边界条件、预设的第一配水管流量、湍动能方程和湍流耗散函数方程，获取所述喷头的三维几何模型进水侧与喷头测的压力差的步骤中，得到多个压力差；

在所述根据压力差和所述喷头处的水流流速，获取所述喷头的水流阻力系数的步骤中，得到多个所述喷头的水流阻力系数；

以多个所述喷头的水流阻力系数的平均值作为所述第二边界条件中的喷头的水流阻力系数。

4.根据权利要求1所述的超大型逆流式自然通风冷却塔配水方法，其特征在于，当所述冷却塔的淋水密度小于预设的淋水密度时，还进行步骤：发出报警提示。

5.根据权利要求1至4任一项所述的超大型逆流式自然通风冷却塔配水方法，其特征在于，

在所述建立配水管的三维几何模型的步骤中，对所述冷却塔中相互对称的其中一半配水管建立配水管的三维几何模型。

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