CN109443075B - 一种用于闭式冷却塔的热力性能评估方法及监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于闭式冷却塔的热力性能评估方法及监测系统，首先通过在闭式冷却塔正常工作状态下测出各项运行参数的定值，然后通过对实际运行工作状态下测出的各项运行参数的实际值进行对比，最后通过闭式冷却塔换热单元数学模型分析其对比结果，若管内出水温度T_po与管内出水温度定值T_po0相比升高2℃以上，以及冷却效率ε与冷却效率定值ε₀相比下降15％以上时，判断其热力性能出现问题，并通过实际值与定值的对比分析出其问题原因。该方法在冷却塔热力性能数值分析结果基础上，结合换流站阀冷系统实际运行特点与现场试验结果，提出多个运行参数相结合来进行评估冷却塔热力性能，能及时监测其热力系统出现问题及其原因，进行及时维护处理。

Description

一种用于闭式冷却塔的热力性能评估方法及监测系统

技术领域

本发明涉及冷却塔性能监测技术领域，具体涉及一种用于闭式冷却塔的热力性能评估方法及监测系统。

背景技术

闭式冷却塔是一种将水冷与空冷、传热与传质过程融为一体且兼有两者之长的高效节能冷却设备，具有节能、节水、结构紧凑、易安装维护、运行费用低等优点。闭式冷却塔的换热过程涉及传热、传质和气液两相流，其性能受工艺和结构参数的影响太多，如冷却水流量和进口温度、喷淋密度、空气质量流量、盘管的尺寸、管型、管间距等。国内外很多学者试验研究了不同结构和工艺参数下的闭式冷却塔热力性能，得到了喷淋水膜对流传热和水膜对空气传质系数的经验公式，这些经验公式都是基于特定的结构和工艺参数，到目前为止还没有一个通用的经验公式。因此，工程设计中普通采用经验公式来指导设计。

但是，目前基于冷却数和预测冷却塔出水温度的冷却塔热力性能评估方法仅适用于开式冷却塔，闭式冷却塔由于结构不同并不适用。闭式冷却塔运行参数影响分析仅针对冷却塔运行，未考虑整个热力循环系统的影响。并且换流站闭式冷却塔由于没有进行热力性能的监测，无法及时发现设备有问题并且进行维护，等到发现时，控制系统已经处于警告状态，运行人员只能通过降低直流系统负荷来进行处理，导致不必要的经济损失。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种用于闭式冷却塔的热力性能评估方法及使用该方法的监测系统，该方法在冷却塔热力性能数值分析结果基础上，结合换流站阀冷系统实际运行特点与现场试验结果，提出多个运行参数相结合来进行评估冷却塔热力性能。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：

首先通过在闭式冷却塔正常工作状态下测出各项运行参数的定值，所述定值包括喷淋水流量定值L₀、进塔空气流量定值m_a0、空气湿球温度定值T_wb0、管内进水温度定值T_pi0、管内出水温度定值T_po0以及利用管内进水温度定值T_pi0计算得出的冷却效率定值ε₀；

然后通过对实际运行工作状态下测出的各项运行参数的实际值进行对比，所述实际值包括喷淋水流量L、进塔空气流量m_a、空气湿球温度T_wb、管内出水温度T_po以及利用管内进水温度T_pi计算得出的冷却效率ε；

最后通过闭式冷却塔换热单元数学模型分析其对比结果，若管内出水温度T_po与管内出水温度定值T_po0相比升高2℃以上，以及冷却效率ε与冷却效率定值ε₀相比下降15％以上时，判断其热力性能出现问题，并通过喷淋水流量L、进塔空气流量m_a、空气湿球温度T_wb以及管内进水温度T_pi与管内出水温度T_po差值与定值的对比分析出其问题原因。

进一步地，当判断闭式冷却塔的阀冷外冷水系统热力性能出现问题时，将喷淋水流量L、进塔空气流量m_a、空气湿球温度T_wb、管内进水温度T_pi与喷淋水流量定值L₀、进塔空气流量定值m_a0、空气湿球温度定值T_wb0以及内进水温度T_pi与管内出水温度T_po差值进行对比，通过闭式冷却塔换热单元数学模型分析其对比结果得出：

若喷淋水流量L与喷淋水流量定值L₀相比降低15％以上时，则判断为喷淋泵异常、喷淋管道堵塞、喷淋装置损坏；

若进塔空气流量m_a与进塔空气流量定值m_a0相比降低30％以上时，则判断为风机异常、填料区堵塞；

若空气湿球温度T_wb与空气湿球温度定值T_wb0相比升高2℃以上时，则判断为空气湿度升高；

若管内进水温度T_pi与管内出水温度T_po差值与定值相比升高8℃以上时，则判断为冷却塔冷却能力不满足换流阀散热要求，或换流阀元件老化引起发热增加；

若喷淋水流量L、进塔空气流量m_a、空气湿球温度T_wb以及管内进水温度T_pi与定值偏差均处于正常范围内时，则判断为填料老化、损坏，喷淋密度降低。

本发明还提供了一种用于闭式冷却塔的热力性能评估监测系统，包括有闭式冷却塔、采集单元以及监测主机，监测主机与采集单元相连，采集单元连接至闭式冷却塔上并设置有多个传感器；所述采集单元分别连接有喷淋水流量传感器、进水温度传感器、出水温度传感器、进风干湿温度传感器、大气压力传感器以及风速传感器，所述进水温度传感器用于测量管内进水温度T_pi，出水温度传感器用于测量管内出水温度T_po，进风干湿温度传感器用于测量空气湿球温度T_wb，风速传感器用于测量进塔空气流量m_a，喷淋水流量传感器用于测量喷淋水流量L。

本发明与现有技术相比，其有益效果在于：

本方法与系统，对于非特定的结构和工艺参数的闭式冷却塔来说，通过将闭式冷却塔的正常运行参数进行取样作为对比定值，与闭式冷却塔实际运行参数作对比进行监测，并根据通过闭式冷却塔换热换热数学模型分析，使得即使无法得知其闭式冷却塔的结构与工艺参数，也能同样能很好地对其热力性能进行检测，并且针对检测结果来进行分析对比，对其进行及时维护。

附图说明

图1是闭式冷却塔换热单元数学模型；

图2是本实施例中的阀冷外冷水系统热力性能评估逻辑图；

图3是本实施例中的用于闭式冷却塔的热力性能监测系统的硬件构架图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明的内容做进一步详细说明。

实施例：

如图1所示，首先通过在闭式冷却塔正常工作状态下测出各项运行参数的定值，所述定值包括喷淋水流量定值L₀、进塔空气流量定值m_a0、空气湿球温度定值T_wb0、管内进水温度定值T_pi0、管内出水温度定值T_po0以及利用管内进水温度定值T_pi0计算得出的冷却效率定值ε₀；

然后通过对实际运行工作状态下测出的各项运行参数的实际值进行对比，所述实际值包括喷淋水流量L、进塔空气流量m_a、空气湿球温度T_wb、管内出水温度T_po以及利用管内进水温度T_pi计算得出的冷却效率ε；

最后通过闭式冷却塔换热单元数学模型分析其对比结果，若管内出水温度T_po与管内出水温度定值T_po0相比升高2℃以上，以及冷却效率ε与冷却效率定值ε₀相比下降15％以上时，判断其热力性能出现问题，并通过喷淋水流量L、进塔空气流量m_a、空气湿球温度T_wb以及管内进水温度T_pi与定值的对比分析出其问题原因。

该判断冷却塔的阀冷外冷水系统热力性能是否正常的依据，通过闭式冷却塔换热单元数学模型进行分析，若管内出水温度T_po与管内出水温度定值T_po0的偏差在额定范围内，并且冷却效率ε和冷却效率定值ε₀的偏差也在额定范围内，则判断该闭式冷却塔的阀冷外冷水系统热力性能正常；若管内出水温度T_po与管内出水温度定值T_po0相比升高2℃以上，以及冷却效率ε与冷却效率定值ε₀相比下降15％以上时，判断其热力性能出现问题。

对于冷却塔来说，管内出水温度T_po比管内出水温度定值T_po0更低，或者冷却效率ε比冷却效率定值ε₀更高，说明该冷却塔的冷却效果更好了，不存在热力性能出现问题的情况；反之，说明该冷却塔的冷却效果下降了，其热力性能出现了问题。而关于冷却效率ε的计算方法，由以下公式得出：

通过公式(1)，利用Matlab可求解冷却塔管内出水温度，从而得到换热器的冷却效率。

从该公式可得知，其出水温度T_po与冷却效率ε是有关联的，当进水温度T_pi一定的时候，出水温度T_po越高，冷却效率ε越低。

当检测出该闭式冷却塔的阀冷外冷水系统热力性能出现问题后，针对各检测参数进行与正常值比较，若喷淋水流量L与喷淋水流量定值L₀相比降低15％以上时，则判断为喷淋泵异常、喷淋管道堵塞、喷淋装置损坏；若进塔空气流量m_a与进塔空气流量定值m_a0相比降低30％以上时，则判断为风机异常、填料区堵塞；若空气湿球温度T_wb与空气湿球温度定值T_wb0相比升高2％以上时，则判断为空气湿度升高；若管内进水温度T_pi与、管内进水温度定值T_pi0相比升高8℃以上时，则判断为冷却塔冷却能力不满足换流阀散热要求，或换流阀元件老化引起发热增加；若喷淋水流量L、进塔空气流量m_a、空气湿球温度T_wb以及管内进水温度T_pi与定值偏差均处于正常范围内时，则判断为填料老化、损坏，喷淋密度降低。

而作为上述参数数据对比的依据，本发明根据闭式冷却塔换热单元数学模型(参照图1所示)构建齐次微分方程组得出，具体如下：

其中，T是冷却塔管内水的温度，℃；Z为距蒸发冷却器顶部的距离，单位m；K₀是从换热盘管内高温流体至管外喷淋水膜的总表面传热系数，单位kW/(m²·℃)；m_g是内冷水的质量流量，单位kg/s；c_g是内冷水的比热容，单位kJ/(kg·℃)；t_w是喷淋水的温度，单位℃；β_x是换热盘管填料的表面散质系数，单位kJ/(m²·z·dx)；m_w是喷淋水流量，单位kg/s；c_w是喷淋水的比热容，单位kJ/(kg·℃)；i_a是进塔空气的焓值，单位kJ/kg；i_asw是进塔空气温度的饱和湿空气焓值，单位kJ/kg。

由于喷淋水是循环的，因此微分方程组满足T_wi＝T_wo，上述微分方程的边界条件为：

T|_z＝0＝T_pi,t_w|_z＝0＝T_wi,i_asw|_z＝0＝i_asw·out (5)

T|_z＝Z＝T_po,t_w|_z＝Z＝T_wo,i_asw|_z＝Z＝i_asw·in (6)

t_w|_z＝0＝t_w|_z＝Z,i_asw|_z＝0＝i_asw|_z＝Z (7)

已知大气压力P、管内进水温度T_pi、冷却塔管内水质量流量m_g、冷却塔进风干球温度T_db、空气湿球温度T_wb、进塔空气流量m_a、喷淋水的质量流量m_w及冷却塔盘管结构参数，以式(5)、(6)、(7)作为齐次微分方程组的初值条件，可采用四阶Runge-Kutta方法进行求解。而喷淋水流量L根据公式m＝Lρ即可换算得出。

冷却塔盘管结构参数，对于一般用户来说是无法获得的，因此利用Hasan的结构参数(管层数12，单层管数19根，外径10mm、壁厚1mm，纵向管间距0.02m、横向管间距0.06m，管长1.2m，塔体宽度0.6m)进行模拟参数计算。

根据换流阀的技术参数和运行状态，可以求得阀内的总的功率损耗，再根据式(8)求得冷却水的最大温升。

式中：Δθ为冷却水温升，℃；P_loss为冷却水单位时间内所带出的热量，kW；Q为冷却水主管道的流量，L/min；k_w为冷却水的比热容，Ws/(kg·℃)；k_T为常数60，表示1min为60s整个阀内除了晶闸管元件会产生热量以外，阻尼电阻和阀电抗器等也会产生热量，这部分热量同样是由冷却水带出。

在阀冷系统实际稳态运行中，Δθ仅和换流阀热力性能、直流功率、内冷水流速及阀厅环境温度有关。在正常运行中，直流功率往往不会频繁调整，阀厅环境温度由阀厅空调控制在一定范围内。因此，Δθ可视为一个不变的数值。公式(9)简化表示为

其中Δθ为冷却塔进出水温差。

当冷却塔喷淋水量增加时，冷却塔出水温度下降，由于Δθ不变，冷却塔进水温度随之下降，在环境湿球温度不变情况下，冷却效率ε上升。同理，当冷却塔进风量增加时，冷却塔出水温度下降，冷却效率ε上升。当环境湿球温度升高时，冷却塔出水温度变化幅度比湿球温度大，因此T_pi-T_wb增大，冷却效率ε下降。阀冷系统对管内水流量要求较高，已专门设置流速及压力保护，正常运行值时变化不大，可不作为阀冷外冷水热力性能评价因素。

根据闭式冷却塔换热单元数学模型及用其构建的齐次微分方程组，最终得出以下结论：

1、根据数学模型分析可知，管内出水温度越靠近设计管内出水温度说明冷却塔剩余冷却能力越低。单台冷却塔喷淋水流量下降50％、单台冷却塔风机故障引起管内出水温度升高2～3℃，为可靠检测单台冷却塔风机故障，及时发现喷淋水流量降低的隐患，应设置管内出水温度高判据为2℃，因此管内出水温度比定值或初次测量值上升2℃时，说明闭式冷却塔的热力性能已经下降。

2、根据数学模型分析可知，单台冷却塔喷淋水流量下降50％、单台冷却塔风机故障或环境湿球温度上升2℃将导致冷却塔效率下降约15％～20％，应设置冷却效率低判据为15％，因此当冷却效率比定值或初次测量值下降15％时，说明闭式冷却塔的热力性能已经下降。

3、根据冷却塔技术参数的设计喷淋水流量确定，按照3台冷却塔配置的情况，单台冷却塔喷淋水流量下降50％引起喷淋水流量降低16％，为提高该判据灵敏性，应取为设计喷淋水流量的15％。因此喷淋水流量L比定值或初次测量值下降15％时，闭式冷却塔的热力性能会随之下降，该种情况引起的热力性能问题其原因在于喷淋泵异常、喷淋管道堵塞、喷淋装置损坏；

4、根据冷却塔技术参数的设计进塔空气流量确定，按照3台冷却塔配置的情况，单台冷却塔风机故障引起进塔空气流量降低约33％，为提高该判据灵敏性，应取为设计进塔空气流量的30％。因此当进塔空气流量m_a比定值或初次测量值下降30％时，闭式冷却塔的热力性能会随之下降，该种情况引起的热力性能问题其原因在于风机异常、填料区堵塞；

5、用于辨识空气湿度上升引起冷却效率低的情况，因此由冷却效率低判据确定，环境湿球温度上升2℃将导致冷却塔效率下降15％～20％，由于冷却效率低判据为15％，应设置环境湿球温度高判据为2℃。因此当空气湿球温度T_wb与空气湿球温度定值或平均运行湿球温度比较，上升2℃时，闭式冷却塔的热力性能会随之下降，该种情况引起的热力性能问题其原因在于空气湿度升高；

6、冷却塔内冷水系统管内出水流入换流阀，再作为管内进水流入冷却塔，换流阀的损耗决定了管内进水温度与管内出水温度差值。通过换流阀热力计算表明，满负荷时管内进水温度与管内出水温度差值一般为5.5～6.5℃，该差值冷却塔冷却冗余时与其运行参数无关，只有冷却塔冷却无冗余或换流阀元件老化引起发热增加，该差值才会扩大。因此当管内进水温度T_pi与管内出水温度T_po的差值大于8℃时，闭式冷却塔的热力性能会随之下降，该种情况引起的热力性能问题其原因在于冷却塔冷却能力不满足换流阀散热要求，或换流阀元件老化引起发热增加。

从结论可见其当喷淋水流量L下降、进塔空气流量m_a下降、空气湿球温度T_wb升高以及管内进水温度T_pi与管内出水温度T_po差值升高的时候，会使得闭式冷却塔的阀冷外冷水系统热力性能出现问题，因而从该四种因素出发分辨其问题根源即可分析出对应的问题所在：喷淋泵异常、喷淋管道堵塞、喷淋装置损坏；风机异常、填料区堵塞；空气湿度升高；冷却塔冷却能力不满足换流阀散热要求，或换流阀元件老化引起发热增加。而当以上参数均处于正常波动范围时，则需要考虑是否为填料老化、损坏、喷淋密度降低的问题。

最终得出如图2所示的阀冷外冷水系统热力性能评估逻辑图对闭式冷却塔的热力性能进行评估。

参照图3所示，本发明还公开了一种用于闭式冷却塔的热力性能评估的监测系统，图3为该监测系统的硬件构架图，该监测系统运用了上述的闭式冷却塔的热力性能评估方法，其包括有闭式冷却塔、采集单元以及监测主机，监测主机与采集单元相连，采集单元连接至闭式冷却塔上并设置有多个传感器；

所述采集单元分别连接有喷淋水流量传感器、进水温度传感器、出水温度传感器、进风干湿温度传感器、大气压力传感器以及风速传感器，

所述进水温度传感器用于测量管内进水温度T_pi，出水温度传感器用于测量管内出水温度T_po，进风干湿温度传感器用于测量空气湿球温度T_wb，风速传感器用于测量进塔空气流量m_a，喷淋水流量传感器用于测量喷淋水流量L。

上述实施例只是为了说明本发明的技术构思及特点，其目的是在于让本领域内的普通技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡是根据本发明内容的实质所做出的等效的变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (3)

1.一种用于闭式冷却塔的热力性能评估方法，其特征在于：

首先通过在闭式冷却塔正常工作状态下测出各项运行参数的定值，所述定值包括喷淋水流量定值L₀、进塔空气流量定值m_a0、空气湿球温度定值T_wb0、管内进水温度定值T_pi0、管内出水温度定值T_po0以及利用管内进水温度定值T_pi0计算得出的冷却效率定值ε₀；

然后通过对实际运行工作状态下测出的各项运行参数的实际值进行对比，所述实际值包括喷淋水流量L、进塔空气流量m_a、空气湿球温度T_wb、管内出水温度T_po以及利用管内进水温度T_pi计算得出的冷却效率ε；

最后通过闭式冷却塔换热单元数学模型分析其对比结果，若管内出水温度T_po与管内出水温度定值T_po0相比升高2℃以上，以及冷却效率ε与冷却效率定值ε₀相比下降15％以上时，判断其热力性能出现问题，并通过喷淋水流量L、进塔空气流量m_a、空气湿球温度T_wb、管内进水温度T_pi与管内出水温度T_po差值与定值的对比分析出其问题原因。

2.根据权利要求1所述的用于闭式冷却塔的热力性能评估方法，其特征在于：当判断闭式冷却塔的统热力性能出现问题时，将喷淋水流量L、进塔空气流量m_a、空气湿球温度T_wb、管内进水温度T_pi与喷淋水流量定值L₀、进塔空气流量定值m_a0、空气湿球温度定值T_wb0以及管内进水温度T_pi与管内出水温度T_po差值进行对比，通过闭式冷却塔换热单元数学模型分析其对比结果得出：

若喷淋水流量L与喷淋水流量定值L₀相比降低15％以上时，则判断为喷淋泵异常、喷淋管道堵塞、喷淋装置损坏；

若进塔空气流量m_a与进塔空气流量定值m_a0相比降低30％以上时，则判断为风机异常、填料区堵塞；

若空气湿球温度T_wb与空气湿球温度定值T_wb0相比升高2℃以上时，则判断为空气湿度升高；

若管内进水温度T_pi与管内出水温度T_po差值与定值相比升高8℃以上时，则判断为冷却塔冷却能力不满足换流阀散热要求，或换流阀元件老化引起发热增加；

若喷淋水流量L、进塔空气流量m_a、空气湿球温度T_wb以及管内进水温度T_pi与定值偏差均处于正常范围内时，则判断为填料老化、损坏，喷淋密度降低。

3.一种基于权利要求1至2任意一项的用于闭式冷却塔的热力性能评估监测系统，其特征在于：包括有闭式冷却塔、采集单元以及监测主机，监测主机与采集单元相连，采集单元连接至闭式冷却塔上并设置有多个传感器；

所述采集单元分别连接有喷淋水流量传感器、进水温度传感器、出水温度传感器、进风干湿温度传感器、大气压力传感器以及风速传感器，

所述进水温度传感器用于测量管内进水温度T_pi，出水温度传感器用于测量管内出水温度T_po，进风干湿温度传感器用于测量空气湿球温度T_wb，风速传感器用于测量进塔空气流量m_a，喷淋水流量传感器用于测量喷淋水流量L。

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