CN110657688A - 一种自适应环境侧风的高效冷却塔系统及方法 - Google Patents

一种自适应环境侧风的高效冷却塔系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种自适应环境侧风的高效冷却塔系统及方法，包括：冷却塔，包括塔筒和若干塔支柱，若干塔支柱均布于塔筒的塔体下沿的周向，对塔筒起支撑作用；垂直轴风力发电机组，若干组，沿环绕冷却塔的同心圆的周向设置；垂直轴风力发电机组的高度h的数值满足：2H＞h＞1m，其中，H为塔体下沿与地面之间的垂直距离；垂直轴风力发电机组的垂直轴与塔体下沿的外沿的水平距离l，l＞1m。垂直轴风力发电机组是指风轮的转轴垂直于地面或者气流方向的发电机组。利用垂直风力发电吸收侧风能量，从而削弱甚至消除到达冷却塔的侧风，随之侧风对冷却塔的不利影响亦得到缓解或消除，从而实现冷却塔的高效稳定运行，同时实现清洁能源发电。

Description

一种自适应环境侧风的高效冷却塔系统及方法
技术领域
本发明涉及能源与动力工程设备技术领域，具体涉及一种自适应环境侧风的高效冷却塔系统及方法。
背景技术
公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
冷却塔是火电厂重要设备之一，冷却塔冷却性能的好坏直接影响机组的运行效率和安全。随着国内新建机组发电负荷的不断增加，其对冷却塔的要求也逐渐趋向大型化，随之而来的冷却塔内部均匀配风难度增大，环境侧风(侧风是指某一方向或行进方向有正交分量的风)带来的不利影响也随之增大，特别是自然通风冷却塔。环境侧风可破坏无侧风时塔内轴对称的空气动力场，在塔内部引起纵向旋涡，特别是在迎风侧填料下方产生较大的纵向旋涡，弱化了此区域的传热传质；在背风侧则出现穿堂风，也弱化了塔内的传热传质，进而影响冷却塔的冷却性能。环境侧风对冷却塔总体冷却性能会产生不利影响，且随侧风风速的增加，冷却水温降先减小后增大，侧风对冷却塔的不利影响直接对其服务的火电厂的高效稳定运行产生不利影响。
现有的冷却塔侧风预防装置均为被动防风控风，如环绕冷却塔的轴向沿径向布置径向直线型叶片、径向旋流型叶片、切向直线型叶片等，但是，上述防风控风措施对侧风的自适应能力差，无法自适应侧风风向和风速改变而产生的影响。对于某些风向的侧风的阻拦能力仍较差，且会影响正常空气的流动，对冷却塔入口的空气流动产生一定的阻力，影响冷却塔的换热效率。对于径向直线型叶片，仅仅是将侧风进行分割，不影响侧风的风向，而且叶片之间的距离较小，会对侧风起到一定的加速作用，侧风预防效果不明显。对于径向旋流叶片或切向直线型叶片来说，虽然可以在一定程度上将侧风偏离原先流动路线，但是该种结构对于某些风向的侧风的阻拦能力仍较差。
发明内容
为了解决现有技术中存在的技术问题，本发明的目的是提供一种自适应环境侧风的高效冷却塔系统及方法，在传统冷却塔周围布置垂直风力发电机组，利用垂直风力发电吸收侧风能量，从而削弱甚至消除到达冷却塔的侧风，随之侧风对冷却塔的不利影响亦得到缓解或消除，从而实现冷却塔的高效稳定运行，提高火电厂的运行效率，实现节能减排。
为了实现上述目的，本发明的技术方案为：
一种自适应环境侧风的高效冷却塔系统，包括：
冷却塔，包括塔筒和若干塔支柱，若干塔支柱均布于塔筒的塔体下沿的周向，对塔筒起支撑作用；
垂直轴风力发电机组，若干组，沿环绕冷却塔的同心圆的周向设置；
垂直轴风力发电机组的高度h的数值满足：2H＞h＞1m，其中，H为塔体下沿与地面之间的垂直距离；
垂直轴风力发电机组的垂直轴与塔体下沿的外沿的水平距离l，l＞1m。
垂直轴风力发电机组是指风轮的转轴垂直于地面或者气流方向的发电机组。
在冷却塔周围布置的垂直轴风力发电机组，可以吸收侧风能量，将侧风的能量转化成清洁的电能，削弱侧风的能量。而且，由于侧风吹动风电叶片使风电叶片旋转，侧风在风电叶片的阻挡作用下偏离原先的运动轨迹，进一步削弱了侧风直接吹向冷却塔，减弱了侧风对冷却塔的影响。此外，即使侧风风向具有不确定性，不同方向的侧风吹向垂直轴风力发电机组时，都会被削弱并被改变风向，使侧风对冷却塔的不利影响得到缓解或消除。
由于风电叶片在空气流动的作用力下会旋转，吸收侧风能量并改变侧风风向，削弱甚至消除到达冷却塔的侧风，合理布置垂直轴风力发电机组，可使其在削弱侧风的同时不影响冷却塔的正常进风，即对冷却塔进风口的阻力微弱，不影响冷却塔的正常工作。亦即，当风力发电机组的高度和与塔体下沿的外沿之间的距离满足一定条件时，才能有效消除侧风的影响。
在一些实施例中，所述冷却塔的迎风面的垂直轴风力发电机组的数量大于背风面的数量。
进一步的，所述垂直轴风力发电机直径d的数值满足：10m>d>0.5m。
进一步的，所述冷却塔迎风面的相邻垂直轴风力发电机组之间的水平距离d1的数值满足：d1>d。
进一步的，所述冷却塔背风面的相邻垂直轴风力风电机组之间的水平距离d2的数值满足：d2>d1。
在一些实施方式中，所述冷却塔的迎风面设置有2-6排垂直轴风力发电机组，相邻两排垂直轴风力发电机组交错排列。设置多排风力发电机组，且交错排列，以尽可能削弱侧风的能量，并改变侧风的风向，减轻侧风对冷却塔的不利影响。
在一些实施方式中，垂直轴风力风电机可以是一种，也可以是多种类型的组合。所述垂直轴风力发电机，包括阻力型和升力型，如平板和杯子风轮、S型风车、达里厄式风轮、马格努斯效应风轮等
在一些实施例中，所述冷却塔内部从下往上依次设置集水池、填料层、配水装置和除水器。
在一些实施例中，所述冷却塔为自然通风冷却塔或机械通风冷却塔。
在一些实施例中，所述垂直轴风力发电机组包括风电塔架、若干叶片、叶片支撑架、转轴和发电机，转轴和发电机安装在风电塔架上，转轴的一端与发电机连接，另一端通过叶片支撑架安装所述若干叶片。
进一步的，所述叶片数量应不少于2。
进一步的，所述叶片的高度为0.5～20m。
一种冷却塔自适应环境侧风的方法，包括如下步骤：
在冷却塔的同心圆的圆周上安装若干组垂直轴风力发电机组，当不同风向、风速的环境侧风流经垂直轴风力发电机组时，垂直轴风力发电机组主动吸收侧风能量，且改变侧风风向，使得侧风在到达冷却塔位置时削弱甚至消除，同时实现冷却塔高效、稳定运行和风力发电。
本发明的有益效果为：
本发明的高效冷却塔系统可自适应环境侧风，无论侧风风向、风速如何改变，利用垂直风力发电机组主动吸收侧风能量，实现冷却塔的性能稳定、高效；
本发明主动利用环境侧风实现冷却塔高效运行的同时，可发电。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明实施例的一种利用垂直风力发电实现侧风下冷却塔节能增效的系统示意图；
图2为本发明实施例的一种利用垂直风力发电实现侧风下冷却塔节能增效系统的俯视图；
其中，1、风电塔架，2、叶片，3、叶片支撑架，4、转轴，5、发电机，6、集水池，7、空气入口，8、塔支柱，9、塔体下沿，10、填料，11、塔筒，12、塔体上沿，13、空气出口，14、除水器，15、配水装置，16、循环水进口，17、雨区，18、循环水出口，19、地面。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
如图1和图2所示，一种自适应环境侧风的高效冷却塔系统，包括冷却塔本体，垂直风力发电系统。
所述冷却塔本体主要包括集水池6，塔支柱8，塔体下沿9，填料10，塔筒11，塔体上沿12，除水器14，配水装置15；所述冷却塔的运行为空气在自然浮升力的作用下自空气入口7进入冷却塔，依次流经塔支柱8，雨区17，填料10，配水装置15，经除水器14进行除水后，最后经空气出口13流出塔外；所述冷却塔的水系统，经循环水进口16分配至配水装置15，经配水装置15配水后，均匀分布在填料10，水在重力作用下，流经填料10后以雨淋形式经雨区17下降至集水池6，最后经循环水出口18流出；所述冷却塔内，水和空气直接接触，并进行传热传质，最终实现循环水的冷却，其主要的传热传质区为配水区、填料区、雨区。
所述垂直风力发电系统主要包括风电塔架1，叶片2，叶片支撑架3，转轴4，发电机5。转轴和发电机安装在风电塔架上，转轴的一端与发电机连接，另一端通过叶片支撑架安装的叶片数量应不少于2。所述叶片的高度为0.5～20m。
所述垂直轴风力发电机，风轮的转轴4垂直于地面或者气流的方向，在风向改变的时候无需对风，它不仅使结构设计简化，而且也减少了风轮对风时的陀螺力；所述垂直轴风力发电机，相对于传统的水平轴风力发电机，具有微风启动(1m/s即可启动发电)、无噪音等优点；所述垂直轴风力发电机，包括阻力型和升力型，如平板和杯子风轮、S型风车、达里厄式风轮、马格努斯效应风轮等。
垂直轴风力发电机组，若干组，沿环绕冷却塔的同心圆的周向设置；垂直风力发电机组的高度h，h取值应满足：2H>h>1m，其中，H为塔体下沿与地面之间的垂直距离。垂直风力发电机组的高度h，应综合垂直风力发电机种类、冷却塔的尺寸、当地气候环境、空间、对到达冷却塔时侧风的吸收量、不影响冷却塔的正常进风等因素，进行分析计算决定。
垂直风力发电机组沿冷却塔的外沿径向布置，第一组径向布置的垂直风力发电机距离冷却塔塔体下沿9的外沿的水平距离l，l取值应满足：l>1m。l的取值上限，应综合垂直风力发电机种类、冷却塔的尺寸、当地气候环境、空间、对到达冷却塔时侧风的吸收量、不影响冷却塔的正常进风等因素，进行分析计算决定。
所述垂直轴风力发电机直径d的数值满足：10m>d>0.5m。
所述冷却塔迎风面的相邻垂直轴风力发电机组之间的水平距离d1的数值满足：d1>d。
所述冷却塔背风面的相邻垂直轴风力风电机组之间的水平距离d2的数值满足：d2>d1。
一种自适应环境侧风的新型高效冷却塔方法：环境侧风对冷却塔总体冷却性能会产生不利影响，本方法在冷却塔周围沿径向安装垂直风力发电机组，无论侧风风向、风速如何改变，利用垂直风力发电机组主动吸收侧风能量，使得侧风在到达冷却塔位置时削弱甚至消除，从而削弱或消除侧风对冷却塔的不利影响，实现冷却塔的性能稳定、高效运行，垂直风力发电机组还可发电，可同时实现冷却塔高效、稳定运行和风力发电，对提高火电厂的运行效率、实现节能减排意义重大。
所述一种自适应环境侧风的新型高效冷却塔系统，冷却塔的进风高度H取值可依据《工业循环水冷却设计规范GB/T50102-2014》。
所述一种自适应环境侧风的新型高效冷却塔系统，垂直风力发电机组沿冷却塔的外沿径向布置，在当地常年主导风向，第一组径向布置的垂直风力发电机在迎风侧的布置数量多于背风侧，以更好地主动吸收侧风的能量。
所述一种自适应环境侧风的新型高效冷却塔系统，垂直风力发电机组沿冷却塔的外沿径向布置，在当地常年主导风向的背风侧亦布置垂直风力发电机，可保证冷却塔自适应侧风风向的改变。
所述一种自适应环境侧风的新型高效冷却塔系统，在当地常年主导风向的迎风侧，可沿冷却塔的外沿径向再布置另几组(一般迎风面可设置2-6排)垂直风力发电机，可保证冷却塔自适应侧风风速的改变。
所述一种自适应环境侧风的新型高效冷却塔系统，垂直风力发电机组除了上述布置外，亦可单排多列、可多排单列、亦可多排多列，可顺排亦可叉排，其具体布置方式，应综合垂直风力发电机种类、冷却塔的尺寸、当地气候环境、空间、对到达冷却塔时侧风的吸收量、不影响冷却塔的正常进风等因素，进行分析计算决定。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种自适应环境侧风的高效冷却塔系统，其特征在于：包括：
冷却塔，包括塔筒和若干塔支柱，若干塔支柱均布于塔筒的塔体下沿的周向，对塔筒起支撑作用；
垂直轴风力发电机组，若干组，沿环绕冷却塔的同心圆的周向设置；
垂直轴风力发电机组的高度h的数值满足：2H＞h＞1m，其中，H为塔体下沿与地面之间的垂直距离；
垂直轴风力发电机组的垂直轴与塔体下沿的外沿的水平距离l，l＞1m。
2.根据权利要求1所述的自适应环境侧风的高效冷却塔系统，其特征在于：所述冷却塔的迎风面的垂直轴风力发电机组的数量大于背风面的数量。
3.根据权利要求2所述的自适应环境侧风的高效冷却塔系统，其特征在于：所述冷却塔迎风面的相邻垂直轴风力发电机组之间的水平距离d1的数值满足：d1>d。
4.根据权利要求2所述的自适应环境侧风的高效冷却塔系统，其特征在于：所述垂直轴风力发电机直径d的数值满足：10m>d>0.5m。
5.根据权利要求2所述的自适应环境侧风的高效冷却塔系统，其特征在于：所述冷却塔背风面的相邻垂直轴风力风电机组之间的水平距离d2的数值满足：d2>d1。
6.根据权利要求1所述的自适应环境侧风的高效冷却塔系统，其特征在于：所述冷却塔的迎风面设置有2-6排垂直轴风力发电机组，相邻两排垂直轴风力发电机组交错排列。
7.根据权利要求1所述的自适应环境侧风的高效冷却塔系统，其特征在于：所述冷却塔内部从下往上依次设置集水池、填料层、配水装置和除水器。
8.根据权利要求1所述的自适应环境侧风的高效冷却塔系统，其特征在于：所述冷却塔为自然通风冷却塔或机械通风冷却塔。
9.根据权利要求1所述的自适应环境侧风的高效冷却塔系统，其特征在于：所述垂直轴风力发电机组包括风电塔架、若干叶片、叶片支撑架、转轴和发电机，转轴和发电机安装在风电塔架上，转轴的一端与发电机连接，另一端通过叶片支撑架安装所述若干叶片，使若干叶片均垂直于地面安装；
进一步的，所述叶片的高度为0.5-20m。
10.一种冷却塔自适应环境侧风的方法，其特征在于：包括如下步骤：
在冷却塔的同心圆的圆周上安装若干组垂直轴风力发电机组，当不同风向、风速的环境侧风流经垂直轴风力发电机组时，垂直轴风力发电机组主动吸收侧风能量，且改变侧风风向，使得侧风在达到冷却塔位置时削弱甚至消除，同时实现清洁能源发电。
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