CN116894148B - 一种冷却塔成雾概率计算方法及基于其的消雾控制系统 - Google Patents

一种冷却塔成雾概率计算方法及基于其的消雾控制系统 Download PDF

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Abstract

本申请公开了一种冷却塔成雾概率计算方法及基于其的消雾控制系统，包括以下步骤：步骤1，计算空气饱和曲线；步骤2，计算出塔空气和环境空气的出口湿空气状态点连线；步骤3，消雾判断；若出塔空气和环境空气的出口湿空气状态点连线与空气饱和曲线没有交点，说明出塔空气在环境中不会成雾；若两者有1个交点，说明出塔空气在环境中成雾概率小，只会形成少量白雾；若两者有2个交点，说明出塔空气在环境中成雾概率较大，会形成较多白雾。具有以下优点：解决现有消雾冷却塔无法随外界环境变化及时适当的调节百叶窗开度和风机功率的问题，能够根据外界空气参数和出塔空气参数的变化及时计算出塔空气成雾概率。

Description

一种冷却塔成雾概率计算方法及基于其的消雾控制系统
技术领域
本发明是一种精确计算冷却塔成雾概率计算方法及基于其的消雾控制系统，属于冷却塔控制技术领域。
背景技术
冷却塔是用水作为循环冷却剂，从系统中吸收热量排放至大气中，以降低水温的装置。在工业企业中80%的用水都是用于工业冷却循环水，目前工业上一般采用喷淋式冷却塔，无论是电厂用的自然通风冷却塔，还是化工等企业常用的强制通风冷却塔，均是通过水与空气直接接触换热达到冷却效果，它的优点是结构简单，操作方便。
但冷却塔在运行过程中会有大量湿热空气排到环境中与外界冷空气相遇便会凝结成白雾，引起水资源的浪费。
目前冷却塔的消雾方式分为两种：模块消雾和翅片管消雾。这两种消雾方式均可通过改变出塔空气状态，实现消雾目的。但不管是那种消雾模式，都是在雾气形成后，现场工作人员根据现场情况开闭百叶窗，实现消雾目的。这种控制方式依赖现场工作人员的工作经验对百叶窗开度和风机的功率进行调节，以满足冷却塔消雾和降温的作用。该方式不仅无法充分发挥冷却塔的消雾节水能力，还会造成电能和水量的浪费。
现有技术中大部分是在羽雾出现以后计算羽雾浓度或者减少羽雾产生的方法，且对于横梁冷却塔消雾性能好坏的测量评价方法并没有统一的明确的标准，目前消雾性能测量的方法大多为，在收水器上方与消雾模块下方之间，布置若干湿度传感器，传输到外接电脑上，测量出填料空气含湿量，进而计算节水率。此方式测量，一方面，布点在冷却塔内部，安装不方便，且存在安全隐患；另一方面收水器上方有小部分漂水到湿度传感器上，影响测量结果；其次市面上含湿量测量仪器精度不够，以及布点数量有限，结果偶然性大，综上多重因素，导致测量误差较大，不具有代表性。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对以上不足，提供一种精确计算冷却塔成雾概率计算方法及配套消雾冷却塔，解决现有消雾冷却塔无法随外界环境变化及时适当的调节百叶窗开度和风机功率的问题，能够根据外界空气参数和出塔空气参数的变化及时计算出塔空气成雾概率，并对百叶窗开度和风机功率及时调整，在满足出塔水温的前提下，实现冷却塔消雾节水最大化。
为解决以上技术问题，本发明采用以下技术方案：
一种冷却塔成雾概率计算方法，包括以下步骤：
步骤1，计算空气饱和曲线；
步骤2，计算出塔空气和环境空气的出口湿空气状态点连线；
步骤3，消雾判断；
若出塔空气和环境空气的出口湿空气状态点连线与空气饱和曲线没有交点，说明出塔空气在环境中不会成雾；若出塔空气和环境空气的出口湿空气状态点连线与空气饱和曲线仅有1个交点，说明出塔空气在环境中成雾概率小，只会形成少量白雾；若出塔空气和环境空气的出口湿空气状态点连线与空气饱和曲线有2个交点，说明出塔空气在环境中成雾概率较大，会形成较多白雾。
进一步的，所述步骤1中计算空气饱和曲线具体如下：
在空气的大气压和空气干球温度确定的条件下，空气气的最大含湿量是确定的，此时对应的空气焓值也是确定的，因此能够计算出空气饱和条件下空气含湿量和空焓值的对应关系曲线；
式1；
式中：t为空气干球温度；PS为空气中水蒸气分压；Φ为相对湿度，P为大气压，d为空气含湿量，h为空气焓值；
在相对湿度为1时，整理上式可得：
式2。
进一步的，所述步骤2具体过程如下：
通过出塔空气参数探头和环境空气参数确定出塔空气干球温度、出塔空气相对湿度/>、环境空气干球温度/>、环境空气相对湿度/>，经式2计算出塔空气焓值/>、出塔空气含湿量/>、环境空气焓值/>、环境空气含湿量/>；
对出塔空气和环境空气的湿空气状态点连线；
通过差值法求混合后空气焓值和空气含湿量/>，具体如下：
式3；
整理可得：
式4。
进一步的，所述步骤3具体包括以下步骤：
式5；
式6；
将上述式5和式6合并在一起可得：
式8；
其中：
式9；
式10；
式11；
式12；
对整理得的式8进行求导，确定函数区间内极值。
令式13；
对进行求导得：/>
令，得/>
其中：
；
；
；
若，则/>，/>为函数/>极值；
当且/>时无雾，否则会成雾；
若；
；
；
和/>为函数/>极值；
当，/>，/>且/>时无雾，否则会成雾。
一种基于冷却塔成雾概率计算方法的消雾控制系统，包括数据采集系统及控制单元；
所述数据采集系统包括环境空气参数探头、出塔空气干湿球探头和出塔水温探头，环境空气参数探头采集外界环境干湿球温度，出塔空气干湿球探头采集出塔空气干湿球温度和出塔水温；
所述环境空气参数探头布置在距冷却塔20米之外的空旷区，每10秒采集一组空气参数传输到控制单元；
所述出塔空气干湿球探头布置在冷却塔的风机下方0.5米互相垂直的4条半径上，每条半径均布两个探头，共8组探头，每10秒采集一组空气参数传输到控制单元；
所述出塔水温探头布置在集水池与泵房的连接口处，每10秒采集一组空气参数传输到控制单元。
进一步的，所述消雾控制系统的运行过程包括以下步骤：
判断出塔水温探头实测出塔水温Ti是否小于等于设定出塔水温To；
若实测出塔水温Ti小于等于设定出塔水温To，则判断设定出塔水温To减实测出塔水温Ti是否大于等于0.5℃；
若设定出塔水温To减实测出塔水温Ti大于等于0.5℃，则降低1%风机频率；
若设定出塔水温To减实测出塔水温Ti小于0.5℃或降低1%风机频率后，则出塔空气干湿球探头和环境空气参数探头测定空气干球温度和相对湿度，通过冷却塔成雾概率计算方法判断是否有雾。
进一步的，所述消雾控制系统的运行过程还包括以下步骤：
若无雾，控制过程结束；
若有雾，则判断风机是否达到最大功率；
若风机达到最大功率，控制过程结束；
若风机未达最大功率，则百叶窗增加10%开度，控制过程结束。
进一步的，所述消雾控制系统的运行过程还包括以下步骤：
若实测出塔水温Ti未达设定出塔水温To，则判断风机是否达到最大功率；
若风机达到最大功率，则判断百叶窗开度是否为0；
若百叶窗开度为0，控制系统结束；
若百叶窗开度不为0，减小百叶窗10%开度；
若风机未达到最大功率，增加风机1%功率。
本发明采用以上技术方案，与现有技术相比，具有如下技术效果：
解决现有消雾冷却塔无法随外界环境变化及时适当的调节百叶窗开度和风机功率的问题，能够根据外界空气参数和出塔空气参数的变化及时计算出塔空气成雾概率，并对百叶窗开度和风机功率及时调整，在满足出塔水温的前提下，实现冷却塔消雾节水最大化。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。
图1为本发明的消雾控制系统中温度探头分布示意图结构示意图；
图2为本发明的消雾控制系统中控制逻辑图。
具体实施方式
实施例1，一种冷却塔成雾概率计算方法，包括以下步骤：
步骤1，计算空气饱和曲线。
在空气的大气压和空气干球温度确定的条件下，空气的最大含湿量（即相对湿度为1的条件下空气的含湿量）是确定的，此时对应的空气焓值也是确定的，因此可以计算出空气饱和条件下空气含湿量和空气焓值的对应关系曲线。
式1；
式中：t为空气干球温度；PS为空气中水蒸气分压；Φ为相对湿度，P为大气压，d为空气含湿量，h为空气焓值。
在相对湿度为1时，整理上式可得：
式2。
步骤2，计算出塔空气和环境空气的出口湿空气状态点连线；
通过出塔空气参数探头和环境空气参数确定出塔空气干球温度、出塔空气相对湿度/>、环境空气干球温度/>、环境空气相对湿度/>，经式2计算出塔空气焓值/>、出塔空气含湿量/>、环境空气焓值/>、环境空气含湿量/>。
对出塔空气和环境空气的湿空气状态点连线。
通过差值法求混合后空气焓值和空气含湿量/>，h和d在同一条线上，所以斜率相同，具体如下：
式3；
整理可得：
式4。
步骤3，消雾判断
若出塔空气和环境空气的出口湿空气状态点连线与空气饱和曲线没有交点，说明出塔空气在环境中不会成雾；若出塔空气和环境空气的出口湿空气状态点连线与空气饱和曲线仅有1个交点，说明出塔空气在环境中成雾概率小，只会形成少量白雾；若出塔空气和环境空气的出口湿空气状态点连线与空气饱和曲线有2个交点，说明出塔空气在环境中成雾概率较大，会形成较多白雾。
式5；
式6；
将上述式5和式6合并在一起可得：
式7；
整理可得：
式8；
其中：
式9；
式10；
式11；
式12。
对整理得的式8进行求导，确定函数区间内极值。
令式13；
对进行求导得：/>
令，得/>
其中：
；
；
；
若，则/>，/>为函数/>极值；
当且/>时无雾，否则会成雾。
若；
；
；
和/>为函数/>极值；
当，/>，/>且/>时无雾，否则会成雾。
如图1和图2所示，基于冷却塔成雾概率计算方法的消雾控制系统包括数据采集系统及控制单元。
数据采集系统包括环境空气参数探头1、出塔空气干湿球探头2和出塔水温探头4，环境空气参数探头1采集外界环境干湿球温度，出塔空气干湿球探头2采集出塔空气干湿球温度和出塔水温。
所述环境空气参数探头1布置在距冷却塔20米之外的空旷区，每10秒采集一组空气参数传输到控制单元。
所述出塔空气干湿球探头2布置在冷却塔的风机3下方0.5米互相垂直的4条半径上，每条半径均布两个探头，共8组探头，每10秒采集一组空气参数传输到控制单元。
所述出塔水温探头4布置在集水池5与泵房6的连接口处，每10秒采集一组空气参数传输到控制单元。
所述消雾控制系统的运行过程如下：
判断出塔水温探头实测出塔水温Ti是否小于等于设定出塔水温To。
若实测出塔水温Ti小于等于设定出塔水温To，则判断设定出塔水温To减实测出塔水温Ti是否大于等于0.5℃。
若设定出塔水温To减实测出塔水温Ti大于等于0.5℃，则降低1%风机频率。
若设定出塔水温To减实测出塔水温Ti小于0.5℃或降低1%风机频率后，则出塔空气干湿球探头2和环境空气参数探头1测定空气干球温度和相对湿度，通过成雾概率计算方法判断是否有雾。
若无雾，控制过程结束。
若有雾，则判断风机是否达到最大功率。
若风机达到最大功率，控制过程结束。
若风机未达最大功率，则百叶窗增加10%开度，控制过程结束。
若实测出塔水温Ti未达设定出塔水温To，则判断风机是否达到最大功率。
若风机达到最大功率，则判断百叶窗开度是否为0。
若百叶窗开度为0，控制系统结束。
若百叶窗开度不为0，减小百叶窗10%开度。
若风机未达到最大功率，增加风机1%功率。
本发明的描述是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本发明限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显然的。选择和描述实施例是为了更好的说明本发明的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本发明从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。

Claims (5)

1.一种冷却塔成雾概率计算方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1，计算空气饱和曲线；
步骤2，计算出塔空气和环境空气的出口湿空气状态点连线；
步骤3，消雾判断；
若出塔空气和环境空气的出口湿空气状态点连线与空气饱和曲线没有交点，说明出塔空气在环境中不会成雾；若出塔空气和环境空气的出口湿空气状态点连线与空气饱和曲线仅有1个交点，说明出塔空气在环境中成雾概率小，只会形成少量白雾；若出塔空气和环境空气的出口湿空气状态点连线与空气饱和曲线有2个交点，说明出塔空气在环境中成雾概率较大，会形成较多白雾；
所述步骤1中计算空气饱和曲线具体如下：
在空气的大气压和空气干球温度确定的条件下，空气气的最大含湿量是确定的，此时对应的空气焓值也是确定的，因此能够计算出空气饱和条件下空气含湿量和空焓值的对应关系曲线；
式1；
式中：t为空气干球温度；Ps为空气中水蒸气分压；Φ为相对湿度，P为大气压，d为空气含湿量，h为空气焓值；
在相对湿度为1时，整理上式可得：
式2；
所述步骤2具体过程如下：
通过出塔空气参数探头和环境空气参数确定出塔空气干球温度、出塔空气相对湿度/>、环境空气干球温度/>、环境空气相对湿度/>，经式2计算出塔空气焓值/>、出塔空气含湿量/>、环境空气焓值/>、环境空气含湿量/>；
对出塔空气和环境空气的湿空气状态点连线；
通过差值法求混合后空气焓值和空气含湿量/>，具体如下：
式3；
整理可得：
式4；
所述步骤3具体包括以下步骤：
式5；
式6；
将上述式5和式6合并在一起可得：
式8；
其中：
式9；
式10；
式11；
式12；
对整理得的式8进行求导，确定函数区间内极值；
令式13；
对进行求导得：/>；
令，得/>；
其中：
；
；
；
若，则/>，/>为函数/>极值；
当且/>时无雾，否则会成雾；
若；
；
；
和/>为函数/>极值；
当且/>时无雾，否则会成雾。
2.一种基于冷却塔成雾概率计算方法的消雾控制系统，其特征在于：如权利要求1所述的冷却塔成雾概率计算方法应用于消雾控制系统中；
消雾控制系统包括数据采集系统及控制单元；
所述数据采集系统包括环境空气参数探头（1）、出塔空气干湿球探头（2）和出塔水温探头（4），环境空气参数探头（1）采集外界环境干湿球温度，出塔空气干湿球探头（2）采集出塔空气干湿球温度和出塔水温；
所述环境空气参数探头（1）布置在距冷却塔20米之外的空旷区，每10秒采集一组空气参数传输到控制单元；
所述出塔空气干湿球探头（2）布置在冷却塔的风机（3）下方0.5米互相垂直的4条半径上，每条半径均布两个探头，共8组探头，每10秒采集一组空气参数传输到控制单元；
所述出塔水温探头（4）布置在集水池（5）与泵房（6）的连接口处，每10秒采集一组空气参数传输到控制单元。
3.如权利要求2所述的一种基于冷却塔成雾概率计算方法的消雾控制系统，其特征在于：所述消雾控制系统的运行过程包括以下步骤：
判断出塔水温探头实测出塔水温Ti是否小于等于设定出塔水温To；
若实测出塔水温Ti小于等于设定出塔水温To，则判断设定出塔水温To减实测出塔水温Ti是否大于等于0.5℃；
若设定出塔水温To减实测出塔水温Ti大于等于0.5℃，则降低1%风机频率；
若设定出塔水温To减实测出塔水温Ti小于0.5℃或降低1%风机频率后，则出塔空气干湿球探头（2）和环境空气参数探头（1）测定空气干球温度和相对湿度，通过冷却塔成雾概率计算方法判断是否有雾。
4.如权利要求3所述的一种基于冷却塔成雾概率计算方法的消雾控制系统，其特征在于：所述消雾控制系统的运行过程还包括以下步骤：
若无雾，控制过程结束；
若有雾，则判断风机是否达到最大功率；
若风机达到最大功率，控制过程结束；
若风机未达最大功率，则百叶窗增加10%开度，控制过程结束。
5.如权利要求3所述的一种基于冷却塔成雾概率计算方法的消雾控制系统，其特征在于：所述消雾控制系统的运行过程还包括以下步骤：
若实测出塔水温Ti未达设定出塔水温To，则判断风机是否达到最大功率；
若风机达到最大功率，则判断百叶窗开度是否为0；
若百叶窗开度为0，控制系统结束；
若百叶窗开度不为0，减小百叶窗10%开度；
若风机未达到最大功率，增加风机1%功率。
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