基於非均勻噴濺裝置的冷卻塔實時動態配水系統及方法與流程
2023-12-12 19:57:52
本發明涉及一種基於非均勻噴濺裝置的冷卻塔實時動態配水系統及方法。
背景技術：
冷卻塔是電站冷端系統的重要設備，其冷卻效率的高低影響整個熱力系統的效率。而冷卻塔配水的均勻度與冷卻效率的高低密切相關。受環境側風的影響，冷卻塔內空氣動力場經常出現氣流幹區短路問題，保持塔內各處的氣水比一致，這就是配水優化的原則。
環境側風對冷卻塔內部的冷卻效果有很大影響，因此根據側風的實時方向和大小來調節冷卻塔內部淋水密度，使得環境側風下的配水與冷卻塔內的空氣動力場相耦合就十分重要。目前冷卻塔還是實行全塔均勻配水，每一區域的淋水密度都相同，無法調節迎風區、背風區及側風區中任一區域的淋水密度大小，不能最大程度的增加氣水之間的換熱，使得冷卻效率無法達到最佳。
由於環境溫度等因素的影響，冷卻塔夏季和冬季的配水方式也需要有所改變。目前冷卻塔實行從內向外的配水方式，在冬季時，水量的減小造成冷卻塔內填料外圍某些區域可能配不著水，不能充分利用外圍空氣流量大的特點，最大程度的發揮冷卻塔的冷卻性能。而且在冬季時，進風口處是最普遍，也是最容易結冰的部位，外圍配水管如果沒有水流，低溫會使得冷卻塔結冰，影響冷卻塔工作效率。
目前冷卻塔的配水系統沒有設立外部測量系統，無法獲得環境側風的實時風向、風速等影響因素的數值，僅有配水系統但無法動態的調節水流量，不能根據塔外側風環境來實時動態改變塔內各區域的淋水密度。
技術實現要素：
本發明目的在於：利用一個中央圓形豎井，採用管式配水方式，將冷卻塔圓周面均分為8塊扇形區域，通過在線監測冷卻塔外部的環境側風風向和風速，實時調節各區對應的電動閥門開度使得配水量變化，同時調節微型步進電機的工作狀態，以及布置在各扇形區域邊緣位置上的非均勻濺水碟的擋板方向，即可控制冷卻塔內部各區域的淋水密度，實現實時動態分區配水。
為實現上述目的，本發明通過如下技術方案來實現：
一種基於非均勻噴濺裝置的冷卻塔實時動態配水系統，系統包括配水系統、淋水系統、風向風速檢測系統以及處理控制模塊；風向風速檢測系統均勻布置在冷卻塔四周，將其測量的外部風向、風速信息提供給處理控制模塊來調節控制配水系統和淋水系統，三個系統互相配合，共同實現冷卻塔的實時動態配水；
配水系統，包括中央圓形豎井、主水管、分水管、配水管、外圍圓形管、電動閥、逆止閥，中央圓形豎井連接8個等高設置的主水管，並且向圓周延伸，將冷卻塔圓周面均分為8個45°的扇形區域，分別為I、II、III、IV、V、VI、VII、VIII配水區域，每根輸水管負責其左右22.5度共計45度區域的配水任務。圓周外圍設置外圍圓形管，每個扇形區域內設置一個分水管，將扇形區域等分成兩個區域，每個區域內均勻配置若干配水管，配水管垂直於主水管；主水管、分水管都連接至外圍圓形管；每根主水管上都設有電動閥和逆止閥，電動閥前後位置都裝有壓力表，將壓力值反饋給控制處理模塊。
淋水系統包括濺水碟，濺水碟分布在主水管、分水管和配水管上；用於給冷卻塔填料噴淋，濺水碟布置方式採用交叉錯位布置，單根配水管上兩濺水碟間距為1.8米，相鄰兩根配水管間距0.9米。這樣的布置方案可以實現區域全覆蓋，避免重複噴水，也減少濺水碟布置數量，降低成本。
風向風速檢測系統包括8個均勻布置在冷卻塔四周的風向風速儀，布置高度為進風口處的三分之二，風向風速儀包括風杯、風標和風向風速感應器，風杯收集風速信號、風標收集風向信號，並輸出至風向風速感應器，由實時風速和風向確定迎風區、背風區和側風區，風正對的區域即為迎風區，迎風區對面的區域為背風區，剩下的即為側風區，將信息輸出至處理控制模塊，處理控制模塊根據輸入及反饋信號來調節濺水碟的旋轉角度和電動閥的開度，以實現各區域的不同淋水密度。
上述主水管由內層輸水管和外層輸水管組成，內層輸水管在中心位置與中央圓形豎井連接，外層輸水管與在冷卻塔外圍圓周位置的外圍圓形管連接，內層輸水管與外層輸水管通過三根均勻分布排列的連接板支撐固定；外層輸水管上布置有排氣閥，用於系統注水啟動時排氣，同時水管在運行中由於氣體聚集而振動，利用排氣閥排出管中氣體；配水時，水流由中央圓形豎井進入內層輸水管，逐漸流入到外圍圓形管，而後再回流進入外層輸水管給配水管供水。
主水管既使得淋水密度與空氣動力場相耦合，也實現了冷卻塔夏季全區配水，冬季僅外區配水。主水管中的外層輸水管給各層配水管供水，水流由塔周向塔中心處流動，每經過一處噴濺裝置，總的水量不斷減少，由於沿程阻力和局部阻力的影響，噴濺裝置的進口壓頭自塔周向塔中心逐漸降低，同一型號的濺水碟的出水量也逐漸減小，呈現外區淋水密度大，內區淋水密度小的淋水特徵，配合冷卻塔外圍通風量大，內部通風量小的空氣動力場特點，實現了配水均勻度與側風影響下冷卻塔內的空氣動力場的耦合。同時，由於冬季的循環水量小，水流僅在外圍淋水到不了內部，而進風口處是最容易結冰的部位，所以冬季外圍配水可以防止冷卻塔結冰。
上述濺水碟分為均勻濺水碟和非均勻濺水碟，非均勻濺水碟均勻分布在分水管以及配水管區域中長度最長的配水管上。配水管長度由內至外是先增加後減小，非均勻濺水碟布置在最長的那根上，位置距離塔周為D為冷卻塔的直徑，均勻濺水碟均勻分布在主水管以及其餘配水管上。外圍圓形管上不設置濺水碟配水，因為冷卻塔內壁處存在空氣流速很低的薄膜層，設置濺水碟配水雖增加了淋水面積，但也增加空氣進入進風口以及向內流動的阻力，減少冷卻塔的通風量。
上述非均勻濺水碟包括第一層濺水碟、第二層濺水碟、微型步進電機、傳動軸、主動齒輪、從動齒輪、擋板、支架、連接管、電機支架；第一層濺水碟與第二層濺水碟依次位於連接管下端，第一層濺水碟、第二層濺水碟、連接管通過支架固定，第一層濺水碟外側包裹擋板，擋板上端與從動齒輪固定連接，從動齒輪通過尼龍軸承安裝在連接管上，從動齒輪與主動齒輪嚙合，主動齒輪通過傳動軸連接一個微型步進電機，微型步進電機通過電機支架固定在連接管上，微型步進電機上設置接線盒；連接管內設置漸縮噴管，使得連接管內直徑從開口處向下依次遞減。
上述支架為開口矩形狀，具有三根，且環繞連接管均勻分布，三根支架的上端連接在連接管的管體上，下端匯合至第二層濺水碟底部，與第二層濺水碟固定，三根支架中部架設橫杆匯合至第一層濺水碟底部，與第一層濺水碟固定。
上述擋板包括傾斜頂板、側板、傾斜底板以及防濺墊，側板為圓弧狀的，側板上端通過傾斜頂板延伸至從動齒輪，下端連接傾斜底板，傾斜底板為扇形狀，中央為噴濺口；傾斜底板上設置若干導流條，傾斜底板的兩側邊緣處設置防漏邊；側板內壁設置一個防濺墊槽，用於放置防濺墊。
上述側板上設置若干鉚釘孔，防濺墊為矽膠材質，直接注塑成型，弧度與擋板內壁的弧度一致，防濺墊外側設置若干與鉚釘孔對應的鉚釘，防濺墊通過將鉚釘壓入側板的鉚釘孔後，與側板固定；防濺墊內側設置若干圓形凹槽，用於阻止水滴四處飛濺。
一種基於非均勻噴濺裝置的冷卻塔實時動態配水方法，利用上述的系統，步驟如下：
(a)當無風或環境側風風速V0.25m/s且V0.4m/s且V0.7m/s時出現「穿堂風」，迎風區雨區「雨簾」對風的阻礙作用不大，環境側風直接從背風區排出，背風區冷卻效果增強。調大背風區主水管上的電動閥閥門開度，增大進水量，同時調節背風區的非均勻濺水碟的擋板，使得擋板轉向背風區外部，水流噴向背風區內部，增加背風區的淋水密度。
本發明所達到的有益效果：
本發明利用一個中央圓形豎井，採用管式配水方式，將冷卻塔圓周面均分為8塊扇形區域，對各區域實行分區配水。從中央圓形豎井向塔周輸水的8條配水管為內外管雙層設計，水由內管流入外圍圓形管後再由塔周向塔中心處流動，呈現外區淋水密度大，內區淋水密度小的淋水特徵。通過冷卻塔外部設置的風向和風速檢測裝置在線監測環境側風的風向和風速，實時調節各區對應的電動閥門開度使得配水量變化，同時調節微型步進電機的工作狀態，以及布置在各扇形區域邊緣位置上的非均勻濺水碟的擋板方向，對不同區域實現不同方向的噴射，即可控制冷卻塔內部各區域的淋水密度，利用實時動態分區配水實現了配水均勻度與側風影響下冷卻塔內的空氣動力場的耦合。
附圖說明
圖1是冷卻塔實時動態配水系統總體布置圖；
圖2是實時動態配水系統管路結構示意圖；
圖3是圖1中B的局部放大圖；
圖4是主水管結構示意圖；
圖5是圖4的A-A剖視圖
圖6是濺水碟平面布置圖；
圖7是非均勻濺水碟結構示意圖；
圖8是非均勻噴濺裝置的剖面圖；
圖9是擋板結構示意圖；
圖10是防濺墊結構示意圖
圖11是風向風速檢測系統與塔內配水系統連接圖；
圖12是非均勻濺水碟布置位置示意圖；
圖13是不同方案下非均勻濺水碟噴水效果圖一；
圖14是不同方案下非均勻濺水碟噴水效果圖二。
具體實施方式
下面結合附圖對本發明作進一步描述。以下實施例僅用於更加清楚地說明本發明的技術方案，而不能以此來限制本發明的保護範圍。
如圖1所示，一種基於非均勻噴濺裝置的冷卻塔實時動態配水系統，系統包括配水系統、淋水系統、風向風速檢測系統以及處理控制模塊11；風向風速檢測系統均勻布置在冷卻塔四周，將其測量的外部風向、風速信息提供給處理控制模塊11來調節控制配水系統和淋水系統，三個系統互相配合，共同實現冷卻塔的實時動態配水；
如圖2、圖3所示，配水系統，包括中央圓形豎井1、主水管2、分水管3、配水管4、外圍圓形管5、電動閥6、逆止閥8，中央圓形豎井1連接8個等高設置的主水管2，並且向圓周延伸，將冷卻塔圓周面均分為8個45°的扇形區域，分別為I、II、III、IV、V、VI、VII、VIII配水區域，每根輸水管負責其左右22.5度共計45度區域的配水任務。圓周外圍設置外圍圓形管5，每個扇形區域內設置一個分水管3，將扇形區域等分成兩個區域，每個區域內均勻配置若干配水管4，配水管4垂直於主水管2；主水管2、分水管3都連接至外圍圓形管5；每根主水管2上都設有電動閥6和逆止閥8，電動閥前後位置都裝有壓力表7，將壓力值反饋給控制處理模塊11。
淋水系統包括濺水碟，濺水碟分布在主水管2、分水管3和配水管4上；用於給冷卻塔填料噴淋，如圖6所示，濺水碟布置方式採用交叉錯位布置，單根配水管上兩濺水碟間距為1.8米，相鄰兩根配水管間距0.9米。這樣的布置方案可以實現區域全覆蓋，避免重複噴水，也減少濺水碟布置數量，降低成本。
如圖11所示，風向風速檢測系統包括8個均勻布置在冷卻塔四周的風向風速儀，布置高度為進風口處的三分之二，風向風速儀包括風杯13、風標14和風向風速感應器12，風杯13收集風速信號、風標14收集風向信號，並輸出至風向風速感應器12，由實時風速和風向確定迎風區、背風區和側風區，風正對的區域即為迎風區，迎風區對面的區域為背風區，剩下的即為側風區，將信息輸出至處理控制模塊，處理控制模塊11根據輸入及反饋信號來調節濺水碟的旋轉角度和電動閥的開度，以實現各區域的不同淋水密度。
如圖4、圖5所示，上述主水管2由內層輸水管2-2和外層輸水管2-1組成，內層輸水管2-2在中心位置與中央圓形豎井1連接，外層輸水管2-1與在冷卻塔外圍圓周位置的外圍圓形管5連接，內層輸水管2-2與外層輸水管2-1通過三根均勻分布排列的連接板2-3支撐固定；外層輸水管2-1上布置有排氣閥15，用於系統注水啟動時排氣，同時水管在運行中由於氣體聚集而振動，利用排氣閥15排出管中氣體；配水時，水流由中央圓形豎井1進入內層輸水管2-2，逐漸流入到外圍圓形管5，而後再回流進入外層輸水管2-1給配水管供水。
主水管2既使得淋水密度與空氣動力場相耦合，也實現了冷卻塔夏季全區配水，冬季僅外區配水。主水管2中的外層輸水管2-1給各層配水管供水，水流由塔周向塔中心處流動，每經過一處噴濺裝置，總的水量不斷減少，由於沿程阻力和局部阻力的影響，噴濺裝置的進口壓頭自塔周向塔中心逐漸降低，同一型號的濺水碟的出水量也逐漸減小，呈現外區淋水密度大，內區淋水密度小的淋水特徵，配合冷卻塔外圍通風量大，內部通風量小的空氣動力場特點，實現了配水均勻度與側風影響下冷卻塔內的空氣動力場的耦合。同時，由於冬季的循環水量小，水流僅在外圍淋水到不了內部，而進風口處是最容易結冰的部位，所以冬季外圍配水可以防止冷卻塔結冰。
如圖3、圖12、圖13、圖14所示，上述濺水碟分為均勻濺水碟9和非均勻濺水碟10，非均勻濺水碟10均勻分布在分水管2以及靠近配水管區域中長度最長的配水管上。配水管長度由內至外是先增加後減小，非均勻濺水碟布置在最長的那根上，位置距離塔周為D為冷卻塔的直徑，均勻濺水碟9均勻分布在主水管2以及其餘配水管4上。外圍圓形管5上不設置濺水碟配水，因為冷卻塔內壁處存在空氣流速很低的薄膜層，設置濺水碟配水雖增加了淋水面積，但也增加空氣進入進風口以及向內流動的阻力，減少冷卻塔的通風量。
如圖7所示，一種非均勻噴濺裝置，包括第一層濺水碟10-1、第二層濺水碟10-2、微型步進電機10-3、傳動軸10-5、主動齒輪10-16、從動齒輪10-13、擋板10-7、支架10-9、連接管10-10、電機支架10-12；第一層濺水碟10-1與第二層濺水碟10-2依次位於連接管10-10下端，第一層濺水碟10-1、第二層濺水碟10-2、連接管10-10通過支架10-9固定，第一層濺水碟10-1外側包裹擋板10-7，擋板10-7上端與從動齒輪10-13固定連接，從動齒輪10-13通過尼龍軸承10-8安裝在連接管10-10上，尼龍軸承10-8與從動齒輪10-13、連接管10-10均為過盈配合連接。尼龍軸承10-8外圈內圈材質為POM尼龍塑料，中間是玻璃鋼珠。從動齒輪10-13與主動齒輪10-6嚙合，主動齒輪10-6通過傳動軸10-5連接一個微型步進電機10-3，微型步進電機10-3通過電機支架10-12固定在連接管10-10上，微型步進電機10-3上設置接線盒10-4。
微型步進電機10-3通過接線盒10-4連接電源來驅動電機的運轉，同時接收和反饋控制信號。微型步進電機10-3接收脈衝信號後按設定的方向轉動一個固定的角度，即步進角，根據脈衝數量來控制角位移量，通過調整擋板10-7的遮擋角度從而達到準確定位非均勻噴濺區域的目的，具有快速啟停、角度精確的特點，同時可以通過控制脈衝頻率來控制電機轉動的速度和加速度，達到快速調整擋板10-7的角度以達到指定區域的目的。微型步進電機10-3的工作狀態有連續勻速旋轉、指定角度旋轉、停止三種，當連續勻速旋轉時，擋板7在圓周平面內連續勻速阻擋第一層濺水碟10-1噴濺出的水流，從一定時間範圍內來看，實際上實現的是整個噴濺區域的均勻噴濺；當需要對某一指定區域噴濺時，則給出脈衝信號讓步進電機按指定角度旋轉，驅使擋板10-7遮擋住指定的非噴濺區域後停止即可。
主動齒輪10-6、從動齒輪10-13與擋板10-7的材質都為聚醚醚酮(PEEK)，具有耐腐蝕性，低噪音，重量輕的特點，降低成本的同時也減小了零件的重量，主動齒輪10-6直徑小於從動齒輪10-13直徑，兩者嚙合良好。
如圖8所示，上述連接管10-10內設置漸縮噴管10-11，使得連接管10-10內直徑從開口處向下依次遞減。
如圖7所示，上述支架10-9為開口矩形狀，具有三根，且環繞連接管10-10均勻分布，三根支架10-9的上端連接在連接管10-10的管體上，下端匯合至第二層濺水碟10-2底部，與第二層濺水碟10-2固定，三根支架10-9中部架設橫杆10-14匯合至第一層濺水碟10-1底部，與第一層濺水碟10-1固定。
如圖9所示，上述擋板10-7包括傾斜頂板10-7-6、側板10-7-7、傾斜底板10-7-1以及防濺墊10-7-8，側板10-7-7為圓弧狀的，側板10-7-7上端通過傾斜頂板10-7-6延伸至從動齒輪10-13，下端連接傾斜底板10-7-1，傾斜底板10-7-1為扇形狀，中央為噴濺口；傾斜底板10-7-1上設置若干導流條10-7-2，引導水流往傾斜底板10-7-1中心聚攏，為讓水流往中心聚集且防止水流量過大而溢出。傾斜底板10-7-1的兩側邊緣處設置防漏邊10-7-3；側板10-7-7內壁設置一個防濺墊槽10-7-5，用於放置防濺墊10-7-8。
第一層濺水碟10-1的正下方布置有第二層濺水碟10-2，其直徑小於第一層濺水碟10-1直徑。第二層濺水碟10-1的水流，來自擋板10-7阻擋的噴濺水流以及第一層濺水碟10-1的滴落水滴，水流通過傾斜底板10-7-1快速匯聚到中心位置，依靠勢能衝擊第二層濺水碟10-2。雙層濺水碟及擋板的設計充分利用了富餘水流及其勢能，使得噴濺區域面積增大，同時也減小了單層濺水碟噴濺造成的中空區域面積。
傾斜底板10-7-1與水平面的夾角為20°，越靠近濺水碟中心的位置越低，有利於被擋板阻擋而無法噴濺出去的水流向中心集聚。
如圖10所示，上述側板10-7-7上設置若干鉚釘孔10-7-4，防濺墊10-7-8為矽膠材質，直接注塑成型，弧度與側板10-7-7內壁的弧度一致，防濺墊10-7-8外側設置若干與鉚釘孔10-7-4對應的鉚釘10-7-10，防濺墊10-7-8通過將鉚釘10-7-10壓入側板10-7-7的鉚釘孔10-7-4後，與側板10-7-7固定。
上述防濺墊10-7-8內側設置若干圓形凹槽10-7-9，用於阻止水滴四處飛濺。
一種基於非均勻噴濺裝置的冷卻塔實時動態配水方法，其特徵在於利用權利要求1-7所述的系統，所述步驟如下：
(a)當無風或環境側風風速V0.25m/s且V0.4m/s且V0.7m/s時出現「穿堂風」，迎風區雨區「雨簾」對風的阻礙作用不大，環境側風直接從背風區排出，背風區冷卻效果增強。調大背風區主水管上的電動閥閥門開度，增大進水量，同時調節背風區的非均勻濺水碟的擋板，使得擋板轉向背風區外部，水流噴向背風區內部，增加背風區的淋水密度。
以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出，對於本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明技術原理的前提下，還可以做出若干改進和變形，這些改進和變形也應視為本發明的保護範圍。