一种湿式冷却塔的热力性能在线监测系统及其方法

摘要

本发明公开了一种湿式冷却塔的热力性能在线监测系统及其方法。湿式冷却塔的热力性能在线监测系统，包括环境参数采集装置，其用于采集湿式冷却塔上方的环境信息；及塔内热力性能参数采集装置，其用于采集各个测点处的相应塔内热力性能参数；其中，除水器上方气温、除水器上方风速、填料上方水温和填料下方水温的测点分别按不同标高共布置至少两层，每层沿十字半径布置，各层的测点数量利用等面环原理来确定；水池表面水温的测点按照等面环原理布置在集水池表面；循环水进塔水温的测点的数量至少为两个，且对称均匀布置于配水竖井内，循环水出塔水温的测点的数量至少为两个，且均匀对称布置于集水池出口处。

权利要求

1.一种湿式冷却塔的热力性能在线监测系统，其特征在于，湿式冷却塔的热力性能参数包括环境参数和塔内热力性能参数，塔内热力性能参数包括除水器上方气温、除水器上方风速、填料上方水温、填料下方水温、水池表面水温和循环水进出塔水温；

该系统包括环境参数采集装置，其用于采集湿式冷却塔上方的环境信息；及塔内热力性能参数采集装置，其用于采集各个测点处的相应塔内热力性能参数；其中，除水器上方气温、除水器上方风速、填料上方水温和填料下方水温的测点分别按不同标高共布置至少两层，每层沿十字半径布置，各层的测点数量利用等面环原理来确定；水池表面水温的测点按照等面环原理布置在集水池表面；循环水进塔水温的测点的数量至少为两个，且对称均匀布置于配水竖井内，循环水出塔水温的测点的数量至少为两个，且均匀对称布置于集水池出口处；

填料上方水温的测点安装固定于勺型收水管内，勺型收水管的上端固定在除水器上，填料上方水温的测点端放置于填料上方，勺型收水管的扩口段用于收集喷淋水并保持水温测点完全浸没在水中；

所述等面环原理为：将测试区域划分为沿径向分布的数个同心圆环区域，各圆环区域面积相等，具体划分圆环区域数量视现场情况而定。

2.如权利要求1所述的一种湿式冷却塔的热力性能在线监测系统，其特征在于，除水器上方气温和除水器上方风速的测点均安装在同一支架上，所述支架固定于除水器上方。

3.如权利要求1所述的一种湿式冷却塔的热力性能在线监测系统，其特征在于，填料下方水温的测点安装固定于竖直收水管内，竖直收水管固定在填料支撑装置上，填料下方水温的测点端紧靠填料下侧，竖直收水管的扩口段用于收集经填料冷却过的循环水并保持水温测点完全浸没于水中。

4.如权利要求1所述的一种湿式冷却塔的热力性能在线监测系统，其特征在于，水池表面水温的测点固定安装于冷却塔支撑立柱上。

5.如权利要求1所述的一种湿式冷却塔的热力性能在线监测系统，其特征在于，该系统还包括中心主站，所述中心主站与环境参数采集装置及塔内热力性能参数采集装置分别相连。

6.如权利要求5所述的一种湿式冷却塔的热力性能在线监测系统，其特征在于，中心主站与环境参数采集装置及塔内热力性能参数采集装置均通过Zigbee网络相互通信。

7.如权利要求5所述的一种湿式冷却塔的热力性能在线监测系统，其特征在于，所述中心主站还与远程监控终端相连。

8.一种如权利要求1所述的湿式冷却塔的热力性能在线监测系统的监测方法，其特征在于，包括：

利用环境参数采集装置采集湿式冷却塔上方的环境信息；以及

利用塔内热力性能参数采集装置采集各个测点处的相应塔内热力性能参数；其中，除水器上方气温、除水器上方风速、填料上方水温和填料下方水温的测点分别按不同标高共布置至少两层，每层沿十字半径布置，各层的测点数量利用等面环原理来确定；水池表面水温的测点按照等面环原理布置在集水池表面；循环水进塔水温的测点的数量至少为两个，且对称均匀布置于配水竖井内，循环水出塔水温的测点的数量至少为两个，且均匀对称布置于集水池出口处。

9.如权利要求8所述的湿式冷却塔的热力性能在线监测系统的监测方法，其特征在于，该方法还包括：环境参数采集装置及塔内热力性能参数采集装置所采集的数据均通过Zigbee网络传送至中心主站，在中心主站内将同一塔内热力性能参数的测点处的数据累加后求平均，得到湿式冷却塔的相应热力性能参数测量值；

中心主站再将得到湿式冷却塔的相应热力性能参数测量值传送至远程监控终端进行实时监控。

说明书

一种湿式冷却塔的热力性能在线监测系统及其方法

技术领域

[0001] 本发明属于能源动力工程领域，尤其涉及一种湿式冷却塔的热力性能在线监测系统及其方法。

背景技术

[0002] 湿式冷却塔作为冷端系统的主要设备之一，冷却塔性能的好坏在很大程度上影响发电厂的经济性和稳定性。冷却塔的低效率将会使循环水的温度升高，而循环水温的升高将使凝汽器的真空降低，汽轮机组的工作效率下降，从而导致设备的出力降低，使发电的煤耗量增加，影响了机组的热效率。

[0003] 湿式冷却塔体积大，塔内空气动力场和温度场较为复杂，塔内不同位置处气水比分布不均，不同位置处的温度、风速分布也不均匀。因此，单独某个位置处的温度(或速度)并不能代表全塔的温度(或速度)。

[0004] 侧风环境下，外界侧风导致冷却塔的周向进风不均，因此塔内不同半径处的通风更加不均，使得塔内流场更加复杂，即不同位置处的传热传质性能有较大差异，导致冷却塔的总体传热传质性能恶化。

[0005] 目前发电厂的监控系统(如DCS、SIS等)中，与冷却塔相关的性能参数，除了凝汽器的进出口水温之外，对湿式冷却塔的性能参数并没有体现，因此不能实时监控整个冷却塔的热力性能参数，比如填料区、雨区、配水区的相关性能参数，因此，不利于整个冷端系统的优化运行。

[0006] 因此，亟需一种在线监测系统来准确可靠获得塔内不同位置处的性能参数，开发湿式冷却塔的热力性能在线监测系统，实现从湿式冷却塔到控制室的数据远传，在控制室内即可实时监控湿式冷却塔的典型性能参数，可实时准确评价湿式冷却塔的热力性能，以此跟踪冷端系统的性能，为湿式冷却塔的优化运行提供指导，并为下一步湿式冷却塔的节能改造和优化设计奠定理论基础，提供方向指导。

发明内容

[0007] 为了解决现有技术的不足，本发明的第一目的是提供一种湿式冷却塔的热力性能在线监测系统，其在塔内不同位置布置测点监控相关热力性能参数，并实现数据实时远传，在电厂控制室或厂房办公室的监测终端实时监测，实现运行管理人员对湿式冷却塔相关热力性能参数的实时监控。

[0008] 本发明的等面环原理为：将测试区域划分为沿径向分布的数个同心圆环区域，各圆环区域面积相等，具体划分圆环区域数量视现场情况而定。

[0009] 本发明的第一目的提供的一种湿式冷却塔的热力性能在线监测系统，湿式冷却塔的热力性能参数包括环境参数和塔内热力性能参数，塔内热力性能参数包括除水器上方气温、除水器上方风速、填料上方水温、填料下方水温、水池表面水温和循环水进出塔水温；

[0010] 该系统包括环境参数采集装置，其用于采集湿式冷却塔上方的环境信息；及塔内热力性能参数采集装置，其用于采集各个测点处的相应塔内热力性能参数；

[0011] 其中，除水器上方气温、除水器上方风速、填料上方水温和填料下方水温的测点分别按不同标高共布置至少两层，每层沿十字半径布置，各层的测点数量利用等面环原理来确定；水池表面水温的测点按照等面环原理布置在集水池表面；循环水进塔水温的测点的数量至少为两个，且对称均匀布置于配水竖井内，循环水出塔水温的测点的数量至少为两个，且均匀对称布置于集水池出口处。

[0012] 进一步的，除水器上方气温和除水器上方风速的测点均安装在同一支架上，所述支架固定于除水器上方。

[0013] 进一步的，填料上方水温的测点安装固定于勺型收水管内，勺型收水管的上端固定在除水器上，填料上方水温的测点端放置于填料上方，勺型收水管的扩口段用于收集喷淋水并保持水温测点完全浸没在水中。

[0014] 其中，勺型收水管采用PVC或钢结构制作。

[0015] 需要说明的是，勺型收水管也可采用其它塑料材质制作。

[0016] 进一步的，填料下方水温的测点安装固定于竖直收水管内，竖直收水管固定在填料支撑装置上，填料下方水温的测点端紧靠填料下侧，竖直收水管的扩口段用于收集经填料冷却过的循环水并保持水温测点完全浸没于水中。

[0017] 其中，竖直收水管采用PVC或钢结构制作。

[0018] 需要说明的是，竖直收水管也可采用其它塑料材质制作。

[0019] 进一步的，水池表面水温的测点固定安装于冷却塔支撑立柱上。

[0020] 进一步的，该系统还包括中心主站，所述中心主站与环境参数采集装置及塔内热力性能参数采集装置分别相连。

[0021] 进一步的，中心主站与环境参数采集装置及塔内热力性能参数采集装置均通过Zigbee网络相互通信。

[0022] 其中，Zigbee网络发数据传输方式可实现实时同步采集数据，并具有抗干扰能力强、组网灵活的特点。

[0023] 进一步的，所述中心主站还与远程监控终端相连。

[0024] 本发明的第二目的是提供一种湿式冷却塔的热力性能在线监测系统的监测方法。

[0025] 本发明的湿式冷却塔的热力性能在线监测系统的监测方法，包括：

[0026] 利用环境参数采集装置采集湿式冷却塔上方的环境信息；以及利用塔内热力性能参数采集装置采集各个测点处的相应塔内热力性能参数；其中，除水器上方气温、除水器上方风速、填料上方水温和填料下方水温的测点分别按不同标高共布置至少两层，每层沿十字半径布置，各层的测点数量利用等面环原理来确定；水池表面水温的测点按照等面环原理布置在集水池表面；循环水进塔水温的测点的数量至少为两个，且对称均匀布置于配水竖井内，循环水出塔水温的测点的数量至少为两个，且均匀对称布置于集水池出口处。

[0027] 进一步的，该方法还包括：

[0028] 环境参数采集装置及塔内热力性能参数采集装置所采集的数据均通过Zigbee网络传送至中心主站，在中心主站内将同一塔内热力性能参数的测点处的数据累加后求平均，得到湿式冷却塔的相应热力性能参数测量值；

[0029] 中心主站再将得到湿式冷却塔的相应热力性能参数测量值传送至远程监控终端进行实时监控。

[0030] 与现有技术相比，本发明的有益效果是：

[0031] (1)本发明填补了当前电厂监测系统中冷却塔冷却性能参数的空缺，实现了对湿式冷却塔热力性能的实时监控，本发明除了可将数据传递到塔周的计算机，还可进一步将数据通过中继器传递到电厂的监测系统(如DCS系统，SIS系统等)，实现在办公地点的实时监控。

[0032] (2)本监测系统可以完成不同环境风速下的性能参数的在线监测，即本监测系统不受环境风速大小的限制。

[0033] (3)本发明克服了湿式冷却塔由于塔内水汽分布不均，流场复杂而导致性能参数测量困难的不足，针对湿式冷却塔，基于等面环的原理在不同标高处布置测点，分别测算湿式冷却塔配水区、填料区和雨区的热力性能和阻力性能参数，从而可准确评价整塔的传热传质特性，并实现在湿式冷却塔附近监控终端的实时监测，能够监测并获取塔内不同位置处的性能参数(如风速、温度等)，以此准确计算出湿式冷却塔的传热传质性能，对实时跟踪冷端系统的性能，进而对监控整个机组的循环热效率具有重大意义，为下一步湿式冷却塔的节能改造和优化设计奠定理论基础，提供方向指导。

附图说明

[0034] 构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

[0035] 图1是塔内各层测点分布示意图；

[0036] 图2是塔内测点布置横截面安装示意图；

[0037] 图3是除水器上方某半径上测点分布示意图；

[0038] 图4是填料上方水温测点布置示意图；

[0039] 图5是填料下方水温测点布置示意图；

[0040] 图6是循环水进塔水温测点布置示意图；

[0041] 图7是水池表面水温测点布置示意图；

[0042] 图8是湿式冷却塔的热力性能在线监测系统结构示意图。

[0043] 其中，1.湿式冷却塔塔筒；2.除水器上方气温及风速测点；3.填料上方水温测点；4.填料下方水温测点；5.循环水出塔水温测点；6.集水池；7.除水器；8.填料；9.勺型收水管；10.淋水喷头；11.竖直收水管；12.循环水进塔水温测点；13.配水竖井；14.十字走廊；
15.冷却塔支撑立柱。

具体实施方式

[0044] 应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

[0045] 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申请的示例性实施方式。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。

[0046] (1)本发明所涉及的湿式冷却塔，包括中型湿式冷却塔(如150MW-350MW机组冷却塔)、大型湿式冷却塔(350MW-660MW机组冷却塔)以及超大型湿式冷却塔(660-1000MW甚至更大机组的冷却塔)。

[0047] (2)本发明的湿式冷却性能参数包括：环境参数及塔内相关热力性能参数。

[0048] (a)环境参数包括环境干球温度、环境湿球温度、大气压、环境风速及环境风向，由布置在冷却塔上风向30-50m处开阔地带的小型气象站测量。

[0049] (b)塔内热力性能参数包括除水器上方气温、除水器上方风速、填料上方水温、填料下方水温、水池表面水温及循环水进出塔水温。

[0050] 本发明的一种湿式冷却塔的热力性能在线监测系统，包括环境参数采集装置，其用于采集湿式冷却塔上方的环境信息；及塔内热力性能参数采集装置，其用于采集各个测点处的相应塔内热力性能参数；其中，除水器上方气温、除水器上方风速、填料上方水温和填料下方水温的测点分别按不同标高共布置至少两层，每层沿十字半径布置，各层的测点数量利用等面环原理来确定；水池表面水温的测点按照等面环原理布置在集水池表面；循环水进塔水温的测点的数量至少为两个，且对称均匀布置于配水竖井内，循环水出塔水温的测点的数量至少为两个，且均匀对称布置于集水池出口处。

[0051] 在图1中，为了监测湿式冷却塔塔筒1的塔内性能参数，本发明设置了除水器上方气温及风速测点2、填料上方水温测点3、填料下方水温测点4、循环水出塔水温测点5和循环水进塔水温测点12。

[0052] 例如：

[0053] 除循环水进塔水温测点及循环水出塔水温测点外，各性能参数测点按不同标高共布置四层，分别安装在除水器上层、填料上层、填料下层及集水池6水面层，如图1所示，每层沿十字半径布置，各层测点数24-48个不等，具体数量基于如图2所示的等面环原理计算确定。

[0054] 其中，四层温度测点包括：除水器7上方，填料8上方，填料8下方和集水池6表面，一层风速测点位于除水器7上方。

[0055] 需要说明的是，除水器上方气温、除水器上方风速、填料上方水温和填料下方水温的测点分别按不同标高，也可以共布置两层、三层或五层等，此处将不再累述。

[0056] 其中，如图3所示，除水器上方分别布置气温测点及风速测点，各处的气温及风速测点均安装在该处的同一支架上，支架固定于除水器上方，本层测点测量出塔气温和除水器上方风速。

[0057] 如图4所示，填料上方布置水温测点，每处水温测点安装固定于勺型收水管9内，勺型收水管9的扩口段可收集淋水喷头10的喷淋水并保持水温测点完全浸没在水中。勺型收水管9上端固定在除水器7上，测点端放置于填料8上方。

[0058] 其中，勺型收水管9可采用PVC或其它塑料材质，亦可为钢结构制作。

[0059] 根据填料上方测点和除水器上方测点的数据，可以评价配水区的热力性能。

[0060] 如图5所示，填料8下方布置水温测点，每处水温测点安装固定于竖直收水管11内，竖直收水管11的扩口段可收集经填料冷却过的循环水并保持水温测点完全浸没于水中。竖直收水管11固定在填料支撑装置上，测点端紧靠填料下侧。

[0061] 其中，竖直收水管11可采用PVC或其它塑料材质，亦可为钢结构制作。

[0062] 根据填料上方和填料下方的水温测点数据，可实现填料区热力性能的评价。

[0063] 如图6所示，循环水进塔温度测点共设置4个为例：

[0064] 循环水进塔温度测点12对称均匀布置在配水竖井13内，呈十字走廊14形状。性能评价时，取4个测点的平均值作为进塔水温。循环水出塔水温设置在集水池出口处，平均布置4个测点，取4个测点的平均值作为出塔水温。

[0065] 另外，需要说明的是，循环水进塔温度测点的设置个数，还可以设置为3个或5个等。

[0066] 如图7所示，水池表面水温度测点同样按照等面环原理布置在集水池表面，测点固定安装于冷却塔支撑立柱15上。

[0067] 通过集水池6表面水温和填料下方水温，可实现雨区热力性能的评价。

[0068] 根据进塔水温和出塔水温的测点数据，可计算整塔水温降，进一步评估冷却塔整体冷却性能，并与配水区、填料区和雨区冷却性能进行对比分析。

[0069] 如图8所示，该系统还包括中心主站，所述中心主站与环境参数采集装置及塔内热力性能参数采集装置分别相连。

[0070] 中心主站与环境参数采集装置及塔内热力性能参数采集装置均通过Zigbee网络相互通信。所述中心主站还与远程监控终端相连。

[0071] 其中，Zigbee网络发数据传输方式可实现实时同步采集数据，并具有抗干扰能力强、组网灵活的特点。

[0072] 具体地，安装于塔周附近的数据采集设备将收集到的电流信号转换成无线信号并通过无线传输给相匹配的中心主站，中心主站将无线信号转发至中继器，后由中继器将实时数据远传至远程监控终端。

[0073] 其中，实时监测系统还包括远程监控终端及电厂监控系统(监控终端)；

[0074] 远程监控终端将接受到的数据处理后输入已嵌入在电厂监控系统(如DCS、SIS等)内的湿式冷却塔参数监测模块，实现工作人员对湿式冷却塔实时冷却性能参数在监控终端(控制室或厂房办公室)的实时监测。

[0075] 本发明中测定各性能参数所用测量仪表如表1所示。

[0076] 表1测量参数及所用仪表

[0077]

[0078]

[0079] 本发明基于如图8所示的一种湿式冷却塔的热力性能在线监测系统的监测方法，包括：

[0080] 利用环境参数采集装置采集湿式冷却塔上方的环境信息；以及

[0081] 利用塔内热力性能参数采集装置采集各个测点处的相应塔内热力性能参数；其中，除水器上方气温、除水器上方风速、填料上方水温和填料下方水温的测点分别按不同标高共布置至少两层，每层沿十字半径布置，各层的测点数量利用等面环原理来确定；水池表面水温的测点按照等面环原理布置在集水池表面；循环水进塔水温的测点的数量至少为两个，且对称均匀布置于配水竖井内，循环水出塔水温的测点的数量至少为两个，且均匀对称布置于集水池出口处。

[0082] 进一步的，该方法还包括：

[0083] 环境参数采集装置及塔内热力性能参数采集装置所采集的数据均通过Zigbee网络传送至中心主站，在中心主站内将同一塔内热力性能参数的测点处的数据累加后求平均，得到湿式冷却塔的相应热力性能参数测量值；

[0084] 中心主站再将得到湿式冷却塔的相应热力性能参数测量值传送至远程监控终端进行实时监控。

[0085] 本发明填补了当前电厂监测系统中冷却塔冷却性能参数的空缺，实现了对大型湿式冷却塔热力性能的实时监控，本发明除了可将数据传递到塔周的计算机，还可进一步将数据通过中继器传递到电厂的监测系统(如DCS系统，SIS系统等)，实现在办公地点的实时监控。

[0086] 本监测系统可以完成不同环境风速下的性能参数的在线监测，即本监测系统不受环境风速大小的限制。

[0087] 本发明克服了湿式冷却塔由于塔内水汽分布不均，流场复杂而导致性能参数测量困难的不足，针对湿式冷却塔，基于等面环的原理在不同标高处布置测点，分别测算湿式冷却塔配水区、填料区和雨区的热力性能和阻力性能参数，从而可准确评价整塔的传热传质特性，并实现在湿式冷却塔附近监控终端的实时监测，能够监测并获取塔内不同位置处的性能参数(如风速、温度等)，以此准确计算出湿式冷却塔的传热传质性能，对实时跟踪冷端系统的性能，进而对监控整个机组的循环热效率具有重大意义，为下一步湿式冷却塔的节能改造和优化设计奠定理论基础，提供方向指导。

[0088] 上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。