[发明专利]冷却塔半调节风机全年变角优化运行方案的确定方法

权利要求书

1.冷却塔半调节风机全年变角优化运行方案的确定方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤A：计算冷却塔通风总阻力P_z与总阻抗S；

步骤B：计算确定风机在冷却塔内工作时不同叶片安装角实际工作点参数：流量G_j、风压P_j、功率N_j和效率η_j；

步骤C：不同环境工况下冷却塔所需最小通风量计算确定；

步骤D：冷却塔半调节风机全年不同叶片安装角种数的变角优化运行方案的计算确定；

步骤E：冷却塔半调节风机全年不同叶片安装角种数变角优化运行方案费用比较与最优变角优化运行方案确定；

步骤A所述冷却塔通风总阻力P_z与总阻抗S的求解过程如下：

以逆流式冷却塔为例，塔内阻力系数由进风口、导风装置、进入淋水装置前气流转弯、淋水装置支撑梁、配水装置、收水器、风筒圈梁进口、风筒进口渐缩段、风筒出口扩散段各部分组成；淋水填料阻力为P_tl＝A·ρV^m，Pa，各部分阻力累加求得冷却塔通风总阻力P_z，P_z的求解公式m气柱；总阻抗S的求解公式h²/(10⁸·m⁵)，其中ρ为常温下空气密度，kg/m³；V为填料断面的空气平均流速，m/s，A、m为不同填料阻力系数，i为冷却塔内各部分局部阻力编号，ξ_i为冷却塔各部分局部阻力系数，v_i为塔内各部分断面空气平均流速，m/s，g为重力加速度，m/s²，G为冷却塔通风流量，万m³/h；

步骤B中所述确定风机在冷却塔内工作时第i叶片安装角实际工作点的流量G_j和风压P_j的求解过程如下：联立冷却塔风机风压性能曲线方程和曲线方程P_z＝SG²，风机运行时，风机风压P_j等于冷却塔总阻力P_z，求解得到冷却塔内风机第j个叶片安装角时风机运行风量G_j和风压P_j(j＝1，2，3，…，m)，其中，j为风机叶片安装角编号，m为风机叶片安装角的个数，P_j为风机第j个叶片安装角时的风压，G_j为风机第j个叶片安装角时的风量，A_j、B_j、C_j、D_j为常数；

步骤B中所述确定风机在冷却塔内工作时不同叶片安装角实际工作点的功率N_j的求解过程如下：由求得的m个风量G_j分别代入冷却塔风机对应叶片安装角的功率性能曲线方程共有m个方程，其中N_j为风机第j个叶片安装角的功率，kW，A_j’、B_j’、C_j’、D_j’为常数；

步骤B中所述确定风机在冷却塔内工作时不同叶片安装角实际工作点的效率η_fj求解过程如下：将求得的冷却塔内风机m个叶片安装角的风量G_j、风压P_j和功率N_j分别代入式计算出风机m个叶片安装角的效率η_fj，将计算所得的m个风机效率η_fj拟合成风机风量～效率曲线及风量～叶片安装角曲线η_fj＝η_fj(G)和β_j＝β_j(G)，式中，β_j为风机第j个叶片安装角，η_fj为风机第j个叶片安装角即风量为G_j时的效率；

步骤C所述不同环境工况下冷却塔所需最小通风量计算确定的求解过程如下：

(1)饱和水蒸气压力其中P”为饱和水蒸气压力，kPa，t为空气温度，℃；

(2)空气相对湿度其中为空气相对湿度，％，θ为空气干球温度，℃，τ为空气湿球温度，℃，P为大气压力，kPa，P_θ”为空气温度等于θ℃时的饱和空气水蒸气分压力，kPa，P_τ”为空气温度等于τ℃时的饱和空气水蒸气分压力，kPa；

(3)湿空气的表观密度其中ρ’为湿空气的表观密度，kg/m³，ρ_d为湿空气中干空气部分的表观密度，kg/m³，ρ_s为湿空气中水蒸气部分的表观密度，kg/m³；

(4)空气含湿量kg/kg(DA)；

(5)湿空气比焓h＝1.005θ+x(2500.8+1.846θ)，kJ/kg(DA)；

(6)饱和空气比焓kJ/kg(DA)，其中，P_t”为空气温度等于t℃时的饱和空气水蒸气分压力，kPa；

(7)利用焓差法计算冷却塔的热力计算，联立冷却塔填料特性数方程Ω_n'＝Bλ^k和冷却塔冷却数方程当Ω_n’＝Ω_n时，求解得实际环境工况下冷却塔的气水比λ，其中，Ω_n’为逆流式冷却塔工作填料特性数(无量纲)，Ω_n为逆流式冷却塔工作特性冷却数(无量纲)，B、k为淋水填料的实验常数；K为蒸发水量带走热量系数(K<1.0，无量纲)，C_w为水的比热，kJ/(kg·℃)，取4.1868kJ/(kg·℃)，dt为微元填料进水与出水的水温差，℃，t₁为进塔水温，t₂为出塔水温，℃；在计算过程中采用线性迭代逼近的方法，直至误差在允许范围内，最终求出冷却塔风机最小需要通风量平衡工作点的进塔水温t₁*对应的气水比，此方法可以快速逼近求得最终的解；

(8)实际环境工况下冷却塔的所需最小风机风量G_k＝λ_k·Q·ρ_w/(ρ_k·10000)，k＝1，2，3，…，z，其中，G_k为第k种环境工况下的通风量，万m³/h，ρ_k为第k种环境工况下的空气密度，kg/m³，ρ_W为循环水的密度，kg/m³，λ_k为第k种环境工况下进填料的空气与水的质量比，kg(DA)/kg，Q为总水流量，m³/h，z为不同环境工况的种数；

步骤(7)不同环境工况下确定冷却塔风机最小需要通风量平衡工作点的求解过程如下：

给定冷却塔一个气水比λ₁，取多个不同的出塔水温t₂，计算出多个对应的冷却数Ω_n，拟合成曲线；根据此λ₁求出冷却塔实际运行的淋水填料冷却特性数(Ω_n’)₁，在满足(Ω_n)₁＝(Ω_n’)₁的条件下，从曲线上得出对应平衡点的出塔水温(t₂)₁，根据规定的进、出塔水温差，求出进塔水温(t₁)₁，而该(t₁)₁一般不是所需要的进塔水温，现在的问题成为：已知进塔水温t₁*和进出塔水温差，要求出对应的气水比λ*；

对确定的冷却塔填料系统，有一气水比λ，计算出一对应的进塔水温t₁，t₁是λ的函数，设其函数关系为曲线ATB，设曲线ATB上的点T即为所需要求解的坐标(λ*，t₁*)，λ*不能直接由t₁*求得，采用迭代计算逐点逼近的方法求解：已知曲线ATB单调减，在曲线ATB上取气水比较低和较高的两点A、B，气水比取值分别为λ_A、λ_B，设要求的进塔水温t_1A>t₁*>t_1B，用气水比λ_A、λ_B分别计算进塔水温t_1A、t_1B，曲线ATB上的两点A和B确定，求出过A、B两点的AB直线方程t₁＝t₁(λ)为：将t₁＝t₁*代入，线性插值求出对应的C’点的气水比λ_C为：用λ_C通过(1)～(7)的方法计算出曲线ATB上平衡点C的实际进塔水温t_1C，比较进塔水温计算值t_1C与规定值t₁*的差异是否满足给定精度0.01的要求，若不满足精度要求，则检查曲线ATB上T点位于相邻的A、C两点之间，用同样方法求出通过AC两点的直线方程，将t₁＝t₁*代入AC两点的直线方程，线性插值求出对应的D’点的气水比λ_D，再用λ_D计算求出曲线ATB上平衡点D的实际进塔水温t_1D，检查t_1D是否满足精度要求，……，直至第n次迭代计算，曲线上的点N无限逼近点T，满足|t_1N-t₁*|≤0.01为止，此方法可以快速迭代逼近曲线ATB上的解t₁*对应的气水比λ*；

步骤D所述冷却塔半调节风机全年不同叶片安装角种数的变角优化运行方案的计算确定过程如下：

(1)电动机任意负载下效率其中η_em为电动机效率；η_N为电动机额定效率；ε为电动机负载率；k为电动机固定损耗系数与可变损耗系数的比值，k的大小：2极异步电动机为2；4极和6极的异步电动机为1；8极及以上的为0.5；全年以周为时间单位，以一周中所有时刻冷却塔所需风机最小通风量的最大值作为该周的风机机组运行工作点，第t周风机配套电动机输入功率为将步骤B确定的风机工作性能参数代入式中，计算得到全年运行T个周次的电动机输入电功率N_t(t＝1，2，3，…，T)，其中G_t为第t周的通风量，ρ_t为第t周的空气密度，g为重力加速度，P_t为第t周的运行风压，η_ft为第t周的运行风机效率，η_c为风机与配套电动机的传动效率，η_emt为第t周的风机运行配套电动机效率；

(2)冷却塔风机全年运行能耗全年运行总费用Y_z＝A_z·y，其中A_z为冷却塔风机全年运行电耗，kW·h，t为全年运行周次，T为全年运行周数，Y_z为全年总能源费用，元，y表示电费单价，元/(kW·h)；

由冷却塔全年各个不同时段(按周计)的最小需要通风量，确定风机叶片安装角，计算得出对应的电动机输入功率，对全年数据进行曲线拟合，得到全年实际环境工况下冷却塔风机变角运行所需配套电动机最小输入功率N_r随时间t(周次)的变化规律，用方程N_r＝N_r(t)表示，N_r为对应该周冷却塔最小需要通风量的风机额定转速时叶片安装角的功率；

在一年中，风机叶片安装角改变，对应时间段的配套电动机输入功率N_t改变；在全年风机采用叶片安装角种数一定的情况下，变角的时间点不同，风机全年运行耗电量也不同，将全年风机变角的时间点作为变量，列出全年风机运行耗电量的计算式，通过求导求极值方法或者迭代计算的方法，找出全年风机该叶片安装角种数的风机运行耗电量A_z最小值及其对应的风机数次变角的最优叶片安装角和变角时间点，得到该全年叶片安装角种数的风机最优变角优化运行方案；改变全年的风机叶片安装角种数，得到全年不同叶片安装角种数的风机变角优化运行方案如下：

方案一：全年1种叶片安装角优化运行

设夏季第t₁周为全年最不利环境工况时间，此时所需要的风机最小通风量为全年最大，对应电动机输入功率为N₁；本方案以第t₁周的通风量、风压选择风机类型及满足通风量的叶片安装角，其对应全年每周运行功率均为N₁，能满足N₁≥N_r的要求，则全年风机运行总费用为Y_z＝A_z·y＝168×TN₁y；

方案二：全年2种叶片安装角优化运行

本方案考虑风机全年采用两种叶片安装角运行，其配套电动机输入功率分别为N₁、N₂，设N₁>N₂；一年中第1周至第t_2小周和第t_2大周至第T周，冷却塔需要通风量较小，调节风机至一种较小的叶片安装角，使风机以配套电动机输入功率N₂运行，满足N₂≥N_r，N₂≥风机最小叶片安装角配套电动机输入功率N_min；在第t_2小周至第t_2大周，冷却塔需要通风量较大，风机以配套电动机输入功率N₁对应的一种较大叶片安装角运行，满足N₂<N_r≤N₁，则全年风机运行总费用为Y_Z＝A_Z·y＝168×{[T-(t_2大(N₂)-t_2小(N₂))]·N₂+(t_2大(N₂)-t_2小(N₂))·N₁}·y，对其求导求极值或编程序迭代计算，确定功率N₂，并进而确定对应的风机叶片安装角和改变叶片安装角的时间点t_2小、t_2大，使风机全年能源费用最小；

方案三：全年3种叶片安装角优化运行

本方案考虑到冷却塔全年不同季节风机变角运行所需配套电动机最小输入功率变化较大，采用三种叶片安装角运行，分别对应风机配套电动机输入功率N₁、N₂和N₃，设N₁>N₂>N₃，且N₃≥N_min，N_min为风机最小叶片安装角时的配套电动机输入功率，风机配套电动机输入功率是时间的函数，即N＝N(t)；当风机以第一种叶片安装角运行，运行时间第1周至第t_3小周和第t_3大周至第T周，实际环境工况下冷却塔通风所需风机配套电动机最小输入功率N_r≤N₃，电动机均以输入功率N₃运行，若风机配套电动机输入功率N₃<N_min，则取N₃＝N_min；当风机以第二种叶片安装角运行，运行时间为第t_3小周至第t_2小周和第t_2大周至第t_3大周，满足N₃<N_r≤N₂，电动机均以输入功率N₂运行；当风机以第三种叶片安装角运行，运行时间为第t_2小周至第t_2大周，满足N₂<N_r≤N₁，电动机均以输入功率N₁运行，则全年风机运行总费用为

上式分别对N₂、N₃求导求极值或用迭代计算法求解出N₂、N₃，并进一步确定对应的风机叶片安装角、变角时间点，使运行方案更为节能；

方案四：全年4种叶片安装角优化运行

设风机全年按四种叶片安装角优化运行，除全年最不利工况的N₁外，另设三种运行功率N₂、N₃、N₄及其对应风机叶片安装角，按方案二和方案三的方法，列出方案四的全年能源费用表达式，以风机机组全年能源费用最低为目标，采用求导求极值或迭代计算法进行优化求解，确定N₂、N₃、N₄三种风机配套电动机输入功率及其对应的风机叶片安装角、变角时间点，可以进一步减小运行能耗，用同样方法可以求出风机全年按五种、六种……叶片安装角运行的优化运行方案；

方案五：半调节风机全年叶片安装角每周变角一次优化运行

本方案针对半调节风机采用全年每周变角一次优化运行，使风机每周的风量恰好等于该周冷却塔所需最小通风量的最大值，如果全年冷却塔需要通风量很小时，其对应的冷却塔所需风机配套电动机最小输入功率小于此型号风机最小叶片安装角配套电动机输入功率N_min时，冷却塔风机应该在第1周至第t_m小周和第t_m大周至第T周时间内以最小叶片安装角，以功率N_min运行；全年风机运行总费用为

步骤E所述冷却塔半调节风机全年不同叶片安装角种数变角优化运行方案费用比较与最优变角优化运行方案确定过程如下：

冷却塔风机不同变角优化运行方案全年费用，包括能源费用和调角费用，调角费用根据运行方案的叶片安装角种数累加计算；方案五全年叶片安装角每周变角一次优化运行，叶片半调节的风机每周变角一次调角费用很大，而且影响冷却塔正常工作，不切合实际；最后，对包括原始运行方案和所述方案一、方案二、方案三、方案四、方案五共6种运行方案的全年能源和调角总费用进行比较，以总费用最少为原则，最终确定冷却塔风机最优变角优化运行方案。