Градирня

(51) МПК (2006) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт тепло- и массообмена имени А.В.Лыкова Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Власов Александр Викторович Давиденко Виталий Федорович Дашков Геннадий Викторович Мартыненко Олег Григорьевич Солодухин Анатолий Демьянович Столович Николай Николаевич(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт теплои массообмена имени А.В.Лыкова Национальной академии наук Беларуси(57) 1. Градирня, содержащая корпус с воздуховходными окнами в его нижней части, устройство для закрутки входящего в градирню воздушного потока, выполненное в виде тангенциальных каналов, образованных установленными в указанных окнах вертикальными поворотными щитами, а также водосборный бассейн, над которыми установлены оросительное устройство и водоразбрызгивающая система, отличающаяся тем, что содержит 11819 1 2009.04.30 адаптивную автоматическую систему управления углом поворота щитов, содержащую датчики измерения температуры Твх воды на входе в градирню, температуры воды на выходе водосборного бассейна, удельного объемного расходаводы, протекающей через градирню за единицу времени, температуры в окружающего градирню воздуха, относительной влажностиокружающего градирню воздуха и скорости в приземного ветра непосредственно вблизи градирни соответственно, соединенные выходами с контроллером на базе микропроцессора, выполненного с возможностью расчета перепада температур Тгрм воды в модели градирни без устройства закрутки воздушных потоков в соответствии с выражением грм 0 К 1 Т вхК 2 Т вК 3 К 4 К 5 в , где А 0 - свободный член регрессионного уравнения/ор - удельная плотность орошения в градирне с оросительным устройством площадью ор К 1, К 2, К 3, К 4 и К 5 - постоянные коэффициенты,а также с возможностью сравнения указанного перепада температур с перепадом температур в реальной градирне для установки щитов в оптимальное положение в соответствии с результатами сравнения. 2. Градирня по п. 1, отличающаяся тем, что датчик измерения температуры окружающего градирню воздуха выполнен с возможностью измерения указанной температуры по смоченному термометру, а контроллер - с возможностью определения относительной влажности окружающего градирню воздуха расчетным путем по значениям температур,измеренных по сухому и смоченному термометру. Изобретение относится к теплоэнергетике и может найти применение при охлаждении оборотной воды в градирнях промышленных предприятий и электростанций. Известно техническое решение 1, в котором градирня содержит башню градирни с оросителем, бассейном и выполненными между ними воздуховходными окнами с примыкающими к их верхним кромкам подвижными козырьками, снабженными механизмами привода в виде лебедок с тягами. При положительных температурах наружного воздуха подвижный козырек удерживается в заданном положении с помощью фиксатора, создавая благоприятные условия для прохода воздуха. В зимнее время подвижный козырек опускается и разворачивается в такое положение, при котором образуется вихревое движение воздуха требуемой ширины, исключающее охлаждение воды в периферийной зоне оросителя, благодаря чему исключается обмерзание оросителя. Изменением положения козырька можно регулировать количество проходящего воздуха в градирню. Недостатком данного технического решения является значительная неравномерность поступления воздуха в градирню и зависимость его распределения по площади оросительного устройства от направления и скорости ветра, что снижает эффективность охлаждения воды в градирне, особенно в летние месяцы работы градирни при больших тепловых и гидравлических нагрузках. Известно техническое решение 2, в котором для градирни предложены воздухораспределительные жалюзи с лабиринтным уплотнением. Эти жалюзи состоят из двух полустворок, симметричных оси вращения, жестко скрепленных с осью вращения. В этом решении открытие и закрытие полустворок воздуховходных окон может быть автоматизировано при помощи электродвигателя(ей) с приводом на одну из полуосей жалюзи. Недостатком данного технического решения является недостаточные за счет воздухораспределения полусворками жалюзийного устройства возможности интенсификации процессов тепло- и массообмена в градирне в широком диапазоне изменения ее режимных параметров, погодных и ветровых условий. 2 11819 1 2009.04.30 Известно устройство для воздухорегулирования в градирне 3, которое содержит козырек и секции поворотных горизонтальных жалюзийных створок, установленных под углом 45135 к горизонтальной поверхности на свайном фундаментном основании или на стенке чаши водосборного бассейна, при этом управление положением створок производится ручным или установленным внутри воздухонаправляющего козырька автоматическим приводом. Поворотные горизонтальные жалюзийные створки в пределах секции имеют раздельные приводы для независимой работы верхних и нижних створок. Воздухорегулирование в градирне в этомслучае осуществляется за счет открытия на некоторые углы верхних и нижних створок секций поворотных горизонтальных жалюзийных створок в зависимости от изменений температуры атмосферного воздуха, гидравлической и тепловой нагрузок градирни. Недостатком данного технического решения воздухорегулирования является техническая сложность в его реализации, а также отсутствие конкретных алгоритмов определения значений оптимальных углов установки горизонтальных створок, при которых может быть достигнут максимальный выигрыш в охлаждении оборотной воды в градирне с таким жалюзийным устройством, особенно в условиях различных тепловой и гидравлической нагрузок градирни, а также различных погодных и ветровых условий вблизи градирни. Известно техническое решение 4, которое по наибольшему количеству сходных признаков и достигаемому при использовании результату выбрано в качестве прототипа заявляемого изобретения. В этом известном решении градирня содержит корпус с воздуховходными окнами в его нижней части, устройство закрутки входящего в градирню воздушного потока в виде тангенциальных каналов, образованных однонаправленными вертикальными поворотными щитами, установленными в воздуховходные окна, водосборный бассейн,над которым расположено оросительное устройство, выше которого -водоразбрызгивающая система. В градирне каждый из этих вертикальных щитов установлен под углом 6070 к касательной, проведенной к окружности основания корпуса (башни) градирни через ось поворота щита. По наибольшему количеству сходных признаков и достигаемому при использовании результату данное техническое решение выбрано в качестве прототипа заявляемого изобретения. Основными недостатками работы указанной градирни с закруткой входящих в нее воздушных потоков являются следующие создание тангенциального входа воздушного потока приводит к уменьшению расхода воздуха, поступающего в градирню, из-за сокращения проходного сечения воздуховходных окон. Это налагает существенное ограничение на выбор угла установки щитов , определяющего интенсивность вихревого движения воздуха внутри градирни, ибо не при каждом выбранном углеудается компенсировать ухудшение охлаждения воды в градирне из-за уменьшения расхода воздуха, поступающего в подоросительное пространство градирни выигрыш в охлаждении воды наиболее значителен лишь при установке вертикальных щитов на оптимальный угол опт или квазиоптимальпый (альтернативный) фиксированный угол ал, достаточно близкий к опт. Поскольку при изменении режимных (тепловых, гидравлических) параметров градирни, погодных (температуры воздуха и его относительной влажности) и ветровых (скорости приземного ветра) условий вблизи градирни также изменяется и величина оптимального угла входа окружающего воздуха в градирню опт, то максимальная эффективность охлаждения воды в градирне не может быть достигнута без адекватного адаптивного автоматического управления углом установки вертикальных щитов существуют режимные параметры работы градирни, а также погодные и ветровые условия, при которых вода в градирне с закруткой входящих в нее воздушных потоков охлаждается хуже, чем в градирнях без закрутки воздушного потока. Задачей предлагаемого изобретения является увеличение эффективности охлаждения воды в градирне. 3 11819 1 2009.04.30 Указанная задача решается следующим образом. Известная градирня содержит корпус с воздуховходными окнами в его нижней части, устройство для закрутки входящего в градирню воздушного потока, выполненное в виде тангенциальных каналов, образованных установленными в указанных окнах вертикальными поворотными щитами, а также водосборный бассейн, над которыми установлены оросительное устройство и водоразбрызгивающая система. Согласно предлагаемому изобретению, градирня содержит адаптивную автоматическую систему управления углом поворота щитов, содержащую датчики измерения температуры Твх воды на входе в градирню, температуры воды на выходе водосборного бассейна, удельного объемного расходаводы, протекающей через градирню за единицу времени, температуры Тв окружающего градирню воздуха, относительной влажностиокружающего градирню воздуха и скорости в приземного ветра непосредственно вблизи градирни соответственно, соединенные выходами с контроллером на базе микропроцессора, выполненного с возможностью расчета перепада температур Тгрм воды в модели градирни без устройства закрутки воздушных потоков в соответствии с выражением ТгрмАоК 1 ТвхК 2 Тв - К 3 - К 4 - К 5 в,где Ао - свободный член регрессионного уравнения/ - удельная плотность орошения в градирне с оросительным устройством площадьюК 1, К 2, К 3, К 4 и К 5 - постоянные коэффициенты,а также с возможностью сравнения указанного перепада температур с перепадом температур в реальной градирне для установки щитов в оптимальное положение в соответствии с результатами сравнения. Кроме того, в заявляемой градирне датчик измерения температуры окружающего градирню воздуха может быть выполнен с возможностью измерения указанной температуры по смоченному термометру, а контроллер - с возможностью определения относительной влажности окружающего градирню воздуха расчетным путем по значениям температур,измеренных по сухому и смоченному термометру. Изобретение поясняется графическим материалом. На фиг. 1. схематично показан общий вид предлагаемой градирни. На фиг. 2 схематично отображены принципы работы контроллера адаптивной системы управления углом установки вертикальных поворотных щитов. На фиг. 3 схематично изображен один щит с приводом при угле установки 90. На фиг. 4 схематично изображен один щит с приводом при угле установкиал. На фиг. 5 схематично изображен один щит с приводом при угле установкиопт. Заявляемая градирня содержит корпус 1 (фиг. 1) с воздуховходными окнами 2 в его нижней части, устройство закрутки входящих в градирню воздушных потоков в виде тангенциальных каналов, образованных вертикальными поворотными щитами 3, установленными в воздуховходные окна, водосборный бассейн 4, над которым расположено оросительное устройство 5, выше которого расположена водоразбрызгивающая система 6. Градирня содержит адаптивную автоматическую систему управления углом поворота щитов, осуществляющую поворот щитов 3 (фиг. 1) с помощью соответствующих приводов 7. Данная система управления содержит датчики измерения температуры Твх воды на входе в градирню, температуры воды на выходе водосборного бассейна, удельного объемного расходаводы, протекающей через градирню за единицу времени, температуры Тв окружающего градирню воздуха, относительной влажностиокружающего градирню воздуха и скорости в приземного ветра непосредственно вблизи градирни соответственно, соединенные выходами с контроллером на базе микропроцессора, выполненного с возможностью расчета перепада температур Тгрм воды в модели градирни без устройства закрутки воздушных потоков в соответствии с выражением ТгрмАоК 1 ТвхК 2 Тв - К 3 - К 4 - К 5 в,где Ао - свободный член регрессионного уравнения 4 11819 1 2009.04.30/ - удельная плотность орошения в градирне с оросительным устройством площадьюК 1, К 2, К 3, К 4 и К 5 - постоянные коэффициенты,а также с возможностью сравнения указанного перепада температур с перепадом температур в реальной градирне для установки щитов в оптимальное положение в соответствии с результатами сравнения. Градирня работает следующим образом. Поступающая на противоточную башенную испарительную градирню оборотная вода распределяется водоразбрызгивающей системой 6 по оросительному устройству 5 площадью , а после прохождения его стекает в виде струйно-капельных течений в водосборный бассейн 4, имеющий объем Б. Воздушные потоки, проходя устройство их закрутки в виде установленных под некоторым угломвертикальных щитов 3, поступают через воздуховходные окна 2 в нижней части корпуса градирни 1 в подоросительное пространство градирни. Благодаря закрутке результирующая скорость воздушного потока, которая в градирне обычной конструкции определяется вертикальной (главным образом) и горизонтальной составляющими, приобретает еще одну компоненту - тангенциальную, т.е. происходит перераспределение между компонентами скорости воздушного потока при сохранении кинетической энергии потока. Тангенциальная составляющая приводит к более глубокому проникновению воздушного потока в горизонтальном сечении, что увеличивает путь взаимодействия его с охлаждаемой водяной средой. Кроме того, закрутка потока приводит также к уменьшению вертикальной составляющей скорости. Изменение соотношения между вертикальной и радиальной составляющими скорости в пользу последней меняет характер обтекания струй жидкости. Из преобладающе продольного обтекание трансформируется в поперечное. В результате разрушается по всей высоте струи воды окружающий ее слой насыщенного пара, препятствующий теплообмену, и испарительное охлаждение интенсифицируется. Электрические сигналы с датчиков 914 (фиг. 1) об измеренных значениях режимных параметров градирни (Твх, Твых, ), погодных (Тв, ) и ветровых (в) условий вблизи градирни поступают на контроллер (фиг. 2). Поскольку градирня с точки зрения управления является существенно инерционным объектом, то контроллер в его модуле 17 (фиг. 2) на первом этапе по информации об удельном объемном расходе водыс датчика 11 и объеме водосборного бассейна градирни Б, значение которого имеется в электронной памяти контроллера, рассчитывает интервал времени т по следующему соотношению(1) т 3 Б/. Определенный по выражению (1) временной интервал т соответствует времени трехкратного или более чем трехкратного водообмена в бассейне градирни. Чем меньше, тем больше интервал времени т. В модуле 15 (фиг. 2) в течение интервала времени т осуществляется накопление и осреднение дискретных значений измеряемых через промежутки времени(причемт) параметров с датчиков 914 какТ вых ( ) а также определяется квазистационарность параметров Твх, Тв, ,и в на интервале времени т как 5 где вх, в, , , в и в, в, в - соответственно максимальные и минимальные значения измерен ных параметров за интервал времени т Т , Т ,,, в - осредненные за время т вх в в соответствии с (2) измеренные параметры. Чем меньше величины Твх, Тв, , , в в (3) отличаются от нуля, тем в большей степени параметры Твх, Тв, ,и в близки к своим стационарным состояниям на интервале времени т. На втором этапе контроллер в модуле 19 рассчитывает средний за время т перепад температур воды в градирне ТгрТвх - Твых, в модуле 18 определяет по значениюи значению площади оросительного устройства , имеющимся в электронной памяти контроллера, величину удельной плотности орошениякак/,описывающем перепад температур воды в модели градирни без устройства закрутки воздушных потоков, по измеренным осредненным значениям Твх, Тв, , , в и значениям свободного члена регрессионного уравнения Ао и постоянных коэффициентов К 1, К 2,К 3, К 4 и К 5, имеющимся в электронной памяти контроллера, рассчитывает модельное значение перепада температур воды в градирне Тгрм. Значения фактического перепада температур воды Тгр в заявляемой градирне с устройством закрутки входящих в нее воздушных потоков сравниваются в модуле 20 с модельным значением перепада температур воды Тгрм, рассчитанным по математической модели (5) для градирни без устройства закрутки воздушных потоков, как ТТгр - Тгрм. Если указанная разница перепадов температур в соответствии с (6) отрицательная(Т 0), то в модуле 20 формируется команда на установку угла поворота щитов , равного 90, поступающая на модуль управления приводами вертикальных поворотных щитов устройства закрутки входящих в градирню воздушных потоков 23 (фиг. 2). В соответствии с этой командой модуль 23 с помощью приводов 7 (фиг. 1) устанавливает все щиты 3 (фиг. 1) в положение 90, как это схематично показано на фиг. 3. Если разница перепадов температур воды в соответствии с (6) равна 0 или положительная (Т 0), то модуль 20 формирует разрешительную команду для модуля принятия решения на пошаговый поиск оптимального угла установки щитов опт 21 (фиг. 2), и контроллер начинает третий этап работы. На этом этапе в модуле 21 происходит сравнение фактически измеренных значений Твх,Тв, , , в с соответствующими предельно допустимыми значениями Твхп, Твп,п, п, вп, характеризующими допустимую степень нестационарности по каждому из перечисленных параметров Твх, Тв, ,и в на интервале времени т. Числовые зна 11819 1 2009.04.30 чения величин Твхп, Твп, п, п и вп находятся в электронной памяти контроллера (величина этих предельно допустимых значений задается в интервале 0,030,05). При выполнении условий Т вхТ вхпТ вТ впппр ввп ,и при Т 0 модуль 21 формирует команду модулю 22 на пошаговый поиск оптимального угла установки щитов опт, при котором достигается максимально возможный перепад температур воды в градирне Тгр. При невыполнении условия (7) хотя бы по одному из перечисленных выше параметров и при Т 0 модуль 21 формирует команду модулю 23 на установку альтернативного угла поворота щитов ал, значение которого находится в электронной памяти контроллера. В соответствии с этой командой модуль 23 с помощью приводов 7 (фиг. 1) устанавливает все щиты 3 (фиг. 1) в положениеал, как это схематично показано на фиг. 4. Значения угла ал определяют опытным путем при испытаниях градирни как среднее значение между границами изменения оптимальных углов установки щитов в устройстве закрутки воздушных потоков для наиболее напряженных сезонных периодов эксплуатации градирен (в Беларуси - обычно летние месяцы июнь-август и значения ал находятся в интервале 7080). Возможны и другие варианты внесения в память контроллера значения альтернативного угла, например могут быть внесены значения альтернативных углов для каждого месяца весенне-летне-осеннего периода эксплуатации градирни и др.). При поступлении с модуля 21 команды на модуль пошагового поиска оптимального угла установки щитов опт 22 (фиг. 2) контроллер начинает адаптивный пошаговый автоматизированный поиск угла опт. Допустим, в начальный момент поиска все щиты 3 были установлены на уголал, как это схематично показано на фиг. 4. Для адаптивного поиска в модуле 22 формируются команды, поступающие на модуль управления приводами 22. В соответствии с этими командами угол, на который установлен каждый щит 3 в данный момент времени, с помощью соответствующего привода 7 (фиг. 1) изменяют (увеличивают или, наоборот, уменьшают) на первом шаге на величину(1,52,5), как это схематично показано на фиг. 4. Допустим, на первом шаге угол ал увеличили на ,т.е. был установлен уголал. Далее через интервал времени длительностью не менее т в течение последующего интервала времени т контроллер сравнивает значения перепадов температур воды в градирне в конце (Тгрк) и на начало (Тгрн) указанного интервала времени. Если эта разница ТгрТгрк - Тгрн 0,то подается команда на последующий шаг поиска опт. С этой целью угол установки щитов увеличивают еще на , опять определяет на этом шаге в течение интервала времени не менее т разницу в перепадах температур воды в градирне Тгр и, если эта разница больше нуля, делают третий шаг поиска, и так до тех пор, пока на очередном шаге Тгр не станет равным 0 (угол установки щитов на этом шаге и является оптимальным углом опт, как это схематично показано на фиг. 5) или станет меньше нуля (в этом случае модуль 22 формирует команду на уменьшение угла установки щитов на величину , т.е. система возвращается на предыдущий до этого шаг - значение угла на этом шаге и принимается за опт). Поворот щитов 3 на найденный таким образом оптимальный угол опт сохраняется до тех пор, пока выполняются условия (7) и условие Т 0. При неудовлетворении условий(7) хотя бы по одному из перечисленных выше параметров с помощью модулей 21, 23 и приводов 7 щиты 3 устанавливаются в устройстве закрутки входящих в градирню воздушных потоков на альтернативный угол ал (фиг. 4), а при Т 0 щиты 3 с углаал поворачиваются приводами до угла 90 . 7 11819 1 2009.04.30 В те моменты времени работы градирни, когда вновь начинают выполняться условия(7), а также условие Т 0, контроллер вновь осуществляет адаптивный автоматический пошаговый поиск нового значения оптимального значения угла установки щитов опт, соответствующего изменившимся режимным параметрам работы градирни, изменившимся погодным и ветровым условиям вблизи градирни и при котором достигается максимально возможная для этих новых режимных, погодных и ветровых условий эффективность охлаждения оборотной воды в градирне. Работа заявляемой градирни, в которой датчик измерения температуры окружающего воздуха выполнен с возможностью измерения указанной температуры по смоченному термометру, а контроллер - с возможностью определения относительной влажности окружающего градирню воздуха расчетным путем по значениям температур, измеренных по сухому и смоченному термометру, аналогична описанной выше заявляемой градирни. Таким образом, в заявляемой градирне, благодаря адаптивной автоматической системе управления углом установки щитов, обеспечивается увеличение эффективности охлаждения воды в градирне. Указанная система осуществляет автоматический адаптивный (т.е. подстраивающийся под изменяющиеся как режимные параметры работы градирни, так и погодные и ветровые условия вблизи градирни) поиск оптимальных углов опт и установку щитов тангенциальных каналов на эти углы. В тех случаях, когда происходит слишком быстрая смена режима работы градирни, существенно отличающегося от квазистационарного, указанная адаптивная система автоматически сама определяет этот режим и на этот период устанавливает щиты на альтернативный фиксированный угол ал, достаточно близкий к опт. Указанная адаптивная система управления углом установки щитов автоматически сама отслеживает режимные параметры работы градирни, погодные и ветровые условия вблизи градирни, при которых охлаждение воды в градирне с устройством закрутки воздушных потоков становится хуже, чем в градирне традиционной конструкции без устройства закрутки воздушных потоков. В этом случае система управления устанавливает щиты в тангенциальных каналах на угол 90, и градирня начинает работать как градирня традиционной конструкции. Источники информации 1. Патент РФ 2248510, МПК С 228 С 1/00. 2. Заявка па изобретение РФ 2002106782, МПК 28 С 1/00, 2002. 3. Патент РФ 2295014, МПК Е 04 Н 5/12,28 25/00. 4. Патент РБ 1293, МПК 28 С 1/00, 1996 (прототип). Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 9