冷卻塔性能評(píng)價(jià)方法研究

翟佳雷，涂淑平，朱月婷

(上海海事大學(xué) 商船學(xué)院，上海 201306)

前言

隨著國(guó)家節(jié)能減排政策的實(shí)施，近幾年冷卻塔在鋼鐵冶金、電力電子、機(jī)械加工、空調(diào)系統(tǒng)等行業(yè)得到廣泛的應(yīng)用，同時(shí)冷卻塔的類別和形式也越來越多，根據(jù)不同的要求和具體的條件，想要設(shè)計(jì)出符合需要又比較完善的冷卻塔，至少應(yīng)該滿足下列幾項(xiàng)要求：首先，應(yīng)保證所要求的技術(shù)指標(biāo)；其次，應(yīng)有足夠的強(qiáng)度和可靠的結(jié)構(gòu)；第三，應(yīng)便于制造、安裝和檢修；第四，經(jīng)濟(jì)上合理。這些要求之間往往是相互制約的，所以應(yīng)該全面考慮制約的的因素，從而制定最好的方案。同時(shí)，在產(chǎn)品批量生產(chǎn)之后，也需要建立一套全面、客觀的考核標(biāo)準(zhǔn)，以促進(jìn)產(chǎn)品向著部件標(biāo)準(zhǔn)化、生產(chǎn)規(guī)范化、產(chǎn)品多樣化、操作維修簡(jiǎn)便化的方向發(fā)展，這就提出了如何評(píng)價(jià)冷卻塔的問題。

傳統(tǒng)評(píng)價(jià)冷卻塔的方法過于單一，不能統(tǒng)籌所有因素，且不同的評(píng)價(jià)方法評(píng)價(jià)結(jié)果不一，而模糊綜合評(píng)價(jià)法能夠統(tǒng)籌各個(gè)方面的因素，對(duì)冷卻塔性能進(jìn)行全面的、客觀的評(píng)價(jià)。

1 傳統(tǒng)的冷卻塔性能評(píng)價(jià)方法

對(duì)冷卻塔的熱力性能作出評(píng)價(jià)時(shí)一般都是根據(jù)冷卻塔試驗(yàn)的結(jié)果來進(jìn)行的。進(jìn)行評(píng)價(jià)的指標(biāo)也是各種各樣的，有的用冷卻循環(huán)水的出口溫度指標(biāo)來評(píng)價(jià)，有用處理的循環(huán)水量指標(biāo)來評(píng)價(jià)，有的以冷卻效率指標(biāo)來評(píng)價(jià)，當(dāng)然還有其它許多評(píng)價(jià)指標(biāo)，冷卻塔的性能評(píng)價(jià)方法主要有以下幾種[1-4]:

1.1 按計(jì)算冷卻水溫評(píng)價(jià)

1.2 按實(shí)測(cè)冷卻水溫評(píng)價(jià)

1.3 日本特性曲線評(píng)價(jià)方法

日本用下式評(píng)價(jià)冷卻塔的性能

式中:

Ld—設(shè)計(jì)冷卻水量；

L—修正到設(shè)計(jì)條件下的冷卻水量。

由于實(shí)驗(yàn)條件與設(shè)計(jì)條件存在差異，故需將實(shí)驗(yàn)條件下所測(cè)得數(shù)據(jù)，修正到設(shè)計(jì)條件下。

在冷卻塔特性曲線圖上，可根據(jù)實(shí)測(cè)冷卻塔的參數(shù)，求出修正到設(shè)計(jì)條件下的冷卻水量L，將L代入上式計(jì)算。若ηt>95%，則視為該冷卻塔達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

1.4 美國(guó)冷卻塔協(xié)會(huì)冷卻塔評(píng)價(jià)方法(CTI)

美國(guó)冷卻塔協(xié)會(huì)評(píng)價(jià)冷卻塔性能的方法有兩種：一種是利用特性曲線來評(píng)價(jià)冷卻塔的性能，其方法與日本基本相同；另一種是利用冷卻塔的操作曲線來評(píng)價(jià)冷卻塔的性能。設(shè)計(jì)單位需要給出采用90%、100%和110%的設(shè)計(jì)冷卻水量等的操作曲線圖，其中曲線的橫坐標(biāo)為空氣濕球溫度τ，縱坐標(biāo)為冷卻塔中冷卻水的出水溫度T0，斜線為冷卻幅高Δt=T0-τ，如圖1、2、3所示[5]。

圖1 設(shè)計(jì)冷卻水量90%時(shí)操作曲線

圖2 設(shè)計(jì)冷卻水量100%時(shí)操作曲線

圖3 設(shè)計(jì)冷卻水量110%時(shí)操作曲線

將設(shè)計(jì)單位提供的性能曲線繪制成在實(shí)驗(yàn)條件下確定冷卻塔能力的曲線。其步驟首先以實(shí)驗(yàn)濕球溫度τ為基礎(chǔ)，繪制一組以冷卻幅高Δt為橫坐標(biāo)，冷卻塔出口水溫T0為縱坐標(biāo)，冷卻水量L為參變數(shù)的曲線，如圖4所示。然后，由此組曲線，根據(jù)實(shí)驗(yàn)條件下冷卻幅高Δt繪制一條冷卻塔出口水溫T0和冷卻水量L之間的關(guān)系曲線，如圖5所示。這樣在實(shí)驗(yàn)條件下，由冷卻塔出口水溫度就可查得預(yù)計(jì)保證的冷卻水量L，將實(shí)驗(yàn)條件下的冷卻水量再進(jìn)行空氣阻力的修正。修正后的水流量與預(yù)計(jì)的水流量之比即可確定冷卻塔逼近度。

圖4 Δt與To關(guān)系曲線

圖5 To與L關(guān)系曲線

2 模糊綜合評(píng)價(jià)法

模糊綜合評(píng)價(jià)法是一種基于模糊數(shù)學(xué)的綜合評(píng)標(biāo)方法。該綜合評(píng)價(jià)法根據(jù)數(shù)學(xué)的隸屬度理論將定性評(píng)價(jià)轉(zhuǎn)化為定量評(píng)價(jià)，即用模糊數(shù)學(xué)對(duì)受到多種因素制約的事物或?qū)ο笞龀鲆粋€(gè)總體的評(píng)價(jià)。它具有結(jié)果清晰、系統(tǒng)性強(qiáng)的特點(diǎn)，能較好的解決模糊的、難以量化的問題，適合各種非確定性問題的解決。

模糊綜合評(píng)價(jià)法應(yīng)用于對(duì)冷卻塔的評(píng)價(jià)，是把冷卻塔眾多的性能因素綜合起來，將各個(gè)因素的隸屬度和此因素在總體中所占的權(quán)重結(jié)合起來評(píng)價(jià)冷卻塔的性能，下面介紹冷卻塔模糊綜合性能評(píng)價(jià)法的使用方法[1][5]：

2.1 建立權(quán)重集

冷卻塔不同的性能指標(biāo)其作用程度是不一樣的，所以應(yīng)該賦予不同的權(quán)重。冷卻塔的性能因素有很多，比如：冷卻水出口溫度、逼近度、冷卻效率、風(fēng)機(jī)噪聲、空氣阻力、初投資、運(yùn)行費(fèi)用等等。我們將其分成三類，其中冷卻水出口溫度、逼近度、冷卻效率等為A類，風(fēng)機(jī)噪聲、空氣阻力等為B類，初投資、運(yùn)行費(fèi)用等為C類，它們?cè)诳傇u(píng)價(jià)集中的權(quán)重分別為XA，XB，XC。而在A類中，冷卻水出口溫度、逼近度、冷卻效率等的權(quán)重分別為x1，x2，x3……；B類中，風(fēng)機(jī)噪聲、空氣阻力等的權(quán)重分別為y1，y2……；C類中，初投資、運(yùn)行費(fèi)用等的權(quán)重分別為z1，z2……。

2.2 求解各個(gè)因素在各類中的隸屬度

首先介紹一下備擇集的概念，備擇集是指以總評(píng)判的各種可能的結(jié)果為元素所組成的集合。而隸屬度是指評(píng)判的某個(gè)對(duì)象隸屬于備擇集中第k個(gè)元素的程度。下面介紹冷卻水出口溫度、冷卻效率、逼近度隸屬度的算法[1]：

2.2.1 冷卻水出口溫度隸屬度

冷卻塔冷卻水出口溫度隸屬度用下式表示：

2.2.2 冷卻效率隸屬度

冷卻效率系數(shù)反映了冷卻塔中熱量交換的完善程度，其隸屬度用下式表示：

f(η)=1 -e-(η-0.2)2

2.2.3 逼近度隸屬度

逼近度是指冷卻塔中循環(huán)水的出口溫度與周圍環(huán)境的濕球溫度之差，逼近度越大，則我們所說的逼近度則越弱[6]。逼近度是不可能達(dá)到0℃。

逼近度隸屬度用下式表示：

還有風(fēng)機(jī)噪聲、空氣阻力、初投資、運(yùn)行費(fèi)用等的隸屬度，它們有些由工程經(jīng)驗(yàn)得出，這里不再闡述。

2.3 建立單類因素模糊評(píng)判集

假設(shè)要評(píng)價(jià)Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三種型號(hào)的冷卻塔的性能。

2.3.1 首先，建立隸屬度矩陣

如下：

2.3.2 其次，建立單類因素模糊評(píng)判集

以A類為例，如下：

(A1，A2，A3)

(A1，A2，A3)表示單考慮A類因素時(shí)，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三種型號(hào)的冷卻塔的優(yōu)良程度分別為A1，A2，A3。同理，僅考慮B類因素和C類因素時(shí)，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三種型號(hào)的冷卻塔的優(yōu)良程度分別為B1，B2，B3和C1，C2，C3。

2.4 建立模糊綜合評(píng)判集

將單類因素模糊評(píng)判集矩陣與它們?cè)诳傇u(píng)價(jià)集中的權(quán)重相乘即可得到模糊綜合評(píng)判集，如下：

Y=(Y1,Y2,Y3)

其中Y1,Y2,Y3就是這三種產(chǎn)品的模糊綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)。

3 模糊綜合評(píng)價(jià)法應(yīng)用實(shí)例

表1列出了三種型號(hào)的冷卻塔的性能參數(shù)。

若單以冷卻水出口溫度為評(píng)價(jià)指標(biāo)，則型號(hào)Ⅲ性能最優(yōu)；若單以逼近度為評(píng)價(jià)指標(biāo)，則同樣型號(hào)Ⅲ性能最優(yōu)；若單以冷卻效率為評(píng)價(jià)指標(biāo)，則型號(hào)Ⅰ性能最優(yōu)。下面以模糊綜合法評(píng)價(jià)三種型號(hào)的冷卻塔性能優(yōu)良。

3.1 建立權(quán)重集

一般情況下，取A、B、C類在綜合集中的權(quán)重XA，XB，XC分別為0.4、0.3、0.3。A類中冷卻塔的冷卻水出口溫度、逼近度、冷卻效率的權(quán)重x1，x2，x3取0.6,0.2,0.2；B類中風(fēng)機(jī)噪聲、空氣阻力的權(quán)重y1，y2分別取0.4、0.6；C類中初投資、運(yùn)行費(fèi)用的權(quán)重z1，z2分別為0.5、0.5。

3.2 求解各個(gè)因素在各類中的隸屬度

分別計(jì)算型號(hào)Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ冷卻塔的A類因素中冷卻水出口溫度、逼近度、冷卻效率的隸屬度。

型號(hào)Ⅰ：冷卻水出口溫度隸屬度：

逼近度隸屬度：

冷卻效率隸屬度：

f(η1) = 1 -e-(1.37-0.2)2=0.838

型號(hào)Ⅱ：冷卻水出口溫度隸屬度：

逼近度隸屬度：

冷卻效率隸屬度：

f(η2) = 1 -e-(0.84-0.2)2=0.336

表1 三種型號(hào)的冷卻塔的性能參數(shù)

型號(hào)指標(biāo) ⅠⅡⅢ冷卻水出口溫度(℃)31.832.1631.11逼近度(℃)5.76.114.84冷卻效率1.370.841.12

型號(hào)Ⅲ：冷卻水出口溫度隸屬度：

逼近度隸屬度：

冷卻效率隸屬度：

f(η3) = 1 -e-(1.12-0.2)2=0.688

根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)B類因素中的噪聲、空氣阻力隸屬度，C類因素中的初投資、運(yùn)行費(fèi)用隸屬度列于表2。

表2 初投資和運(yùn)行費(fèi)用隸屬度

ⅠⅡⅢ噪聲0.50.60.7空氣阻力0.2380.1730.192初投資0.70.30.5運(yùn)行費(fèi)用0.30.90.6

3.3 建立單類因素模糊評(píng)判集

A類：(A1，A2，A3)

=(0.5184,0.4098,0.5122)

由以上結(jié)果可知，僅考慮A類因素時(shí)，型號(hào)Ⅰ的優(yōu)良程度為51.84%，型號(hào)Ⅱ的優(yōu)良程度為40.98%，型號(hào)Ⅲ的優(yōu)良程度為51.22%，型號(hào)Ⅰ最優(yōu)。

B類：(B1，B2，B3)

=(0.3428，0.3438，0.5352)

所以，僅考慮B類因素時(shí)，型號(hào)Ⅰ的優(yōu)良程度為34.28%，型號(hào)Ⅱ的優(yōu)良程度為34.38%，型號(hào)Ⅲ的優(yōu)良程度為53.52%，型號(hào)Ⅲ最優(yōu)。

C類：(C1，C2，C3)

=(0.5，0.6，0.55)

所以，僅考慮C類因素時(shí)，型號(hào)Ⅰ的優(yōu)良程度為50%，型號(hào)Ⅱ的優(yōu)良程度為60%，型號(hào)Ⅲ的優(yōu)良程度為55%，型號(hào)Ⅱ最優(yōu)。

3.4 建立模糊綜合評(píng)判集

將單類因素模糊評(píng)判集矩陣與它們?cè)诳傇u(píng)價(jià)集中的權(quán)重相乘即可得到模糊綜合評(píng)判集，如下

Y=(Y1,Y2,Y3)

=(0.4602，0.4471，0.5304)

所以，綜合考慮時(shí)，型號(hào)Ⅰ的優(yōu)良程度為46.02%，型號(hào)Ⅱ的優(yōu)良程度為44.71%，型號(hào)Ⅲ的優(yōu)良程度為53.04%，型號(hào)Ⅲ最優(yōu)。

4 結(jié)論

冷卻塔的性能指標(biāo)評(píng)價(jià)有很多方法，傳統(tǒng)的方法往往只以一個(gè)指標(biāo)作為標(biāo)準(zhǔn)，而模糊綜合評(píng)價(jià)法可以綜合各種因素做出一個(gè)整體的評(píng)價(jià)，實(shí)踐證明：綜合模糊評(píng)價(jià)法結(jié)果清晰、系統(tǒng)性強(qiáng)，能夠較全面的解決冷卻塔的評(píng)價(jià)問題，彌補(bǔ)傳統(tǒng)評(píng)價(jià)方法的缺陷，但是也存在實(shí)際操作很復(fù)雜的不足。

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