專利名稱：基于動力合成器的冷卻塔綜合節能系統及其控制方法
技術領域：
本發明涉及一種冷卻塔綜合節能系統及其控制方法，特別涉及一種基于動力合成和智能控制的冷卻塔綜合節能系統及其控制方法。
背景技術：
冷卻塔是應用非常普遍的水資源循環利用設備，其主要功能是將含有廢熱的冷卻 水與空氣在塔內進行熱交換，使水溫降至要求的溫度，以便進行再次循環。目前，為冷卻塔 供水的水泵以及冷卻塔的風機均由電動機驅動，普遍沒有安裝調速設備。因此冷卻塔的工 作狀態單一，不具備隨各項參數的變化而自動調節的能力，每年消耗大量的電能，同時帶來 嚴重的噪聲污染。為了降低冷卻塔的能耗，一個可行的方法是為水泵電機和風機電機配備變頻器， 對水泵電機和風機電機進行調速控制以降低能耗。目前低壓變頻器已經有大量的成熟產 品，但現有的控制方法均是將水泵電機和風機電機分別進行調速控制，彼此之間沒有協調 控制。雖然可以分別實現一定程度上的節能控制，但從整個系統的角度看，卻并不是最優的 結果，還有很大的節能空間。對水泵電機進行變頻調速控制的辦法主要有恒壓控制和恒溫控制等單閉環控制， 此外也有專利依據水泵的運行效率對水泵的調速范圍進行約束。恒壓控制的辦法是采集水 泵出水口的循環冷卻水壓力，利用水壓作為控制量進行閉環控制。該控制方法的缺點是負 荷的變化必須以循環冷卻水流量或壓力變化的方式反映出來，才能完成整個控制過程。但 在實際應用中，負荷的變化一般直接反映在循環冷卻水的溫度變化上，若要進一步改變循 環冷卻水相應的流量或壓力，則需要在負荷端進行額外的操作(例如關閉或開啟負荷端 管路中的相關閥門)，但許多負荷端卻并不具備自動進行相應操作的條件。因此對水泵進行 恒壓控制難以實現完全的自動化控制。在空調系統中應用了恒溫閉環控制，利用水溫作為 控制量對水泵電機進行調速控制，進而調節水泵流量。該控制方法不必調整管路的阻力曲 線，易于實現自動化控制。但由于水泵的揚程與流量的二次方成正比例變化，隨著水泵流量 的減小，水泵揚程將大幅降低。而大多數的冷卻塔均對水泵的揚程有一定的要求，揚程過低 將影響冷卻塔運行的可靠性；而選用揚程較大的水泵，則在額定工況下仍將有較大的富余 揚程被浪費。該因素制約了水泵的調節范圍，影響了該方法在循環冷卻水系統中的應用。發 明專利CN100432881C公布了一種“用于調速器的水泵風機運行效率控制方法”，該專利根 據水泵的特性曲線和額定轉速，采用相似原理推算水泵的在高效率區域的轉速范圍，在控 制端對水泵轉速的最大值和最小值進行限制，使水泵可以工作在效率較高的狀態。但該發 明并未指出當水泵在高效率區域工作，而水泵在流量和揚程上并不能滿足系統的需求時應 進行怎樣的調節；而如果水泵在高效率區域工作即已能滿足系統要求，則進行最大轉速的 約束意義并不是很大。由水泵的特性可知，水泵的功率與轉速的三次方成正比，在系統所允 許的低轉速狀態下，即使水泵的效率有所下降，仍可取得較好的節能效果。因此，以水泵的 運行效率對水泵的最低轉速進行約束并未充分發據水泵的節能潛力。此外，該方法忽略了水泵電機效率的變化，故推算精度較差，由于不能依據情況的變化擴展或收縮高效率區域，因而應用欠靈活。在冷卻塔行業中，廣泛應用的對風機電機進行調速控制辦法是采集冷卻塔出水口 的循環冷卻水水溫，利用冷卻塔出水溫度作為控制量，采用恒溫閉環控制。該方法雖然可以 使風機電機實現一定程度上的節能控制，但在冷卻塔水溫上升時，只能單純地通過增加風 機轉速來提高冷效，缺少與系統其他部分的協調與控制，仍有很大的節能空間。大量的實踐和調查表明，目前實際應用的大多數冷卻塔，其循環冷卻水在冷卻塔 的出水口一般具有較大的富余水頭(6-16m)未能得到充分利用，白白浪費了大量用于驅動 水泵的電能。已授權發明專利CN100360795C、已公開發明專利CN101328899A以及已授權 實用新型專利CN201103510Y等分別公布了雙擊式、混流式、貫流式等形式的水輪機驅動冷 卻塔風機的實施方案。這些專利利用水輪機驅動風機運轉，一方面可以取消風機電機，節約 了相應的電能；另一方面充分利用了水泵原本被浪費的富余能量。這些專利所公開的技術 存在的問題是首先，應用水力驅動型風機的冷卻塔與傳統冷卻塔一樣，工作狀態單一，不 能隨各方面條件的變化進行智能化調節從而做到節能運行。其次，冷卻塔出水口的富余水 頭本是為提高系統可靠性而預留的裕量，隨著冷卻塔運行時間的增加，管路的管損增大，該 富余水頭會逐漸減小。而水輪機在對該部分富余水頭加以利用使得管路出水口的富余壓力 大幅下降，系統的可靠性將會隨著運行時間的增加而降低。最后，目前的水力驅動型風機多 應用于民用領域的冷卻塔，而在節能潛力巨大的工業領域，該項技術目前尚未得到大規模 推廣，其主要原因是工業冷卻塔要求的風機功率更高，同樣流量的冷卻塔，需要更高的富余 水頭。強制推廣應用必須以提高水泵揚程作為輔助手段，這樣就會增加水泵電機的輸出功 率，節能效果并不理想。發明專利CN100467990C公布了 一種“具有變水壓調風量水力通風 裝置的節能冷卻塔”，該專利對單獨應用水輪機驅動風機的冷卻塔進行了改進，在水輪機的 進水口和出水口分別并聯了增壓水泵和減壓閥，以實現對冷卻塔風機的動態控制。該專利 所公開的技術存在的問題是增壓水泵的流量若選的較小，則難以實現增壓的目的；若流 量選的較大，則增壓水泵的功率加大，所消耗的電能又將加大整個系統的能耗。而且通過增 壓泵將增壓泵電機所消耗的電能最終轉化為風機運轉的機械能，期間要經過多個能量轉換 的環節，效率較低。
發明內容
本發明的目的是針對現有冷卻塔在應用變頻器或水輪機的過程中存在節能效果 不佳、可靠性下降等問題，提出一種基于動力合成器的冷卻塔綜合節能系統及其控制方法。 本發明結合冷卻塔系統的實際情況，合理地控制循環冷卻水水泵的工作狀態，通過動力合 成器合成水輪機和電動機兩種驅動裝置的動力驅動風機運轉，使得冷卻塔在保證運行可靠 性的前提下，充分地利用了循環冷卻水的富余能量，可以取得顯著的節能效果。本發明采用的技術方案如下本發明基于動力合成器的冷卻塔綜合節能系統主要包括動力合成器、風機、水輪 機、第一電動機、第二電動機、第一變頻器、第二變頻器、水泵、傳感器組、智能控制器等。傳 感器組包括轉速傳感器、流量計、壓力傳感器、第一溫度傳感器、第二溫度傳感器、干濕球溫 度傳感器。其中，轉速傳感器位于動力合成器的輸出軸端，流量計、壓力傳感器以及第一溫度傳感器位于冷卻塔的循環冷卻水管路進水口處，第二溫度傳感器位于冷卻塔的出水口 處，干濕球溫度傳感器置于冷卻塔附近的空氣中。傳感器組的信號輸出端與智能控制器的 信號輸入端相連。智能控制器的信號輸出端與動力合成器、第一變頻器和第二變頻器的信 號輸入端相連，第一變頻器與第一電動機相連，第二變頻器與第二電動機相連，第二電動機 與水泵相連。水輪機的進水口與水泵的出水口通過管路相連，動力合成器的兩個輸入軸分 別與水輪機和第一電動機的輸出軸相連，動力合成器的輸出軸與風機相連。本發明冷卻塔綜合節能系統在水輪機和風機之間加入動力合成器和第一電動機， 以便在需要時將水輪機和第一電動機的動力進行合成，增加驅動風機的機械功率。動力合 成器是一個帶有離合裝置的機械傳動裝置，可以將水輪機和第一電動機的動力進行 轉速匹 配和轉矩合成，共同驅動風機運轉；在不需要第一電動機時，也可以利用動力合成器上的離 合裝置將第一電動機與其他機械裝置分開，由水輪機單獨驅動風機。由于水輪機的飛逸轉 速遠高于實際運行的轉速，因此在水輪機與第一電動機共同驅動風機時，工作轉速會隨之 升高，持續輸出功率，不會出現第一電動機既驅動風機又拖動水輪機從而導致電能浪費的 情況。本發明冷卻塔綜合節能系統采用水輪機作為主要動力，第一電動機作為輔助動力 驅動風機運轉；智能控制器依據冷卻塔、水泵和水輪機的工作狀態以整體耗能最低的原則 對水泵和風機的工作狀態進行調節，在調節水泵工作狀態的同時，也間接對水輪機的工作 狀態進行調節，以實現循環冷卻水水泵以及冷卻塔風機的節能運行。智能控制器進行控制 的執行機構主要是第一變頻器、第二變頻器及動力合成器，進行控制的對象主要是第一電 動機和第二電動機。對第一電動機和第二電動機進行控制的方法為當冷卻塔的冷卻效果 不好，需要調整整個系統的運行狀態時，若造成冷卻效果下降的原因是負荷增加，則增加第 二電動機的輸出功率，提升水泵的流量和揚程；若造成冷卻效果下降的原因是環境條件變 得更加惡劣，則增加第一電動機的輸出功率。當冷卻塔的冷卻效果滿足要求可以節能運行 時，則優先減小第一電動機的輸出功率，當第一電動機關閉后，再逐漸減小第二電動機的輸 出功率。對本發明冷卻塔綜合節能系統控制的具體過程為第一溫度傳感器、第二溫度傳 感器和干濕球溫度傳感器分別采集冷卻塔的進水溫度tls、出水溫度t2s和環境的濕球溫度 τ s,并將所采集的數據送給智能控制器。智能控制器首先判斷冷卻塔的出水溫度t2s是否 高于設定值，若高于設定值，則說明冷卻塔的冷卻效果不能滿足要求，需要對水泵或風機的 工作狀態進行調整。若要判明冷卻塔冷卻效果不能滿足要求的原因，則需要智能控制器繼 續判斷冷卻塔的進水溫度tls以及環境的濕球溫度％是否高于設定值。若冷卻塔的進水 溫度tls高于設定值而環境的濕球溫度τ s低于設定值，則說明導致冷卻塔冷卻效果不能滿 足要求的原因是熱負荷的增加。此時不必開動第一電動機，只增加第二電動機的輸出功率， 提升水泵的流量和揚程即可。這樣，一方面可以增大水泵的流量，加快循環冷卻水的循環速 度，有利于循環水更快地被冷卻，降低冷卻塔的進水溫度；另一方面，增大了水輪機的工作 流量和壓力，使水輪機的輸出功率增大，進而使風機的風量增加，從而使冷卻塔的冷卻效能 提升。若冷卻塔的進水溫度tls低于設定值而環境的濕球溫度％高于設定值，則說明導致 冷卻塔冷卻效果不能滿足要求的原因是環境條件變得更惡劣，此時通過增加第一電動機的 輸出功率來增加風機的風量，而不提升水泵的流量和壓力。在該條件下，對比通過增加水輪機的輸出功率來增加風量的方法，本發明控制方法一方面可以控制循環冷卻水的熱負荷不增加，因而風量不必增加很多，另一方面可以避免因循環冷卻水流量的增加而加大冷卻塔 的阻力系數，使風機在較低的風壓下增大風量，更有利于控制和節省第一電動機和第二電 動機的總輸出功率。若冷卻塔的進水溫度tls和環境的濕球溫度τ 3均高于設定值，則表明 導致冷卻塔冷卻效果不能滿足要求的上述兩個原因均存在，因此第一電動機和第二電動機 的功率均要增加，此時冷卻塔的工況將接近或工作于滿負荷工況。若冷卻塔的進水溫度tls 和環境的濕球溫度Ts均低于設定值，則表明導致冷卻塔冷卻效果不能滿足要求的原因可 能是系統的某個部分發生故障需要檢修，因此將第一電動機和第二電動機均恢復至額定工 況同時報告故障。若冷卻塔的出水溫度t2s低于設定值，則一方面說明冷卻塔的冷卻效果較好，另一 方面也表明冷卻塔的運行存在冷卻效能過剩的情況。此時逐漸減小第一電動機的輸出功 率；若第一電動機已關閉，則逐漸減小第二電動機的輸出功率，減小水泵的流量，減緩循環 冷卻水的循環速度，使冷卻塔的進水溫度tls和出水溫度t2s均穩定于設計值，同時實現節能 運行。控制冷卻塔的進水溫度tls和出水溫度t2s均穩定于各自的設定值進而溫度循環冷 卻水進出冷卻塔的溫差有利于充分發揮冷卻塔的冷卻效能，實現最優的節能效果；此外，在 我國北方等冬季嚴寒地區也可以有效防止循環冷卻水的結冰現象。與現有的溫度負反饋控 制的方法相比，本發明的控制方法也可以避免對各個電動機進行頻繁啟停的控制，有利于 降低電動機和調速設備因工作狀態頻繁變化而帶來的額外損耗。對第二電動機的控制采用以冷卻塔進水溫度作為反饋量并增加效率判斷環節的 閉環控制方法。在控制周期開始時，第一溫度傳感器采集冷卻塔的進水溫度tls，送至智能控 制器。智能控制器將冷卻塔的進水溫度tls與進水溫度的設定值、。進行比較，其差值經過智 能控制器的調節子程序處理后生成初始的第二電動機的轉速控制信號Iiltl送給智能控制器 的判斷子程序。當n1(l向遞增的方向變化時，要判斷水泵和水輪機是否工作在各自的高效率 區域。流量計、壓力傳感器和轉速傳感器分別檢測冷卻塔入口循環冷卻水的流量Qs、壓力Hs 和風機轉速n3等參數送至智能控制器。智能控制器依據采集的Qs、Hs、n3等參數計算水輪機 的單位流量Q11和單位轉速nn，得到水輪機在其特性曲線上的工作點(Q11A11)，同時估算水 泵的實際揚程H/，得到水泵運行的工作點(Qs，H/ )，進而判斷以上兩工作點是否在相應特 性曲線上的高效率區域。若水輪機和水泵的工作點均在各自的高效率區域，則表明水輪機 和水泵的工作效率較高，此時輸出本周期的第二電動機的轉速控制信號n1(l給第二變頻器， 第二變頻器完成對第二電動機的調速控制；否則輸出上一周期的n1(l，維持第二電動機原來 的運行狀態。由于水泵所消耗的軸功率與轉速的三次方成正比變化，當n1(l減小時，水泵所 需的軸功率會大幅下降，即便水泵及第二電動機的工作效率會有所下降仍然可以節約更多 的電能。因此當Iiltl向遞減的方向變化時，智能控制器不經過判斷直接輸出本周期的第二電 動機的轉速控制信號Iiltl給第二變頻器對第二電動機的工作狀態進行控制。本發明直接使用采集的參數實時判斷水泵的工作區域，節省了推算步驟，故精度 較高；而調節范圍則是依據系統工作的實際狀況確定，故在整體節能效果上，本發明優于現 有技術。第一電動機的控制方法為在啟動狀態采用轉速預估和轉速反饋的單閉環控制，在穩定運行狀態采用基于溫度和轉速反饋的常規雙閉環控制。在第一電動機啟動之前，轉 速傳感器檢測風機的轉速n3送至智能控制器，智能控制器進而計算第一電動機需要達到的 初始轉速n/，以n/作為參考量啟動第一電動機，經過Δ t秒后，智能控制器將動力合成器 的電磁離合器閉合，第一電動機投入工作，其中At為第一電動機的啟動時間。在動力合成 器的電磁離合器閉合之后，智能控制器依據轉速傳感器檢測的風機轉速113計算第一電動機 的實際轉速n2s。在第一電動機的啟動狀態，流量計、第一溫度傳感器、第二溫度傳感器和干 濕球溫度傳感器分別采集冷卻塔循環冷卻水的流量Qs、進水溫度tls、出水溫度t2s、環境的 干球溫度θ s、濕球溫度等參數送至智能控制器，智能控制器的轉速預估子程序依據上 述參數判斷冷卻塔的工作狀態，計算需要的風量并對第一電動機的目標轉速進行預估得到 第一電動機的目標轉速112，112作為參考量與第一電動機的實際轉速n2s進行閉環控制。當第 一電動機的轉速穩定后，第二溫度傳感器采集冷卻塔出水溫度t2s送至智能控制器，智能控 制器將t2s與出水溫度設定值t2(l進行比較，其差值經過智能控制器的外環調節子程序處理 后生成初始的第一電動機的轉速控制信號n2’，n2’作為參考量與第一電動機的實際轉速n2s 作為控制內環進行閉環控制，得到最終的第一電動機的轉速控制信號H2tl送給第一變頻器， 第一變頻器完成對第一電動機的轉速控制并進而實現對風機轉速的調節。與單純的溫度負 反饋控制的方法相比，本發明的控制方法使風機運行的穩定性更好。 本發明的優越性和技術效果在于1.本發明通過分析判斷冷卻塔的運行狀態，協調控制水泵和風機這兩個主要耗能 設備的工況，合理分配電能在水泵電機和風機電機的份額，實現系統的最佳節能效果。2.本發明對水泵采用冷卻塔進水溫度的恒溫控制，利用水輪機充分利用水泵富余 揚程，一方面避免了恒壓控制需要調整管路阻力曲線的缺點，另一方面也避免了常規恒溫 控制無法充分利用水泵在額定工況下的富余揚程以及水泵的效能不能完全發揮的缺點。3.本發明通過動力合成器控制電動機在需要的時候間歇性地投入運轉，在充分利 用了水泵富余揚程的同時，也提高了冷卻塔運行的可靠性。4.本發明可以根據實際情況合理地調整分配風機總的需求功率在水輪機和電動 機之間的份額，優化水泵、水輪機以及風機電機的容量配置，可配備小功率風機電機，節省 相應的投資，也有助于擴大水輪機的應用范圍。
圖1是本發明的系統結構示意圖；圖2是本發明的具體實施方式
中風機、動力合成器、水輪機及第一電動機的布置 示意圖；圖3是本發明動力合成器的結構示意圖；圖4是本發明控制方法的總流程圖；圖5是本發明水泵及第二電動機的控制框圖；圖6是本發明水泵及第二電動機的控制框圖中判斷子程序的流程圖；圖7是本發明第一電動機的啟動流程圖；圖8是本發明第一電動機的控制框圖。
具體實施例方式下面結合附圖和具體實例方式對本發明作進一步說明。如圖1所示，基于動力合成器的冷卻塔綜合節能系統主要包括動力合成器1、風機2、水輪機3、第一電動機4、第一變頻器5、水泵6、第二電動機7、第二變頻器8、傳感器組 9、智能控制器10等。傳感器組9包括轉速傳感器901、流量計902、壓力傳感器903、第一溫 度傳感器904、第二溫度傳感器905、干濕球溫度傳感器906。其中，轉速傳感器901位于動 力合成器的輸出軸端，流量計902、壓力傳感器903以及第一溫度傳感器904位于冷卻塔的 循環冷卻水管路進水口處，第二溫度傳感器905位于冷卻塔的出水口處，干濕球溫度傳感 器906置于冷卻塔附近的空氣中。傳感器組9的信號輸出端與智能控制器10的信號輸入 端相連。智能控制器10的信號輸出端與動力合成器1、第一變頻器5以及第二變頻器8相 連，第一變頻器5與第一電動機4相連，第二變頻器8與第二電動機117相連，第二電動機 7與水泵6相連。圖2所示為風機2、動力合成器1、水輪機3及第一電動機4的布置示意圖。所述 水輪機3的入水口與水泵6的出水口通過管路相連，動力合成器1的兩個輸入軸分別與水 輪機3和第一電動機4的輸出軸相連，動力合成器1的輸出軸與風機2相連。如圖3所示，在本實施例中，所述的動力合成器1主要包括第一輸入軸101、電磁 離合器102、第一主動輪103、第一從動輪104、第二輸入軸105、輸出軸106、第二從動輪107 等。其中第一輸入軸101 —端與第一電動機4的輸出軸連接，另一端利用軸承與第一主動輪 103實現固定。所述的電磁離合器102為常規產品，其結構包括磁軛、線圈、動盤、銜鐵和蝶 形彈簧等部件。電磁離合器102的動盤與第一輸入軸101固定，磁軛和線圈與機殼相固定， 銜鐵和蝶形彈簧與第一主動輪103相連。動力合成器1的信號輸入端與智能控制器10的 信號輸出端相連。所述的第一主動輪103和第一從動輪104依據第一電動機4的布置方式 選用錐形齒輪，第一從動輪104利用平鍵與第二輸入軸105相固定。所述的第二輸入軸105 為齒輪軸，其上的主動輪與第二從動輪107嚙合，第二從動輪107利用平鍵與輸出軸106相 固定。所述的智能控制器10為數字信號處理器或其他單片機系統，水輪機3可以根據冷 卻塔的實際情況選擇混流式、軸流式、雙擊式等。對本發明冷卻塔綜合節能系統控制方法的總流程圖如圖4所示。所述的轉速傳感器901、流量計902、壓力傳感器903、第一溫度傳感器904、第二 溫度傳感器905、干濕球溫度傳感器906分別采集風機2的轉速、循環冷卻水的流量、壓力、 冷卻塔的進水溫度、冷卻塔的出水溫度、環境的干濕球溫度送給智能控制器10，智能控制器 10根據以上參數對冷卻塔、水泵6和水輪機3工作狀態進行分析，若造成冷卻塔冷卻效果下 降的原因是負荷增加，則減小第二電動機7的輸出功率，進而增加水泵6的流量和揚程；若 造成冷卻塔冷卻效果下降的原因是由于環境條件變化帶來的影響，則增加第一電動機4的 輸出功率；當冷卻塔的冷卻效果滿足要求可以節能運行時，則優先減小第一電動機4的輸 出功率，當第一電動機4關閉后，再逐漸減小第二電動機7的輸出功率，降低水泵6的流量 和揚程。傳感器組9中的第一溫度傳感器904、第二溫度傳感器905和干濕球溫度傳感器 906按一定的周期采集冷卻塔的進水溫度tls、出水溫度t2s以及環境的濕球溫度τ s，并送至智能控制器10，智能控制器10判斷冷卻塔的出水溫度t2s是否高于冷卻塔出水溫度的設定值t2(l+At2，其中t2(l為冷卻塔出水溫度的設計值，At2為設計所允許的溫度偏差。若冷卻塔的出水溫度t2s高于設定值t2(l+At2，則繼續判斷冷卻塔的進水溫度tls 以及環境的濕球溫度^是否高于設定值^1(|+八、和％+Δ τ。其中t1(l為冷卻塔進水溫度 的設計值，At1為設計所允許的溫度偏差；τ ^為環境濕球溫度的設計值，Δ τ為設計所允 許的溫度偏差。當冷卻塔的進水溫度tls高于設定值t1(l+At1，而環境的濕球溫度低于 設定值^+Δ τ時，調用第二電動機7的控制程序，增加第二電動機7的輸出功率。當冷 卻塔的進水溫度tls低于設定值t1(l+At1而環境的濕球溫度％高于設定值％+Δ τ時， 此時只調用第一電動機4的控制程序，增加第一電動機4的輸出功率。當冷卻塔的進水溫 度tls高于設定值 1(1+Δ、，同時環境的濕球溫度Ts也高于設定值τ J Δ τ時，同時調用 第一電動機4和第二電動機7的控制程序，增加二者的輸出功率。當冷卻塔的進水溫度tls 低于設定值t1(l+At1,同時環境的濕球溫度％也低于設定值τ J Δ τ時，智能控制器10 通過控制第一變頻器5和第二變頻器8將第一電動機4和第二電動機7均恢復至額定工況 同時報告故障。若冷卻塔的出水溫度t2s低于設定值t2(l+At2，則進而判斷t2s是否低于設定值 t2crAt2，若高于設定值t2(|-At2，則結束本周期控制；若低于設定值t2(|-At2，則調用第一 電動機4的控制程序，逐步減小第一電動機4的輸出功率；若第一電動機4已關閉，則判斷 冷卻塔的進水溫度tls是否低于設定值 1(ΓΔ、。若高于設定值AicrAt1，則結束本周期控 制；若低于設定值AicrAt1，則調用第二電動機7的控制程序，逐漸減小第二電動機7的輸 出功率。整個控制過程在保持冷卻塔出水溫度t2s不高于設定值t2(l+A t2的同時，也保持 冷卻塔的進水溫度tls穩定在設定值^^八^與^廠八、之間，以充分發揮冷卻塔的冷卻效 能。對第二電動機7的控制是在常規單閉環控制的基礎上，以冷卻塔進水溫度作為反 饋量，并增加效率判斷環節。第二電動機7的控制框圖如圖5所示，在控制周期開始時，第 一溫度傳感器904采集冷卻塔的進水溫度tls送至智能控制器10，智能控制器10將tls與 進水溫度的設定值t1(l進行比較，其差值經過智能控制器10的調節子程序處理后生成初始 的第二電動機7的轉速控制信號Iiltl送給智能控制器10的判斷子程序。判斷子程序的工作 流程圖如圖6所示，當n1Q向遞增的方向變化時，流量計902、壓力傳感器903和轉速傳感器 901分別檢測冷卻塔入口循環冷卻水的流量Qs、壓力Hs和風機2的轉速Ii3等參數送至智能 控制器10，智能控制器10依據采集的Qs、Hs、n3等參數計算水輪機3的單位流量Q11和單位 轉速nn，得到水輪機3在其特性曲線上的工作點(Qn，nn)，同時估算水泵6的實際揚程Hs’， 得到水泵6運行的工作點(QS，HS’)，進而判斷以上兩工作點是否在相應特性曲線上的高效 率區域，若水輪機3和水泵6的工作點均在各自的高效率區域，則表明水輪機3和水泵6的 工作效率較高，此時輸出本周期的第二電動機7的轉速控制信號n1(1給第二變頻器8，第二 變頻器8完成對第二電動機7的調速控制；否則輸出上一周期的轉速控制信號n1(1，維持第 二電動機7原來的運行狀態。由于水泵所消耗的軸功率與轉速的三次方成正比變化，當n1Q 減小時，第二電動機7的輸出功率會大幅下降，即便水泵6和第二電動機7的工作效率會有 所下降仍然可以節約更多的電能。因此當第二電動機7轉速控制信號Iiltl向遞減的方向變化時，智能控制器10不經過判斷直接輸出本周期第二電動機的轉速控制信號n1(1送給第二 變頻器8，第二變頻器8實現對第二電動機7的工作狀態的調速控制。
對第一電動機4的控制是在啟動狀態采用轉速預估和轉速反饋的單閉環控制，在 穩定運行狀態采用溫度和轉速反饋的常規雙閉環控制。第一電動機4的啟動流程圖如圖7 所示，在第一電動機4啟動之前，轉速傳感器901檢測風機2的轉速Ii3送至智能控制器10， 智能控制器10進而計算第一電動機4需要達到的初始轉速n/，以n/作為參考量啟動第一 電動機4，經過At秒后，智能控制器10將動力合成器1的電磁離合器102閉合，第一電動 機4投入工作，其中At為第一電動機4的啟動時間。在動力合成器1的電磁離合器102 閉合之后，智能控制器10依據轉速傳感器901檢測的風機2的轉速Ii3計算第一電動機4的 實際轉速n2s。第一電動機4的控制框圖如圖8所示，在第一電動機4的啟動狀態，流量計 902、第一溫度傳感器904、第二溫度傳感器905和干濕球溫度傳感器906分別采集冷卻塔循 環冷卻水的流量Qs、進水溫度tls、出水溫度t2s、環境的干球溫度θ s和濕球溫度Ts等參數 送至智能控制器10，智能控制器10利用控制程序中的轉速預估子程序判斷冷卻塔的工作 狀態，計算需要的風量并對第一電動機4的目標轉速進行預估得到第一電動機4的目標轉 速n2，經過延時和切換子程序，將Ii2作為參考量與第一電動機4的實際轉速n2s進行閉環控 制。當第一電動機4的轉速穩定后，第二溫度傳感器905采集冷卻塔出水溫度t2s送至智能 控制器10，智能控制器10將t2s與出水溫度的設定值t2(l進行比較，其差值經過智能控制器 10的外環調節子程序處理后生成初始的第一電動機4的轉速控制信號n2’。此時智能控制 器10的延時和切換子程序轉為接受II2’作為參考量與第一電動機4的實際轉速n2s作為控 制內環進行閉環控制，得到最終的第一電動機4的轉速控制信號Ii2tl送給第一變頻器5，第 一變頻器5完成對第一電動機4的轉速控制并進而實現對風機2的轉速的調節 。
權利要求
一種基于動力合成器的冷卻塔綜合節能系統，包括風機(2)、水輪機(3)、第一電動機(4)、第一變頻器(5)、水泵(6)、第二電動機(7)、第二變頻器(8)和傳感器組(9)，其特征是所述綜合節能系統還包括動力合成器(1)和智能控制器(10)；所述的傳感器組(9)包括轉速傳感器(901)、流量計(902)、壓力傳感器(903)、第一溫度傳感器(904)、第二溫度傳感器(905)、干濕球溫度傳感器(906)；轉速傳感器(901)位于動力合成器(1)的輸出軸端，流量計(902)、壓力傳感器(903)以及第一溫度傳感器(904)位于冷卻塔的循環冷卻水管路進水口處，第二溫度傳感器(905)位于冷卻塔的出水口處，干濕球溫度傳感器(906)置于冷卻塔附近的空氣中；傳感器組(9)的信號輸出端與智能控制器(10)的信號輸入端相連，智能控制器(10)的信號輸出端與動力合成器(1)、第一變頻器(5)和第二變頻器(8)相連，第一變頻器(5)與第一電動機(4)相連，第二變頻器(8)與第二電動機(7)相連，第二電動機(7)與水泵(6)相連驅動水泵(6)運轉，水輪機(3)的進水口與水泵(6)的出水口通過管路相連，動力合成器(1)的兩個輸入軸分別與水輪機(3)和第一電動機(4)的輸出軸相連，動力合成器(1)的輸出軸與風機(2)相連，所述的綜合節能系統采用水輪機(3)作為主要動力，第一電動機(4)作為輔助動力驅動風機(2)運轉。
2.應用于權利要求1所述的基于動力合成器的冷卻塔綜合節能系統的控制方法，其特 征是所述的轉速傳感器(901)、流量計(902)、壓力傳感器(903)、第一溫度傳感器(904)、 第二溫度傳感器(905)、干濕球溫度傳感器(906)分別采集風機(2)的轉速、循環冷卻水的 流量、壓力、冷卻塔的進水溫度tls、冷卻塔的出水溫度t2s、環境的干濕球溫度τ s，并送至智 能控制器(10)，智能控制器(10)根據以上參數對冷卻塔、水泵(6)和水輪機(3)工作狀態 進行分析，若造成冷卻塔冷卻效果下降的原因是負荷增加，則增加第二電動機(7)的輸出 功率，進而增加水泵(6)的流量和揚程；若造成冷卻塔冷卻效果下降的原因是由于環境條 件變化帶來的影響，則增加第一電動機(4)的輸出功率；當冷卻塔的冷卻效果較好可以節 能運行時，則優先減小第一電動機(4)的輸出功率，當第一電動機(4)關閉后，再逐漸減小 第二電動機(7)的輸出功率，降低水泵(6)的流量和揚程。
3.根據權利要求2所述的控制方法，其特征是對所述的第二電動機(7)是在常規單 閉環控制的基礎上，以冷卻塔進水溫度作為反饋量，并增加效率判斷環節；在控制周期開始 時，第一溫度傳感器(904)采集冷卻塔的進水溫度，送至智能控制器(10)；智能控制器(10) 將冷卻塔的進水溫度與進水溫度設定值進行比較，進水溫度與進水溫度設定值的差值經過 智能控制器(10)的調節子程序處理后，生成初始的第二電動機(7)的轉速控制信號，送給 智能控制器(10)的判斷子程序；判斷子程序的工作流程為當第二電動機(7)的轉速控制 信號向遞增的方向變化時，流量計(902)、壓力傳感器(903)和轉速傳感器(901)分別檢測 冷卻塔入口循環冷卻水的流量、壓力和風機轉速等參數，送至智能控制器(10)，智能控制器 (10)依據采集的冷卻塔入口循環冷卻水的流量、壓力和風機轉速等參數計算水輪機(3)的 單位流量和單位轉速，得到水輪機(3)在水輪機(3)的特性曲線上的工作點，智能控制器 (10)同時估算水泵(6)的實際揚程，得到水泵(6)在水泵(6)的特性曲線上的工作點，進而 判斷水輪機(3)和水泵(6)的工作點是否在各自特性曲線上的高效率區域；若水輪機(3) 和水泵(6)的工作點均在各自特性曲線上的高效率區域，則表明水輪機3和水泵6的工作 效率較高，此時輸出本周期的第二電動機(7)的轉速控制信號給第二變頻器(8)，第二變頻 器(8)完成對第二電動機(7)的調速控制；否則輸出上一周期的第二電動機(7)的轉速控制信號，維持第二電動機(7)原來的運行狀態；當第二電動機(7)的轉速控制信號向遞減的 方向變化時，智能控制器(10)不經過判斷直接輸出本周期的第二電動機(7)的轉速控制信 號送至第二變頻器(8)，第二變頻器(8)實現對第二電動機(7)的工作狀態的調速控制。
4.根據權利要求2所述的控制方法，其特征是對所述的第一電動機(4)在啟動狀態 采用轉速預估和轉速反饋的單閉環控制，在穩定運行狀態采用溫度和轉速反饋的雙閉環控 制；在第一電動機⑷啟動之前，轉速傳感器(901)檢測風機(2)的轉速送至智能控制器 (10)，智能控制器(10)計算第一電動機(4)需要達到的初始轉速，并以初始轉速作為參考 量啟動第一電動機(4)，經過At秒后，將動力合成器(1)的電磁離合器(102)閉合，第一 電動機⑷投入工作，其中At為第一電動機(4)的啟動時間；在動力合成器(1)的電磁離 合器(102)閉合之后，智能控制器(10)依據轉速傳感器(901)檢測的風機(2)的轉速計算 第一電動機(4)的實際轉速；在第一電動機(4)啟動狀態，流量計(902)、第一溫度傳感器 (904)、第二溫度傳感器(905)和干濕球溫度傳感器(906)分別采集冷卻塔循環冷卻水的流 量、進水溫度、出水溫度、環境的干濕球溫度等參數送至智能控制器(10)，智能控制器(10) 利用控制程序中的轉速預估子程序判斷冷卻塔的工作狀態，計算需要的風量并對第一電動 機⑷的目標轉速進行預估得到第一電動機⑷的目標轉速，智能控制器(10)將第一電動 機(4)的目標轉速作為參考量與第一電動機(4)的實際轉速進行閉環控制；當第一電動機 (4)的轉速穩定后，第二溫度傳感器(905)采集冷卻塔出水溫度送至智能控制器(10)，智 能控制器(10)將冷卻塔出水溫度與出水溫度的設定值進行比較，其差值經過智能控制器 (10)的外環調節子程序處理后生成初始的第一電動機(4)的轉速控制信號；此時智能控制 器(10)的延時和切換子程序轉為接受初始的第一電動機(4)的轉速控制信號作為參考量 與第一電動機(4)的實際轉速作為控制內環進行閉環控制，得到最終的第一電動機(4)的 轉速控制信號送給第一變頻器(5)，第一變頻器(5)完成對第一電動機(4)的轉速控制并進 而實現對風機(2)的轉速的調節。
5.根據權利要求2所述的控制方法，其特征是在保持冷卻塔出水溫度不高于設定溫 度的同時，也保持冷卻塔的進水溫度穩定在設定值。
全文摘要
一種基于動力合成器的冷卻塔綜合節能系統及其控制方法，由傳感器組(9)采集風機(2)的轉速、循環冷卻水的流量、壓力、冷卻塔的進水溫度和出水溫度、環境的干濕球溫度，并送給智能控制器(10)，智能控制器(10)控制冷卻塔、水泵(6)和水輪機(3)工作狀態，若造成冷卻塔的冷卻效果下降的原因是負荷增加，則增加第二電動機(7)的輸出功率，進而提高水泵(6)的流量和揚程；若山于環境條件變化造成冷卻效果下降時，則增加第一電動機(4)的輸出功率；當冷卻塔的冷卻效果達到要求可以節能運行時，則優先減小第一電動機(4)的輸出功率，當第一電動機(4)關閉后，再逐漸減小第二電動機(7)的輸出功率，降低水泵(6)的流量和揚程。
文檔編號F28F27/00GK101865613SQ20101020038
公開日2010年10月20日 申請日期2010年6月9日 優先權日2010年6月9日
發明者史金華, 張國強, 郭潤睿 申請人:中國科學院電工研究所;南京大洋冷卻塔股份有限公司