專利名稱：基于動力合成器的冷卻塔綜合節(jié)能系統的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種冷卻塔綜合節(jié)能系統，特別涉及一種基于動力合成和智能控制 的冷卻塔綜合節(jié)能系統。
背景技術：
冷卻塔是應用非常普遍的水資源循環(huán)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(huán)。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(tài)單一，不具備隨各項參數的變化而自動調節(jié)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(jié)能控制，但從整個系統的角度看，卻并 不是最優(yōu)的結果，還有很大的節(jié)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(huán)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(huán)冷卻水壓力，利用水壓作為控制量進行閉環(huán)控制。該控制方法的 缺點是負荷的變化必須以循環(huán)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(huán)冷卻水的溫度變化上，若要 進一步改變循環(huán)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(huán)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(jié)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(jié)范圍，影 響了該方法在循環(huán)冷卻水系統中的應用。發(fā)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(qū)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(tài)。但該發(fā)明并未指出當水泵在高效率區(qū)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(jié)；而如果水泵在 高效率區(qū)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(tài)下，即使 水泵的效率有所下降，仍可取得較好的節(jié)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(fā)掘水泵的節(jié)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(qū)域，因而應用欠靈活。在冷卻塔行業(yè)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(huán)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(huán)控制。該方法 雖然可以使風機電機實現一定程度上的節(jié)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(jié)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(huán)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(fā)明專利CN100360795C、已公開發(fā)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(jié)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(tài)單一，不能隨各方面條件的變化進行智能化調節(jié)從而做到節(jié)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(jié)能潛力巨大的 工業(yè)領域，該項技術目前尚未得到大規(guī)模推廣，其主要原因是工業(yè)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(jié)能效果并不理想。發(fā)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(jié)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(tài)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(huán)節(jié)，效率較 低。
發(fā)明內容本發(fā)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(jié)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(jié)能系統。本發(fā)明結 合冷卻塔系統的實際情況，合理地控制循環(huán)冷卻水水泵的工作狀態(tài)，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(huán)冷卻水的富余能量，可以取得顯著的節(jié)能效果。本發(fā)明采用的技術方案如下本發(fā)明基于動力合成器的冷卻塔綜合節(jié)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(huán)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(fā)明冷卻塔綜合節(jié)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(xù)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(fā)明冷卻塔綜合節(jié)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(tài)以整體耗能最低的 原則對水泵和風機的工作狀態(tài)進行調節(jié)，在調節(jié)水泵工作狀態(tài)的同時，也間接對水輪機 的工作狀態(tài)進行調節(jié)，以實現循環(huán)冷卻水水泵以及冷卻塔風機的節(jié)能運行。智能控制器 進行控制的執(zhí)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(tài)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(huán)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(jié)能運行時，則優(yōu)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。
圖1是本發(fā)明的系統結構示意圖；圖2是本發(fā)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(fā)明動力合成器的結構示意圖；具體實施方式
以下結合附圖和具體實例方式對本發(fā)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(jié)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(huán)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II 7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(guī)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。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(huán)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(huán)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(tài)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(huán)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(jié)能運行時，則優(yōu)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。
權利要求1.一種基于動力合成器的冷卻塔綜合節(jié)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(jié)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(huán)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。
2.根據權利要求1所述的所述的基于動力合成器的冷卻塔綜合節(jié)能系統，其特征在于 所述的綜合節(jié)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⑵運轉。
3.根據權利要求1所述的所述的基于動力合成器的冷卻塔綜合節(jié)能系統，其特征在 于所述的動力合成器(1)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)固定；電磁離合器(102)的動盤與第一輸入軸(101) 固定，電磁離合器(102)的磁軛和線圈與電機機殼固定，銜鐵和蝶形彈簧與第一主動輪 (103)相連；動力合成器(1)信號輸入端與智能控制器(10)的信號輸出端相連；第一從 動輪(104)與第二輸入軸(105)固定；第二輸入軸(105)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)固定。
專利摘要一種基于動力合成器的冷卻塔綜合節(jié)能系統，其傳感器組(9)中轉速傳感器(901)位于動力合成器(1)的輸出軸端，流量計(902)、壓力傳感器(903)和第一溫度傳感器(904)位于冷卻塔的進水口處，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。
文檔編號F28C1/00GK201795695SQ20102022547
公開日2011年4月13日 申請日期2010年6月9日 優(yōu)先權日2010年6月9日
發(fā)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