CN102339018B - 一种循环水系统综合优化控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种信息与控制技术领域，涉及到自动化技术，具体是指一种在循环水系统中综合优化控制的方法。本发明是通过控制系统检测环境温度、环境湿度、循环水冷却塔进口温度、出口温度、冷却水泵能耗、冷却塔风机能耗，并通过变频调速的方式控制冷却水泵流量及冷却塔风机的风量，控制方法根据所采集的参数，计算出在当前的实际生产所需要的热交换量下，为了使总能耗达到最低，冷却塔风机风量及冷却水泵流量的最优调节量，并通过变频执行机构实现对终端设备的控制。本发明的优点是节约能耗、节能用水等效果。本发明可广泛应用于使用冷却塔的场合。

Description

一种循环水系统综合优化控制方法

技术领域

本发明涉及一种信息与控制技术领域，涉及到自动化技术，具体是指一种在循环水系统中综合优化控制的方法。

技术背景

冷却系统在工业中一种常用设备，冷却循环水系统的原理是通过循环水泵用低温水将冷却设备的热量置换出，并在冷却塔内将置换出的热量散发至大气中，达到冷却设备的目的。冷却循环水系统的耗能设备有循环水泵及冷却塔风机。根据热传递原理，冷却设备的热交换量：

W＝dT×Q

W-热交换量

dT-冷却设备进出口温差

Q-冷却设备流经循环水流量

在以上公式中，温差dT同冷却塔风机风量有关，风机风量越大，dT越大，同时风机能耗也越大。循环水流量Q同循环水泵能耗有关，Q越大，循环水泵能耗也越大。根据以上的公式，为了获得相同的热交换量，可以通过调节风机风量或者循环水水量来实现。

目前对于冷却循环水系统中采用的技术是事先对操作参数进行设定，而这种设定虽然可以实现冷却效果，但从能耗上讲并不是最优化的，所以实现了一种目的的同时，也产生了另外一个技术问题。如何能有效把水流量、风机风量得到有效控制，实现总体的能耗优化，即可达到总体的节能效果。

发明内容

本发明针对现有技术中的不足，提出了一种优化控制方法，本装置同时控制控制循环水流量及风机风量，通过最优化控制算法，实时调节循环水流量及风机风量，在保持相同的热交换量的前提下循环水泵及风机能耗和达到最低，从总体上降低循环水系统的能耗。

为了实现最优化控制，首先需要建立循环水泵及冷却塔风机的能耗关系模型。

1、循环水泵能耗同流量关系模型

根据冷却水系统的动力学方程，

H＝Δh+KnQ²

W＝Km×H×Q

得出：

W＝K_m×(Δh+K_nQ²)×Q

H：水泵扬程

Δh：循环水系统位差

Q：水泵流量

W：水泵功率

Kn，Km：在特定的系统中是恒定的系数

2、冷却塔风机能耗同温差关系模型

在不同的环境温湿度、冷却塔进水温度下，风机的风量不同，将获得不同的冷却效果dT，因此，可以得出以下关系式：

dT：冷却塔进出口温差

T_c：环境温度

环境湿度

T_in：循环水冷却塔进口温度

W_f：塔风机功率

建立以上两个关系模型后，通过控制系统检测环境温度、环境湿度、循环水冷却塔进口温度、出口温度、冷却水泵能耗、冷却塔风机能耗，并通过变频调速的方式控制冷却水泵流量及冷却塔风机的风量。控制算法根据所采集的参数，计算出在当前的实际生产所需要的热交换量下，为了使总能耗达到最低，冷却塔风机风量及冷却水泵流量的最优调节量，并通过变频执行机构实现对终端设备的控制。

本发明是通过下述技术方案得以实现的：

一种循环水系统综合优化控制方法，其特征在于该方法的步骤包括：

步骤(1)通过仪器设备测量循环水系统的运行特征指标，建立实时数据库；具体测量的运行参数包括：循环水系统冷却设备进口温度、出口温度、流量、循环水泵实际功率、冷却塔风机实际功率、大气温度、湿度；这些可以通过一般的工业控制技术得以实现，通过温度传感器、流量传感器等实现；

步骤(2)根据冷却塔建立冷却塔冷却效果数学模型：

冷却塔风机的冷却效果dT与冷却塔风机风量Q_f、循环水出口温度T_o、环境温度T_c、环境湿度相关；其中，冷却塔风机风量Q_f与冷却塔风机实际功率W_f的关系为：

$W_f={\mathrm{KQ}}_f^3,$

冷却塔冷却效果建立数学模型如下：

其中，K、K₀、K₁、K₂、K₃、均为系数，是冷却塔固有的系数，不同冷却塔具有不同的系数；对于冷却塔生产厂家来讲，一台冷却塔的生产定型，也意味着上述参数的确定；所以在本发明中，这些系统均可在取得冷却塔时获得；

通过冷却塔冷却效果数学模型的建立，可以计算出在特定的气候条件下，冷却效果dT与冷却塔风机实际功率的关系；

步骤(3)建立循环水系统冷却设备热交换量与循环水泵及冷却塔风机功率的关系模型；

首先，对选择出的数据进行建模前的预处理，通过单位的变换或乘系数的方法，使各输入量及相应输出量的数据处于相同或相近的数量级，再对输入量进行归一化处理；

其次，建立冷却设备热交换量W_e与循环水系统运行参数的关系模型：

W_e＝Q_p×dT

循环水流量Q_p与循环水泵实际功率W_p的关系：

$Q_p=K_p\sqrt[3]{W_p}$

因此，

步骤(4)建立最优化控制算法：

最优化控制方法的实现目标是在热交换量W_e保持恒定的前提下，冷却塔风机的实际功率W_f与循环水泵的实际功率W_p之和达到最小：

将不同的风机实际功率W_f通过上述模型，可以获得一系列的W_p+W_f值，根据工艺要求，循环水流量有最低限限定，即循环水泵的实际功率W_p有最低限制值W_pL；实际运行功率W_p不允许低于最低限制值W_pL；

若，实际运行功率W_p高于最低限制值W_pL所获取W_p+W_f的最小值，即为循环水系统运行的最优控制值，在该操作参数下运行，冷却设备获得恒定的热交换量，同时，循环水系统中的耗能设备——循环水泵及冷却塔风机的实际总运行能耗达到最低。

有益效果：本发明可以使冷却塔运行更节能、节水、以及热交换效果更好。

附图说明

图1本发明的装置结构示意图

1、冷却塔风机 2、冷却塔 3、冷水池 4、冷却水泵 5、冷却设备进口温度仪

6、冷却水流量仪 7、冷却设备 8、冷却设备出口温度仪 9、控制装置

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的实施作具体说明：

实施例1

根据附图1所示结构，安装一台冷却塔装置，包括：冷却塔风机1、冷却塔2、冷水池3、冷却水泵4两台，冷却设备进口温度仪5、冷却水流量仪6、冷却设备7、冷却设备出口温度仪8、以及控制装置9。

步骤(1)通过安装在冷却塔上的仪器、设备测量循环水系统的运行特征指标，建立实时的温度、水流量数据库；具体测量的运行参数包括：循环水系统冷却设备进口温度、出口温度、流量、循环水泵实际功率、冷却塔风机实际功率、大气温度、湿度；

步骤(2)根据冷却塔建立冷却塔冷却效果数学模型：

冷却塔风机的冷却效果dT与冷却塔风机风量Q_f、循环水出口温度T_o、环境温度T_c、环境湿度

相关；其中，冷却塔风机风量Q_f与冷却塔风机实际功率W_f的关系为：

$W_f={\mathrm{KQ}}_f^3,$

冷却塔冷却效果建立数学模型如下：

其中，K、K₀、K₁、K₂、K₃均为固定系数；

通过冷却塔冷却效果数学模型可以计算出在特定的气候条件下，冷却效果dT与冷却塔风机实际功率的关系；

步骤(3)建立循环水系统冷却设备热交换量与循环水泵及冷却塔风机功率的关系模型；

首先，对选择出的数据进行建模前的预处理，通过单位的变换或乘系数的方法，使各输入量及相应输出量的数据处于相同或相近的数量级，再对输入量进行归一化处理；

其次，建立冷却设备热交换量W_e与循环水系统运行参数的关系模型：

W_e＝Q_p×dT

循环水流量Q_p与循环水泵实际功率W_p的关系：

$Q_p=K_p\sqrt[3]{W_p}$

因此，

步骤(4)建立最优化控制算法：

最优化控制方法的实现目标是在热交换量W_e保持恒定的前提下，冷却塔风机的实际功率W_f与循环水泵的实际功率W_p之和达到最小：

将不同的风机实际功率W_f通过上述模型，可以获得一系列的W_p+W_f值，根据工艺要求，循环水流量有最低限限定，即循环水泵的实际功率W_p有最低限制值W_pL；实际运行功率W_p不允许低于最低限制值W_pL；

若，实际运行功率W_p高于最低限制值W_pL所获取W_p+W_f的最小值，即为循环水系统运行的最优控制值，在该操作参数下运行，冷却设备获得恒定的热交换量，同时，循环水系统中的耗能设备——循环水泵及冷却塔风机的实际总运行能耗达到最低。

本发明中整个过程的实施是通过控制装置9对冷却塔风机1、冷却塔2、冷水池3、冷却水泵4，冷却设备进口温度仪5、冷却水流量仪6、冷却设备7、冷却设备出口温度仪8的智能监控进行的，并通过控制装置9对所获取相应的数据的运算，作出优化方法。

Claims (1)

1.一种循环水系统综合优化控制方法，其特征在于该方法的步骤包括：

步骤(1)通过仪器设备测量循环水系统的运行特征指标，建立实时数据库；具体测量的运行参数包括：循环水系统冷却设备进口温度、出口温度、流量、循环水泵实际功率、冷却塔风机实际功率、环境温度、湿度；

步骤(2)根据冷却塔建立冷却塔冷却效果数学模型：

冷却塔风机的冷却效果dT与冷却塔风机风量Q_f、循环水出口温度T_o、环境温度T_c、环境湿度

相关；其中，冷却塔风机风量Q_f与冷却塔风机实际功率W_f的关系为：

$W_f={\mathrm{KQ}}_f^3,$

冷却塔冷却效果建立数学模型如下：

其中，K、K₀、K₁、K₂、K₃、均为系数，是冷却塔固有的系数，不同冷却塔具有不同的系数；

通过冷却塔冷却效果数学模型的建立，可以计算出在特定的气候条件下，冷却效果dT与冷却塔风机实际功率的关系；

步骤(3)建立循环水系统冷却设备热交换量与循环水泵及冷却塔风机功率的关系模型；

首先，对选择出的数据进行建模前的预处理，通过单位的变换或乘系数的方法，使各输入量及相应输出量的数据处于相同或相近的数量级，再对输入量进行归一化处理；

其次，建立冷却设备热交换量W_e与循环水系统运行参数的关系模型：

W_e＝Q_p×dT

循环水流量Q_p与循环水泵实际功率W_p的关系：

$Q_p=K_p\sqrt[3]{W_p}$

因此，

步骤(4)建立最优化控制算法：

最优化控制方法的实现目标是在热交换量W_e保持恒定的前提下，冷却塔风机的实际功率W_f与循环水泵的实际功率W_p之和达到最小：

将不同的风机实际功率W_f通过上述模型，可以获得一系列的W_p+W_f值，根据工艺要求，循环水流量有最低限限定，即循环水泵的实际功率W_p有最低限制值W_pL；实际运行功率W_p不允许低于最低限制值W_pL；

若，实际运行功率W_p高于最低限制值W_pL所获取W_p+W_f的最小值，即为循环水系统运行的最优控制值，在该操作参数下运行，冷却设备获得恒定的热交换量，同时，循环水系统中的耗能设备——循环水泵及冷却塔风机的实际总运行能耗达到最低。