CN102508474A - 工业企业用冷却循环水优化运行控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于相关行业冷却循环水系统的运行优化控制系统，针对传统工业企业用冷却循环水系统所存在的问题，本发明提出构建一种智慧型的工业企业用冷却循环水运行优化控制系统。其具体技术方案为：一种工业企业用冷却循环水优化运行控制系统，其特征在于，该控制系统由如下5个子系统组成：管网智能动态平衡子系统、循环水泵智能高效变频控制子系统、温度采集补偿子系统、优化冷却子系统、冷却循环水运行用能管理子系统。

Description

工业企业用冷却循环水优化运行控制系统

技术领域

本发明构建一种智慧型、高效低耗的，工厂用冷却循环水的运行优化控制系统，可适用于相关行业冷去循环水系统的运行优化控制。

背景技术

统计表明，冷却水平均占到工业用水量的70%，其运行是确保相关工艺正常运行的关键因素之一，也是确保相关产品质量的重要环节之一。同时，鉴于其量之大以及持续不断的循环运行特征，相应的动力消耗，必然是相关流程运行能耗的重要组成部分。或者说，冷却循环水系统的高效低耗运行，是决定企业运营，能否适应国家可持续性发展国策的重要因素之一。当然，从节流的角度分析，冷却循环水的按需高效运行，必然能提高相应流程生产的经济效益，大幅度降低流程的能源消耗，也是相关工艺流程清洁生产的必要条件。但是，对于工业冷却循环水系统而言，其运行优化控制的开展，是非常复杂的系统性问题。其复杂性集中表现在如下几个方面。

1）工厂中现行的冷却水循环系统，基本采用全负荷设计方法，以及定流量的运行方式；

如前所述，鉴于工业冷却循环水系统的重要性，其设计开展所采用的方式是，根据当地设定的最不利环境条件，对应流程设计热负荷，以及考虑10%以上的安全余量前提下，按照相应的国家及行业标准来开展的。而实际运行过程中，环境条件达到设计工况，所占的运行时间比例，平均连10%的比例都不能达到；更重要的是，一般工艺流程设计阶段，都对相关流程未来的发展，流出相应的空间，再考虑到流程设计安全系数的取值，这些因素直接造成冷却循环水动力设备选型过大的问题。或者说，对于所选定的动力系统而言，其在设计负荷条件下高效运行的时间比例还达不到10%。另一方面，对于大负荷条件下设计的管网系统来说，必然造成初始投资费用高的问题。而且在实际的运行过程中，按照定流量的方式运行，其运行能耗必然高于相应工况的优化值。

2）工艺流程运行工况包括环境因素具有多变性的特征；

冷却水的运行，是为了在相应的环境工况和流程运行工况条件下，及时快速的将流程运行过程产生的热负荷带走，为相关流程创造良好和必要的生产条件。实际运行过程中，环境工况和流程工况是两个变化的因素。流程工况取决于行业和企业本身的生产策略，以及相应市场的变化的影响，具有一定的随机性；环境工况对于企业所在地域而言，尽管全年是按照某种拟周期的特征来变化的，但其与流程工况的变化组合在一起，必然提高总体负荷的变化特征复杂程度的提高。从这一角度而言，冷却循环水系统的按需供给的彻底实现，具有相当的难度。

3）工厂中现行的冷却水循环系统，存在严重的动态水力平衡问题；

冷却水从冷却装置输送到终端用户，是通过相应的冷却水循环管网来实现的。作为冷却循环介质的水，其不可压缩性将同一管网中的各用水环节，高度耦合在一起。任意局部水力工况的改变，都必然影响到所有环节，从而造成整个管网的水力和热力波动。同时，由于设计选型和安装，冷却管网各用水环节必然具有各自的阻力特征，其分布决定了相应工况条件下，各环节用水是否能够合理的分配，也就决定了相应环节工艺过程能否正常运行。或者说，对于给定的管网和动力系统，如何能够在多变的运行工况下，按照环节需求，及时将相应水量的冷却循环水送至各生产环节，是决定整个流程正常运行的核心关键因素。按照现有的设计体系，根据最不利用户的需求，提供相应的动力配给，其它环节过剩的动力输配，则通过静态阀门来消耗掉。这也正是绝大多数工业企业流程运行过程中，按照设计工况，采用定流量运行的根本原因。传统的阀门，只起到在指定工况下的固定调配，并产生相应的能耗。完全无法与多变的运行工况相匹配，实现管网系统的动态水力平衡和热力平衡。管网的能耗是以设计工况的形式固定存在的，或者说实际运行过程中，在动态水力和热力平衡的基础上，管网的能耗存在相应的节能空间。另一方面，由于工业企业流程系统的设计，采用预留发展负荷的方法，动力装置选型过大，采用定流量的运行方法，是通过在水泵出口安装调节阀来实现指定扬程下，循环流量的配给。动力系统能耗必然过高，存在较大的节能空间。现有的节能和平衡方案，是分别引入静态水力平衡阀和动力系统的变频技术。一方面，静态水力平衡阀，尽管在一定意义上，起到了水力平衡和热力平衡的作用，但是在多变的运行工况中，其调节的复杂程度非常之高，结果是企业还是不对管网的运行进行适应的调整；由于动态平衡实现的困难，水泵的高效变频，在本质上来说根本是无法实现的。

4）工业企业用冷却水循环系统运行显示出较大的滞后性；

工业企业冷却循环水终端环节的较多，而且往往是具有较大的分散性，这就造成冷却循环水管网的高复杂性。同时由于冷却循环水的用量较大，所以对应的冷却水管网在水力和热力特性方面，必然具有较大的滞后性。按照传统的控制方法，一般将冷却循环的控制参数检测选定为冷却水供水参数（温度、压力和流量）（对于有特殊水质要求，而具有二次管网系统的流程而言，将控制参数定为二网供水参数）。系统运行过程中，由于采用定流量运行方式，滞后性并不被运行方关注。但是，运行优化的开展，终端用水环节运行水量水温的合理保证，是实现节能的又一个重要方面。冷却循环水系统的运行优化控制，必须是质调和量调相互匹配的过程，传统控制系统无法实现。或者说，传统的控制系统和管网系统，无法展开监控参数和终端环节要求动态匹配的控制，必然造成终端环节潜在的能量浪费。为了与动态平衡和优化变频相配合，进一步降低系统运行的能耗，如何通过深化冷却技术的开展，对具有较大滞后性的系统，进行运行参数的动态匹配优化，是运行优化控制的另一个重要的环节。

5）冷却循环水系统运行合理温度设定难度高；

对于具有较大滞后性的定流量冷却水循环系统，传统的控制目标是，只要控制参数在实际运行过程中不超过某个经验取值，系统的优化调整就不用展开。同时由于管网系统（一次管网和二次管网）不具备动态平衡的调整能力，运行过程中，只能以最不利或较不利终端环节的工艺温度为参考，必然造成大多数终端用水环节实际运行过程中，温度参数甚至大大低于设计参数，这就是造成能量浪费的又一个重要因素。从运行的参数来看，表现为为冷却循环水系统设定的运行温度取值过低，或者说对于具有复杂特征的冷却循环水系统，设定更为合理的运行温度，是一件难度非常高的工作。

6）冷却与循环的匹配控制难度大；

对于冷却循环水系统而言，其重要的能耗环节包括如下三个部分：循环水泵能耗、管网能耗和冷却风机能耗。运行过程中，冷却循环水与空气在塔内进行接触, 通过汽化与接触传热, 空气温度升高, 湿度达到或接近饱和。空气湿球温度越低, 空气量越大, 循环水出塔温度越低。循环水泵是系统中循环水输送的动力设备, 其负荷与循环水流量, 扬程有关。循环水流量越大, 阻力越大, 管网系统能耗越大。换热负荷一定的条件系, 循环水进换热器温度越低,所需循环水水量越少（但是，必然有最低流量的限制，如防止气蚀要求的流量或者防冻所需最小流量等）。鼓风机是冷却塔的一部分, 它的功率与鼓入空气量, 出口风压有关。鼓入空气量越大, 功率越大。所以对于冷却循环水系统的运行优化控制，只提及管网和循环动力环节的优化，是不全面的。如何通过相应的优化冷却技术，在确保各换热器换热效率的基础上，将系统整体运行能耗合理地降下来，才是优化控制最终的目标。对于整个系统而言，冷却风机对应的介质是空气，而水泵运行则要推动水的循环。显然通过适当的优化冷却技术，在适当的风机能耗条件下，降低水泵的能耗，或者说优化循环水流量的控制，以优化循环水的流量，冷却与循环匹配的研究势在必行。

通过上述分析，可以看出对于工业企业用冷却循环水系统而言，其运行优化控制工作的开展，需要考虑的重要因素较多。但有一点是必须明确的，对于具有多变特征系统而言，保障系统的动态水力和热力平衡，是整个冷却循环水系统运行优化控制得以开展的最根本性前提条件。当然，结合物联网的概念，采用无线监控技术、网络技术和远程服务体系，将整个循环冷却水系统打造成一个具有上位远程优化运行监控与下位就地快速控制一体化的智慧型冷却循环水系统，作为工业企业用能管理平台和运行优化控制平台的有机组成部分，是本发明的又一重要组成部分。当然本发明所提出的工业企业用冷却循环水运行优化控制系统，首先是能够独立运行的优化监控系统，完成功能独立的服务。同时，本系统还保有与工业企业其他运行优化管理模块相互匹配的接口，以为工业企业整体运行优化服务。

发明内容

针对传统工业企业用冷却循环水系统所存在的上述问题，本发明提出构建一种智慧型的工业企业用冷却循环水运行优化控制系统。

本发明的上述技术问题是通过以下技术方案得以实施的：一种工业企业用冷却循环水优化运行控制系统，其特征在于，该控制系统由如下5个子系统组成：管网智能动态平衡子系统、循环水泵智能高效变频控制子系统、温度采集补偿子系统、优化冷却子系统、冷却循环水运行用能管理子系统；

1）管网智能动态平衡子系统：

该子系统由智能平衡阀、无线或者有线监控、采集和通信模块，以及上位服务器三个主要环节构成，通过无限采集和通信技术，将各阀门所检测的各项参数信息采集至上位管理服务器；对管网系统中的干管、支管和阀门，按照与水泵之间距离的远近，进行管道和阀门的编号，并在上位系统中给出相应的显示界面；与阀门就地智能控制能力相结合，通过定期扫描各智能调节阀的参数，来检测整个管网的运行水力状态；通过不同工况下，各环节阀门开度的计量，来统计指定管网的运行水力特征，按照不利状态，对各环节水力特征进行评比；

  2）循环水泵智能高效变频控制子系统：

在变频过程中，各终端用水环节所需水量及时按需供给；采用多组不同大小的水泵，根据系统运行负荷的变化进行高效并联运行的方式代替大泵独立运行；再设计阶段，应该根据同行业企业，规模相仿流程运行过程中，运行负荷的普适性统计特征，进行三级三组水泵的并联运行方法；在运行优化控制过程中，水泵需尽量将升频的要求提高，或者是水泵升频是智能平衡调控无法达到时的选择，在确定好多级水泵高效变频的负荷区间和策略后，整个系统的变频优化控制的开展，应该是在对应的运行工况条件下，在阀门就地平衡控制的基础上，以阀门开度的上位控制为前提，以高效变频为限制，在尽量低的频率和管网阻力条件下，实现用户需水量的平衡供给；

3）温度采集补偿子系统：

该温度采集补偿子系统与管网智能动态平衡子系统相结合，选定优先监控若干较不利的用水环节的回水温度方式，以及需要重点保证环节的回水温度方式，替换传统控制参数为一网或者二网供水温度的方式；针对气候迁移带来的温度变化，所述的温度采集补偿子系统对循环冷却系统进行相应的温度补偿；所述的温度补偿的前提条件是对环境温度的实时采集；

4）优化冷却子系统：

该优化冷却子系统，涉及到冷却环节硬件系统的优化控制，以及根据环境温度的变化，合理优化循环水处塔温度；其核心在于优化选择所开启的冷却塔塔数，即冷却面积、上塔能耗；并对冷却风机进行变频控制，在相应的冷却塔数量条件下，根据环境温度的变化，优化冷却风机的频率，以在最低运行能耗的前提下，确保合理的出塔温度；

5）冷却循环水运行用能管理子系统

该子系统的职能分为以下四个有机组成部分：用户接口模块、分项计量功能模块、管网系统动态水力和热力状况统计模块、以及上位优化运行控制模块；

所述的用户接口模块，为工业企业用户进行冷却循环水上位监控，提供交互界面，该模块首先需完成对具体冷却循环水系统的工艺流程备案，方便用户和系统本身对系统组成设备，进行统一维护和管理，以及系统故障的报警和记录；

所述的分项计量功能模块，将运行过程中，环境参数、系统运行总用电量、循环水工艺参数、补水记录、设备运行工艺参数进行统计分析；

所述的管网系统动态水力和热力状况统计模块通过人为设定的周期统计时间范围内，对全局智能阀门，在不同运行工况下的开度进行扫描，确定个用水环节的水力状态；该模块基于智能平衡阀门的流量实时计量功能，可确定出从水泵输出的总流量的输配状况，进行系统是否漏水的判定和漏水环节快速确定；

所述的上位优化运行控制模块，通过环境温度补偿的研究、对应流程的运行负荷特征的统计，以及通过学习功能的引入，从上位为整个冷却循环水系统的运行优化控制，提供优化运行的参数。

作为优选，所述的管网智能动态平衡子系统是以应用了具有自主水力平衡的智能阀门为运行基础的；所述的管网智能动态平衡子系统在运行过程中，将智能平衡阀、无线或者有线监控采集的数据，通过通信模块传递至上位服务器上的运行数据库当中，进行存储和统计分析，所述的数据库可运用现有的数据分析平台，也可以开发数据库程序；在动态平衡的前提下，根据不同工况下，各用水环节对应智能平衡阀的开度，从小到大进行统计，将在各种工况下，开度总是较大的用水环节，定义为较不利环节；所述的较不利环节是在各种宏观调整过程中，需要重点保障的对象。

作为优选，对于所述较不利环节的调整方法是：在就地平衡控制的基础上，由上位监控服务器发出调节指令，通过适当关小水力状态良好环节阀门的开度，在不进行循环水泵升频的条件下，调整整个冷却循环水管网的运行状态，以期在最低的能耗下，实现系统的动态水力和热力平衡。

作为优选，所述智能管网子系统，在经过系统编号和实时监控的智慧管网上，各节点流量参数直观和客观显示，为管网查漏提供直接的依据。

作为优选，在终端控制和管网控制中都采用了智能平衡阀的前提下，所述的温度采集补偿子系统可以直接归入管网智能平衡子系统中，形成水力状态扫描和统计分析之外的，系统热力状态扫描和统计分析功能；所述温度采集补偿子系统与管网智能平衡子系统相结合，实现对冷却循环水系统运行过程，运行温度参数的合理控制。

作为优选，所述的备案数据库对各设备型号、生产厂家信息、检修记录、系统大修记录和更换记录成文备案，作为设备管理的依据，并为用户设定各设备和系统整体检修提醒的功能；同时所述的用户接口模块为其它各个功能模块，按照相应权限，设计可视化运行界面。

作为优选，所述的用户接口模块可与人工智能相结合，进行负荷预报和控制策略的预分析。

作为优选，所述的环境参数，包括温度、湿度和大气压；循环水工艺参数，包括温度、压力和流量；补水记录，包括补水量、补水温度、补水点压力变化、补水时间，以及对应的PID控制参数记录；设备运行工艺参数，包括温度、压力、流量。

作为优选，所述的优化控制模块必须与智能管网系统的智能水力平衡功能匹配使用。

本发明构建的智慧型工业企业用冷却循环水运行优化控制系统，按照对应功能的设计，分为5个子系统：

1）管网智能动态平衡子系统；

对于具有复杂多变和发展性特征的工业企业用冷却循环水系统而言，在多变的运行工况条件下，在动态水力平衡和热力平衡的前提下，确保各终端冷却水使用环节的运行工艺参数达标，是整个冷却循环水系统运行优化控制的基础。本发明是在应用杭州哲达科技股份有限公司自主开发的，具有自主水力平衡的智能阀门产品的基础上（参见专利，该阀门可以保证对应工况下，在优化的阻力条件下，实现对应工况用水环节自主水力和热力平衡），通过无线采集和通信技术（也可结合有线技术），将各阀门所检测的各项参数（流量、温度、压差和开度等）信息采集至上位管理服务器。对管网系统中的干管、支管和阀门，按照与水泵之间距离的远近，进行管道和阀门的编号，并在上位系统中给出相应的显示界面。与阀门就地智能控制能力相结合，通过定期扫描各智能调节阀的参数，来检测整个管网的运行水力状态。通过不同工况下，各环节阀门开度的计量，来统计指定管网的运行水力特征，按照不利状态，对各环节水力特征进行评比。当然，这一部分内容，直接依赖于用户允许监控的节点情况。在确定出各用水环节基本水力特征的基础上，按照生产的重要程度，本子系统可与下位就地控制相结合，实现对重点用户、较不利用户的重点监管和保证，当然这也是后续各控制环节的开展的依据。该子系统的构成包括：智能平衡阀，无线（有线）监控、采集和通信模块，以及上位服务器三个主要的环节。实际运行过程中，将智能平衡阀和无线（有线）监控采集的数据，通过通信模块传递至上位服务器上的运行数据库当中（可运用现有的数据分析平台，如组态王；也可以自己开发数据库程序），进行存储和统计分析。在动态平衡的前提下，根据不同工况下，各用水环节对应智能平衡阀的开度，从小到大进行统计，将在各种工况下，开度总是较大的用水环节，定义为较不利环节。这些最不利环节是在各种宏观调整过程中，需要重点保障的对象。调整的方法是在就地平衡控制的基础上，由上位监控服务器发出调节指令，通过适当关小水力状态良好环节阀门的开度，在不进行循环水泵升频的条件下，来调整整个冷却循环水管网的运行状态，以期在最低的能耗下，实现系统的动态水力和热力平衡。当然，如果通过阀门相应的调整，仍不能达到需求，则选择水泵升频。同时，本子系统会将相应工艺流程中，需要重点保证的生产环节，赋以较高的控制权重，在需要宏观调整时，通过上位服务器的监测，进行有重点的控制。

冷却循环水智能动态平衡管网子系统，能够实现对应工况条件下，在保证各环节用水平衡的前提下，阀门开度的最优化，从而将对应工况条件下，管网系统的永久能量损失，降低到相应工况的最小程度，当然这必须与相应的控制策略相匹配来执行。该子系统功能的实现，是整个系统快速、低耗动态平衡和宏观优化调整的首个必要条件。

对于该智能管网子系统而言，其另外一条附加功能在于，通过对管网系统中，各智能阀门采集相应用水环节的流量，可以通过上位系统快速准确的查找管网中漏水的具体部位。传统的管网系统中，是不具备该项功能的，从而管网系统的查漏工作非常复杂，工作量极大，效果却很差。而在经过系统编号和实时监控的智慧管网上，各节点流量参数的直观和客观显示，为管网查漏提供直接的依据，也是保证系统安全持续运行的一个重要创新点。

2）循环水泵智能高效变频控制子系统；

变频技术的引入，对于具有多变特征的管网系统而言，是一项非常重要的节能措施。但是在复杂水力管网动力装置的变频技术中，存在三个需要注意的根本性问题，也是本发明在变频优化控制方面，不同于传统控制的根本所在。首先，当然也只能是变频过程中，各终端用水环节所需水量的及时按需供给（相同工况下各用水环节水量的需求；不同负荷及环境工况下，水量的确定和输配），已将相应的热负荷带出系统，确保系统能够良好运行（当然这其中还需要考虑不同流动状态，对换热器换热效率的影响问题，这一地需要引入传热优化控制技术），这样变频技术的引入才有了根本性的保证，这在本发明中，已经充分予以考虑，并给出了相应的解决方案。第二点需要考虑的，是变频技术本身的高效实现问题。这一方面需要与管网系统的设计方进行协调，因为按照满负荷设计，所选水泵必然存在选型太大的问题，造成能量的极度浪费和变频技术造价过高的双重问题。这一方面，需要通过采用将大泵独立运行，改为多组不同大小的水泵，根据系统运行负荷的变化，进行高效并联运行的方案来代替。本发明提出，再设计阶段，应该根据同行业企业，规模相仿流程运行过程中，运行负荷的普适性统计特征，进行三级三组水泵的并联运行方法。水泵并联运行在某些工况下的低效率点，必然无法避免，但是整体而言，对于多变工况，必然具有更强的适应能力。（具体实施参见实施方式和示意图）在工况变化过程中，在每一级负荷条件下，以70%-100%的高效变频区间，同级水泵的高效变频并联运行，要求是三级负荷高效变频区间必须有5%-10%的重复区间。这样而言，变频的费用必然大幅度降低，同时能够充分保证整个冷却循环水系统的高效变频运行。第三点需要注意的问题是，在运行优化控制过程中，水泵需尽量将升频的要求提高，或者说水泵升频是智能平衡调控无法达到时的选择。在确定好多级水泵高效变频的负荷区间和策略后，整个系统的变频优化控制的开展，应该是在对应的运行工况条件下，在阀门就地平衡控制的基础上，以阀门开度的上位控制为前提，以高效变频为限制，在尽量低的频率和管网阻力条件下，实现用户需水量的平衡供给。这样才能在水泵和管网运行环节本身，实现运行能耗尽量低的目标。当然，与后面所提及的优化冷却子系统相配合，整个系统运行能耗，应该还具有进一步降低的空间。

3）温度采集补偿子系统；

该系统的功能在于两个方面：

首先，由于在传统控制体系中，无法掌控多变工况条件下，整个管网系统的动态水力平衡和热力平衡，使得系统具有运行控制参数，只能选定为系统供水温度（包括一次网和二次网）这一天生的缺陷。正是这中控制参数的选定方式，使得整个冷却循环水系统的运行，无法做到在充分考虑各用水环节终端温度前提下，合理运行和按需输配。对于本发明而言，结合管网智能动态平衡子系统的功能，将传统控制参数选定为一网或者二网供水温度的方式，改变为优先监控若干较不利的用水环节的回水温度，以及需要重点保证环节的回水温度，在动态平衡的前提下，尽量提升整个冷却循环水的供回水温差，从而保证系统的高效运行，这需要与优化冷却相配合，以实现系统运行能耗最优控制。

其次，对于冷却循环式系统而言，另一个需要掌控的温度，是工业企业所在地区的环境温度（包括干湿球温度）。冷却系统的供水温度，天生存在限制，为对应环境工况下的湿球温度。由于气候的迁移，这一温度的取值必然发生从冬季较低到夏季较高的季节性的拟周期变化。对应这一变化，循环冷却系统的控制也需要发生改变，以配合不同环境温度变化下，系统运行负荷的改变，即进行相应的温度补偿，这是对高效变频体系修正的另一个重要的动力来源，也是从整体上降低系统运行能耗的一个重要环节。显然，对于从夏季向冬季迁移的过程而言，偏北方地区冷却风机的运行和冷却塔的运行整体能耗必然降低；从冬季向夏季的迁移，对应冷却环节能耗必然持续上升。如何在不同季节将冷却与前述技术相结合，优化运行能效，其前提条件正是对环境温度的实时采集。

通过长期运行过程中，对上述两种温度的统计分析，将有利于保证整个系统的良好运行。如果工业企业在终端控制和管网控制中，都采用了智能平衡阀，则该子系统可以直接归入管网智能平衡子系统中，形成水力状态扫描和统计分析之外的，系统热力状态扫描和统计分析功能。二者的结合，可以充分实现对冷却循环水系统运行过程，运行温度参数的合理控制。同时，通过及时对各用水环节，冷却水回水温度的监测，可以直接降低管网水力滞后特性对运行优化控制的影响（温控策略反馈时间减少）。而且，通过长期的运行统计分析，可以对滞后性的影响进行相应的估算，这一点可以结合控制中的人工智能，采用具有学习功能的控制系统来实现对滞后性影响的良好控制。

4）优化冷却子系统；

工业企业用冷却循环水系统，是典型的多冷却塔循环水系统，冷却塔的处塔温度是影响冷却水循环水量（水泵及管网能耗）的重要因素之一。对于给定的冷却循环水系统而言，即便是在同一地区，冷却循环水处塔温度越低，在满足系统最低水量要求的前提下（避免气蚀和保证所需换热效率），可尽量减少循环水量，从而水泵能耗和管网能耗会相应下降。如何在不提高风机能耗的前提下，或者适当增加风机能耗而降低水系统能耗，及冷却流程本身需要采用相应的优化控制技术。同时，根据环境温度的变化规律，在不同的环境温度条件下，将循环水处塔温度尽量向对应的环境湿球温度靠拢，即环境温度补偿，也是冷却流程优化控制需要考虑的主要因素。对于环境温度的补偿，所考虑的角度，也可以更宽一些，如不同环境温度条件下，管程和设备的散热也会发生相应的改变，这样可进一步合理确定冷却塔的处塔温度。

优化冷却子系统的开发，涉及到两个方面，一个是冷却环节硬件系统的优化控制；另一个方面，则是根据环境温度的变化，合理优化循环水处塔温度。优化冷却子系统的核心，在于优化选择所开启的冷却塔塔数（冷却面积、上塔能耗）；并对冷却风机进行变频控制，在相应的冷却塔数量条件下，根据环境温度的变化，优化冷却风机的频率，以在最低运行能耗的前提下，确保合理的出塔温度。本发明提出，冷却塔的最优出水温度，应该是随着环境条件的变化而自适应调整的。当然对于整个循环系统而言，由于系统本身的滞后性，处塔温度的调整则需要有相应的提前冷却控制技术。这也是本发明在实际运行控制过程中，一项新的应用。

5）冷却循环水运行用能管理子系统

前述控制功能的一部分通过下位控制器来完成，但从全局控制的角度来讲，必须进行上位监控系统的建设。本项目以前述各项技术中，宏观控制部分的综合实现为出发点，形成全新的冷却循环水运行用能管理子系统。该子系统的职能分为以下四个有机组成部分：用户接口模块、分项计量功能模块、管网系统动态水力和热力状况统计模块以及上位优化运行控制模块。

用户接口模块的主要功能，在于为工业企业用户进行冷却循环水上位监控，提供交互界面，该模块首先需完成对具体冷却循环水系统的工艺流程备案，方便用户和系统本身对系统组成设备，进行统一维护和管理。备案数据库对各设备型号、生产厂家信息、检修记录、系统大修记录和更换记录成文备案，作为设备管理的依据，并为用户设定各设备和系统整体检修提醒的功能。同时该模块为其它各个功能模块，按照相应权限，所设计的可视化运行界面，方便用户进入到所关心的模块子界面。用户接口模块的另一功能，在于系统故障的报警和记录（原因和解决方案），便于用户查询管理。通过其它功能模块对数据库中，大量连续运行数据的分析，用户可以通过该模块，了解到系统连续运行过程中的用能规律。该模块可与人工智能相结合，进行负荷预报和控制策略的预分析。

分项计量模块，该模块将运行过程中，环境参数（温度、湿度和大气压），系统运行总用电量、循环水工艺参数（温度、压力和流量）、补水记录（补水量、补水温度、补水点压力变化、补水时间，以及对应的PID控制参数记录）、设备运行工艺参数（温度、压力、流量）

管网水力和热力状态统计功能模块，通过人为设定的周期统计时间范围内，对全局智能阀门，在不同运行工况下的开度进行扫描，确定个用水环节的水力状态。在优化运行的控制体系中，及时对系统在各工况下，按照所对应的阀门开度，进行用水环节的水力状态统计，一方面可以通过采用现代数据库技术，将不同工况条件下，水泵和风机电机运行频率、各阀门开度、冷却塔塔数都记录在数据库中，形成断点复位的数据库。另一方面，对于所统计出来的最不利和较不利的用水环节，在运行过程中，予以重点监控。对所统计的较不利用水环节的回水温度，进行实施监测，并上传至上位系统，进行整体系统热力状态的分析。系统的热力状态直接依赖于系统的水力状态，所以热力状态的检测，是以水力状态的分析为基础而展开的。该功能模块的令一个功能在于，基于智能平衡阀门的流量实时计量功能，可确定出从水泵输出的总流量的输配状况，进行系统是否漏水的判定和漏水环节快速确定。该功能是本项目的创新功能，便于管理方和运行方对系统问题的直观掌控。该系统另一个功能在于，对水泵在不同负荷和环境工况下，水泵的优化运转频率，以及冷却塔冷却状态（台数和出塔温度）和风机的频率，进行统计分析，一方面可以进行断点快速复位，一方面可以为建立冷却优化的模型，提供数据支持。

上位优化控制模块的功能，在于通过环境温度补偿的研究，对应流程的运行负荷特征的统计，可以通过学习功能的引入，从上位为整个冷却循环水系统的运行优化控制，提供出优化运行的参数。该功能模块必须与智能管网系统的智能水力平衡功能匹配使用。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

本发明的智能化程度高，对于冷却循环水优化运行控制所设计的多方面因素考虑周全，在具体的运行控制中达到高效低耗。

附图说明

图1是终端用水环节供回水管结构示意图。

图2是三级高效变频子系统示意图。

图3是用能管理子系统框图。

附图标记：1、智能平衡阀；2、冷却塔3、冷媒水池；4、循环水泵；5、泵出口闸阀；6、终端用水环节；7、变频器；8、阀门。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

实施例1。

实际运行过程中，终端用水环节供回水管分别安装如图1所示的智能平衡阀，其中回水管道的智能平衡阀，为具有回水温度反馈和通信功能的智能平衡阀。运行过程中，对于不同的终端用水环节，根据用户本身特征的不同，所要求的回水温度限制必然有所差别。采用具有温度反馈和通信功能的智能平衡阀，可以直接根据各终端用户回水温度变化率和回水温度的取值，及时控制供给相应环节的冷却水量，目标是将对应环节回水温度控制在指定的温度限制范围内，而同时各用户的给水量能够满足需求，即同时满足热力平衡和水力平衡。在运行过程中，各终端用水环节在生产过程中，对整个工艺以及产品质量影响的程度不同，或者说在流程中具有不同比例的权重，有些终端是要首先保证的。这一点，在本发明中，可以通过上位控制系统与智能平能阀门之间的通信，由上位统一调配。这也是本发明的一项创新，而该项创新的应用，是必须与智能平衡阀的运行相配合。

安装在冷却子系统上的智能平衡阀，是以流量平衡分配为主的智能平衡阀，要求供给各个运行中的冷却塔相同的冷却水量，充分利用每一座冷却塔的冷却面积，而同时又将该子系统的运行阻力降至最低。

智能管网系统中所安装的平衡阀门，都具有阀位反馈和通信的功能，通过无线传输和有线传输的密切配合，将各种工况下，处于优化平衡状态的智能阀门的开度信息，及时反馈至上位系统，配合各用户回水温度的采集，通过相应的水力和热力状态统计数据库的统计和分析，将各种动态工况下，系统阀门开度从大到小进行排序统计，这样可以分析出连续运行工况下，各用水环节的动态水力和热力特征，将较不利的各个环节予以重点标识，与系统权重控制相配合，形成动态工况下，需重点保证的用水环节体系，以方便运行方进行统一管理。该项功能，是传统控制系统不具备的全新功能。

同时，在系统水力和热力统计模块中，充分利用智能平衡阀门对流量的反馈和通信功能，及时准确的将相应工况下，管网中各用户用水量进行统计和分析，一方面可统计出所有用户在不同工况下的用水特征，方便运行方的统一管理，以及进行相应的负荷预报。另一方面，通过对各用户用水量的监测，可快速及时地确定出系统中漏水环节的基本分布情况，这也是传统控制系统和管网系统不具备的全新功能。

连续运行工况条件下，系统水力和热力特征的统计和记录，可以为运行方提供系统快速优化复位的功能，即用户进行系统检修或者由于某些不可控环节，造成系统停机的情况下，可以根据开机的运行工况，与统计是数据库中的运行工况相比对，进行系统的快送复位，来减少运行成本，所选择的工况必然是同样工况下的优化管网特征，这也是本发明的一项重要创新功能。

对于指定的冷却循环水工艺系统，其运行负荷一方面受到市场条件的制约，而另一个重要的方面，在于环境工况（干湿球温度、湿度、风速）的影响。不同地域用户环境工况的变化，从全年和每天来讲，是按照相应的拟周期规律进行变化，本项目环境工况采集数据库，可以将这一拟周期规律直观、客观和实时提供给运行方，为用户按需供给提供数据支持。对于所给定的管网系统而言，由于用户的水力惯性，系统对于水力控制操作的反应，必然具有相应的滞后性，根据这一点，本发明指出，与环境工况相匹配，采用严格控制各环节回水温度的目标，通过回水温度变化梯度的取值，将环境工况对与系统运行优化的影响，进行直接的环境工况补偿控制，使系统运行能效得到持续优化。对于管网系统的控制，应具有相应的超前调节功能，提前的时间量，应取决与具体的系统。

运行过程中，循环水泵采用多级并联优化变频的方式来运行，按照高效变频（70~100%工频）的要求，针对用户负荷变化的特征，将系统分为相应的负荷级，每一级对应用户的一种主要运行工况负荷条件，从控制优化和投资的角度来讲，级数不应太多。以三级负荷划分为例，充分利用高效变频的要求，在控制扬程的条件下，在相应的负荷条件下，采用双泵并联变频运行的方式，为每级负荷工况提供冷却用水。图2所示，三级分别是100%负荷级、70%负荷级和50%负荷级。对于100%负荷级，即设计工况，采用两个指定扬程的同类型泵并联运行，提供设计工况所需流量和扬程，当系统负荷在70%~100%之间变化时，采用这两个泵并联变频的运行方法（两用一备）。而当系统负荷处于设计负荷的50%~70%之间时，则采用第二级变频泵，依然是在相应的扬程下，两同型号泵并联运行；最后当系统负荷低于50%时，则采用第一级泵组中的某个泵，进行单一变频的方式运行。该运行方式，可以确保系统在不同的运行工况下，水泵的运行总是处于高效变频运行的状态。当然这一方式，在初投资和运行控制的复杂程度上，都有所增加，但是高效变频的运行，为系统投资回收提供了一条高效的途径。用户可以根据自身负荷变化的情况，可以只选定两级的变频方式，在占地方面可以考虑向空间发展的方法，及将小级别变频泵，放在高层。

与智能平衡管网相匹配，对于指定了整体优化变频级数策略的系统而言，为了使系统运行能耗控制在最低程度，在系统调节过程中，本发明将水泵升频的要求，设为最高要求，即对于相应的运行工况而言，水泵的运行尽量不升频，而是通过先智能管网系统对阀门调节，来实现满足用户温限的需求，即将具有较好水力特征用户环节的配水量，适当调度至较不利环节和重点环节，使整个终端用户的回水温度，在一定的安全余量条件下，向回水温度的上限靠拢。当管网水力调节不能达到目标时，在进行水泵的升频调节。在升频的同时，要进行阀门的运行优化复位。这样通过全局控制，可直接提高运行能效，降低运行能耗。不同工况下，运行水泵的级别和频率，都会及时的通过通信模块，传递给上位用能统计数据库，进行相应的记录和分析，这同时也是系统快速复位的另一个重要组成。

优化冷却子系统的目标是，充分利用给定冷却塔的冷却面积，与合理的冷却风机频率匹配，来保证冷却水的出塔温度的优化，该优化同时考虑环境工况和系统运行荷载的影响，通过为冷却环节设计具有自学习优化功能的BP控制模型，使冷却子系统的运行中，冷却水的出塔温度尽量向环境湿球温度靠拢。对于整个冷却循环水系统而言，在确保各用户环节换热效率和管网气蚀最小流量的前提下，增大循环水温差、减少循环水量必然是整个系统优化的重要环节。该子系统在所设定的控制模型下，可实现不同工况下，整个系统运行能耗的最优化，或者说优化冷却子系统的运行控制，必须配合整个系统的运行来开展。不同运行工况下，冷却风机台数、频率、冷却塔塔数等信息，会通过通信模块及时传递给上位用能管理数据库，进行统计分析，并为系统快速复位提供相应的支持。

图3所示，上位用能管理子系统，是该运行优化控制系统，与运行用户交互的窗口，一方面，该系统要对用户本身的特征进行统计，以便于维护及时统一的开展；另一方面，通过对系统运行过程中水电的分项计量和统计，使用户可以直观地确定自己的用能特征。各数据库对应参数，可组成不同的系统运行用能参数特征统计图表。所统计出的连续运行图表，可回用于系统运行优化控制参数体系的建设。 

本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (9)

1.一种工业企业用冷却循环水优化运行控制系统，其特征在于，该控制系统由如下5个子系统组成：管网智能动态平衡子系统、循环水泵智能高效变频控制子系统、温度采集补偿子系统、优化冷却子系统、冷却循环水运行用能管理子系统；

1）管网智能动态平衡子系统：

该子系统由智能平衡阀、无线或者有线监控、采集和通信模块，以及上位服务器三个主要环节构成，通过无限采集和通信技术，将各阀门所检测的各项参数信息采集至上位管理服务器；对管网系统中的干管、支管和阀门，按照与水泵之间距离的远近，进行管道和阀门的编号，并在上位系统中给出相应的显示界面；与阀门就地智能控制能力相结合，通过定期扫描各智能调节阀的参数，来检测整个管网的运行水力状态；通过不同工况下，各环节阀门开度的计量，来统计指定管网的运行水力特征，按照不利状态，对各环节水力特征进行评比；

2）循环水泵智能高效变频控制子系统：

在变频过程中，各终端用水环节所需水量及时按需供给；采用多组不同大小的水泵，根据系统运行负荷的变化进行高效并联运行的方式代替大泵独立运行；再设计阶段，应该根据同行业企业，规模相仿流程运行过程中，运行负荷的普适性统计特征，进行三级三组水泵的并联运行方法；在运行优化控制过程中，水泵需尽量将升频的要求提高，或者是水泵升频是智能平衡调控无法达到时的选择，在确定好多级水泵高效变频的负荷区间和策略后，整个系统的变频优化控制的开展，应该是在对应的运行工况条件下，在阀门就地平衡控制的基础上，以阀门开度的上位控制为前提，以高效变频为限制，在尽量低的频率和管网阻力条件下，实现用户需水量的平衡供给；

3）温度采集补偿子系统：

该温度采集补偿子系统与管网智能动态平衡子系统相结合，选定优先监控若干较不利的用水环节的回水温度方式，以及需要重点保证环节的回水温度方式，替换传统控制参数为一网或者二网供水温度的方式；针对气候迁移带来的温度变化，所述的温度采集补偿子系统对循环冷却系统进行相应的温度补偿；所述的温度补偿的前提条件是对环境温度的实时采集；

4）优化冷却子系统：

该优化冷却子系统，涉及到冷却环节硬件系统的优化控制，以及根据环境温度的变化，合理优化循环水处塔温度；其核心在于优化选择所开启的冷却塔塔数，即冷却面积、上塔能耗；并对冷却风机进行变频控制，在相应的冷却塔数量条件下，根据环境温度的变化，优化冷却风机的频率，以在最低运行能耗的前提下，确保合理的出塔温度；

5）冷却循环水运行用能管理子系统

该子系统的职能分为以下四个有机组成部分：用户接口模块、分项计量功能模块、管网系统动态水力和热力状况统计模块、以及上位优化运行控制模块；

所述的用户接口模块，为工业企业用户进行冷却循环水上位监控，提供交互界面，该模块首先需完成对具体冷却循环水系统的工艺流程备案，方便用户和系统本身对系统组成设备，进行统一维护和管理，以及系统故障的报警和记录；

所述的分项计量功能模块，将运行过程中，环境参数、系统运行总用电量、循环水工艺参数、补水记录、设备运行工艺参数进行统计分析；

所述的管网系统动态水力和热力状况统计模块通过人为设定的周期统计时间范围内，对全局智能阀门，在不同运行工况下的开度进行扫描，确定个用水环节的水力状态；该模块基于智能平衡阀门的流量实时计量功能，可确定出从水泵输出的总流量的输配状况，进行系统是否漏水的判定和漏水环节快速确定；

所述的上位优化运行控制模块，通过环境温度补偿的研究、对应流程的运行负荷特征的统计，以及通过学习功能的引入，从上位为整个冷却循环水系统的运行优化控制，提供优化运行的参数。

2.根据权利要求1所述的工业企业用冷却循环水优化运行控制系统，其特征在于，所述的管网智能动态平衡子系统是以应用了具有自主水力平衡的智能阀门为运行基础的；所述的管网智能动态平衡子系统在运行过程中，将智能平衡阀、无线或者有线监控采集的数据，通过通信模块传递至上位服务器上的运行数据库当中，进行存储和统计分析，所述的数据库可运用现有的数据分析平台，也可以开发数据库程序；在动态平衡的前提下，根据不同工况下，各用水环节对应智能平衡阀的开度，从小到大进行统计，将在各种工况下，开度总是较大的用水环节，定义为较不利环节；所述的较不利环节是在各种宏观调整过程中，需要重点保障的对象。

3.根据权利要求2所述的工业企业用冷却循环水优化运行控制系统，其特征在于，对于所述较不利环节的调整方法是：在就地平衡控制的基础上，由上位监控服务器发出调节指令，通过适当关小水力状态良好环节阀门的开度，在不进行循环水泵升频的条件下，调整整个冷却循环水管网的运行状态，以期在最低的能耗下，实现系统的动态水力和热力平衡。

4.根据权利要求3所述的工业企业用冷却循环水优化运行控制系统，其特征在于，所述智能管网子系统，在经过系统编号和实时监控的智慧管网上，各节点流量参数直观和客观显示，为管网查漏提供直接的依据。

5.根据权利要求1所述的工业企业用冷却循环水优化运行控制系统，其特征在于，在终端控制和管网控制中都采用了智能平衡阀的前提下，所述的温度采集补偿子系统可以直接归入管网智能平衡子系统中，形成水力状态扫描和统计分析之外的，系统热力状态扫描和统计分析功能；所述温度采集补偿子系统与管网智能平衡子系统相结合，实现对冷却循环水系统运行过程，运行温度参数的合理控制。

6.根据权利要求1所述的高炉鼓风节能增效集成技术，其特征在于，所述的备案数据库对各设备型号、生产厂家信息、检修记录、系统大修记录和更换记录成文备案，作为设备管理的依据，并为用户设定各设备和系统整体检修提醒的功能；同时所述的用户接口模块为其它各个功能模块，按照相应权限，设计可视化运行界面。

7.根据权利要求6所述的高炉鼓风节能增效集成技术，其特征在于，所述的用户接口模块可与人工智能相结合，进行负荷预报和控制策略的预分析。

8.根据权利要求7所述的高炉鼓风节能增效集成技术，其特征在于，所述的环境参数，包括温度、湿度和大气压；循环水工艺参数，包括温度、压力和流量；补水记录，包括补水量、补水温度、补水点压力变化、补水时间，以及对应的PID控制参数记录；设备运行工艺参数，包括温度、压力、流量。

9.根据权利要求8所述的高炉鼓风节能增效集成技术，其特征在于，所述的优化控制模块必须与智能管网系统的智能水力平衡功能匹配使用。

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