CN102853712A - 冷却塔循环水冷却系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种循环水冷却系统，特别涉及一种综合使用冷却塔、热交换器、循环水管路和冷却塔水泵等项备用于智能节能的冷却塔循环水冷却系统。该冷却系统，包括冷却塔、热交换器、循环水管路和冷却塔水泵，在所述风筒内设置有一水动能轮风机，所述循环水输入口正对水动能轮风机，循环水的动能直接驱动水动能轮风机转动；在所述热交换器后的第二送水管内还设置有一超声波防除垢装置。本发明冷却塔循环水冷却系统采用闭环的智能控制模式；冷却水在冷却塔循环管路的流量和压力是热交换效率的主要物理参数，取样流量和压力的变化值，来控制水轮机风叶的转速、水泵的变频调速及超声波防、除垢设备的启动，达到根据换热要求来提高热交换效益的作用。

Description

冷却塔循环水冷却系统

技术领域

本发明涉及一种循环水冷却系统，特别涉及一种综合使用冷却塔、热交换器、循环水管路和冷却塔水泵等项备用于智能节能的冷却塔循环水冷却系统。

背景技术

冷却塔闭环循环冷却系统在工业生产和日常生活中，都起到了非常重要的作用。但是我们也应该清楚地看到循环冷却系统在运行中存在的问题：

(1)冷却塔循环冷却系统采用风机进行热交换，采用电能驱动方式而没有利用循环水具有的潜在动能和势能，消耗了大量的能量；

(2)没有进行节能改造的冷却塔水泵，无论气温和散热要求有无变化，始终在工频状况下运行，造成电能的无端浪费；

(3)循环冷却系统长距离循环管路积垢严重、管道阻塞，导致热交换效率下降、对冷却塔的温降要求增高。

这些问题对工业生产和日常生活产生了严重的影响，造成生产效率的下降、电能的和水量的大量损耗，能源浪费的情况十分严重，离国家倡导的节能减排、降低能耗的要求相距甚远。相对来说，有为数众多的工矿企业并没有对循环冷却系统的问题有所重视，反而是熟视无睹、疏于治理，已经成为工厂能源管理的一大死角。而且，多数工厂的管理方存在明显误区，认为这部分能源的消耗似乎没有节约空间。这正是冷却塔循环冷却系统智能综合节能技术所能解决的重要课题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种冷却塔循环水冷却系统，该冷却塔循环水冷却系统以冷却循环水闭环系统的整体作为控制对象，用智能方式自动取样循环系统的温度、压力、流量和液面高度等物理参数，实现对循环水冷却系统完全的闭环控制，构成冷却塔循环系统智能综合节能的完整体系，达到提高热交换效益的目的。

为解决上述技术问题，所述的冷却塔循环水冷却系统，包括冷却塔、热交换器、循环水管路和冷却塔水泵，上述部件之间通过管道密闭连接，管道中设置各个阀门控制管道的启闭；所述冷却塔主要由设置在上端的风筒、设置在中端的塔体和设置在下端的水池组成，在所述冷却塔的水池下端设有循环水输出口，该循环水输出口依次顺序连接输水管、水泵进口阀门、冷却塔水泵、水泵出口阀门、第一送水管、热交换器、第二送水管、上塔阀门、第一进水管、循环水输入口，上述循环水输入口设置在所述冷却塔的风筒上；其特征在于：

在所述风筒内设置有一水动能轮风机，所述循环水输入口正对水动能轮风机，循环水的动能直接驱动水动能轮风机转动；在所述热交换器后的第二送水管内还设置有一超声波防除垢装置；

还包括智能中央处理器和可编程控制器，上述智能中央处理器通过数模转换模块、压力变送器与循环水压力采集模块连接，通过数模转换模块、流量变送器与循环水流量采集模块连接，通过数模转换模块、温度变送器与循环水温度采集模块连接，通过数模转换模块与液面高度采集模块连接；上述循环水压力采集模块、循环水流量采集模块、循环水温度采集模块和液面高度采集模块用于采集循环水冷却系统的温度、压力、流量和液面高度，然后将数据传送给智能中央处理器；所述智能中央处理器与可编程控制器连接，上述可编程控制器分别连接所述水动能轮风机、所述冷却塔水泵的电机变频器和所述超声波防除垢装置，智能中央处理器发出指令给可编程控制器，可编程控制器用于闭环控制循环水冷却系统。

更进一步说，在所述风筒的下端所述循环水输入口的下方设置有一出水口，该出水口连接第二进水管，该第二进水管与所述塔体上的进水口相连接，该进水口与设置在塔体内的布水管相连接，上述布水管的底部设有排孔。

更进一步说，所述水泵进口阀门、水泵出口阀门、上塔阀门均为电磁阀。

更进一步说，所述热交换器为并联板式热交换器。

与现有技术相比，本发明冷却塔循环水冷却系统具有如下特点：

1、本发明冷却塔循环水冷却系统采用闭环的智能控制模式；冷却水在冷却塔循环管路的流量和压力是热交换效率的主要物理参数，取样流量和压力的变化值，来控制水轮机风叶的转速、水泵的变频调速及超声波防、除垢设备的启动，达到根据换热要求来提高热交换效益的作用；

2、本发明使用水动能轮风机取代了电动机，充分利用循环水自身具备的动、势能驱动水动能轮风机的转动，在冷却塔内形成气、水的热力交换，无需外界提供任何能源实现完全的100％节电效果，冷却塔的水动能回收技术给企业带来的是相当可观的经济效益；

3、本发明在循环冷却系统中应用了超声波在线除垢、防垢技术，通过超声脉冲振荡波破坏污垢的附着条件，清除污垢并防止换热设备在运行过程中结垢，大大提高换热设备传热能力，降低达到同样工艺要求所需的能耗量，实现节能目的；经超声波除、防垢处理后的循环水冷却系统，热交换效率的提升，进而提高设备使用效率、提高产量，对生产的运行起到良好的导向作用；热交换循环管路经超声波在线处理后，清除污垢、积垢沉淀周期加长，减少了维修的次数，减少人员费用，降低检修费用；

4、本发明冷却塔循环水冷却系统采用的是智能化的管理模式，提高了系统运行的自动控制程度，减少人员的投入，降低人员费用的支出；

5、本发明冷却塔循环水冷却系统综合节能改造的节水效应十分明显，通过智能技术对水轮机转速的控制、管路的清洗和循环水泵流量的调节，使冷却水的流量得以控制，循环水的跑、漏、滴现象得到遏制，减少冷却塔内水分的蒸发，从而达到节约用水的目的。

以一座每小时4500吨流量的工业冷却塔循环系统为例：

每座冷却塔的塔顶都装有一台电动机，用来驱动冷却塔风机的风叶转动，年耗电量约为175万kWh，其耗能折合612吨标准煤当量(TCE)，如经水动能源风机取代电动风机改造后，将节约大量的电能消耗。

经超声波对冷却塔换热器和循环管道防、除垢节能改造后：

1)平均提高换热设备传热系数21％，降低换热设备污垢热阻55％；

2)工业系统换热设备，直接实现的平均节能率可达到9％左右；

3)经对大量超声波防、除垢案例的现场数据统计，表明热交换效率提高达到30％以上；

4)对冷却塔的温降(或流量)要求，平均有30％幅度的降低；也就是说，直接提高冷却水循环系统30％的效率。

该系统以智能控制为核心，通过智能调节温降和流量参数，实现系统的综合节能，提高系统热交换效率、降低生产成本以及减少设备的维修人力财力等诸多方面的成果，将取得的十分可观的经济效益和社会效益。

附图说明

图1为本发明冷却塔循环水冷却系统的总体结构示意图。

图2为本发明冷却塔循环水冷却系统的控制系统框图。

图3为本发明冷却塔循环水冷却系统的流程图。

图中：1.输水管，2.水泵进口阀门，3、冷却塔水泵，4.水泵出口阀门，5.第一送水管，6.第二送水管，7.热交换器，8.超声波防除垢装置，9.上塔阀门，10.第一进水管，11.第二进水管，12.水动能轮风机，13.风筒，14.塔体，15.布水管，16.水池，17.循环水压力采集模块，18.循环水流量采集模块，19.循环水温度采集模块，20.液面高度采集模块，21.压力变送器，22.流量变送器，23.温度变送器，24.智能中央处理器，25.可编程控制器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

如图1、图2所示，在冷却塔闭环循环水冷却系统中，循环水运行工况复杂、随机扰动大，大惯性和纯滞后现象十分严重，其动态非线性特性十分明显，主要表现在：泵的流量约束、管道直径约束、压头约束、泵系约束等等，是一个典型的复杂的多变量控制系统。由于循环系统控制对象的复杂性，现选用基于神经网络智能控制的循环水冷却系统智能控制系统，该智能控制系统包括智能中央处理器和可编程控制器，上述智能中央处理器通过数模转换模块、压力变送器与循环水压力采集模块连接，通过数模转换模块、流量变送器与循环水流量采集模块连接，通过数模转换模块、温度变送器与循环水温度采集模块连接，通过数模转换模块与液面高度采集模块连接；上述循环水压力采集模块、循环水流量采集模块、循环水温度采集模块和液面高度采集模块用于采集循环水冷却系统的温度、压力、流量和液面高度，然后将数据传送给智能中央处理器；所述智能中央处理器与可编程控制器连接，上述可编程控制器分别连接所述水动能轮风机、所述冷却塔水泵的电机变频器和所述超声波防除垢装置，智能中央处理器发出指令给可编程控制器，可编程控制器用于闭环控制循环水冷却系统。

通过在线系统辩识获得控制的最优参数，引入循环水流量、压力、温度及循环水液面高度等反馈信号，进行多重化控制，来实现不同负荷、不同环境温度下连续调节循环水流量、水动风机的出工力度、热交换器热力效应多重因素，解决循环水冷却系统经济运行问题。

对冷却塔循环水冷却系统，采用双模控制结构，内环用模糊控制器控制循环水泵电机转速和功率，外环用神经网络控制器通过在线学习系统的动态模型，利用神经网络参考自适应控制功能，对环境温度、流量、压力数据和动态特性的了解，建立最优化控制系统。同时基于数据的机器学习模型是现代智能技术的重要方面，从测量数据中出找规律，利用这些规律对未来数据或无法测量的数据进行预测，形成循环水冷却系统工艺流程闭环控制系统，实现循环系统安全节能运行效果。

冷却塔闭环循环水冷却系统智能优化控制原理

通过循环水压力采集模块、循环水流量采集模块、循环水温度采集模块和液面高度采集模块对循环水系统多个工况点数据的采集，寻找最佳循环水流量的数值。

再通过计算Q＝H*QI/(T1.T2)

式中H循环水压力，Q1循环水流量，T1、T2为循环水进出水温度；

计算得到系统运行所需的的循环水流量值。按照对应最佳水量Qa(P，t)的试验，以循环系统负荷P及循环水温度t计算出所需要的循环水流量，确定循环水泵一定转速所对应的循环水量拟合曲线，在控制过程中以冷却系统目标负荷和环境温度对流量进行控制。

进一步通过试验确定优化控制的目标拟合曲线函数，控制系统运行时根据神经网络自学习、自适应功能所取得的数据，修正系统参数后通过闭环反馈控制水泵变频器转速，对循环水流量进行调节控制。

同样，通过智能数据采集模块收到的压力参数和循环冷却过程中温度变化参数，分别对水动能风机和超声波防、除垢器的状态进行控制，保证冷却塔闭环循环水冷却系统的整体运行效果。

如图3所示，启动智能优化控制系统程序的主要步骤如下：

1、初始化；

2、周期启动，程序按优化流量计算测量周期运行，当计算完成后接受一次“周期启动”信号；

3、延时，当“周期启动”信号发出后输出控制作用，各参数变化有一定延迟(设为三分钟)，故过三分钟后再开始采样，以便“真实”反映控制效果；

4、数据采集，通过通讯采集DCS中的以下参数：排汽温度、摊汽压力、凝结水流量、机组负荷、真空度；通过I/O板卡采集循环水温度、大气环境温度、循环水母管压力以及循环水泵阀的状态；

5、数据处理，对数据进行标度换算，对流量积算以及“限幅”处理等工作。由于循环水流量为间接数值，控制对象流量的变化对控制信号来说有较大的延迟，对控制系统的稳定性有一定的影响，这已经在智能优化控制系统中进行了校正。

Claims (4)

1.一种冷却塔循环水冷却系统，包括冷却塔、热交换器(7)、循环水管路和冷却塔水泵(3)，上述部件之间通过管道密闭连接，管道中设置各个阀门控制管道的启闭；所述冷却塔主要由设置在上端的风筒(13)、设置在中端的塔体(14)和设置在下端的水池(16)组成，在所述冷却塔的水池(16)下端设有循环水输出口，该循环水输出口依次顺序连接输水管(1)、水泵进口阀门(2)、冷却塔水泵(3)、水泵出口阀门(4)、第一送水管(5)、热交换器(7)、第二送水管(6)、上塔阀门(9)、第一进水管(10)、循环水输入口，上述循环水输入口设置在所述冷却塔的风筒(13)上；其特征在于：

在所述风筒(13)内设置有一水动能轮风机(12)，所述循环水输入口正对水动能轮风机(12)，循环水的动能直接驱动水动能轮风机(12)转动；在所述热交换器(7)后的第二送水管(6)内还设置有一超声波防除垢装置(8)；

还包括智能中央处理器(24)和可编程控制器(25)，上述智能中央处理器(24)通过数模转换模块、压力变送器(21)与循环水压力采集模块(17)连接，通过数模转换模块、流量变送器(22)与循环水流量采集模块(18)连接，通过数模转换模块、温度变送器(23)与循环水温度采集模块(19)连接，通过数模转换模块与液面高度采集模块(20)连接；上述循环水压力采集模块(17)、循环水流量采集模块(18)、循环水温度采集模块(19)和液面高度采集模块(20)用于采集循环水冷却系统的温度、压力、流量和液面高度，然后将数据传送给智能中央处理器(24)；所述智能中央处理器(24)与可编程控制器(25)连接，上述可编程控制器(25)分别连接所述水动能轮风机(12)、所述冷却塔水泵(3)的电机变频器和所述超声波防除垢装置(8)，智能中央处理器(24)发出指令给可编程控制器(25)，可编程控制器(25)用于闭环控制循环水冷却系统。

2.根据权利要求1所述的冷却塔循环水冷却系统，其特征在于：在所述风筒(13)的下端所述循环水输入口的下方设置有一出水口，该出水口连接第二进水管(11)，该第二进水管(11)与所述塔体(14)上的进水口相连接，该进水口与设置在塔体内的布水管(15)相连接，上述布水管(15)的底部设有排孔。

3.根据权利要求1或2所述的冷却塔循环水冷却系统，其特征在于：所述水泵进口阀门(2)、水泵出口阀门(4)、上塔阀门(9)均为电磁阀。

4.根据权利要求1所述的冷却塔循环水冷却系统，其特征在于：所述热交换器(7)为并联板式热交换器。

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