CN104990450B - 基于dcs的高位集水冷却塔水位维持系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于DCS的高位集水冷却塔水位维持系统，本发明改变以往思路，变被动为主动，预先将维位补水流量、进水阀阀门开度与水泵频率关系曲线植入DCS控制系统中，在冷却塔水位变化时，计算得到单位时间内冷却塔的进水水量与损失水量，DCS控制模块根据关系曲线数据，对阀门开度信号、变频信号发送给进水阀、水泵的变频器进行调节，保证最终的补水量与损耗量一致，即可维持水位正常。

Description

基于DCS的高位集水冷却塔水位维持系统

技术领域

本发明属于DCS技术领域,尤其涉及一种基于DCS的高位收水冷却塔水位维持系统。

背景技术

冷却塔的损失包括蒸发、风吹和排污，受气温和负荷变化影响，蒸发损失随之在不断变化，而补水量在一定时间内不变，因此水池水位随之上升或下降，在传统的冷却塔水池水位控制中，多通过按水位简单调节进水阀开度方式，常规塔水池面积大，水容积大，短时间内补水量的差异对水池水位影响不明显，水位低于设计水位时也不要求水位迅速上升到设计值，水位存在一定幅度的波动对常规塔系统的运行也没有根本的影响。此控制水位的方法波动较大，对于常规塔系统对水位控制要求不高的情况是可行的。

但是对于高位收水冷却塔系统来说，由于高位集水槽的水容积小，水面面积小，水位的变化对于蒸发损失、排污量和补水量的变化极为敏感，采用常规塔粗放型的水位控制方法无法及时调节补水量使之与损失平衡，高位集水槽易出现较大和频繁的水位变化，易经常出现溢流或长时间持续在低水位运行工况，而保持恒定的高水位运行对节能达到理想效果至关重要，传统水位控制方法无法达到保持恒定高水位、最大限度地节约能耗的要求。

因此，急需一种能自动、实时对于高位收水冷却塔进行水位检测与管理的技术。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种基于DCS的基于DCS的高位收水冷却塔水位维持系统，包括进水阀、与进水阀连接的水泵，还包括液位信号器、DCS控制模块；DCS控制模块与进水阀、水泵、液位信号器通信连接；

所述液位信号器安装于冷却塔内，用于采集实际水位，并转化为液位信号发送给DCS控制模块；

DCS控制模块植入有进水阀开度、水泵频率、维位补水流量三者关系曲线图，所述DCS控制模块用于对液位信号进行处理，计算得到冷却塔维持恒定水位需要的维位补水流量，通过阀门开度信号、变频信号对进水阀、水泵频率进行调节；

所述进水阀及水泵分别接收阀门开度信号及变频信号，并对冷却塔进水以补充水。

进一步的，所述阀门开度、水泵频率、维位补水流量三者关系曲线具体为：在水泵频率相同的条件下，改变阀门开度，测量对应的维位补水流量，以阀门开度为横坐标，以维位补水流量为纵坐标绘制阀门开度与维位补水流量的关系曲线；接着，水泵频率改变，绘制变化后的频率下阀门开度与维位补水流量的关系曲线；如此反复，直到确定好不同频率下的阀门开度与维位补水流量的关系曲线。

进一步的，所述DCS控制模块的工作方式分为两种情况，其中，

当实际水位低于正常水位，经进水阀及水泵补水再恢复到正常水位后，DCS控制模块的工作流程如下：

步骤一：根据液位信号计算得到单位时间内冷却塔进水量与损耗量相抵后的实际补水流量；

步骤二：计算单位时间内水的维位补水流量，所述维位补水流量等于单位时间内进水流量与实际补水流量的差值；

步骤三：在关系曲线图中根据维位补水流量查找对应的水泵频率和阀门开度；

步骤四:将对应的阀门开度信号、变频信号发送给进水阀、水泵的变频器进行调节；

当实际水位高于正常水位，减小进水流量一段时间后，DCS控制模块的工作流程如下;

步骤一：检测是否恢复到正常水位，如果是，则计算单位时间内水的维位补水流量，所述维位补水流量等于单位时间内进水流量与冷却塔水位下降流量的和，如果否，则需要进行步骤二；

步骤二：阀门全关，等待恢复到正常水位后，计算单位时间内水的维位补水流量，所述维位补水流量等于在阀门关闭后单位时间内水位下降流量；

步骤三：在关系曲线图中根据维位补水流量查找对应的水泵频率和阀门开度；

步骤四:DCS控制模块将对应的阀门开度信号、变频信号发送给进水阀、水泵的变频器进行调节。

进一步的，DCS控制模块选择水泵频率最低的曲线，将对应的阀门开度信号、变频信号发送给阀门、水泵的变频器进行调节。

进一步的，系统在实际水位低于正常水位时，进水阀全开补水直到恢复正常水位。

进一步的，系统在实际水位高于正常水位时，减小水泵频率以减小进水流量。

本发明的有益效果为;

本发明充分利用DCS的运算和逻辑控制功能，得到精确的损失水量值。通过逻辑设定，DCS在内置关系曲线点中自动挑选最节能的水泵频率及阀门开度组合，并输出控制信号给水泵和阀门，保证补水量与损失水量一致。本发明可有效控制水位变幅，同时实现系统节能的目的。

附图说明

图1是关系曲线示意图。

图2为水泵变频特性曲线图。

图3是水位下降区间逻辑控制图。

图4为水位上升区间逻辑控制图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对发明作进一步的说明。

本发明的设计构思为：传统的水位控制方法无法保持恒定水位的原因在于无法准确通过仪器测量冷却塔的损失水量（风吹、蒸发、排污三者），阀门水位调节法属于被动追赶型的调节方法。本发明改变以往思路，变被动为主动，预先将维位补水流量、进水阀开度与水泵频率关系曲线植入DCS控制系统中，在冷却塔水位变化时，计算得到单位时间内冷却塔的进水水量与损失水量，DCS控制模块根据关系曲线数据，对阀门开度信号、变频信号发送给进水阀、水泵的变频器进行调节，保证最终的补水量与损耗量一致，即可维持水位正常。

下面对本发明的技术方案进行介绍。

本发明所述系统包括进水阀、与进水阀连接的水泵、液位信号器、DCS控制模块。所述进水阀、水泵、液位信号器均与DCS控制模块通信连接。

所述液位信号器安装于冷却塔内，用于采集液位信号；

DCS控制模块植入有进水阀门开度、水泵频率、维位补水流量三者关系曲线图，所述DCS控制模块用于对液位信号进行处理，计算得到冷却塔维持恒定水位需要的维位补水流量，通过阀门开度信号、变频信号对进水阀、水泵频率进行调节。

所述进水阀、水泵分别接收阀门开度信号、变频信号，并对冷却塔进水以补水。

首先，以图1为例对所述进水阀门开度、水泵频率、维位补水流量三者关系曲线进行介绍：在水泵频率相同的条件下，改变阀门开度，测量对应的水流量，以阀门开度为横坐标，以水流量为纵坐标绘制阀门开度与水流量的关系曲线；接着，水泵频率改变，绘制变化后的频率下阀门开度与水流量的关系曲线；如此反复，直到确定好不同频率下的阀门开度与补水流量的关系曲线。

在本实施例的图1中，从上至下的三条曲线分别为水泵频率为100%、95%、90%时的关系曲线。关系曲线通过试验和水力计算自行绘制，频率变化梯度可以根据实际选取。

将关系曲线预先植入到DCS控制模块中是达到本发明目的的关键，该方式实现了进水阀开度、水泵频率、维位补水流量之间关系的直观展示及联动控制，解决了现有技术中仅仅只能靠人工凭经验去控制而造成的困局，实现了准确高效控制水位的目的。

优选的，DCS自动选择水泵频率最小、阀门开度最大方案。这是由于阀门的开合耗能远远高于水泵频率调节耗能。

图2为水泵变频特性曲线。横坐标Q表示流量，纵坐标H表示水压。在供水系统中，当用水量发生变化时，一般要调节水泵工况点使系统水量达到平衡。在未采用调速措施时，当所需流量由Q0减少为Q1，需减少管路上阀门的开度，使泵工作在点，此时（－H1）的水头将浪费，泵的轴功率为Q1×。当采用调速水泵时，可减低转速变为n1，水泵工作点将变到A1，轴功率为Q1×H1。从图中可看出，采用调速泵可减少轴功率Q1×（－H1），这就是水泵调速的节能原理。此外，当阀门调节工况点变化幅度较大时，水泵效率可能下降，甚至最终离开高效段，而变速调节从理论上讲水泵各相似工况下对应点的效率基本都是高效区，即在一定范围内水泵工况点发生变化，水泵效率并不下降。从上述分析可看出，水泵调速运行之所以节能，一是调速可以减少扬程浪费，二是调速后水泵基本都是在高效区范围运行，能保证在流量变化幅度较大的情况下，水泵仍能有较高的效率。

下面对DCS控制模块的工作方法进行说明。

DCS控制模块进行基准水位下、上两个区域范围的水位调节，分别为水位下降区间、水位上升区间。图3和图4分别为水位下降区间、水位上升区间逻辑控制示例。现分别说明。

如图3所示，收水槽正常水位为13.7m,水位下降0.1米（0.1米是预设值），阀门全开，单位时间的进水流量为Q_全，经过时间Δt后,水位上升至13.7米，由于补水过程中一直在进行水消耗，需要了解到这段时间单位时间内的水损失量。

根据水位上升量0.1及水位上升时间Δt，得到水位上升速率V=0.1/Δt。设冷却塔水位表面积为S，则单位时间内收水槽进水出水相抵后实际得到的补水量为ΔQ=V*S,进而得到单位时间内水量损失的量Q_补水=Q_全-ΔQ。Q_补水即DCS控制模块后续需要控制进水阀及水泵实现的维位补水流量。

DCS根据内置曲线，查找Q_补水对应的水泵频率和阀门开度，并优先选择水泵频率最低的曲线数据，并将阀门开度信号、变频信号传递给进水阀、水泵的变频器,使得单位时间内水塔的补水量与损失量一致，以使冷却塔水位维持在正常水平。

综上，在水位下降区间，经进水阀及水泵补水再恢复到正常水位后（优选使得阀门全开，使得迅速补水，并且节能），DCS控制模块工作流程可概括为：

步骤1：根据液位信号计算得到补水期间单位时间内冷却塔进水流量与水损耗相抵后收水槽的实际补水流量；

实际补水流量=水位上升量*水位表面积/补水时间。

步骤2：计算单位时间内水的维位补水流量，所述维位补水流量等于单位时间阀门进水流量与冷却塔实际补水流量的差值；

维位补水流量=进水流量-实际补水流量;

步骤3：在关系曲线图中查找维位补水流量对应的水泵频率和阀门开度；

步骤4：将对应的阀门开度信号、变频信号发送给进水阀、水泵的变频器进行调节。

DCS控制模块优选水泵频率最低的曲线数据，将对应的阀门开度信号、变频信号发送给阀门、水泵变频器进行调节。

如图4所示，收水槽正常水位为13.7m,水位上升0.1米，水泵频率降到80%进行补水（也可以为其他设定的百分比，根据具体情况选取），此时单位时间内的补水流量为Q_80%。观察时间Δt内水位是否下降至13.7米。

如果是的话，则根据水位下降高度0.1及水位上升时间Δt，得到水位下降速率V=0.1/Δt。设冷却塔水位表面积为S，则单位时间内的补水差值为ΔQ=V*S,进而得到单位时间内所需补水量为Q_补水=Q_80%+ΔQ。

如果否的话，则阀门全关，等水位由于损耗下降到13.7米，根据水位下降高度及水位上升时间Δt，得到水位下降速率V。设冷却塔水位表面积为S，则单位时间内收水槽进水出水相抵后实际得到的补水量为ΔQ=V*S,进而得到单位时间内所需维位补水流量为Q_补水=ΔQ。

DCS根据内置曲线，查找Q_补水对应的水泵频率和阀门开度，并优先选择频率最低的曲线数据，然后将阀门开度信号、变频信号传递给进水阀、水泵的变频器,使得单位时间内补水量与损失量一致，冷却塔水位维持在正常水平。

综上，当实际水位高于正常水位，减小进水流量一段时间后（优选减小水泵频率以减小进水流量，以节约能源），DCS控制模块的工作流程如下;

步骤1: 检测是否恢复到正常水位，如果是，则计算单位时间内水的维位补水流量，所述维位补水流量等于单位时间内进水流量与冷却塔水位下降流量的和，

水位下降流量=水位下降高度*水位表面积/补水时间；

维位补水流量=进水流量+水位下降流量;

如果否，则需要进行步骤二。

步骤2：阀门全关，等待恢复到正常水位后，计算单位时间内水的维位补水流量，所述维位补水流量等于在阀门关闭后单位时间内水位下降流量；

水位下降流量=水位下降高度*水位表面积/补水时间；

维位补水流量=水位下降流量;

步骤3：在关系曲线图中查找维位补水流量对应的水泵频率和阀门开度；

步骤4：将对应的阀门开度信号、变频信号发送给进水阀、水泵的变频器进行调节。

DCS控制模块优选水泵频率最低的曲线数据，将对应的阀门开度信号、变频信号发送给阀门、水泵变频器进行调节。

为了更好的实现自动化控制，可以对水位的上升只或者下降值可以进行设定，当水位值为设定值后再进行水位变化值的测量。

本发明的有益效果为;

本发明充分利用DCS的运算和逻辑控制功能，得到精确的损失水量值。通过逻辑设定，DCS在内置关系曲线点中自动挑选最节能的水泵频率及阀门开度组合，并输出控制信号给水泵和阀门，保证补水量与损失水量一致。本发明可有效控制水位变幅，同时实现系统节能的目的。

Claims (5)

1.基于DCS的高位收水冷却塔水位维持系统，包括进水阀、与进水阀连接的水泵，其特征在于，还包括液位信号器、DCS控制模块；DCS控制模块与进水阀、水泵、液位信号器通信连接；

所述液位信号器安装于冷却塔内，用于采集实际水位，并转化为液位信号发送给DCS控制模块；

DCS控制模块植入有进水阀的阀门开度、水泵频率、维位补水流量三者关系曲线图，所述DCS控制模块用于对液位信号进行处理，计算得到冷却塔维持恒定水位需要的维位补水流量，通过阀门开度信号、变频信号对进水阀、水泵频率进行调节；

所述进水阀及水泵分别接收阀门开度信号及变频信号，并对冷却塔进水以补充水；

所述阀门开度、水泵频率、维位补水流量三者关系曲线具体为：在水泵频率相同的条件下，改变阀门开度，测量对应的维位补水流量，以阀门开度为横坐标，以维位补水流量为纵坐标绘制阀门开度与维位补水流量的关系曲线；接着，水泵频率改变，绘制变化后的频率下阀门开度与维位补水流量的关系曲线；如此反复，直到确定好不同频率下的阀门开度与维位补水流量的关系曲线。

2.如权利要求1所述的基于DCS的高位收水冷却塔水位维持系统，其特征在于，所述DCS控制模块的工作方式分为两种情况，其中，

当实际水位低于正常水位，经进水阀及水泵补水再恢复到正常水位后，DCS控制模块的工作流程如下：

步骤一：根据液位信号计算得到单位时间内冷却塔进水量与损耗量相抵后的实际补水流量；

步骤二：计算单位时间内水的维位补水流量，所述维位补水流量等于单位时间内进水流量与实际补水流量的差值；

步骤三：在关系曲线图中根据维位补水流量查找对应的水泵频率和阀门开度；

步骤四:将对应的阀门开度信号、变频信号发送给进水阀、水泵的变频器进行调节；

当实际水位高于正常水位，减小进水流量一段时间后，DCS控制模块的工作流程如下;

步骤一：检测是否恢复到正常水位，如果是，则计算单位时间内水的维位补水流量，所述维位补水流量等于单位时间内进水流量与冷却塔水位下降流量的和，如果否，则需要进行步骤二；

步骤二：阀门全关，等待恢复到正常水位后，计算单位时间内水的维位补水流量，所述维位补水流量等于在阀门关闭后单位时间内水位下降流量；

步骤三：在关系曲线图中根据维位补水流量查找对应的水泵频率和阀门开度；

步骤四:DCS控制模块将对应的阀门开度信号、变频信号发送给进水阀、水泵的变频器进行调节。

3.如权利要求2所述的基于DCS的高位收水冷却塔水位维持系统，其特征在于，DCS控制模块选择水泵频率最低的曲线，将对应的阀门开度信号、变频信号发送给阀门、水泵的变频器进行调节。

4.如权利要求2或3所述的基于DCS的高位收水冷却塔水位维持系统，其特征在于，系统在实际水位低于正常水位时，进水阀全开补水直到恢复正常水位。

5.如权利要求2或3所述的基于DCS的高位收水冷却塔水位维持系统，其特征在于，系统在实际水位高于正常水位时，减小水泵频率以减小进水流量。