CN105043804A - 工业循环水系统组合节能实验系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种工业循环水系统组合节能实验系统，包括：监控子系统、数据采集子系统和水循环装置；监控子系统包括信号处理单元、变频调速单元、智能控制阀；信号处理单元分别与变频调速单元、智能控制阀通信，水循环装置包括水箱、水泵、等效换热器、冷却塔；水箱的出口通过水泵连至等效换热器，等效换热器的换热出口通过智能控制阀连至冷却塔的进水口；监控子系统与数据采集子系统和水循环子系统电性连接，监控子系统通过数据采集子系统获取、显示、输出水循环装置各部分的运行信息，并响应外部操作对水循环装置的工作状态进行改变。通过更换或切换组件实现单项节能技术或节能技术组合能效评估，直观地展现节能原理。

Description

工业循环水系统组合节能实验系统

技术领域

本发明涉及一种实验系统，具体地，涉及一种工业循环水系统组合节能实验系统。

背景技术

工业循环水系统是工业企业内大量采用的工艺系统，其能耗往往占据工业用电的20%以上，系统的节能有助于工业企业的节能减排和增强行业竞争力。由于在设计时难以全面预测系统管网的阻力和生产工艺的实际需求，致使系统中设计余量往往很大，根据设计建成的循环水系统不能在最优能耗状况下运行。同时，随着生产状况的变化、设备状态的变化和环境的变化，使得工业循环水系统经常处于变工况运行状态，运行能耗不能始终保持在较低状态。

巨大的运行能耗和可观的节能潜力使得工业循环水系统节能方兴未艾，但目前所用的节能技术通常只局限于高效泵技术，变频调速技术，水动力风机冷却塔技术中的某一种节能技术。虽然工业循环水系统具有一定的共性，但要做到最大化的节能，可持续的节能，则必须考虑每个工业循环水系统的个性特点，单纯采用某种单项节能技术并不是最优选择，尤其是要求实现持续最大化节能时，因为工业循环水系统中，每个组件都在消耗一定的能量，如果只从循环水泵，或冷却塔风机角度采取单一的节能措施，则可节省的能量有限。例如，采用高效泵节能技术对循环水泵进行替换改造，一定程度上提高了泵的运行效率，降低了能耗，但并不能消除由于水量分配不均，水力不平衡引起的多送循环水引起的能耗。再如，单纯采用变频调速技术并不能改变泵本身效率低的不足。因此，为了保证持续最大化节能，有必要采用组合节能技术，即通过对工业循环水系统的组成设备、工艺需求、设备状态和环境条件的调研，对其进行能效分析，获得各组成设备所需消耗的能量，从而确定出可用的节能技术组合，再通过节能效益以及投资决策分析得出最终的工业循环水组合节能系统。

组合节能技术虽然可解决工业循环水系统的持续最大化节能的问题，但在实际应用后是否会产生如预期的效果，则需要提前做模拟分析。除通过数值实验分析外，还可以通过模拟实验分析进行评估。

发明内容

针对现有技术中的问题，本发明的目的是提供一种工业循环水系统组合节能实验系统。本发明设计的一种工业循环水系统组合节能实验系统，用以模拟工业循环水系统中采用了包括变频调速节能、三元流高效水泵节能、高效电机节能、水力平衡节能、水动风机节能等单项节能技术在内的一种或多种节能技术后的节能原理和节能效果，从而可为评估节能技术组合提供参考，并为最终实现工业循环水系统的持续最大化节能提供参考依据。

根据本发明提供的一种工业循环水系统组合节能实验系统，包括：监控子系统、数据采集子系统和水循环装置；

所述监控子系统包括信号处理单元、变频调速单元、智能控制阀；所述信号处理单元分别与所述变频调速单元、智能控制阀通信，

所述数据采集子系统至少用于监测所述水循环装置流量、温度、压力、电能、电流、电压、转速、阀门开度；

所述水循环装置包括水箱、水泵、等效换热器、冷却塔；所述水箱的出口通过所述水泵连至所述等效换热器，所述等效换热器的换热出口通过所述智能控制阀连至所述冷却塔的进水口；

所述监控子系统与所述数据采集子系统和水循环子系统电性连接，所述监控子系统通过所述数据采集子系统获取、显示、输出所述水循环装置各部分的运行信息，并响应外部操作对所述水循环装置的工作状态进行改变。

进一步地，所述水泵至少包括一个低效节能泵和一个高效节能泵；所述低效节能泵和高效节能泵分别与所述监控子系统相连，所述监控子系统还用于分别控制各个所述低效节能泵和高效节能泵的转速；

所述水循环装置包括出水母管；所述低效节能泵和高效节能泵分别与所述出水母管相连，水从所述水箱中被所述低效节能泵和高效节能泵抽出后汇流至所述出水母管中，并经过所述出水母管进入所述等效换热器。

进一步地，所述数据采集子系统还用于分别实时监测所述低效节能泵和高效节能泵的能耗，并将该低效节能泵和高效节能泵的能耗发送至所述信号处理单元。

进一步地，所述水循环装置包括若干个所述等效换热器和回水母管，水从若干个所述等效换热器流出后汇流至所述回水母管，并通过该回水母管进入所述冷却塔；

每个所述等效换热器的换热出口均设有一个所述智能控制阀，所述智能控制阀用于根据所述信号处理单元的控制信号改变阀门开度并至少测得温度信息。

进一步地，每个所述等效换热器分别与所述监控子系统电性相连，所述监控子系统还用于分别控制各个所述等效换热器的换热功率。

进一步地，所述数据采集子系统还用于分别实时监测所述等效换热器的能耗。

进一步地，所述数据采集子系统包括第一压力计、第一温度传感器、第一流量计和电表；

所述第一温度传感器、第一压力计和第一流量计设于所述等效换热器的换热入口，监测进入所述等效换热器前的第一水温、第一水压、第一流量，所述电表用于获取整个水循环装置的能耗。8、根据权利要求7所述的一种工业循环水系统组合节能实验系统，其特征在于，所述监控子系统包括显示模块和控制模块；

所述控制模块用于响应外部操作对所述水循环装置的工作状态进行改变；

所述显示模块用于显示包括所述第一压力计、第一温度传感器、第一流量计和电表监测的所述水循环装置各部分的运行信息。

进一步地，所述冷却塔为机械通风逆流式冷却塔；所述机械通风逆流式冷却塔的轴流风机包括电机拖动风机和水轮机拖动风机；所述监控子系统还用于控制所述电机拖动风机和/或水轮机拖动风机的开关；

所述数据采集子系统还用于监测所述冷却塔的能耗。

进一步地，所述等效换热器设置在所述水箱的顶部，所述冷却塔安装在所述等效换热器的顶部，所述监控子系统安装于所述冷却塔的侧面，所述水泵设于所述监控子系统下方。

本发明由于采用以上技术方案，使之与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：

1）本发明提供的工业循环水系统组合节能实验装置是集合了包括变频调速节能、三元流高效水泵节能、高效电机节能、水力平衡节能、水动风机节能等多种工业循环水系统节能技术的成套系统，装置中包括了工业循环水系统的主要组件，且具有多种对比实验部件，方便自由组合搭配形成组合节能设备系统；

2）本发明提供的工业循环水系统组合节能实验装置通过巧妙的三维布置，使得整个装置在具有上述强大功能的情况下结构十分紧凑；

3）本发明提供的工业循环水系统组合节能实验装置，可以通过更换或切换组件实现运单项节能技术或节能技术组合能效评估，直观地展现节能原理；

4）本发明提供的工业循环水系统组合节能实验装置，除可各自独立手动调节外，还集成了自动控制功能，可模拟工业循环水不同的控制工艺，如恒压控制、恒温控制等；

5）本发明提供的工业循环水系统组合节能实验装置，通过自动数据采集、自动数据处理、自动输出报表实现了数据处理、存储、检索、输出的智能化；

6）本发明提供的工业循环水系统组合节能实验装置，其中的水介质做到了充分循环使用，减少了水的浪费。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。附图中：

图1是可选实施例中的一种工业循环水系统组合节能实验系统结构示意图（正面）；

图2是可选实施例中的一种工业循环水系统组合节能实验系统结构示意图（侧面）。

符号说明：

1-水箱；

2-入口控制阀；

3-高效节能泵；

4-低效水泵；

5-电动控制阀；

6-出水母管；

7-压力表；

8-压力变送器；

9-流量计；

10-等效换热装置；

11-智能控制阀；

12-回水母管；

13-冷却塔；

14-监控子系统；

15-电控箱；

16-供配电部件；

17-变频器；

18-电表；

19-状态指示灯。

具体实施方式

下文结合附图以具体实施例的方式对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，还可以使用其他的实施例，或者对本文列举的实施例进行结构和功能上的修改，而不会脱离本发明的范围和实质。

本发明的目的在于提供一种工业循环水系统组合节能实验系统，用于模拟、评估工业循环水系统中采用了包括变频调速节能、三元流高效水泵节能、高效电机节能、水力平衡节能、水动风机节能等单项节能技术在内的一种或多种节能技术后的节能原理和节能效果，从而为评估、选择合适的节能技术组合提供参考，并为最终实现工业循环水系统的持续最大化节能提供参考依据。本发明的监控子系统对管路系统的实时监测与控制，实验人员可以根据需要对各阀门、水泵进行调节从而完成预设的节能匹配方案。

在本发明提供的一种工业循环水系统组合节能实验系统，如图1所示，

所述监控子系统包括信号处理单元、变频调速单元、智能控制阀；所述信号处理单元分别与所述变频调速单元、智能控制阀通信，

所述数据采集子系统至少用于监测所述水循环装置流量、温度、压力、电能、电流、电压、转速、阀门开度；

所述水循环装置包括水箱、水泵、等效换热器、冷却塔；所述水箱的出口通过所述水泵连至所述等效换热器，所述等效换热器的换热出口通过所述智能控制阀连至所述冷却塔的进水口；

所述监控子系统与所述数据采集子系统和水循环子系统电性连接，所述监控子系统通过所述数据采集子系统获取、显示、输出所述水循环装置各部分的运行信息，并响应外部操作对所述水循环装置的工作状态进行改变。

所述数据采集子系统所监测的流量、温度、压力、电能、电流、电压、转速、阀门开度为所述水循环装置各部分的运行信息，从而满足类似各部分能耗比较的试验需求。

水循环装置各部分的运行信息是指水循环装置各管路中的水温、水压、流量以及各个设备的能耗等信息。响应外部操作对所述水循环装置的工作状态和/或结构组成进行改变是指实验人员根据实验需要对水循环装置中各部件进行调节，如阀门的开度调节、加热功率调节、水泵的抽水功率调节等，由此实现各种节能预设方案的设置。

本发明提出的一种工业循环水系统组合节能实验系统中，水介质通过“水箱——水泵——出水母管——等效换热器——智能控制阀——回水母管——冷却塔——水箱”的循环路径，做到了水的充分循环使用。

作为一种实施例，

所述水泵至少包括一个低效节能泵和一个高效节能泵；所述低效节能泵和高效节能泵分别与所述监控子系统相连，所述监控子系统还用于分别控制各个所述低效节能泵和高效节能泵的转速；

所述水循环装置包括出水母管；所述低效节能泵和高效节能泵分别与所述出水母管相连，水从所述水箱中被所述低效节能泵和高效节能泵抽出后汇流至所述出水母管中，并经过所述出水母管进入所述等效换热器。所述数据采集子系统还用于分别实时监测所述低效节能泵和高效节能泵的能耗，并将该低效节能泵和高效节能泵的能耗发送至所述信号处理单元。

监控子系统通过控制低效节能泵和高效节能泵的转速调节其抽水功率，也可以关闭部分水泵，仅选用低效节能泵、高效节能泵中的一个或多个配合工作，实现不同水泵的节能方案实验。

所述智能控制阀与所述监控子系统相连；所述监控子系统还用于控制所述智能控制阀的开度。

作为一种实施例，所述水循环装置包括若干个所述等效换热器和回水母管，水从若干个所述等效换热器流出后汇流至所述回水母管，并通过该回水母管进入所述冷却塔；

每个所述等效换热器的换热出口均设有一个所述智能控制阀，所述智能控制阀用于根据所述信号处理单元的控制信号改变阀门开度并至少测得温度信息本实施例中包含3个等效换热器，如图1所示，实验人员可以通过监控子系统打开1个，或2个，或3个等效换热器，由此实现不同换热器数量设置时的节能效果对比。另一方面，也可以对等效换热器的功率进行调节，匹配水压、水流量、水温的监测实现不同功率下的节能效果和工作状态对比。

作为一种实施例，每个所述等效换热器分别与所述监控子系统电性相连，所述监控子系统还用于分别控制各个所述等效换热器的换热功率。

所述数据采集子系统还用于分别实时监测所述等效换热器的能耗。本实施例可以用于实现不同换热功率的能耗对比试验。

作为一种实施例，所述数据采集子系统包括第一压力计、第一温度传感器、第一流量计和电表；

所述第一温度传感器、第一压力计和第一流量计设于所述等效换热器的换热入口，监测进入所述等效换热器前的第一水温、第一水压、第一流量，所述电表用于获取整个水循环装置的能耗。作为一种实施例，所述监控子系统包括显示模块和控制模块；

所述控制模块用于响应外部操作对所述水循环装置的工作状态进行改变；

所述显示模块用于显示包括所述第一压力计、第一温度传感器、第一流量计和电表监测的所述水循环装置各部分的运行信息。

本实施例中的控制模块包括多个继电器组，用于实现阀门控制和各设备的开启和关闭。所述监控子系统的变频调速单元还包括用于控制所述水泵转速的变频器。每台水泵连接的电机都设置有工变频旁路自动切换装置，可实现工变频切换；所述变频调速单元通过所述变频器控制所述电机的转速，进而控制所述水泵的转速，实现水泵抽水功率的变频调节。

作为一种实施例，所述冷却塔为机械通风逆流式冷却塔；所述机械通风逆流式冷却塔的轴流风机包括电机拖动风机和水轮机拖动风机；所述监控子系统还用于控制所述电机拖动风机和/或水轮机拖动风机的开关；所述数据采集子系统还用于监测所述冷却塔的能耗。

作为一种实施例，所述等效换热器设置在所述水箱的顶部，所述冷却塔安装在所述等效换热器的顶部，所述监控子系统安装于所述冷却塔的侧面，所述水泵设于所述监控子系统下方。本发明提供的工业循环水系统组合节能实验装置通过巧妙的三维布置，使得整个装置在具有上述强大功能的情况下结构十分紧凑。

在本实施例中，图1是不锈钢的水箱1，用以存储循环水，水箱1为封闭长方体结构，水箱上设置有排水口、进水口、通气口、回水口。水泵进水管上设置有入口控制阀2。循环水泵组包括三台并联的水泵，其中两台为高效节能泵3，一台为低效水泵4，高效节能泵和低效水泵的额定流量相同，但低效水泵的额定扬程比高效水泵的高。每台循环水泵出口均设有电动控制阀5，用以调节各台泵的输出流量和隔断输出。电动控制阀5的开度可任意设定。各台循环水泵的输出均统一汇流到出水母管6中。出水母管6上设置有压力表7、压力变送器8和流量计9。出水母管6后面被分成不同高度的三个分支，每个分支上均设置有一套等效换热装置10和一套智能控制阀11。每套等效换热装置10上都各包含三只加热器，三只加热器可分别独立控制，从而可以模拟不同热负荷。每套智能控制阀11都具有智能检测和控制功能，可实现恒温差、恒流量控制。三个分支再次汇集到回水母管12上，回水再进入冷却塔13。冷却塔13为机械通风逆流式冷却塔，塔上设有进风口、填料、风道、布水器、收水器、轴流风机和排风道，轴流风机有电机拖动和水轮机拖动两种可选。监控子系统14是整个装置的神经中枢，装置中各部件的状态显示、仪表的数据采集信息显示、数据的处理与存储查找、报表的形成和输出、各泵、阀、变频器、加热器等组件的监控均在监控子系统14中实现。电控箱15上集成有供配电部件16、变频器17、电表18和状态指示灯19。电控箱15分前后两个小室，分别用于强电和弱电部件安装。变频器17由三套低压变频器组成。电表18是集成显示仪表，可显示电能、电流和电压等数据。状态指示灯19可指示电源状态和故障状态。

在本实施例中，每套循环水泵上均设置有电机，每台电机都设有工变频旁路自动切换装置，都可由独立的变频器17进行转速调节。电机转速调节是通过监控子系统14完成的。

在本实施例中，每套循环水泵的输出管路上均设置有电动控制阀5和压力表7和压力变送器8。电动控制阀5受监控子系统14控制，可在监控子系统中设定电动控制阀5的开度并接受其开度反馈。压力变送器8的信号也送至监控子系统14中供显示和数据处理使用。出水母管6上的流量计9的信号也送至监控子系统14中供显示和数据处理使用。

换热分支上的等效换热装置10上的加热器开启只数也受监控子系统14控制，同时监控子系统14还采集智能控制阀11的反馈数据并给出控制数据，其中反馈数据包括温度、流量、压力值，控制数据包括温度、流量、开度值。

电控箱15中集成的供配电电部件16、变频器17、电表18和状态指示灯19的信号也都上传至或来自监控子系统14。监控子系统14可以根据变化的工艺需求，自动确定和调整参数，再通过调节做到自动稳定运行。

该工业循环水系统的运行过程为如下：

循环水在水箱1中通过吸入管和入口控制阀2被吸入高效节能泵3和/或低效水泵4内，经升压后经过泵出口电动控制阀5进入出水母管6；在泵出口和出水母管6上，水的压力、流量和温度数据被检测后送至监控子系统14中。循环水经出水母管6输送后送至各换热分支，在换热分支的等效换热装置10上吸收热量后经过智能控制阀11再汇集到回水母管12上。回水母管12中的水直接上冷却塔13进行冷却。冷却后的循环水又回到水箱1，从而完成整个水循环过程。监控子系统14实时采集各个仪表的数据并进行处理，同时监视和控制各个组件的运行状态，实现数据处理和报表输出，以及整个装置系统的正常运转。

本发明提供的工业循环水系统组合节能实验装置，通过集合包括变频调速节能、三元流高效水泵节能、高效电机节能、水力平衡节能、水动风机节能等多种工业循环水系统节能技术及其相应组件，能够实现多种对比实验部件的方便自由组合搭配，从而可进行多种节能技术系统的能效比较并说明其节能原理，从而可为实现工业循环水系统的持续最大化节能提供参考依据。

本发明提供的工业循环水系统组合节能实验装置通过巧妙的三维组合，使其结构非常紧凑，但功能却非常强大。从循环水泵的控制而言，既可工频运行，也可变频运行，既可阀门调节也可转速调节，既可实现闭环控制，也能实现开环控制，既能进行高效泵与变频泵的性能比较，又能进行高效泵阀门调节与低效泵变频调节的性能比较，等等。各个换热分支除了可进行不同热负荷的能耗比较外，也可进行不同高低位置的能耗比较，既可进行恒温控制，也能做到恒流量控制。在数据处理方面，既能做到实时记录当前数据和状态，也能显示各种趋势曲线，还能通过USB等接口导出以前的数据。

综上所述，本发明提供了一种工业循环水系统组合节能实验装置，该装置可用于模拟工业循环水系统中采用了包括变频调速节能、三元流高效水泵节能、高效电机节能、水力平衡节能、水动风机节能等单项节能技术在内的一种或多种节能技术后的节能原理和节能效果，从而可为实现工业循环水系统的持续最大化节能提供参考依据。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，本领域技术人员知悉，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等同替换。另外，在本发明的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本发明的精神和范围。因此，本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本申请的权利要求范围内的实施例都属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种工业循环水系统组合节能实验系统，其特征在于，包括：监控子系统、数据采集子系统和水循环装置；

所述监控子系统包括信号处理单元、变频调速单元、智能控制阀；所述信号处理单元分别与所述变频调速单元、智能控制阀通信，

所述数据采集子系统至少用于监测所述水循环装置的流量、温度、压力、电能、电流、电压、转速、阀门开度；

所述水循环装置包括水箱、水泵、等效换热器、冷却塔；所述水箱的出口通过所述水泵连至所述等效换热器，所述等效换热器的换热出口通过所述智能控制阀连至所述冷却塔的进水口；

所述监控子系统与所述数据采集子系统和水循环子系统电性连接，所述监控子系统通过所述数据采集子系统获取、显示、输出所述水循环装置各部分的运行信息，并响应外部操作对所述水循环装置的工作状态进行改变。

2.根据权利要求1所述的一种工业循环水系统组合节能实验系统，其特征在于，所述水泵至少包括一个低效节能泵和一个高效节能泵；所述低效节能泵和高效节能泵分别与所述监控子系统相连，所述监控子系统还用于分别控制各个所述低效节能泵和高效节能泵的转速；

所述水循环装置包括出水母管；所述低效节能泵和高效节能泵分别与所述出水母管相连，水从所述水箱中被所述低效节能泵和高效节能泵抽出后汇流至所述出水母管中，并经过所述出水母管进入所述等效换热器。

3.根据权利要求2所述的一种工业循环水系统组合节能实验系统，其特征在于，所述数据采集子系统还用于分别实时监测所述低效节能泵和高效节能泵的能耗，并将该低效节能泵和高效节能泵的能耗发送至所述信号处理单元。

4.根据权利要求1所述的一种工业循环水系统组合节能实验系统，其特征在于，所述水循环装置包括若干个所述等效换热器和回水母管，水从若干个所述等效换热器流出后汇流至所述回水母管，并通过该回水母管进入所述冷却塔；

每个所述等效换热器的换热出口均设有一个所述智能控制阀，所述智能控制阀用于根据所述信号处理单元的控制信号改变阀门开度并至少测得温度信息。

5.根据权利要求4所述的一种工业循环水系统组合节能实验系统，其特征在于，每个所述等效换热器分别与所述监控子系统电性相连，所述监控子系统还用于分别控制各个所述等效换热器的换热功率。

6.根据权利要求5所述的一种工业循环水系统组合节能实验系统，其特征在于，所述数据采集子系统还用于分别实时监测所述等效换热器的能耗。

7.根据权利要求1所述的一种工业循环水系统组合节能实验系统，其特征在于，所述数据采集子系统包括第一压力计、第一温度传感器、第一流量计和电表；

所述第一温度传感器、第一压力计和第一流量计设于所述等效换热器的换热入口，监测进入所述等效换热器前的第一水温、第一水压、第一流量，所述电表用于获取整个水循环装置的能耗。

8.根据权利要求7所述的一种工业循环水系统组合节能实验系统，其特征在于，所述监控子系统包括显示模块和控制模块；

所述控制模块用于响应外部操作对所述水循环装置的工作状态进行改变；

所述显示模块用于显示包括所述第一压力计、第一温度传感器、第一流量计和电表监测的所述水循环装置各部分的运行信息。

9.根据权利要求1所述的一种工业循环水系统组合节能实验系统，其特征在于，所述冷却塔为机械通风逆流式冷却塔；所述机械通风逆流式冷却塔的轴流风机包括电机拖动风机和水轮机拖动风机；所述监控子系统还用于控制所述电机拖动风机和/或水轮机拖动风机的开关；

所述数据采集子系统还用于监测所述冷却塔的能耗。

10.根据权利要求1所述的一种工业循环水系统组合节能实验系统，其特征在于，所述等效换热器设置在所述水箱的顶部，所述冷却塔安装在所述等效换热器的顶部，所述监控子系统安装于所述冷却塔的侧面，所述水泵设于所述监控子系统下方。