CN110132027A

CN110132027A - 根据水温变化自适应控制风机转速的智能冷却系统

Info

Publication number: CN110132027A
Application number: CN201910513570.3A
Authority: CN
Inventors: 刘滨
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2019-06-14
Filing date: 2019-06-14
Publication date: 2019-08-16

Abstract

本发明公开了根据水温变化自适应控制风机转速的智能冷却系统，包括水轮机、风机、风筒，风机、风筒安装在冷却塔顶部，内置式水轮机设于风筒中间，风机连接在水轮机主轴顶端，水轮机与进水管和布水管串联，旁通管也与布水管串联，水轮机的进水管与旁通管并联在回水总管的管路上，回水总管与换热装备中的热水流出管道连通，布水管与水池连通，水池与出水总管连通，出水总管与循环水泵进水端连接，循环水泵出水端与换热装备的冷却水流入管道连接，冷却系统还包括风机辅助动力装置、风机转速控制装置，风机辅助动力装置与风机转速控制装置连接，风机辅助动力装置将动力传输到水轮机主轴，风机转速控制装置以及风机辅助动力装置的主机设于风筒外部。

Description

根据水温变化自适应控制风机转速的智能冷却系统

技术领域

本发明涉及机械通风冷却塔领域和物联网领域，具体涉及一种根据水温变化自适应控制风机转速的冷却塔风机。

技术背景

机械通风冷却塔是广泛用于工业生产中循环水散热的装置。传统机械通风冷却塔分为电动风机冷却塔和水动风机冷却塔，也有一部分采用了水电联动风机的冷却塔，设计方在设计冷却塔时，都把夏季生产时，工艺所需要最大的风机转速设定为风机额定转速，片面地、机械地追求风机用额定转速降温，这样就忽视了风机最佳使用方法——既降温又使循环水温度保持稳定，当外界气温有变化时，风机转速随着水温升高而增大，随着水温降低而减小，这样还能降低风机能耗。现有技术的传统风机有以下问题：①极端天气，气温超过以往，风机额定转速时水温降不下来(现有技术中，为避免风机耗能过高，额定风量设计时往往按照往年夏季的平均值作为参考)，影响生产。②一天当中，早晨、中午、晚上气温相差很大，水温起伏很大，对换热器材质要求高，风机早晨和晚上浪费较多电能。③传统电动风机，春季、秋季、冬季耗能高。④传统风机有的可以调速，但是操作员根据天气选择风机转速，操作起来不准确、劳动强度大。⑤现有技术中有的冷却塔为了达到风机所需要的转速和风量，在外置式水轮机上加装一台电机(水轮机和电机同用一根驱动轴)，来驱动风筒里面的风机减速机，如图1所示，这样配置的缺点是:a、传动效率差，损耗大，且不说外置式水轮机本身效率低，单就水轮机通过传动轴到风机减速机(一般90度转向减速机机械效率η为85％)所输出的风机轴功率比水轮机直接输出的轴功率小15％；b、水轮机与电机同轴驱动减速机，造成电动机不需要旋转时，水轮机带着电机轴旋转，损耗水轮机的功率。⑥现有技术中有的冷却塔为了达到风机所需要的转速和风量，用外置式水轮机和电机分别通过两根传动轴连接冷却塔风筒中的风机减速机，这样缺点是外置式水轮机和电机将动力经传动轴到达90度转向减速机后，功率损耗15％，如图2所示。⑦现有技术有的冷却塔为了达到风机所需要的转速和风量，用安放在内置水轮机上的电机进行动力补偿，其缺点是在冷却塔风筒内部，温度高、漂水和蒸汽容易使电机损坏并且造成漏电事故，如图3所示。

发明内容

本发明就是为了解决现有技术存在的上述技术问题，提供一种根据水温变化自适应控制风机转速的冷却系统，本发明结构简单紧凑，本发明能够通过风机转速控制系统，自动控制风机转速，降低了操作人员的劳动强度，提高了工作效率，本发明用温度变化自适应控制风量，自动调节风筒外辅助电机的转速和风筒内水轮机的过流量，达到精确控制风机转速的目的，从而解决冷却塔因外界环境变化而导致水温起伏过大，使水温准确降温到生产所需要的温度，本发明能够大幅降低风机能耗。

本发明的技术方案为：

一种根据水温变化自适应控制风机转速的冷却系统，包括内置式水轮机、风机、风筒，所述风机、风筒安装在冷却塔顶部，内置式水轮机设于风筒中间，风机连接在水轮机主轴顶端，水轮机与进水管和布水管串联，旁通管也与布水管串联，水轮机的进水管与旁通管并联在回水总管的管路上，回水总管与换热装备中的热水流出管道连通，布水管与水池连通，水池与出水总管连通，出水总管与循环水泵进水端连接，循环水泵出水端与换热装备的冷却水流入管道连接，所述冷却系统还包括风机辅助动力装置、风机转速控制装置，所述风机辅助动力装置与风机转速控制装置连接，所述风机辅助动力装置将动力传输到水轮机主轴，所述风机转速控制装置以及风机辅助动力装置的主机设于风筒外部。

所述风机辅助动力装置包括辅助动力的变频电机、传动轴、主动锥形齿轮、从动锥形齿轮，所述变频电机的动力输出轴水平放置，所述传动轴的一端与变频电机的动力输出端连接，所述主动锥形齿轮与传动轴另一端连接，从动锥形齿轮与水轮机主轴的上部连接，所述轴承座上设有水平支撑孔，主动锥形齿轮通过轴承支撑在水平支撑孔上，主动锥形齿轮与从动锥形齿轮啮合，所述变频电机安装在风筒外部的冷却塔顶部，风筒上设有供传动轴穿过的孔，变频电机与电机底座连接。所述电机底座为现有电机的安装座。

所述主动锥形齿轮为齿轮轴结构，所述传动轴与主动锥形齿轮通过超越离合器连接，所述超越离合器采用棘轮离合器，其中棘轮离合器的主动部分与传动轴端部连接，棘轮离合器的从动部分与齿轮轴连接，所述棘轮离合器设于轴承座外侧。

所述风机转速控制装置包括电控柜、温度传感变送器一、温度传感变送器二、设于布水管上的旁通电动阀门，所述温度传感变送器一、温度传感变送器二、变频电机、旁通电动阀门分别与电控柜电连接，其中温度传感变送器一用于控制变频电机的动作，温度传感变送器二用于控制旁通管电动阀门动作，所述温度传感变送器一、温度传感变送器二安装在冷却塔水池中。

所述风机转速控制装置还包括安装在监控室的DCS，电控柜与DCS连接，实现监控人员远程监控和实时操作。

本发明技术带来的明显效果：

1.本发明从换热装备流出的热水，经过回水总管进入水轮机及旁通管，通过布水管冷却后汇集到水池中，然后冷却水经出水总管、循环水泵流到需要冷却的换热装备中，水循环利用。本发明能够根据水温变化自适应控制风机转速的智能冷却系统结构简单紧凑，本发明通过风机辅助动力装置、风机转速控制装置，利用温度变化自适应控制风量，自动调节风筒外辅助电机的转速和风筒内水轮机的过流量，既达到循环水精确降温的生产工艺要求，又达到精确控制风机转速的目的，解决了冷却塔因外界环境变化而导致水温起伏过大和电动风机能耗较大的难题，使水温准确降温到生产所需要温度，同时本发明能够降低人员劳动强度、降低风机能耗。

2.本发明的变频电机及主要的控制系统等布置在风筒外，与现有技术中将类似的结构布置在风筒内相比，提高了电机等部件的使用寿命，降低了使用和维护成本，也提高的电机的安全可靠性。

3.本发明采用内置式水轮机直联风机，与现有技术中的外置式水轮机通过传动轴连接风机减速机能效高15％，节能效果好，显著提高企业经济效益。

4.本发明在循环水系统富余压力不足或夏季极端气温下，降温效果都能达到循环水工艺要求，该发明既适用于新塔建设也适用于老塔改造，该发明适用于任何状态下的循环水系统。

5.本发明用风筒外变频电动机通过带棘轮离合器的传动轴直联内置式水轮机的动力补偿方法，结构简单紧凑。

6.通过将所述变频电机固定在现有电机的安装座位置，可以对现有电机安装座进行重复利用，基建工作量少，制造效率高，降低了生产制造成本。

附图说明

图1为采用外置式水轮机和电机同轴驱动减速机结构示意图；

图中，5.旁通阀门，6外置式水轮机，10出水总管，11风筒，14回水总管，17风机减速机，18传动轴，19水轮机出水管，20布水管，21上塔管路，22阀门。

图2为外置式水轮机和电机驱动减速机结构示意图。

图中，1冷却塔，2风筒，3外置式水轮机，4电机，5风机减速机，6风机，7电机传动轴，8水轮机传动轴，9电机基座。

图3为内置水轮机和内置电机补偿结构示意图；

图中，1.风筒 2.齿轮 3.变速箱 4.电机 5.风机 6.水轮机 7.进水管 8.冷却塔9.布水管 10.旁通阀门 11.上水管阀门 12.出水管 13.回水总管。

图4为本发明结构示意图；

图中，1.电控箱 2.电机底座 3.变频电机 4.传动轴 5.风机，6.内置式水轮机 7.进水管 8.冷却塔 9.布水管，10.旁通管电动阀门 11.风筒 12.传感器 13.出水总管 14.回水总管。

图5轴承座结构示意图；

图中5.风机，6.内置式水轮机，15.棘轮离合器，16.主动锥齿轮，17.从动锥齿轮，18.水轮机主轴。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

实施例1

一种根据水温变化自适应控制风机转速的冷却系统，结合图4、图5，包括内置式水轮机6、风机5、风筒11，风机5、风筒11安装在冷却塔顶部，内置式水轮机6设于风筒11中间，水轮机6包括涡壳、转轮、轴承座、水轮机主轴18，涡壳与轴承座连接，水轮机主轴18通过两个轴承垂直安装在轴承座上，转轮与水轮机主轴18下端连接，风机5安装在水轮机主轴18的顶端，水轮机6与进水管和布水管串联，旁通管也与布水管串联，水轮机的进水管与旁通管并联在回水总管的管路上，回水总管与换热装备中的热水流出管道连通，布水管与水池连通，水池与出水总管连通，出水总管与循环水泵进水端连接，循环水泵出水端与换热装备的冷却水流入管道连接，所述冷却系统还包括风机辅助动力装置、风机转速控制装置，所述风机辅助动力装置与风机转速控制装置连接，所述风机辅助动力装置将动力传输到水轮机主轴，所述风机转速控制装置以及风机辅助动力装置的主机设于风筒外部。从换热装备流出的热水，经过回水总管进入水轮机及旁通管，通过布水管冷却后汇集到水池中，然后冷却水经出水总管、循环水泵流到需要冷却的换热装备中，水循环利用。

所述风机辅助动力装置包括辅助动力的变频电机3、传动轴4、主动锥形齿轮16、从动锥形齿轮17，所述变频电机3的动力输出轴水平放置，所述传动轴4的一端与变频电机3的动力输出端连接，所述主动锥形齿轮16与传动轴4另一端连接，从动锥形齿轮17与水轮机主轴18的中部连接，所述轴承座上设有水平支撑孔，主动锥形齿轮16通过轴承支撑在水平支撑孔上，主动锥形齿轮16与从动锥形齿轮17啮合，所述变频电机3安装在风筒外部的冷却塔顶部，变频电机3与电机底座连接，风筒上设有供传动轴穿过的孔，所述电机底座为原有电机的安装座。

所述风机转速控制装置包括电控柜1、温度传感变送器一12a、温度传感变送器二12b、设于旁通管上的电动阀门10，所述温度传感变送器一12a、温度传感变送器二12b、变频电机3、旁通管电动阀门10分别与电控柜1电连接，其中温度传感变送器一12a用于控制变频电机的动作，温度传感变送器二12b用于控制旁通管电动阀门10动作，所述温度传感变送器一12a、温度传感变送器二12b安装在冷却塔水池中。通过温度传感变送器一12a设定水温的下限a_下限(水温＞a_下限时，变频电机3开始运行，水温＜a_下限时，变频电机3停止运行)，通过温度传感变送器二12b设定水温的下限b_下限(水温＞b_下限时，电动阀门10处于关闭状态，水温＜b_下限时，电动阀门10处于开启状态)，a_下限＞b_下限。

所述风机转速控制装置还包括安装在监控室的DCS(即分布式控制系统)，电控柜1与DCS连接，实现监控人员远程监控和实时操作。

所述主动锥形齿轮16为齿轮轴结构，所述传动轴4与主动锥形齿轮16通过超越离合器连接，所述超越离合器采用棘轮离合器15，其中棘轮离合器15的主动部分与传动轴端部连接，棘轮离合器15的从动部分与齿轮轴连接。所述棘轮离合器15设于轴承座外侧。

本发明工作原理说明：

本发明的风机动力来源于管道内水的压力(为主要动力)，以及变频电机3(为辅助动力)输出的动能。其中，，有富余压力的循环水通过回水总管14经进水管7进入水轮机6，压力能转化成机械能推动水轮机主轴18带着风机5转动，由于循环水系统中的富余压力通过水轮机6将转化为风机动力并且作为主要动力，实现了节能效果，达到了节能目的；另一部分动力是由安装在风筒11外的变频电机3提供，动力通过传动轴4、棘轮离合器15、主动锥形齿轮16、从动锥形齿轮17、连接到水轮机主轴18上，与水轮机输出的动力形成合力带动风机5转动。

当水温＞a_下限时，温度传感变送器12a输出4～20mA电流信号到电控柜1，电控柜1通过变频器来启动变频电机3，每一个温度对应一个转速，水温越高变频电机3转速越高，水温越低变频电机3转速越低，这时风机处于高速运行状态。

当a_下限＞水温＞b_下限时，电控箱1自动切断变频电机3的电源，辅助动力变频电机3停止工作，变频电机3和传动轴4通过棘轮离合器15与从动锥形齿轮17分离，变频电机3和传动轴4停止转动，此后只有水轮机输出动力带动风机转动。

当水温＜b_下限时，温度传感变送器二12b，输出4～20mA电流信号到电控柜1，电控柜1通过PLC技术启动旁通电动阀门10，以减少水轮机的过流量达到降低风机转速的目的，在温度传感变送器二12b上每一个温度数值对应旁通电动阀门10一个开度，水温越低开度越大，水轮机过流量越低，风机转速越低，直到水温下降到旁通电动阀门10完全打开，风机5停止转动为止。

实施例2

本发明的具体实施例如下：

某企业有1台600m³/h的冷却塔需要风机节能改造。其工况为：风机电机额定功率为30kw,额定电流为59.6A,额定电压为380V,实际电流为35A,电机功率因数为0.8，冷却塔实际回水流量为471m³/h，水轮机入水口处压力为0.10MPa。用户改造要求：电动风机改为水轮机驱动的风机后，在夏季水轮机转速必须达到原电动风机的转速，并且水温不能起伏太大。

分析：改造后水动风机转速能否达到改造前电动风机的转速，即轴功率是否匹配。根据轴功率匹配原则：当水轮机做功所输出轴功率P_水轮机≥原运行电动风机所需轴功率P_风机轴，则改造后水轮机转速可达到原电动风机转速的要求。

现电动机实际功率计算P_电机实际＝√3U×I×COSφ＝1.732×0.38×35×0.8＝18.4(KW)；

现电动风机轴功率计算P_风机轴＝P_电机实际×η＝14.9(KW)，

式中：U—电机运行电压(V)，I—电机运行电流(A)，COSφ—电机功率因数，η—传动装置效率(η电机×η减速机×η传动轴＝0.92×0.9×0.98＝0.81)；

现有工况水轮机轴功率计算：

P_水轮机＝QgHη＝0.13×9.81×10×0.9＝11.5(KW)，

式中：g—水容重(9.81)，H—水轮机进水压力(0.1MPa＝11m)，η—水轮机效率(0.9)，Q—水轮机进水流量(1m³/s＝3600m³/h)；

因为水轮机轴功率P_水轮机＝11.5KW﹤风机轴功率P_风机轴＝14.9KW，所以辅助动力功率P_辅助＝3.4KW(考虑到极端天气情况，在选择辅助电机时，配备5KW以上的电动机)。

由上可知，利用本发明，在水轮机转速和电动风机转速相同，不改变生产工艺要求前提下，风机的电动机实际功率由原来的18.4KW降到3.4KW，即达到了节能目的又精准的控制了水温，满足了生产的工艺需要，还降低了操作人员的劳动强度。

基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

Claims

1.一种根据水温变化自适应控制风机转速的智能冷却系统，包括内置式水轮机、风机、风筒，所述风机、风筒安装在冷却塔顶部，内置式水轮机设于风筒中间，风机连接在水轮机主轴顶端，其特征是，水轮机与进水管和布水管串联，旁通管也与布水管串联，水轮机的进水管与旁通管并联在回水总管的管路上，回水总管与换热装备中的热水流出管道连通，布水管与水池连通，水池与出水总管连通，出水总管与循环水泵进水端连接，循环水泵出水端与换热装备的冷却水流入管道连接，所述冷却系统还包括风机辅助动力装置、风机转速控制装置，所述风机辅助动力装置与风机转速控制装置连接，所述风机辅助动力装置将动力传输到水轮机主轴，所述风机转速控制装置以及风机辅助动力装置的主机设于风筒外部。

2.如权利要求1所述的根据水温变化自适应控制风机转速的智能冷却系统，其特征是，所述风机辅助动力装置包括辅助动力的变频电机、传动轴、主动锥形齿轮、从动锥形齿轮，所述变频电机的动力输出轴水平放置，所述传动轴的一端与变频电机的动力输出端连接，所述主动锥形齿轮与传动轴另一端连接，从动锥形齿轮与水轮机主轴的中部连接，所述轴承座上设有水平支撑孔，主动锥形齿轮通过轴承支撑在水平支撑孔上，主动锥形齿轮与从动锥形齿轮啮合，所述变频电机安装在风筒外部的冷却塔顶部，风筒上设有供传动轴穿过的孔，变频电机与电机底座连接。

3.如权利要求2所述的根据水温变化自适应控制风机转速的智能冷却系统，其特征是，所述主动锥形齿轮为齿轮轴结构，所述传动轴与主动锥形齿轮通过超越离合器连接，所述超越离合器采用棘轮离合器，其中棘轮离合器的主动部分与传动轴端部连接，棘轮离合器的从动部分与齿轮轴连接，所述棘轮离合器设于轴承座外侧。

4.如权利要求2所述的根据水温变化自适应控制风机转速的智能冷却系统，其特征是，所述风机转速控制装置包括电控柜、温度传感变送器一、温度传感变送器二、设于布水管上的旁通电动阀门，所述温度传感变送器一、温度传感变送器二、变频电机、旁通管电动阀门分别与电控柜电连接，其中温度传感变送器一用于控制变频电机的动作，温度传感变送器二用于控制旁通管电动阀门动作，所述温度传感变送器一、温度传感变送器二安装在冷却塔水池中。

5.如权利要求4所述的根据水温变化自适应控制风机转速的智能冷却系统，其特征是，所述风机转速控制装置用物联网技术自动控制风机转速，还包括安装在监控室的DCS，电控柜与DCS连接，监控人员能够远程监控和实时操作。