CN115265024A - 一种循环冷却水系统集成控制优化的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种循环冷却水系统集成控制优化的方法，包括：构建循环水冷系统；构建湿球温度的计算模型；构建循环水单元设备能效分析模型；构建加药单元水质分析控制模型；构建补排水单元节水控制模型；应用控制模型实现系统集成控制优化。上述技术方案结合系统外部影响因子，将循环水系统的所有组成单元及设备、监测计量仪表综合考虑，结合先进准确的控制模型和软件，进行运行管理和控制优化，帮助企业进行循环冷却水系统的全面整体、精细化的优化控制，使循环冷却水系统达到高效、节能、安全稳定的运行效果，提高企业对循环冷却水系统整体集成控制优化和节能减排的需求，助力企业生产、进步和可持续发展。

Description

一种循环冷却水系统集成控制优化的方法

技术领域

本发明涉及发电厂冷却水系统技术领域，尤其涉及一种循环冷却水系统集成控制优化的方法。

背景技术

在流程工业企业中，循环冷却水系统作为重要的公用辅助系统，为工业生产的换热、冷凝、冷冻冷藏等工艺需求提供了重要保障。然而，由于主工艺设计初期的设计余量大、主工艺生产的负荷波动、气候季节变化等现实情况，致使循环冷却水系统在大部分情况下均处于低负荷、低效率运行状态。

据调研，全球工业循环冷却水占全球用水总量的14％左右。在我国，循环冷却水用水量已占工业用水总量的70％。2020年，根据国家数据局统计数据，全国工业用水总量为1030.4亿立方米，工业循环冷却水用量约有721.3亿立方米，其中，仅石油化工行业工业循环水用量占50亿立方米。如此巨大的水量需求，配套大量大功率水泵机组，直接关系着工业企业的资源能源消耗。根据文献调研，我国工业循环冷却水系统效率比先进国家低约20％，能耗偏高20％～40％。国家工信部公布数据显示，2018年，全国工业循环冷却水耗电量约5100亿千瓦时，其中80％以上的系统具备15％的节电潜力，50％以上的系统具备25％以上的节电潜力。预计2022年我国循环冷却水系统年节电效益在700亿千瓦时以上。

循环冷却水可提供企业生产运营必要的换热需求(如换热设备、冷凝器、制冷空调等)。通常，流程工业企业更侧重对主要生产工艺和装置进行全面、精细化的管理和控制，而对公用辅助系统，如循环冷却水系统的全面精细管控较为欠缺。由于循环冷却水系统水量普遍较大(通常几千至十几万立方米每小时)，其水泵和冷却塔风机功率也较大(通常几十至几百千瓦时每台)。因此，局部性、粗放式的运行管理造成的水资源、电能浪费等问题十分严重。

如此低效率、高能耗的系统现状，究其原因主要有2个方面。一方面是设备运行冗余量过大，系统整体衔接性不强；另一方面是运行管理过程中自控系统不智能，人工操作繁琐复杂。

中国专利文献CN105841408B公开了一种“闭式循环冷却水节能驱动系统及方法”。包括闭式水箱，与闭式水箱连通的闭式循环冷却水回路；闭式循环冷却水回路包括与闭式水箱连通的供水母管，依次连接设置于供水母管上的闭式冷却水泵组件、闭式水热交换器及多个并列的冷却设备管路，以及连通每个冷却设备管路和闭式冷却水泵组件的回水母管；闭式冷却水泵组件包括设置于供水母管上的闭式循环冷却水泵，以及驱动闭式循环冷却水泵的双速电机，闭式循环冷却水泵的入口与回水母管连通、闭式循环冷却水泵的出口与闭式水热交换器连通。上述技术方案仅就循环水泵和阀门进行了优化控制和设计，缺少统一管控。

发明内容

本发明主要解决原有的技术方案仅就循环水泵和阀门进行了优化控制和设计，缺少统一管控的技术问题，提供一种循环冷却水系统集成控制优化的方法，结合系统外部影响因子，将循环水系统的所有组成单元及设备、监测计量仪表综合考虑，结合先进准确的控制模型和软件，进行运行管理和控制优化，帮助企业进行循环冷却水系统的全面整体、精细化的优化控制，使循环冷却水系统达到高效、节能、安全稳定的运行效果，提高企业对循环冷却水系统整体集成控制优化和节能减排的需求，助力企业生产、进步和可持续发展。

本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：本发明包括：

S1构建循环水冷系统；

S2构建湿球温度的计算模型；

S3构建循环水单元设备能效分析模型；

S4构建加药单元水质分析控制模型；

S5构建补排水单元节水控制模型；

S6应用控制模型实现系统集成控制优化。

作为优选，所述的步骤S1中循环冷却水系统包括循环水单元、加药单元和补排水单元，所述循环水单元包括冷却塔及塔顶风机，进塔水温监测仪T2，冷却水池，冷却水池水质检测仪表组B，出塔水温监测仪T1，循环水泵机组，循环水泵出口电动调节阀M，循环水泵出水流量计Q3，换热设备，环境大气温度、相对湿度和气压检测仪TH；所述加药单元包括杀菌剂加药设备及泵，阻垢缓蚀剂加药设备及泵，加酸设备及泵，冷却水池水质检测仪表组B；所述补排水单元包括补水泵，补水流量计Q1，补水电导率仪A1，冷却水池水质检测仪表组B，排污泵，排污水流量计Q2和排污水电导率仪A2。

作为优选，所述的步骤S2构建湿球温度的计算模型具体包括t摄氏度下的饱和水蒸气压P〞的计算公式和二分法计算湿球温度τ的判断函数F(R_H，P，T，τ)如下：

其中，P″：饱和水蒸气压力，kPa；t：干球温度,℃；F(R_H，P，T，τ)：二分法判断函数；R_H：相对湿度，％；P：大气压力，kPa；T：现场实际干球温度，℃；τ：需求解的湿球温度，℃；

求解湿球温度τ的过程简化为求解F(R_H，P，T，τ)＝0的过程，而根据监测仪表TH得到T、R_H和P数据，即二分法求解τ的步骤为：

S2.1取湿球温度区间[a₀,b₀]，其中a₀＝T-30，b₀＝T；

S2.2取区间[a₀,b₀]的中点X₀＝(a₀+b₀)/2，计算判断函数F在τ＝X₀时的函数值F(X₀)与0的关系，

S2.3若F(X₀)＝0，即X₀为该环境条件下的湿球温度；若F(X₀)＜0，即有根区间为[X₀,b₀],赋值a₁＝X₀，b₁＝b₀，新有根区间即为[a₁,b₁]；若F(X₀)＞0，即有根区间为[X₀,b₀],赋值a₁＝a₀，b₁＝X₀，新有根区间即为[a₁,b₁]；

S2.4再取区间[a₁,b₁]的中点X₁＝(a₁+b₁)/2，计算判断函数F在τ＝X₁时的函数值F(X₁)与0的关系；

S2.5如此循环，设定在b_n-a_n＜0.01时，输出结果τ＝(a_n+b_n)/2，即为当前环境条件下的湿球温度，精度为0.01℃。

作为优选，所述的步骤S3构建循环水单元设备能效分析模型包括构建设备能耗模型，构建冷却塔风机模型和进行模型约束。

作为优选，所述的构建设备能耗模型目的在保证循环水供应量与换热需求的情况下，使整个循环水单元的综合能耗最小，达到节能的目的，目标函数如下：

其中，P_t：循环水系统功率，kw；P_f,i：冷却塔风机功率，kw；P_p,i：循环水泵功率，kw；

各设备功率基于数据驱动模型进行计算，根据设备的历史运行数据，通过最小二乘法等数据拟合方法，分别建立冷却塔风机、循环水泵的流量与电耗的关联模型：P_n＝L_n*a_n+b_n，式中P_n、L_n分别表示各设备的电耗、流量，a_n、b_n为模型的拟合系数；

首先构建误差平方和函数：

P_j＝L_i*a_i+b_i

两方程合并得：

其中，

设备电耗模型误差平方和；P_i：设备实际功率，kW；L_i：设备实际流量，m³/h；a_i：设备电耗模型拟合系数a；b_i：设备电耗模型拟合系数b；P_j：设备计算功率，kW；

将合并后的函数方程分别对a_i、b_i求偏导数，令其等于0，获得P_j最小为“优化判据”的模型拟合系数；

借助风机的实时运行数据进行模型的更新与校正，冷却塔风机、循环水泵的电耗模型P_f,i、P_p,i如下所示：

P_f,i＝a_f,i*V_fi+b_f,i

P_p,i＝a_p,i*L_pi+b_p,i

a_f,i：风机电耗模型拟合系数a；V_fi：风机风量，m³/h；b_f,i：风机电耗模型拟合系数b；a_p,i：循环水泵电耗模型拟合系数a；L_pi：循环水流量，m³/h；b_p,i：循环水泵电耗模型拟合系数b。

作为优选，所述的构建冷却塔风机模型具体包括，根据湿球温度计算模型确定湿球温度τ(℃)后，再由下式确定热量系数k：

k＝1-4.187*(τ+3)/2460

根据大气温度t(℃)、大气湿度R_H(％)、热量系数k、循环水进出塔温差Δ(℃)，确定冷却塔进出口空气的焓H_i(kJ/kg)、H_o(kJ/kg)：

H_i＝f(t,R_H)

H_o＝H_i+4.187*Δ/k

根据温度t℃时的冷却水总流量L_t(m³/h)、循环水进出塔温差Δ(℃)，确定所需冷量Q(冷吨)：

根据需冷量Q(冷吨)、进出口空气的焓H_i、H_o，确定所需风量V(m³/h)：

作为优选，所述的模型约束具体包括，

物料平衡约束

冷却塔的进出口风量分别为F_a,in、F_a,out，单位是m³/h，则对于冷却塔风机机组有风量约束条件：

∑(F_a,in-F_a,out)＝0

循环水泵的进出口水量分别为F_w,in、F_w,out，单位是m³/h，则对于循环水泵机组有水量约束条件：

∑(F_w,in-F_w,out)＝0；

能量平衡约束

循环水泵的进出口水量分别为F_w,in、F_w,out，单位是m³/h，循环水泵的进出水焓值分别为H_w,in、H_w,out，单位是kJ/kg。W_w表示对外做功，Q_w表示能量损失，单位是kJ/h，则对于循环水泵机组有能量平衡约束条件：

∑(F_w,in*H_w,in-F_w,out*H_w,out-W_i-Q_i)＝0

设备约束

风机、水泵设备的风量和水量统一记作F_i，设备所能承受的最小负荷和最大负荷分别计为F_i,min、F_i,max，单位均为m³/h；风机、水泵设备的实际电流统一记作I_i，设备所能承受的最小电流和最大电流分别计为I_i,min、I_i,max，则分配到冷却塔、循环水泵介质流量必须在正常范围内，否则影响设备的正常运行：

F_i,min≤F_i≤F_i,max

I_i,min≤I_i≤I_i,max；

效率约束

设备实际效率记作η_i，设备最小运行效率记作η_i,min。如果I_i>0且η_i,min≤η_i≤1不满足，则需关停设备；

需求约束

模型模拟计算所提供的循环水量(m³/h)记作L_w；实际生产对循环水的需求量(m³/h)记作L_w,n，则对于循环水系统的优化，必须满足日常生产对循环水总量的需求，即L_w,n≤L_w；

采用非线性规划法中的序列二次规划法(SQP)对上述模型进行求解。

作为优选，所述的步骤S4构建加药单元水质分析控制模型具体包括，加药单元包括酸加药装置、阻垢缓蚀剂加药装置和杀菌剂加药装置组成，将循环水池中水质检测仪表检测出的pH、电导率、ORP、钙硬度、总硬度、氯离子、总铁、溶解氧、碱度、COD、总磷、SS污染物浓度分别计为C_pH、C_σ、C_ORP、C_Ca、C_Ca,Mg、C_Cl、C_Fe、C_Do、C_al、C_COD、C_P、C_SS；

根据各个相关的水质参数，构建加酸量Q_酸，阻垢缓蚀剂添加量Q_{阻垢缓蚀剂}和杀菌剂Q_杀菌剂的与水质参数的函数分别为：

Q_酸＝f(C_pH)

Q_{阻垢缓蚀剂}＝f(C_σ，C_Ca，C_Ca,Mg，C_Cl，C_Fe，C_al)

Q_杀菌剂＝f(C_ORP，C_Do，C_COD，C_P，C_SS)

酸的添加量，其计算公式如下：

Q_酸——硫酸加药量(kg/h)；

E——常数，加硫酸时为1/2的硫酸分子质量，即取49。加盐酸时取36.5；

H_z——补水碳酸盐硬度(mmol/L)；

H_z′——补水加酸后的碳酸盐硬度(mmol/L)；

Q_m——每小时补水量(m3/h)；

a——酸的浓度，工业浓硫酸一般为98％，即去0.98；

H_jz——循环水系统极限碳酸盐硬度(mmol/L)；

[O]——耗氧量(mg/L)，一般要求循环水耗氧量≤25mg/L；

t——循环水最高温度(℃)，最高温度t＝30～65℃，小于40℃按40℃计；

H_y——补水非碳酸盐硬度(mmol/L)。

阻垢缓蚀剂、杀菌剂的添加量计算模型，根据药剂种类不同，采用不同的经验计算公式，将各水质参数浓度与药剂化学组成、官能团种类数量进行关联，结合相关化学反应方程式，进行模拟计算，构建相应水质分析控制模型。

作为优选，所述的步骤S5构建补排水单元节水控制模型具体包括用电导率代替含盐量表示浓缩倍数N，即

其中，C_σ,out表示循环水池循环水的电导率，C_σ,in表示补充水的电导率；

当循环水补水为地表水、地下水或海水淡化水时，浓缩倍数宜5≤N≤8；当循环水补水为再生水或中水时，浓缩倍数宜3≤N≤5；

由循环水补充水量Q_m，蒸发水量Q_e，排污水量Q_b，风吹损失水量Q_w，循环水总量Q_t，单位均为m³/h；冷却塔进出水温差Δ(℃)，蒸发损失系数k(1/℃)得到循环水补充水量模型，

Q_m＝Q_e+Q_b+Q_w

Q_e＝k×Δ×Q_t

风吹损失水量小，忽略，得补充水量与浓缩倍数的计算模型如下：

其中，蒸发损失系数的k值，根据冷却塔进水温度t_in，由以下函数计算得出：

另外，由蒸发水量Q_e，浓缩倍数N，风吹损失Q_w，强制排污量Q_b1，循环冷却水处理过程中的损失水量Q_b2，循环水总量Q_t，可得出排污水量Q_b的计算公式如下：

Q_b＝Q_b1+Q_b2

Q_w+Q_b2宜为(0.004～0.008)Q_t，即可构建强制排污量Q_b1的函数如下：

通过构建补水量Q_m的函数和强制排污量Q_b1的函数，即搭建完成补排水节水控制的计算模型。

作为优选，所述的步骤S6在主体控制设备的模型计算及控制逻辑之上，将循环水单元、加药单元、补排水单元3个单元的模型组建在一起，即搭建全局性的循环水系统—整体控制优化系统，通过监控对象的信号反馈，对应模型的计算拟合求解，再输出给执行器控制各个主要设备，实现对整个系统的优化控制。

本发明的有益效果是：结合系统外部影响因子，将循环水系统的所有组成单元及设备、监测计量仪表综合考虑，结合先进准确的控制模型和软件，进行运行管理和控制优化，帮助企业进行循环冷却水系统的全面整体、精细化的优化控制，使循环冷却水系统达到高效、节能、安全稳定的运行效果，提高企业对循环冷却水系统整体集成控制优化和节能减排的需求，助力企业生产、进步和可持续发展。系统完整全面，涵盖了循环冷却水系统内的主要设备装置及仪表，全局整体控制整个循环冷却水系统，系统控制集成较为完整；系统管理控制较为精细，可根据环境温湿度、换热设备的换热需求变化，及系统内的水量、水质波动，实现智能的自动化控制；另外还能在精细化管控的基础上达到一定的节电、节水的效果，为企业节能减排目标的实现提供技术支持和参考。

附图说明

图1是本发明的一种流程图。

图2是本发明的一种循环冷却水系统集成控制组分图。

图3是本发明的一种循环冷却水系统集成控制框架图。

图4是本发明的一种冷却塔风机智能控制逻辑图。

图5是本发明的一种循环水泵智能控制逻辑图。

图6是本发明的一种加酸泵智能控制逻辑图。

图7是本发明的一种补水泵、排水泵智能控制逻辑图。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

实施例：本实施例的一种循环冷却水系统集成控制优化的方法，如图1所示，包括以下步骤：

S1构建循环水冷系统；

S2构建湿球温度的计算模型；

S3构建循环水单元设备能效分析模型；

S4构建加药单元水质分析控制模型；

S5构建补排水单元节水控制模型；

S6应用控制模型实现系统集成控制优化。

如图2所示，将循环冷却水系统进行全面整体的系统性分析，将循环冷却水系统分为循环水单元、加药单元、补排水单元三部分，其中，①循环水单元包括冷却塔及塔顶风机，进塔水温监测仪T2，冷却水池，冷却水池水质检测仪表组B，出塔水温监测仪T1，循环水泵机组，循环水泵出口电动调节阀M，循环水泵出水流量计Q3，换热设备，环境大气温度、相对湿度和气压检测仪TH；②加药单元包括杀菌剂加药设备及泵，阻垢缓蚀剂加药设备及泵，加酸设备及泵，冷却水池水质检测仪表组B；③补排水单元包括补水泵，补水流量计Q1，补水电导率仪A1，冷却水池水质检测仪表组B，排污泵，排污水流量计Q2和排污水电导率仪A2。

如图3所示，通过监测仪表采集数据(如水温、气温、湿度，阀门开度，水质检测数据等)、结合控制模型分析、处理数据，对各个主要设备执行器输出执行信号，根据控制逻辑达到调控系统的目的，其中，监控对象与控制设备的关系为网状关联关系，如循环水单元中，进出塔水温受循环水泵、调节阀M和冷却塔风机影响；而循环水泵的控制，又受循环水单元各个监控对象的影响。同样的，控制模型的输出及反馈，也与相应的控制设备互相关联影响。加药单元及补排水单元同理。由此可搭建完整且全面的循环冷却水的优化控制系统。

构建系统控制计算及模型

(1)湿球温度的计算模型

在冷却塔进风口附近设置温度计、湿度计和气压表(即仪表TH)，且均带有远传功能，可将监测到的环境温度、湿度及气压数据传输给循环水控制单元。循环水控制单元中，含有相对湿度计算模块，其中包括相关数据处理算法和模型。模型和算法中包括t摄氏度下的饱和水蒸气压P〞的计算公式和二分法计算湿球温度τ的判断函数F(R_H，P，T，τ)如下：

P″：饱和水蒸气压力，kPa；

t：干球温度,℃；

F(R_H，P，T，τ)：二分法判断函数；

R_H：相对湿度，％；

P：大气压力，kPa；

T：现场实际干球温度，℃；

τ：需求解的湿球温度，℃。

求解湿球温度τ的过程简化为求解F(R_H，P，T，τ)＝0的过程。而根据监测仪表TH可得T、R_H和P数据，即二分法求解τ的步骤为：

①取湿球温度区间[a₀,b₀]，其中a₀＝T-30，b₀＝T；

②取区间[a₀,b₀]的中点X₀＝(a₀+b₀)/2，计算判断函数F在τ＝X₀时的函数值F(X₀)与0的关系，

③若F(X₀)＝0，即X₀为该环境条件下的湿球温度；若F(X₀)＜0，即有根区间为[X₀,b₀],赋值a₁＝X₀，b₁＝b₀，新有根区间即为[a₁,b₁]；若F(X₀)＞0，即有根区间为[X₀,b₀],赋值a₁＝a₀，b₁＝X₀，新有根区间即为[a₁,b₁]；

④再取区间[a₁,b₁]的中点X₁＝(a₁+b₁)/2，计算判断函数F在τ＝X₁时的函数值F(X₁)与0的关系；

⑤如此循环，可设定在b_n-a_n＜0.01时，输出结果τ＝(a_n+b_n)/2，即为当前环境条件下的湿球温度，精度为0.01℃。(计算精度可根据实际需求调整)

(2)循环水单元设备能效分析模型

设备能耗模型：

循环水单元优化的目标是在保证循环水供应量与换热需求的情况下，使整个循环水单元的综合能耗最小，达到节能的目的。目标函数如下：

P_t：循环水系统功率，kw

P_f,i：冷却塔风机功率，kw

P_p,i：循环水泵功率，kw

各设备功率基于数据驱动模型进行计算。根据设备的历史运行数据，通过最小二乘法等数据拟合方法，分别建立冷却塔风机、循环水泵的流量与电耗的关联模型：P_n＝L_n*a_n+b_n，式中P_n、L_n分别表示各设备的电耗、流量，a_n、b_n为模型的拟合系数。

首先构建误差平方和函数：

P_j＝L_i*a_i+b_i

两方程合并可得：

设备电耗模型误差平方和

P_i：设备实际功率，kW

L_i：设备实际流量，m³/h

a_i：设备电耗模型拟合系数a

b_i：设备电耗模型拟合系数b

P_j：设备计算功率，kW

将合并后的函数方程分别对a_i、b_i求偏导数，令其等于0，可获得P_j最小为“优化判据”的模型拟合系数。

由于冷却塔的风量随环境温湿度波动幅度较大，风量与风机电流的模型参数不稳定，还需借助风机的实时运行数据进行模型的更新与校正。

冷却塔风机、循环水泵的电耗模型P_f,i、P_p,i如下所示：

P_f,i＝a_f,i*V_fi+b_f,i

P_p,i＝a_p,i*L_pi+b_p,i

a_f,i：风机电耗模型拟合系数a

V_fi：风机风量，m³/h

b_f,i：风机电耗模型拟合系数b

a_p,i：循环水泵电耗模型拟合系数a

L_pi：循环水流量，m³/h

b_p,i：循环水泵电耗模型拟合系数b

冷却塔风机模型：

根据湿球温度计算模型确定湿球温度τ(℃)后，再由下式确定热量系数k：

k＝1-4.187*(τ+3)/2460

根据大气温度t(℃)、大气湿度R_H(％)、热量系数k、循环水进出塔温差Δ(℃)，确定冷却塔进出口空气的焓H_i(kJ/kg)、H_o(kJ/kg)：

H_i＝f(t,R_H)

H_o＝H_i+4.187*Δ/k

根据温度t℃时的冷却水总流量L_t(m³/h)、循环水进出塔温差Δ(℃)，确定所需冷量Q(冷吨)：

根据需冷量Q(冷吨)、进出口空气的焓H_i、H_o，确定所需风量V(m³/h)：

模型约束：

①物料平衡约束

冷却塔的进出口风量分别为F_a,in、F_a,out，单位是m³/h。则对于冷却塔风机机组有风量约束条件：

∑(F_a,in-F_a,out)＝0

循环水泵的进出口水量分别为F_w,in、F_w,out，单位是m³/h。则对于循环水泵机组有水量约束条件：

∑(F_w,in-F_w,out)＝0

②能量平衡约束

循环水泵的进出口水量分别为F_w,in、F_w,out，单位是m³/h。循环水泵的进出水焓值分别为H_w,in、H_w,out，单位是kJ/kg。W_w表示对外做功，Q_w表示能量损失，单位是kJ/h。则对于循环水泵机组有能量平衡约束条件：

∑(F_w,in*H_w,in-F_w,out*H_w,out-W_i-Q_i)＝0

③设备约束

风机、水泵设备的风量和水量统一记作F_i，设备所能承受的最小负荷和最大负荷分别计为F_i,min、F_i,max，单位均为m³/h；风机、水泵设备的实际电流统一记作I_i，设备所能承受的最小电流和最大电流分别计为I_i,min、I_i,max，则分配到冷却塔、循环水泵介质流量必须在正常范围内，否则影响设备的正常运行：

F_i,min≤F_i≤F_i,max

I_i,min≤I_i≤I_i,max

④效率约束

在实际生产过程中，往往要充分考虑单个设备的效率情况，通常不启用效率值过低的设备，以免造成负荷浪费。设备实际效率记作η_i，设备最小运行效率记作η_i,min。如果I_i>0且η_i,min≤η_i≤1不满足，则需关停设备。

⑤需求约束

模型模拟计算所提供的循环水量(m³/h)记作L_w；实际生产对循环水的需求量(m³/h)记作L_w,n。则对于循环水系统的优化，必须满足日常生产对循环水总量的需求，即L_w,n≤L_w。

采用非线性规划法中的序列二次规划法(SQP)对上述模型进行求解。

(3)加药单元水质分析控制模型

加药单元一般由酸加药装置、阻垢缓蚀剂加药装置和杀菌剂加药装置组成。将循环水池中水质检测仪表检测出的pH、电导率、ORP、钙硬度、总硬度、氯离子、总铁、溶解氧、碱度、COD、总磷、SS等污染物浓度分别计为C_pH、C_σ、C_ORP、C_Ca、C_Ca,Mg、C_Cl、C_Fe、C_Do、C_al、C_COD、C_P、C_SS。

则根据各个相关的水质参数，可构建加酸量Q_酸，阻垢缓蚀剂添加量Q_{阻垢缓蚀剂}和杀菌剂Q_杀菌剂的与水质参数的函数分别为：

Q_酸＝f(C_pH)

Q_{阻垢缓蚀剂}＝f(C_σ，C_Ca，C_Ca,Mg，C_Cl，C_Fe，C_al)

Q_杀菌剂＝f(C_ORP，C_Do，C_COD，C_P，C_SS)

举例说明：酸的添加量，其计算公式如下：

Q_酸——硫酸加药量(kg/h)；

E——常数，加硫酸时为1/2的硫酸分子质量，即取49。加盐酸时取36.5；

H_z——补水碳酸盐硬度(mmol/L)；

H_z′——补水加酸后的碳酸盐硬度(mmol/L)；

Q_m——每小时补水量(m3/h)；

a——酸的浓度，工业浓硫酸一般为98％，即去0.98；

H_jz——循环水系统极限碳酸盐硬度(mmol/L)；

[O]——耗氧量(mg/L)，一般要求循环水耗氧量≤25mg/L；

t——循环水最高温度(℃)，最高温度t＝30～65℃，小于40℃按40℃计；

H_y——补水非碳酸盐硬度(mmol/L)。

阻垢缓蚀剂、杀菌剂的添加量计算模型，根据药剂种类不同，采用不同的经验计算公式，将各水质参数浓度与药剂化学组成、官能团种类数量进行关联，结合相关化学反应方程式，进行模拟计算，可构建相应水质分析控制模型。

(4)补排水单元节水控制模型

补排水单元主要关系到系统的节水效果。根据浓缩倍数的定义，浓缩倍数为循环水池内循环水的含盐量与补充水的含盐量之比值。通常，我们可以用电导率代替含盐量表示浓缩倍数N，即

其中，C_σ,out表示循环水池循环水的电导率，C_σ,in表示补充水的电导率。

当循环水补水为地表水、地下水或海水淡化水时，浓缩倍数宜5≤N≤8；当循环水补水为再生水或中水时，浓缩倍数宜3≤N≤5。

由循环水补充水量Q_m，蒸发水量Q_e，排污水量Q_b，风吹损失水量Q_w，循环水总量Q_t，单位均为m³/h；冷却塔进出水温差Δ(℃)，蒸发损失系数k(1/℃)可得循环水补充水量模型。

Q_m＝Q_e+Q_b+Q_w

Q_e＝k×Δ×Q_t

通常，风吹损失水量受实际风速、气温湿度等影响较大，不易监测计算，且一般情况下风吹损失较小，可忽略，故可得补充水量与浓缩倍数的计算模型如下：

其中，蒸发损失系数的k值，可根据冷却塔进水温度t_in，由以下函数计算得出：

另外，由蒸发水量Q_e，浓缩倍数N，风吹损失Q_w，强制排污量Q_b1，循环冷却水处理过程中的损失水量Q_b2，循环水总量Q_t，可得出排污水量Q_b的计算公式如下：

Q_b＝Q_b1+Q_b2

一般情况下，Q_w+Q_b2宜为(0.004～0.008)Q_t。即可构建强制排污量Q_b1的函数如下：

通过构建补水量Q_m的函数和强制排污量Q_b1的函数，即搭建完成补排水节水控制的计算模型。

系统控制实施方式说明

如图4所示，在循环水单元中，冷却塔的风量影响着冷却水的出水温度，进而对换热设备的换热效率产生影响。冷却塔的风量大小可以通过冷却塔风机的启停或变频控制，如可根据开启/关闭换热设备数量对应启用/停止冷却塔风机数量。一种相对节能的控制模式为根据设定冷却水出塔水温(如设定为湿球温度+5℃，湿球温度由湿球温度计算模型得出)来控制风机变频调节或加减机操作，当实际冷却水出塔水温高于设定出塔水温时，调大风机频率，风机转速自动随着温度升高而增大，若所需风机转速超过自身最大允许转速则再判断是否开启新的风机。

如图5所示，同样的，循环冷却水流量应满足换热设备的换热需求。根据热容公式Q＝cmΔ(c为比热容，m为质量，Δ为进出冷却塔水温差)，循环水与换热设备的换热量多少，决定了水流量和供回水温差的大小。而根据泵的特性曲线，水的流量与泵的功率相关，并且泵的功率应落在泵的高效区内以实现泵的节能运行。因此，循环水泵可以通过设定出口流量、或进出塔水温差进行泵的自动启停或变频控制，达到既满足热量需求又具有节能效果的目的。通常，出塔水温根据工艺需要为定值，则可以设定进塔水温作为控制判断条件(如图4)，由进塔水温计算得出温差Δ。当泵的频率已达到上限值而温差Δ仍大于设定值10％以上时，经过延时后加开一台泵；当泵的频率已达到上限值而当温差Δ大于设定值10％以下时，通过增大循环水泵出口调节阀M开度进行微调流量Q3以使温差Δ满足要求。当泵组的频率达到设定值下限而温差Δ小于设定值10％以上时，经过延时后关闭一台泵；当泵组的频率达到设定值下限而温差Δ小于设定值10％以下时，通过减小循环水泵出口调节阀M开度进行微调流量Q3以使温差Δ满足要求。

如图6所示，在加药单元中，加酸、阻垢缓蚀剂和杀菌剂这三种加药泵的运行主要受对应主要水质参数的影响。其中酸的添加量影响着循环冷却水的pH值，进而对循环水循环过程中的腐蚀、结垢问题产生影响。酸的添加量由酸加药量的水质分析控制模型计算得出，通过加酸泵的启停或变频控制，根据冷却水池的pH检测仪B1对应增加/减少加酸泵频率以调控循环水的pH(如图5)。根据设定冷却水目标pH值(如设定pH值范围为[7.5，8.5])来控制加药泵变频调节或加减机操作，当实际冷却水池pH高于8.5时，调大加酸泵频率，若所需加酸泵频率超过最大频率则再判断是否开启备用的加酸泵。当实际冷却水池pH小于7.5时，减小加酸泵频率，若所需加酸泵频率低于最低频率则再判断是否关闭该加酸泵。阻垢缓蚀剂和杀菌剂的智能控制逻辑同理。

如图7所示，在补排水单元中，补水泵、排水泵的运行，主要受补排水流量Q1、Q2和浓缩倍数N(由补排水电导率A1、A2计算求得)影响。其中补排水量Q1、Q2可以通过节水控制模型求得，补排水泵的启停或变频控制，根据循环水的浓缩倍数N对应增加/减少补排水泵频率(如图6)。设定循环水浓缩倍数(如设定N值范围为[5，8])来控制补排水泵变频调节或加减机操作，当实际循环水N高于8时，调大补排水泵频率，若所需泵频率超过最大频率则再判断是否开启备用的补排水泵。当实际循环水N小于5时，减小补排水泵频率，若所需补排水泵频率低于最低频率则再判断是否关闭该补排水泵。

在主体控制设备的模型计算及控制逻辑之上，将3个单元的模型组建在一起，即可搭建全局性的循环水系统—整体控制优化系统。通过监控对象的信号反馈，对应模型的计算拟合求解，再输出给执行器控制各个主要设备。即完成了整个系统的优化控制。

关键点：

1.系统集成化：实现企业循环冷却水系统内全部运行设备、装置、仪表的关联和控制。包括循环水单元、加药单元和补排水单元内部所有主要设备，仪器阀门，检测仪表等；还包括系统外部环境的温度、湿度监测仪表。

2.管控精细化：通过搭建系统完整的设备能效分析模型、水质分析控制模型、节水控制模型等软件模型进行分析计算，给出更精细准确的调控命令和建议，助力循环冷却水系统的精细化管理控制。

3.节水节能化：在对外部环境变化、换热需求变化及循环水水质监测控制的前提下，建立和优化循环水系统主要耗电设备的能耗分析模型和补排水节水控制模型，通过信息处理和分析计算，将系统能耗控制在经济高效的范围内，降低运行过程的能耗冗余、补水过剩。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。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。

尽管本文较多地使用了循环水冷系统等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。

Claims (10)

1.一种循环冷却水系统集成控制优化的方法，其特征在于，包括：

S1构建循环水冷系统；

S2构建湿球温度的计算模型；

S3构建循环水单元设备能效分析模型；

S4构建加药单元水质分析控制模型；

S5构建补排水单元节水控制模型；

S6应用控制模型实现系统集成控制优化。

2.根据权利要求1所述的一种循环冷却水系统集成控制优化的方法，其特征在于，所述步骤S1中循环冷却水系统包括循环水单元、加药单元和补排水单元，所述循环水单元包括冷却塔及塔顶风机，进塔水温监测仪T2，冷却水池，冷却水池水质检测仪表组B，出塔水温监测仪T1，循环水泵机组，循环水泵出口电动调节阀M，循环水泵出水流量计Q3，换热设备，环境大气温度、相对湿度和气压检测仪TH；所述加药单元包括杀菌剂加药设备及泵，阻垢缓蚀剂加药设备及泵，加酸设备及泵，冷却水池水质检测仪表组B；所述补排水单元包括补水泵，补水流量计Q1，补水电导率仪A1，冷却水池水质检测仪表组B，排污泵，排污水流量计Q2和排污水电导率仪A2。

3.根据权利要求1所述的一种循环冷却水系统集成控制优化的方法，其特征在于，所述步骤S2构建湿球温度的计算模型具体包括t摄氏度下的饱和水蒸气压P〞的计算公式和二分法计算湿球温度τ的判断函数F(R_H，P，T，τ)如下：

其中，P″：饱和水蒸气压力，kPa；t：干球温度,℃；F(R_H，P，T，τ)：二分法判断函数；R_H：相对湿度，％；P：大气压力，kPa；T：现场实际干球温度，℃；τ：需求解的湿球温度，℃；

求解湿球温度τ的过程简化为求解F(R_H，P，T，τ)＝0的过程，而根据监测仪表TH得到T、R_H和P数据，即二分法求解τ的步骤为：

S2.1取湿球温度区间[a₀,b₀]，其中a₀＝T-30，b₀＝T；

S2.2取区间[a₀,b₀]的中点X₀＝(a₀+b₀)/2，计算判断函数F在τ＝X₀时的函数值F(X₀)与0的关系，

S2.3若F(X₀)＝0，即X₀为该环境条件下的湿球温度；若F(X₀)＜0，即有根区间为[X₀,b₀],赋值a₁＝X₀，b₁＝b₀，新有根区间即为[a₁,b₁]；若F(X₀)＞0，即有根区间为[X₀,b₀],赋值a₁＝a₀，b₁＝X₀，新有根区间即为[a₁,b₁]；

S2.4再取区间[a₁,b₁]的中点X₁＝(a₁+b₁)/2，计算判断函数F在τ＝X₁时的函数值F(X₁)与0的关系；

S2.5如此循环，设定在b_n-a_n＜0.01时，输出结果τ＝(a_n+b_n)/2，即为当前环境条件下的湿球温度，精度为0.01℃。

4.根据权利要求1所述的一种循环冷却水系统集成控制优化的方法，其特征在于，所述步骤S3构建循环水单元设备能效分析模型包括构建设备能耗模型，构建冷却塔风机模型和进行模型约束。

5.根据权利要求4所述的一种循环冷却水系统集成控制优化的方法，其特征在于，所述构建设备能耗模型目的在保证循环水供应量与换热需求的情况下，使整个循环水单元的综合能耗最小，达到节能的目的，目标函数如下：

其中，P_t：循环水系统功率，kw；P_f,i：冷却塔风机功率，kw；P_p,i：循环水泵功率，kw；

各设备功率基于数据驱动模型进行计算，根据设备的历史运行数据，通过最小二乘法等数据拟合方法，分别建立冷却塔风机、循环水泵的流量与电耗的关联模型：P_n＝L_n*a_n+b_n，式中P_n、L_n分别表示各设备的电耗、流量，a_n、b_n为模型的拟合系数；

首先构建误差平方和函数：

P_j＝L_i*a_i+b_i

两方程合并得：

其中，

设备电耗模型误差平方和；P_i：设备实际功率，kW；L_i：设备实际流量，m³/h；a_i：设备电耗模型拟合系数a；b_i：设备电耗模型拟合系数b；P_j：设备计算功率，kW；

将合并后的函数方程分别对a_i、b_i求偏导数，令其等于0，获得P_j最小为“优化判据”的模型拟合系数；

借助风机的实时运行数据进行模型的更新与校正，冷却塔风机、循环水泵的电耗模型P_f,i、P_p,i如下所示：

a_f,i：风机电耗模型拟合系数a；

风机风量，m³/h；b_f,i：风机电耗模型拟合系数b；a_p,i：循环水泵电耗模型拟合系数a；

循环水流量，m³/h；b_p,i：循环水泵电耗模型拟合系数b。

6.根据权利要求4所述的一种循环冷却水系统集成控制优化的方法，其特征在于，所述构建冷却塔风机模型具体包括，根据湿球温度计算模型确定湿球温度τ(℃)后，再由下式确定热量系数k：

k＝1-4.187*(τ+3)/2460

根据大气温度t(℃)、大气湿度R_H(％)、热量系数k、循环水进出塔温差Δ(℃)，确定冷却塔进出口空气的焓H_i(kJ/kg)、H_o(kJ/kg)：

H_i＝f(t,R_H)

H_o＝H_i+4.187*Δ/k

根据温度t℃时的冷却水总流量L_t(m³/h)、循环水进出塔温差Δ(℃)，确定所需冷量Q(冷吨)：

根据需冷量Q(冷吨)、进出口空气的焓H_i、H_o，确定所需风量V(m³/h)：

7.根据权利要求4所述的一种循环冷却水系统集成控制优化的方法，其特征在于，所述模型约束具体包括，

物料平衡约束

冷却塔的进出口风量分别为F_a,in、F_a,out，单位是m³/h，则对于冷却塔风机机组有风量约束条件：

∑(F_a,in-F_a,out)＝0

循环水泵的进出口水量分别为F_w,in、F_w,out，单位是m³/h，则对于循环水泵机组有水量约束条件：

∑(F_w,in-F_w,out)＝0；

能量平衡约束

循环水泵的进出口水量分别为F_w,in、F_w,out，单位是m³/h，循环水泵的进出水焓值分别为H_w,in、H_w,out，单位是kJ/kg。W_w表示对外做功，Q_w表示能量损失，单位是kJ/h，则对于循环水泵机组有能量平衡约束条件：

∑(F_w,in*H_w,in-F_w,out*H_w,out-W_i-Q_i)＝0

设备约束

风机、水泵设备的风量和水量统一记作F_i，设备所能承受的最小负荷和最大负荷分别计为F_i,min、F_i,max，单位均为m³/h；风机、水泵设备的实际电流统一记作I_i，设备所能承受的最小电流和最大电流分别计为I_i,min、I_i,max，则分配到冷却塔、循环水泵介质流量必须在正常范围内，否则影响设备的正常运行：

F_i,min≤F_i≤F_i,max

I_i,min≤I_i≤I_i,max；

效率约束

设备实际效率记作η_i，设备最小运行效率记作η_i,min。如果I_i>0且η_i,min≤η_i≤1不满足，则需关停设备；

需求约束

模型模拟计算所提供的循环水量(m³/h)记作L_w；实际生产对循环水的需求量(m³/h)记作L_w,n，则对于循环水系统的优化，必须满足日常生产对循环水总量的需求，即L_w,n≤L_w；

采用非线性规划法中的序列二次规划法(SQP)对上述模型进行求解。

8.根据权利要求1所述的一种循环冷却水系统集成控制优化的方法，其特征在于，所述步骤S4构建加药单元水质分析控制模型具体包括，加药单元包括酸加药装置、阻垢缓蚀剂加药装置和杀菌剂加药装置组成，将循环水池中水质检测仪表检测出的pH、电导率、ORP、钙硬度、总硬度、氯离子、总铁、溶解氧、碱度、COD、总磷、SS污染物浓度分别计为C_pH、C_σ、C_ORP、C_Ca、C_Ca,Mg、C_Cl、C_Fe、C_Do、C_al、C_COD、C_P、C_SS；

根据各个相关的水质参数，构建加酸量Q_酸，阻垢缓蚀剂添加量Q_{阻垢缓蚀剂}和杀菌剂Q_杀菌剂的与水质参数的函数分别为：

Q_酸＝f(C_pH)

Q_{阻垢缓蚀剂}＝f(C_σ，C_Ca，C_Ca,Mg，C_Cl，C_Fe，C_al)

Q_杀菌剂＝f(C_ORP，C_Do，C_COD，C_P，C_SS)

酸的添加量，其计算公式如下：

Q_酸——硫酸加药量(kg/h)；

E——常数，加硫酸时为1/2的硫酸分子质量，即取49。加盐酸时取36.5；

H_z——补水碳酸盐硬度(mmol/L)；

H_z′——补水加酸后的碳酸盐硬度(mmol/L)；

Q_m——每小时补水量(m3/h)；

a——酸的浓度，工业浓硫酸一般为98％，即去0.98；

H_jz——循环水系统极限碳酸盐硬度(mmol/L)；

[O]——耗氧量(mg/L)，一般要求循环水耗氧量≤25mg/L；

t——循环水最高温度(℃)，最高温度t＝30～65℃，小于40℃按40℃计；

H_y——补水非碳酸盐硬度(mmol/L)。

阻垢缓蚀剂、杀菌剂的添加量计算模型，根据药剂种类不同，采用不同的经验计算公式，将各水质参数浓度与药剂化学组成、官能团种类数量进行关联，结合相关化学反应方程式，进行模拟计算，构建相应水质分析控制模型。

9.根据权利要求1所述的一种循环冷却水系统集成控制优化的方法，其特征在于，所述步骤S5构建补排水单元节水控制模型具体包括用电导率代替含盐量表示浓缩倍数N，即

其中，C_σ,out表示循环水池循环水的电导率，C_σ,in表示补充水的电导率；

当循环水补水为地表水、地下水或海水淡化水时，浓缩倍数宜5≤N≤8；当循环水补水为再生水或中水时，浓缩倍数宜3≤N≤5；

由循环水补充水量Q_m，蒸发水量Q_e，排污水量Q_b，风吹损失水量Q_w，循环水总量Q_t，单位均为m³/h；冷却塔进出水温差Δ(℃)，蒸发损失系数k(1/℃)得到循环水补充水量模型，

Q_m＝Q_e+Q_b+Q_w

Q_e＝k×Δ×Q_t

风吹损失水量小，忽略，得补充水量与浓缩倍数的计算模型如下：

其中，蒸发损失系数的k值，根据冷却塔进水温度t_in，由以下函数计算得出：

另外，由蒸发水量Q_e，浓缩倍数N，风吹损失Q_w，强制排污量Q_b1，循环冷却水处理过程中的损失水量Q_b2，循环水总量Q_t，可得出排污水量Q_b的计算公式如下：

Q_b＝Q_b1+Q_b2

Q_w+Q_b2宜为(0.004～0.008)Q_t，即可构建强制排污量Q_b1的函数如下：

通过构建补水量Q_m的函数和强制排污量Q_b1的函数，即搭建完成补排水节水控制的计算模型。

10.根据权利要求1所述的一种循环冷却水系统集成控制优化的方法，其特征在于，所述步骤S6在主体控制设备的模型计算及控制逻辑之上，将循环水单元、加药单元、补排水单元3个单元的模型组建在一起，即搭建全局性的循环水系统—整体控制优化系统，通过监控对象的信号反馈，对应模型的计算拟合求解，再输出给执行器控制各个主要设备，实现对整个系统的优化控制。

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