TWI686583B

TWI686583B - 冷卻水塔之控制方法與控制系統

Info

Publication number: TWI686583B
Application number: TW108102174A
Authority: TW
Inventors: 張鈞程; 陳丁碩; 李銘偉; 黃春濱; 鄒穎
Original assignee: 中國鋼鐵股份有限公司
Priority date: 2019-01-19
Filing date: 2019-01-19
Publication date: 2020-03-01
Also published as: TW202028686A

Abstract

本發明提供一種冷卻水塔之控制方法與控制系統。此控制系統包含水塔耗能模型建立模組、空壓機耗能模型建立模組以及出口水溫計算模組。在此控制方法中，首先收集冷卻水塔之水塔數據以及空壓機之空壓機數據。然後，根據水塔數據來建立冷卻水塔之水塔能耗模型，以及根據空壓機數據來建立空壓機之空壓機能耗模型。接著，提供複數個候選出口水溫值。然後，根據水塔能耗模型以及空壓機能耗模型來從候選出口水溫值中選取一者來作為出口水溫之值，其中水塔能耗與空壓機能耗之總和為最低值的候選出口水溫值即為出口水溫之值。

Description

冷卻水塔之控制方法與控制系統

本發明是有關於一種冷卻水塔之控制方法與控制系統，且特別是有關於一種可節省能耗之冷卻水塔之控制方法與控制系統。

煉鋼廠中，壓縮空氣為常用的能源介質。從鋼鐵的生產、運輸到使用，每個階段都可能應用到壓縮空氣。舉例而言，高爐噴吹、轉爐底吹以及鋼帶表面掃吹等製程都會應用到壓縮空氣。一般而言，壓縮空氣係由空氣壓縮站的空壓機所提供，其中空壓機係連接至冷卻水塔，以利用冷卻水塔提供的冷卻水來降低空氣溫度。

由於空壓機在煉鋼廠中的能源佔有相當大的比重，故本發明之實施例提出一種冷卻水塔之控制方法與控制系統，其可降低空壓機與冷卻水塔之總能耗，進而降低煉鋼廠整體消耗的能源。

在本發明之一實施例中，上述之冷卻水塔之控制方法包含模型建立階段以及出口水溫計算階段。在模型建立階段中，首先收集冷卻水塔之水塔數據以及空壓機之空壓機數據。接著，根據水塔數據來建立冷卻水塔之水塔能耗模型，其中水塔能耗模型表示出口水溫對水塔能耗之關係。然後，根據空壓機數據來建立空壓機之空壓機能耗模型，其中空壓機能耗模型表示出口水溫對空壓機能耗之關係。在出口水溫計算階段中，首先提供複數個候選出口水溫值。接著，根據水塔能耗模型以及空壓機能耗模型來從候選出口水溫值中選取一者來作為出口水溫之值，其中被選取之候選出口水溫值所對應之水塔能耗與空壓機能耗之總和為最低值。

依據本發明之一實施例，其中水塔數據包含入口水溫、濕球溫度以及水塔水量。

依據本發明之一實施例，其中該空壓機數據包含壓縮比以及入口空氣溫度值。

依據本發明之一實施例，上述之冷卻水塔之控制方法更包含線上操作階段，以控制冷卻水塔之風扇來冷卻冷卻水塔中的水。在線上操作階段中，首先根據出口水溫之值來計算風扇之轉速值。然後，根據轉速值來控制風扇，以調整冷卻水塔中的水的溫度值。

依據本發明之一實施例，其中候選出口水溫值中之最大值與最小值間的差值小10℃。

本發明之一實施例中，上述之冷卻水塔之控制系統包含水塔耗能模型建立模組、空壓機耗能模型建立模組以及出口水溫計算模組。水塔耗能模型建立模組係用以根據水塔數據來建立冷卻水塔之水塔能耗模型，其中水塔能耗模型表示出口水溫對水塔能耗之關係。空壓機耗能模型建立模組係用以根據空壓機數據來建立空壓機之空壓機能耗模型，其中空壓機能耗模型表示出口水溫對空壓機能耗之關係。出口水溫計算模組係用以根據水塔能耗模型以及空壓機能耗模型來從複數個候選出口水溫值中選取一者來作為出口水溫之值，其中被選取之候選出口水溫值所對應之水塔能耗與空壓機能耗之總和為最低值。

依據本發明之一實施例，其中空壓機數據包含壓縮比以及入口空氣溫度值。

依據本發明之一實施例，上述之冷卻水塔之控制系統更包含冷卻模組，其係用以根據出口水溫之值來計算風扇之轉速值，並根據轉速值來控制風扇，以調整冷卻水塔中的水的溫度值。

依據本發明之一實施例，其中候選出口水溫值中之最大值與最小值間的差值小於10℃。

100‧‧‧冷卻水塔之控制方法

110‧‧‧模型建立階段

112~118‧‧‧步驟

116a~116c‧‧‧步驟

118a~118f‧‧‧步驟

120‧‧‧出口水溫計算階段

122~124‧‧‧步驟

130‧‧‧線上操作階段

132~134‧‧‧步驟

400‧‧‧冷卻水塔之控制系統

410‧‧‧水塔耗能模型建立模組

420‧‧‧空壓機耗能模型建立模組

430‧‧‧出口水溫計算模組

440‧‧‧風扇操作模組

450‧‧‧風扇

為讓本發明之上述和其他目的、特徵、優點與實施例能更明顯易懂，所附圖式之詳細說明如下：[圖1]係繪示根據本發明實施例之冷卻水塔之控制方法的流程示意圖； [圖2]係繪示根據本發明實施例之空壓機能耗模型的建立流程示意圖；[圖3]係繪示根據本發明實施例之水塔能耗模型的建立流程示意圖；以及[圖4]係繪示根據本發明實施例之冷卻水塔之控制系統的功能方塊示意圖。

關於本文中所使用之『第一』、『第二』、...等，並非特別指次序或順位的意思，其僅為了區別以相同技術用語描述的元件或操作。

請同時參照圖1，其係繪示根據本發明實施例之冷卻水塔之控制方法100的流程示意圖。在本發明之實施例中，冷卻水塔係用以透過提供冷卻水至空壓機以降低空壓機的空氣溫度。在本實施例中，冷卻水塔具有風扇。當水從入口進入冷卻水塔後，冷卻水塔的風扇會開啟，以降低冷卻水塔中的水的溫度。降溫後的水會透過冷卻水塔的出口輸送至空壓機，以對空壓機入口的空氣進行冷卻。

本發明實施例之冷卻水塔之控制方法100係控制冷卻水塔之風扇，以調整風扇的轉速值。在本實施例中，冷卻水塔之控制方法100包含模型建立階段110、出口水溫計算階段120以及線上操作階段130。模型建立階段110係提供冷卻水塔的能耗模型以及空壓機的能耗模型。出口水溫計算階段120係計算冷卻水塔出口處的冷卻水的溫度值。線上操作階段130則根據冷卻水塔的出口水溫來計算風扇的轉速值，並據此來控制風扇。

在模型建立階段110中，首先進行步驟112和114，以收集空壓機的數據和冷卻水塔的數據。在本實施例中，水塔數據包含冷卻水塔的入口水溫、濕球溫度以及儲存的水量，而空壓機的數據包含空壓機的壓縮比以及入口空氣溫度值。接著，進行步驟116和118，以根據空壓機數據來建立空壓機之能耗模型，以及根據水塔數據來建立冷卻水塔之能耗模型。在步驟116中，首先考慮空壓機之空氣入口與出口的熱焓變化方程式：

其中W _c為空壓機之能耗，

為質量，△h為壓縮空氣入/ 出口變化。熱焓變化可以描述為：△h=△e+△PV=△e+R△T (2)

其中，△e為內能(internal energy)變化；P為壓縮空氣壓力；V為壓縮空氣體積；T為壓縮空氣溫度；R為氣體常數。

在定體積條件下，內能變化可以表示為：△e=C _v△T (3)

其中，C_v為定體積下比熱(Heat capacity)，由C_v-C_v=R、C_p/C_v=k，則可以將C_v表示為：

結合方程式(1)和(5)，可得空壓機能耗的方程式：

假設空氣壓縮過程為多變過程(polytropic process)，則：PV ^k=constant (7)

如此，根據上述方程式(7)，可獲得下式：

其中，P_in為入口空氣壓力；V_in為入口空氣體積；P_out為出口空氣壓力；P_out為出口空氣體積；T_in為入口空氣溫度；T_out為出口空氣溫度。

結合上式(6)和(8)，可得空壓機之能耗模型，如下式：

由上式(9)可知，在壓縮比(P_out/P_in)固定下，空壓機能耗與進口氣溫(T_in)息息相關。當空壓機為多級空壓機時，前一級之高溫出口空氣經由級間冷卻器(使用冷卻水塔之冷卻水)冷卻成低溫空氣後，再進入下一級。如此，下一級的壓縮空氣入口溫度，受制於級間冷卻器熱交換能力影響。假設冷卻器性能不變，則影響壓縮空氣溫度變化的主因則為冷卻水塔之冷卻水溫度。換句話說，空壓機之能耗受制於壓縮空氣入口溫度T_in，而壓縮空氣入口溫度T_in則受制於冷卻水塔之冷卻水溫度，其中壓縮空氣入口溫度T_in與冷卻水溫度的關係由冷卻器決定。

因此，如圖2所示，在步驟116中，首先進行步驟116a，以建立空壓機模型(如式(9))以及冷卻水溫模型，其中冷卻水溫模型代表壓縮空氣入口溫度T_in與冷卻水溫度的關係。接著，進行步驟116b和116c，以輸入不同的冷卻水溫來得到對應的空壓機之能耗，並據此建立冷卻水溫與空壓機能耗的關係，以得到空壓機能耗模型。

雖然冷卻水塔之冷卻水可以降低空壓機能耗，但是低溫的冷卻水需要冷卻水塔作功才能獲得。若獲得低溫冷卻水所需的能耗過大，則需要找出空壓機與冷卻水塔操作得的平衡點，以使得空壓機與冷卻水塔的總能耗為最小。

在步驟118中，考慮冷卻水塔的液氣間能量平衡方程式：LC _p dT=Gdh=K'A(h'-h _a)dV (10)

其中，L為淋水質量流率；Cp為冷卻水的比熱；dT為微量水溫變化；G為通氣的質量流率；dh為空氣的熱焓變化； K’為單位體單位面積的質傳量，其係與淋水及空氣的接觸型態有關；A為液氣接觸面積；h’為對應水溫條件下的飽和空氣熱焓；h_a為對應空氣濕球溫度條件下的飽和空氣熱焓；dV為控制體積之微量體積，以焓差計算熱質傳過程中的水溫以及空氣焓值的變化。在此，定義K’AV/L為單位熱直傳量(Number of Transfer Units(NTU))。考慮冷卻水塔之入/出口水溫後，其與焓差及溫度變化間的關係式如下式：

透過上式(11)即可求得K’AV/L的值。當冷卻水塔尺寸、散熱材形式決定後，冷卻水塔的熱傳特性就可以決定，並歸納為一指數型態的冷卻水塔經驗式如下：

其中，C₀以及m為經驗常數，其可透過實驗方式量測水塔操作參數後求得。一般而言，經驗上C₀的值介於0.55至0.65之間，而m的值為0.6。

由上式(12)可知當C₀和m給定的條件下，入口水溫、濕球溫度、水量、風扇電流、出口水溫這五項變數中若已知四項的值，可透過上式(11)、(12)的聯立求解第五項變數的值。因此，如圖3所示，在步驟118中，首先進行步驟118a，以提供預設的冷卻水塔風扇電流值。接著，進行步驟118b，以計算冷卻水塔的通風量。然後，進行步驟118c，以根據上式(11)來計算NTU的值，以及根據上式(12) 來計算NTU’的值，其中NTU’代表上式(12)的K’AV/L。接著，進行步驟118d，以判斷NTU與NTU’之間的差值是否小於預設之閥值。在本實施例中，步驟118d係判斷NTU與NTU’之差值的絕對值是否小於1e-3(即1/1000)。若判斷結果為否，則進行步驟118e，以調整風扇的電流值，並重新進行步驟118b~118d。若判斷結果為是，進行步驟118f，決定此電流值為冷卻水塔風扇的電流值。

請回到圖1，在模型建立階段110之後，接著進行出口水溫計算階段120。在出口水溫計算階段120中，首先提供複數個候選出口水溫值。在本實施例中，提供8個候選出口水溫值25℃、26℃、27℃、28℃、29℃、30℃、31℃以及32℃。這些出口水溫值的最大值與最小值間的差值小於10℃，但本發明之實施例並不受限於此。接著，進行步驟124，以根據水塔能耗模型以及空壓機能耗模型來從候選出口水溫值中選取一者來作為出口水溫之值。在本發明之實施例中，計算每一個候選出口水溫值所對應的水塔能耗模型以及空壓機能耗模型，以獲得每一個候選出口水溫值所對應的水塔能耗與空壓機能耗總和，如下表1所示：

由上表一可看出，候選冷卻水溫26℃所對應的總能耗為最小，故步驟124選取候選冷卻水溫26℃來作為出口水溫之值。

在出口水溫計算階段120後，接著進行線上操作階段130。在線上操作階段130中，首先進行步驟132，以根據步驟124所獲得之出口水溫值來獲得對應的冷卻水塔的風扇轉速值。接著，進行步驟134，以根據此風扇轉速值來控制卻水塔的風扇，以調整冷卻水塔的冷卻水的溫度。如此，可降低冷卻水塔與空壓機的能耗。

請參照圖4，其係繪示根據本發明實施例之冷卻水塔之控制系統400的功能方塊示意圖。冷卻水塔之控制系統400包含水塔耗能模型建立模組410、空壓機耗能模型建立模組420、出口水溫計算模組430以及風扇操作模組440。冷卻水塔之控制系統400係用以進行上述之冷卻水塔控制方法100，以控制冷卻水塔之風扇轉速，來使得冷卻水塔與空壓機之總能耗為最小。在冷卻水塔控制系統400中，水塔耗能模型建立模組410係用以進行前述之步驟118，以建立水塔能耗模型。空壓機耗能模型建立模組420係用以進行前述之步驟116，以建立空壓機能耗模型。出口水溫計算模組430係用以進行前述之出口水溫計算階段120，以獲得冷卻水塔之出口水溫值。風扇操作模組440用以進行前述之線上操作階段130，以根據冷卻水塔之出口水溫值來控制冷卻水塔之風扇450的轉速。

由上述說明可知，本發明實施例之冷卻水塔之控制方法100與控制系統400係整合空壓機與冷卻水塔系統，透過製程模型預測來計算最低能耗的出口水溫設定點，並提出優化操作指引，使得空壓機與冷卻水塔整體的能耗降低。

雖然本發明已以數個實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，在本發明所屬技術領域中任何具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。