CN113267061B - 一种冷却塔控制***及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种冷却塔控制***及控制方法，所述控制***包括控制模块(8)、水温传感器(9)、温湿度传感器(10)和温湿度预报装置(11)，所述控制模块(8)包括水温给定器(81)、PID控制器(82)和截断器(83)，所述控制方法中，分别将大气湿球温度测量值和大气湿球温度预报值输入水温给定器(81)，经分析后输出温度设定值ST。本发明提供的控制***结构简单、成本低廉，其控制方法稳定可靠、高效节能、适应性广、易于实现。
Description
技术领域
本发明涉及冷却塔领域，具体涉及一种冷却塔控制***及控制方法。
背景技术
工业循环冷却水***广泛应用于各个工业门类，用于工艺末端的设备和物料的冷却目的。循环冷却水与工艺末端的设备或物料换热后温度升高，回流至冷却塔，经蒸发冷却后再次流至工艺末端形成循环。冷却塔工作过程中需要耗费大量电能驱动塔顶风机抽吸大气环境中的空气以促进冷却水的蒸发冷却，这一过程的推动力为冷却水温度和大气湿球温度之差。
理论上，如果塔顶风机的风量为无穷大，可以使冷却水降温至大气的湿球温度，其中大气湿球温度由其干球温度值和湿度值查表得到。工程实践中，即使将塔顶风机的转速调至最高值让其风量处于最大负荷，通常经冷却塔降温后的冷却水最低极限水温也比大气湿球温度值高3～4℃左右。
为了工艺末端换热所需水温区间并尽量减少塔顶风机的运行能耗，需要对塔顶风机的转速进行控制。当前公知的冷却塔控制方法中，通常采集冷却塔的出水水温并与给定温度相比较，将二者的偏差送入PID控制器，并输出塔顶风机的调速值以完成反馈控制。这种控制方法虽然简单，但未能考虑大气湿球温度变化的影响。一方面，大气湿球温度是冷却塔出水温度的理论最低极限，由于大气环境的变化，若出水给定温度等于或仅略小于当前大气湿球温度，此时无论塔顶风机的转速升至多高，都无法使冷却水出水温度达到给定温度值，反而只会浪费电耗；另一方面，大气湿球温度会动态变化，若通过天气预报预制未来短时期内大气湿球温度会显著上升，则当前应该尽可能降低冷却水出水温度以抓住时机尽量制冷，使循环水积蓄尽可能多的“冷能”以应对未来短时期后大气湿球温度上升事件对工艺末端运行和冷却塔运行能耗的不利影响。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供一种结构简单、成本低廉、稳定可靠、适应性广且易于实现的冷却塔控制***。本发明解决上述问题的技术方案是：一种冷却塔控制***，用于工业循环冷却水***所属冷却塔内冷却水的冷却控制，所述工业循环冷却水***包括但不限于冷却塔(1)、供水泵(2)、母管阀门(3)、供水母管(4)、回水母管(7)以及分别与供水母管(4)和回水母管(7)连接的若干支管，且每一支管均设有支管阀门(5)和工艺末端换热器(6)，所属冷却塔(1)包括可调速电机(101)、塔顶风机(102)和塔体(103)，所述可调速电机(101)与塔顶风机(102)机械连接且用于驱动塔顶风机(102)运转从而实现冷却水的蒸发冷却，所述供水母管(4)从塔体(103)底部引出并依次与供水泵(2)、母管阀门(3)和若干支管的一端连接并为所有支管供水，所述回水母管(7)与若干支管的另一端连接并汇聚所有支管的冷却水至塔体(103)顶部，且所有支管均为并联关系；所述冷却塔控制***包括控制模块(8)、水温传感器(9)、温湿度传感器(10)和温湿度预报装置(11)，所述水温传感器(9)、温湿度传感器(10)和温湿度预报装置(11)分别与控制模块(8)电性连接，所述控制模块(8)还与可调速电机(101)电性连接以实现可调速电机(101)的转速感知与控制，其中：
(a)所述控制模块(8)包括水温给定器(81)、PID控制器(82)和截断器(83)，用于根据输入信息进行控制运算并输出调速指令至可调速电机(101)；
(b)所述水温传感器(9)用于实时采集靠近冷却塔(1)的供水母管(4)内的冷却水水温并输出至控制模块(8)；
(c)所述温湿度传感器(10)用于实时采集冷却塔(1)附近大气的温度值和湿度值，同时依据大气的温度值和湿度值同步换算获得大气湿球温度测量值并输出至控制模块(8)；
(d)所述温湿度预报装置(11)用于实时与气象预报机构联网获取冷却塔(1)所处地域未来的大气温度值和湿度值，同时将预报的大气温度值和湿度值换算成大气湿球温度预报值并输出至控制模块(8)。
基于上述冷却塔控制***，提供一种冷却塔控制方法，分别将温湿度传感器(10)获得的大气湿球温度测量值和温湿度预报装置(11)获得的大气湿球温度预报值输入水温给定器(81)，经水温给定器(81)分析后输出温度设定值ST；然后将温度设定值ST和水温传感器(9)获得的水温相比较以获得二者的偏差，将比较结果送入PID控制器(82)，经PID运算后输出电机调速值Δn1至截断器(83)，同时将可调速电机(101)的当前转速值ni送入截断器(83)，再根据下式进行截断计算以得到可调速电机(101)的调速值Δn2并最终输出至可调速电机(101)完成转速调节：
式(1)中，Δn1和Δn2和Δn分别为PID控制器(82)和截断器(83)输出的电机调速值运算结果，Nmin和Nmax分别为根据设计资料事先输入截断器(83)的塔顶风机(102)的最低许可转速和最高许可转速，ni为可调速电机(101)的当前转速值，以上转速值的单位均为r/min。
上述冷却塔控制方法，所述经水温给定器(81)分析并输出的温度设定值ST，按下式计算：
式(2)中，ST为水温给定器(81)输出的温度设定值；ti和tf分别为温湿度传感器(10)获得的当前大气湿球温度测量值和温湿度预报装置(11)获得的h小时后的大气湿球温度预报值，其中h处于0.5至5之间；Tmin和Tmax分别为根据循环冷却水***工艺要求确定供水母管(4)内冷却水的最佳温度下限值和最佳温度上限值；a和b分别为第一温差值和第二温差值，其中a处于2至4℃之间，b处于3至5℃之间。
本发明的有益效果在于：
1、本发明提出的控制控制***仅包括控制模块、水温传感器、温湿度传感器和温湿度预报装置，且控制模块可在现有的控制器基础上稍加改进即可实现，故结构简单、成本低廉。
2、本发明的控制方法充分考虑了大气湿球温度及其未来短时期内变化情况对冷却塔制冷能力的影响，同时兼顾了工艺末端需求和塔顶风机运行节能的需要：若当前大气湿球温度较高，当前大气湿球温度减去一个较小的温差值还高于供水母管(4)内冷却水的最佳温度上限值，则此时冷却塔实际上无法供水母管(4)内冷却水的最佳温度上限值，应该将当前大气湿球温度减去一个较小的温差值作为控制***中冷却水的给定温度值。若当前大气湿球温度减去一个较小的温差值低于供水母管(4)内冷却水的最佳温度上限值，则此时还应该考虑未来短时期内大气湿球温度是否会显著上升：若不出现显著上升，则应当将供水母管(4)内冷却水的最佳温度上限值作为控制***中冷却水的给定温度值，这样既满足工艺需求又使塔顶风机转速尽可能低以节约运行能耗；否则，则控制***中冷却水的给定温度值应该在供水母管(4)内冷却水的最佳温度上限值和当前大气湿球温度减去某个较小的温差所得的结果中比较并取二者中的较大值，这样既满足工艺需求，又尽可能地使塔顶风机开足马力促进循环冷却水的降温，积蓄“冷能”以应对未来大气湿球温度显著上升后带来的降温困难和制冷能耗偏高问题，以保证循环冷却水***运行高效稳定。
3、本发明的控制方法中，在PID控制器的基础上增设截断器，将PID控制器输出的电机调速值以及电机的当前转速值同时输入截断器，以确保最终输出至执行机构的电机调速值处于可调速电机的最低和最高许可转速值之间，这可以避免控制错误，使可调速电机的转速始终等于或大于其最小许可转速值以满足冷却塔最低限度的制冷需求，且小于或等于其最高许可转速值。
附图说明
图1为本发明实施例中工业循环冷却水***及用于该冷却水***所述冷却塔控制的控制***结构示意图，其中1为冷却塔1，2为供水泵，3为母管阀门，4为供水母管，5为支管阀门，6为工艺末端换热器，7为回水母管，8为控制模块，9为水温传感器，10为温湿度传感器，11为温湿度预报装置；其中冷却塔(1)中101为调速电机，102为塔顶风机，103为塔体。
图2为本发明实施例中冷却塔控制方法的流程图，其中9为水温传感器，10为温湿度传感器，11为温湿度预报装置，101为冷却塔中的可调速电机，81、82和83分别为控制模块中的水温给定器、PID控制器和截断器。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
如图1和图2所示，一种冷却塔控制***，用于工业循环冷却水***所属冷却塔内冷却水的冷却控制，所述工业循环冷却水***包括但不限于冷却塔(1)、供水泵(2)、母管阀门(3)、供水母管(4)、回水母管(7)以及分别与供水母管(4)和回水母管(7)连接的若干支管，且每一支管均设有支管阀门(5)和工艺末端换热器(6)，所属冷却塔(1)包括可调速电机(101)、塔顶风机(102)和塔体(103)，所述可调速电机(101)与塔顶风机(102)机械连接且用于驱动塔顶风机(102)运转从而实现冷却水的蒸发冷却，所述供水母管(4)从塔体(103)底部引出并依次与供水泵(2)、母管阀门(3)和若干支管的一端连接并为所有支管供水，所述回水母管(7)与若干支管的另一端连接并汇聚所有支管的冷却水至塔体(103)顶部，且所有支管均为并联关系；所述冷却塔控制***包括控制模块(8)、水温传感器(9)、温湿度传感器(10)和温湿度预报装置(11)，所述水温传感器(9)、温湿度传感器(10)和温湿度预报装置(11)分别与控制模块(8)电性连接，所述控制模块(8)还与可调速电机(101)电性连接以实现可调速电机(101)的转速感知与控制，其中：
(a)所述控制模块(8)包括水温给定器(81)、PID控制器(82)和截断器(83)，用于根据输入信息进行控制运算并输出调速指令至可调速电机(101)；
(b)所述水温传感器(9)用于实时采集靠近冷却塔(1)的供水母管(4)内的冷却水水温并输出至控制模块(8)；
(c)所述温湿度传感器(10)用于实时采集冷却塔(1)附近大气的温度值和湿度值，同时依据大气的温度值和湿度值同步换算获得大气湿球温度测量值并输出至控制模块(8)；
(d)所述温湿度预报装置(11)用于实时与气象预报机构联网获取冷却塔(1)所处地域未来的大气温度值和湿度值，同时将预报的大气温度值和湿度值换算成大气湿球温度预报值并输出至控制模块(8)。
如图2所示，基于上述冷却塔控制***的冷却塔控制方法，分别将温湿度传感器(10)获得的大气湿球温度测量值和温湿度预报装置(11)获得的大气湿球温度预报值输入水温给定器(81)，经水温给定器(81)分析后输出温度设定值ST；然后将温度设定值ST和水温传感器(9)获得的水温相比较以获得二者的偏差，将比较结果送入PID控制器(82)，经PID运算后输出电机调速值Δn1至截断器(83)，同时将可调速电机(101)的当前转速值ni送入截断器(83)，再根据下式进行截断计算以得到可调速电机(101)的调速值Δn2并最终输出至可调速电机(101)完成转速调节：
式(1)中，Δn1和Δn2和Δn分别为PID控制器(82)和截断器(83)输出的电机调速值运算结果，Nmin和Nmax分别为根据设计资料事先输入截断器(83)的塔顶风机(102)的最低许可转速和最高许可转速，ni为可调速电机(101)的当前转速值，以上转速值的单位均为r/min。
进一步地，以上所述经水温给定器(81)分析并输出的温度设定值ST，按下式计算：
式(2)中，ST为水温给定器(81)输出的温度设定值；ti和tf分别为温湿度传感器(10)获得的当前大气湿球温度测量值和温湿度预报装置(11)获得的h小时后的大气湿球温度预报值，其中h处于0.5至5之间；Tmin和Tmax分别为根据循环冷却水***工艺要求确定供水母管(4)内冷却水的最佳温度下限值和最佳温度上限值；a和b分别为第一温差值和第二温差值，其中a处于2至4℃之间，b处于3至5℃之间。
实施例
某个化工厂使用冷却塔为循环冷却水***提供制冷，循环冷却水的供水母管和回水母管中设有5个并联的支管且每一支管均设有支管阀门和换热器，循环冷却水***及冷却塔控制***可参见附图1，控制***的工作原理可参见附图2。本实施例中控制***及其控制方法主要基于Arm芯片及相关集成电路并进行嵌入式开发来实现。
本实施例中，该循环冷却水***工艺要求确定靠近冷却塔(1)的供水母管(4)内冷却水的最佳温度下限值Tmin＝30℃，最佳温度上限值Tmax＝35℃。根据设计资料，Nmin和Nmax分别为根据设计资料事先输入截断器(83)的塔顶风机(102)的最低许可转速Nmin＝50r/min，最高许可转速Nmax＝300r/min。
该化工厂所在地昼夜温差大且天气复杂多变。某日清晨日出前的某一时刻，可调速电机(101)的当前转速值ni＝150r/min，温湿度传感器(10)获得的当前大气湿球温度测量值ti＝28℃，水温传感器(9)采集靠近冷却塔(1)的供水母管(4)内的冷却水水温在34℃左右波动，温湿度预报装置(11)联网从气象部门获知未来1小时后日出，气温将迅速升高，且未来4小时后将下大雨使大气湿度也迅速升高，具体获得4小时后的大气湿球温度预报值tf＝36℃。取第一温差值a＝3℃、第二温差值b＝4℃之间，显然有ti-a＝28-3＝25℃≤Tmax,且ti+b＝28+4＝32℃<tf,故水温给定器计算控制***的温度设定值ST＝max(Tmin，ti-a)＝max(30，25)＝30℃并输出。将温度设定值ST＝30℃和水温传感器获得的水温相比较以获得二者的偏差，再将比较结果送入PID控制器，经PID运算后输出电机调速值Δn1＝160r/min至截断器，同时将可调速电机(101)的当前转速值ni＝150r/min送入截断器。
由于Δn1+ni＝160+150＝310r/min>Nmax，故需要进行截断计算。计算得到可调速电机(101)的调速值Δn2＝Nmax-Δn1＝300-160＝140r/min，并最终输出至可调速电机(101)完成转速调节，此时塔顶风机(102)的转速调节至其最高许可转速300r/min。
由以上可知，若不对大气湿球温度进行预报，则当前时刻可调速电机(101)的转速维持在150r/min左右的较低转速区间运行。这种情况下虽然能够满足工艺需求，但4小时后大气湿球温度将急剧升至36℃且高于靠近冷却塔(1)的供水母管(4)内冷却水的最佳温度上限值，那时候无论塔顶风机(102)的转速调至多高水平都无法将靠近冷却塔(1)的供水母管(4)内冷却水的温度调节至36℃以下，也就不能满足工艺末端的换热需要。
反之，本实施例中借助大气湿球温度预报结果，事先抓住清晨大气湿球温度较低的有利时机，将控制***的温度设定值ST定为尽可能低的水平，使之尽量接近工程上冷却塔的极限制冷能力且不低于靠近冷却塔(1)的供水母管(4)内冷却水的最佳温度下限值，这样既能满足当前工艺需要又尽可能地开足马力制冷，让循环冷却水积蓄尽可能多的“冷能”以应对4小时后大气湿球温度急剧升高的制冷难题，且避免4小时后塔顶风机(102)过高速度的低效率旋转，具有显著的节能作用。
本实施例提供的控制控制***仅包括控制模块、水温传感器、温湿度传感器和温湿度预报装置，且控制模块可在现有的控制器基础上稍加改进即可实现。控制方法方面，充分考虑了大气湿球温度及其未来短时期内变化情况对冷却塔制冷能力的影响，同时兼顾了工艺末端需求和塔顶风机运行节能的需要：若当前大气湿球温度较高，当前大气湿球温度减去一个较小的温差值还高于供水母管(4)内冷却水的最佳温度上限值，则此时冷却塔实际上无法供水母管(4)内冷却水的最佳温度上限值，故将当前大气湿球温度减去一个较小的温差值作为控制***中冷却水的给定温度值。若当前大气湿球温度减去一个较小的温差值低于供水母管(4)内冷却水的最佳温度上限值，则此时还考虑未来短时期内大气湿球温度是否会显著上升：若不出现显著上升，则将供水母管(4)内冷却水的最佳温度上限值作为控制***中冷却水的给定温度值，这样既满足工艺需求又使塔顶风机转速尽可能低以节约运行能耗；否则，则控制***中冷却水的给定温度值应该在供水母管(4)内冷却水的最佳温度上限值和当前大气湿球温度减去某个较小的温差所得的结果中比较并取二者中的较大值，这样既满足工艺需求，又尽可能地使塔顶风机开足马力促进循环冷却水的降温，积蓄“冷能”以应对未来大气湿球温度显著上升后带来的降温困难和制冷能耗偏高问题，以保证循环冷却水***运行高效稳定。此外，在PID控制器的基础上增设截断器，将PID控制器输出的电机调速值以及电机的当前转速值同时输入截断器，以确保最终输出至执行机构的电机调速值处于可调速电机的最低和最高许可转速值之间，避免控制错误。因此，本实施例提供的冷却塔***结构简单、成本低廉，对应的控制方法稳定可靠、高效节能、适应性广、易于实现，十分适合大气气象条件复杂多变地区的冷却塔出水水温调节。
Claims (1)
1.一种冷却塔控制方法，其特征在于，该方法基于冷却塔控制***，用于工业循环冷却水***所属冷却塔内冷却水的冷却控制，所述工业循环冷却水***包括冷却塔(1)、供水泵(2)、母管阀门(3)、供水母管(4)、回水母管(7)以及分别与供水母管(4)和回水母管(7)连接的若干支管，且每一支管均设有支管阀门(5)和工艺末端换热器(6)，所属冷却塔(1)包括可调速电机(101)、塔顶风机(102)和塔体(103)，所述可调速电机(101)与塔顶风机(102)机械连接且用于驱动塔顶风机(102)运转从而实现冷却水的蒸发冷却，所述供水母管(4)从塔体(103)底部引出并依次与供水泵(2)、母管阀门(3)和若干支管的一端连接并为所有支管供水，所述回水母管(7)与若干支管的另一端连接并汇聚所有支管的冷却水至塔体(103)顶部，且所有支管均为并联关系；所述冷却塔控制***包括控制模块(8)、水温传感器(9)、温湿度传感器(10)和温湿度预报装置(11)，所述水温传感器(9)、温湿度传感器(10)和温湿度预报装置(11)分别与控制模块(8)电性连接，所述控制模块(8)还与可调速电机(101)电性连接以实现可调速电机(101)的转速感知与控制，其中：
(a)所述控制模块(8)包括水温给定器(81)、PID控制器(82)和截断器(83)，用于根据输入信息进行控制运算并输出调速指令至可调速电机(101)；
(b)所述水温传感器(9)用于实时采集靠近冷却塔(1)的供水母管(4)内的冷却水水温并输出至控制模块(8)；
(c)所述温湿度传感器(10)用于实时采集冷却塔(1)附近大气的温度值和湿度值，同时依据大气的温度值和湿度值同步换算获得大气湿球温度测量值并输出至控制模块(8)；
(d)所述温湿度预报装置(11)用于实时与气象预报机构联网获取冷却塔(1)所处地域未来的大气温度值和湿度值，同时将预报的大气温度值和湿度值换算成大气湿球温度预报值并输出至控制模块(8)；
所述冷却塔控制***的控制方法为：分别将温湿度传感器(10)获得的大气湿球温度测量值和温湿度预报装置(11)获得的大气湿球温度预报值输入水温给定器(81)，经水温给定器(81)分析后输出温度设定值ST；然后将温度设定值ST和水温传感器(9)获得的水温相比较以获得二者的偏差，将比较结果送入PID控制器(82)，经PID运算后输出电机调速值Δn1至截断器(83)，同时将可调速电机(101)的当前转速值ni送入截断器(83)，再根据下式进行截断计算以得到可调速电机(101)的调速值Δn2并最终输出至可调速电机(101)完成转速调节：
式(1)中，Δn1和Δn2和Δn分别为PID控制器(82)和截断器(83)输出的电机调速值运算结果，Nmin和Nmax分别为根据设计资料事先输入截断器(83)的塔顶风机(102)的最低许可转速和最高许可转速，ni为可调速电机(101)的当前转速值，以上转速值的单位均为r/min；
所述经水温给定器(81)分析并输出的温度设定值ST，按下式计算：
式(2)中，ST为水温给定器(81)输出的温度设定值；ti和tf分别为温湿度传感器(10)获得的当前大气湿球温度测量值和温湿度预报装置(11)获得的h小时后的大气湿球温度预报值，其中h处于0.5至5之间；Tmin和Tmax分别为根据循环冷却水***工艺要求确定供水母管(4)内冷却水的最佳温度下限值和最佳温度上限值；a和b分别为第一温差值和第二温差值，其中a处于2至4℃之间，b处于3至5℃之间。
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| GR01 | Patent grant | ||
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