专利名称：基于动力合成器的冷却塔综合节能系统及其控制方法
技术领域：
本发明涉及一种冷却塔综合节能系统及其控制方法，特别涉及一种基于动力合成和智能控制的冷却塔综合节能系统及其控制方法。
背景技术：
冷却塔是应用非常普遍的水资源循环利用设备，其主要功能是将含有废热的冷却 水与空气在塔内进行热交换，使水温降至要求的温度，以便进行再次循环。目前，为冷却塔 供水的水泵以及冷却塔的风机均由电动机驱动，普遍没有安装调速设备。因此冷却塔的工 作状态单一，不具备随各项参数的变化而自动调节的能力，每年消耗大量的电能，同时带来 严重的噪声污染。为了降低冷却塔的能耗，一个可行的方法是为水泵电机和风机电机配备变频器， 对水泵电机和风机电机进行调速控制以降低能耗。目前低压变频器已经有大量的成熟产 品，但现有的控制方法均是将水泵电机和风机电机分别进行调速控制，彼此之间没有协调 控制。虽然可以分别实现一定程度上的节能控制，但从整个系统的角度看，却并不是最优的 结果，还有很大的节能空间。对水泵电机进行变频调速控制的办法主要有恒压控制和恒温控制等单闭环控制， 此外也有专利依据水泵的运行效率对水泵的调速范围进行约束。恒压控制的办法是采集水 泵出水口的循环冷却水压力，利用水压作为控制量进行闭环控制。该控制方法的缺点是负 荷的变化必须以循环冷却水流量或压力变化的方式反映出来，才能完成整个控制过程。但 在实际应用中，负荷的变化一般直接反映在循环冷却水的温度变化上，若要进一步改变循 环冷却水相应的流量或压力，则需要在负荷端进行额外的操作(例如关闭或开启负荷端 管路中的相关阀门)，但许多负荷端却并不具备自动进行相应操作的条件。因此对水泵进行 恒压控制难以实现完全的自动化控制。在空调系统中应用了恒温闭环控制，利用水温作为 控制量对水泵电机进行调速控制，进而调节水泵流量。该控制方法不必调整管路的阻力曲 线，易于实现自动化控制。但由于水泵的扬程与流量的二次方成正比例变化，随着水泵流量 的减小，水泵扬程将大幅降低。而大多数的冷却塔均对水泵的扬程有一定的要求，扬程过低 将影响冷却塔运行的可靠性；而选用扬程较大的水泵，则在额定工况下仍将有较大的富余 扬程被浪费。该因素制约了水泵的调节范围，影响了该方法在循环冷却水系统中的应用。发 明专利CN100432881C公布了一种“用于调速器的水泵风机运行效率控制方法”，该专利根 据水泵的特性曲线和额定转速，采用相似原理推算水泵的在高效率区域的转速范围，在控 制端对水泵转速的最大值和最小值进行限制，使水泵可以工作在效率较高的状态。但该发 明并未指出当水泵在高效率区域工作，而水泵在流量和扬程上并不能满足系统的需求时应 进行怎样的调节；而如果水泵在高效率区域工作即已能满足系统要求，则进行最大转速的 约束意义并不是很大。由水泵的特性可知，水泵的功率与转速的三次方成正比，在系统所允 许的低转速状态下，即使水泵的效率有所下降，仍可取得较好的节能效果。因此，以水泵的 运行效率对水泵的最低转速进行约束并未充分发据水泵的节能潜力。此外，该方法忽略了水泵电机效率的变化，故推算精度较差，由于不能依据情况的变化扩展或收缩高效率区域，因而应用欠灵活。在冷却塔行业中，广泛应用的对风机电机进行调速控制办法是采集冷却塔出水口 的循环冷却水水温，利用冷却塔出水温度作为控制量，采用恒温闭环控制。该方法虽然可以 使风机电机实现一定程度上的节能控制，但在冷却塔水温上升时，只能单纯地通过增加风 机转速来提高冷效，缺少与系统其他部分的协调与控制，仍有很大的节能空间。大量的实践和调查表明，目前实际应用的大多数冷却塔，其循环冷却水在冷却塔 的出水口一般具有较大的富余水头(6-16m)未能得到充分利用，白白浪费了大量用于驱动 水泵的电能。已授权发明专利CN100360795C、已公开发明专利CN101328899A以及已授权 实用新型专利CN201103510Y等分别公布了双击式、混流式、贯流式等形式的水轮机驱动冷 却塔风机的实施方案。这些专利利用水轮机驱动风机运转，一方面可以取消风机电机，节约 了相应的电能；另一方面充分利用了水泵原本被浪费的富余能量。这些专利所公开的技术 存在的问题是首先，应用水力驱动型风机的冷却塔与传统冷却塔一样，工作状态单一，不 能随各方面条件的变化进行智能化调节从而做到节能运行。其次，冷却塔出水口的富余水 头本是为提高系统可靠性而预留的裕量，随着冷却塔运行时间的增加，管路的管损增大，该 富余水头会逐渐减小。而水轮机在对该部分富余水头加以利用使得管路出水口的富余压力 大幅下降，系统的可靠性将会随着运行时间的增加而降低。最后，目前的水力驱动型风机多 应用于民用领域的冷却塔，而在节能潜力巨大的工业领域，该项技术目前尚未得到大规模 推广，其主要原因是工业冷却塔要求的风机功率更高，同样流量的冷却塔，需要更高的富余 水头。强制推广应用必须以提高水泵扬程作为辅助手段，这样就会增加水泵电机的输出功 率，节能效果并不理想。发明专利CN100467990C公布了 一种“具有变水压调风量水力通风 装置的节能冷却塔”，该专利对单独应用水轮机驱动风机的冷却塔进行了改进，在水轮机的 进水口和出水口分别并联了增压水泵和减压阀，以实现对冷却塔风机的动态控制。该专利 所公开的技术存在的问题是增压水泵的流量若选的较小，则难以实现增压的目的；若流 量选的较大，则增压水泵的功率加大，所消耗的电能又将加大整个系统的能耗。而且通过增 压泵将增压泵电机所消耗的电能最终转化为风机运转的机械能，期间要经过多个能量转换 的环节，效率较低。
发明内容
本发明的目的是针对现有冷却塔在应用变频器或水轮机的过程中存在节能效果 不佳、可靠性下降等问题，提出一种基于动力合成器的冷却塔综合节能系统及其控制方法。 本发明结合冷却塔系统的实际情况，合理地控制循环冷却水水泵的工作状态，通过动力合 成器合成水轮机和电动机两种驱动装置的动力驱动风机运转，使得冷却塔在保证运行可靠 性的前提下，充分地利用了循环冷却水的富余能量，可以取得显著的节能效果。本发明采用的技术方案如下本发明基于动力合成器的冷却塔综合节能系统主要包括动力合成器、风机、水轮 机、第一电动机、第二电动机、第一变频器、第二变频器、水泵、传感器组、智能控制器等。传 感器组包括转速传感器、流量计、压力传感器、第一温度传感器、第二温度传感器、干湿球温 度传感器。其中，转速传感器位于动力合成器的输出轴端，流量计、压力传感器以及第一温度传感器位于冷却塔的循环冷却水管路进水口处，第二温度传感器位于冷却塔的出水口 处，干湿球温度传感器置于冷却塔附近的空气中。传感器组的信号输出端与智能控制器的 信号输入端相连。智能控制器的信号输出端与动力合成器、第一变频器和第二变频器的信 号输入端相连，第一变频器与第一电动机相连，第二变频器与第二电动机相连，第二电动机 与水泵相连。水轮机的进水口与水泵的出水口通过管路相连，动力合成器的两个输入轴分 别与水轮机和第一电动机的输出轴相连，动力合成器的输出轴与风机相连。本发明冷却塔综合节能系统在水轮机和风机之间加入动力合成器和第一电动机， 以便在需要时将水轮机和第一电动机的动力进行合成，增加驱动风机的机械功率。动力合 成器是一个带有离合装置的机械传动装置，可以将水轮机和第一电动机的动力进行 转速匹 配和转矩合成，共同驱动风机运转；在不需要第一电动机时，也可以利用动力合成器上的离 合装置将第一电动机与其他机械装置分开，由水轮机单独驱动风机。由于水轮机的飞逸转 速远高于实际运行的转速，因此在水轮机与第一电动机共同驱动风机时，工作转速会随之 升高，持续输出功率，不会出现第一电动机既驱动风机又拖动水轮机从而导致电能浪费的 情况。本发明冷却塔综合节能系统采用水轮机作为主要动力，第一电动机作为辅助动力 驱动风机运转；智能控制器依据冷却塔、水泵和水轮机的工作状态以整体耗能最低的原则 对水泵和风机的工作状态进行调节，在调节水泵工作状态的同时，也间接对水轮机的工作 状态进行调节，以实现循环冷却水水泵以及冷却塔风机的节能运行。智能控制器进行控制 的执行机构主要是第一变频器、第二变频器及动力合成器，进行控制的对象主要是第一电 动机和第二电动机。对第一电动机和第二电动机进行控制的方法为当冷却塔的冷却效果 不好，需要调整整个系统的运行状态时，若造成冷却效果下降的原因是负荷增加，则增加第 二电动机的输出功率，提升水泵的流量和扬程；若造成冷却效果下降的原因是环境条件变 得更加恶劣，则增加第一电动机的输出功率。当冷却塔的冷却效果满足要求可以节能运行 时，则优先减小第一电动机的输出功率，当第一电动机关闭后，再逐渐减小第二电动机的输 出功率。对本发明冷却塔综合节能系统控制的具体过程为第一温度传感器、第二温度传 感器和干湿球温度传感器分别采集冷却塔的进水温度tls、出水温度t2s和环境的湿球温度 τ s,并将所采集的数据送给智能控制器。智能控制器首先判断冷却塔的出水温度t2s是否 高于设定值，若高于设定值，则说明冷却塔的冷却效果不能满足要求，需要对水泵或风机的 工作状态进行调整。若要判明冷却塔冷却效果不能满足要求的原因，则需要智能控制器继 续判断冷却塔的进水温度tls以及环境的湿球温度％是否高于设定值。若冷却塔的进水 温度tls高于设定值而环境的湿球温度τ s低于设定值，则说明导致冷却塔冷却效果不能满 足要求的原因是热负荷的增加。此时不必开动第一电动机，只增加第二电动机的输出功率， 提升水泵的流量和扬程即可。这样，一方面可以增大水泵的流量，加快循环冷却水的循环速 度，有利于循环水更快地被冷却，降低冷却塔的进水温度；另一方面，增大了水轮机的工作 流量和压力，使水轮机的输出功率增大，进而使风机的风量增加，从而使冷却塔的冷却效能 提升。若冷却塔的进水温度tls低于设定值而环境的湿球温度％高于设定值，则说明导致 冷却塔冷却效果不能满足要求的原因是环境条件变得更恶劣，此时通过增加第一电动机的 输出功率来增加风机的风量，而不提升水泵的流量和压力。在该条件下，对比通过增加水轮机的输出功率来增加风量的方法，本发明控制方法一方面可以控制循环冷却水的热负荷不增加，因而风量不必增加很多，另一方面可以避免因循环冷却水流量的增加而加大冷却塔 的阻力系数，使风机在较低的风压下增大风量，更有利于控制和节省第一电动机和第二电 动机的总输出功率。若冷却塔的进水温度tls和环境的湿球温度τ 3均高于设定值，则表明 导致冷却塔冷却效果不能满足要求的上述两个原因均存在，因此第一电动机和第二电动机 的功率均要增加，此时冷却塔的工况将接近或工作于满负荷工况。若冷却塔的进水温度tls 和环境的湿球温度Ts均低于设定值，则表明导致冷却塔冷却效果不能满足要求的原因可 能是系统的某个部分发生故障需要检修，因此将第一电动机和第二电动机均恢复至额定工 况同时报告故障。若冷却塔的出水温度t2s低于设定值，则一方面说明冷却塔的冷却效果较好，另一 方面也表明冷却塔的运行存在冷却效能过剩的情况。此时逐渐减小第一电动机的输出功 率；若第一电动机已关闭，则逐渐减小第二电动机的输出功率，减小水泵的流量，减缓循环 冷却水的循环速度，使冷却塔的进水温度tls和出水温度t2s均稳定于设计值，同时实现节能 运行。控制冷却塔的进水温度tls和出水温度t2s均稳定于各自的设定值进而温度循环冷 却水进出冷却塔的温差有利于充分发挥冷却塔的冷却效能，实现最优的节能效果；此外，在 我国北方等冬季严寒地区也可以有效防止循环冷却水的结冰现象。与现有的温度负反馈控 制的方法相比，本发明的控制方法也可以避免对各个电动机进行频繁启停的控制，有利于 降低电动机和调速设备因工作状态频繁变化而带来的额外损耗。对第二电动机的控制采用以冷却塔进水温度作为反馈量并增加效率判断环节的 闭环控制方法。在控制周期开始时，第一温度传感器采集冷却塔的进水温度tls，送至智能控 制器。智能控制器将冷却塔的进水温度tls与进水温度的设定值、。进行比较，其差值经过智 能控制器的调节子程序处理后生成初始的第二电动机的转速控制信号Iiltl送给智能控制器 的判断子程序。当n1(l向递增的方向变化时，要判断水泵和水轮机是否工作在各自的高效率 区域。流量计、压力传感器和转速传感器分别检测冷却塔入口循环冷却水的流量Qs、压力Hs 和风机转速n3等参数送至智能控制器。智能控制器依据采集的Qs、Hs、n3等参数计算水轮机 的单位流量Q11和单位转速nn，得到水轮机在其特性曲线上的工作点(Q11A11)，同时估算水 泵的实际扬程H/，得到水泵运行的工作点(Qs，H/ )，进而判断以上两工作点是否在相应特 性曲线上的高效率区域。若水轮机和水泵的工作点均在各自的高效率区域，则表明水轮机 和水泵的工作效率较高，此时输出本周期的第二电动机的转速控制信号n1(l给第二变频器， 第二变频器完成对第二电动机的调速控制；否则输出上一周期的n1(l，维持第二电动机原来 的运行状态。由于水泵所消耗的轴功率与转速的三次方成正比变化，当n1(l减小时，水泵所 需的轴功率会大幅下降，即便水泵及第二电动机的工作效率会有所下降仍然可以节约更多 的电能。因此当Iiltl向递减的方向变化时，智能控制器不经过判断直接输出本周期的第二电 动机的转速控制信号Iiltl给第二变频器对第二电动机的工作状态进行控制。本发明直接使用采集的参数实时判断水泵的工作区域，节省了推算步骤，故精度 较高；而调节范围则是依据系统工作的实际状况确定，故在整体节能效果上，本发明优于现 有技术。第一电动机的控制方法为在启动状态采用转速预估和转速反馈的单闭环控制，在稳定运行状态采用基于温度和转速反馈的常规双闭环控制。在第一电动机启动之前，转 速传感器检测风机的转速n3送至智能控制器，智能控制器进而计算第一电动机需要达到的 初始转速n/，以n/作为参考量启动第一电动机，经过Δ t秒后，智能控制器将动力合成器 的电磁离合器闭合，第一电动机投入工作，其中At为第一电动机的启动时间。在动力合成 器的电磁离合器闭合之后，智能控制器依据转速传感器检测的风机转速113计算第一电动机 的实际转速n2s。在第一电动机的启动状态，流量计、第一温度传感器、第二温度传感器和干 湿球温度传感器分别采集冷却塔循环冷却水的流量Qs、进水温度tls、出水温度t2s、环境的 干球温度θ s、湿球温度等参数送至智能控制器，智能控制器的转速预估子程序依据上 述参数判断冷却塔的工作状态，计算需要的风量并对第一电动机的目标转速进行预估得到 第一电动机的目标转速112，112作为参考量与第一电动机的实际转速n2s进行闭环控制。当第 一电动机的转速稳定后，第二温度传感器采集冷却塔出水温度t2s送至智能控制器，智能控 制器将t2s与出水温度设定值t2(l进行比较，其差值经过智能控制器的外环调节子程序处理 后生成初始的第一电动机的转速控制信号n2’，n2’作为参考量与第一电动机的实际转速n2s 作为控制内环进行闭环控制，得到最终的第一电动机的转速控制信号H2tl送给第一变频器， 第一变频器完成对第一电动机的转速控制并进而实现对风机转速的调节。与单纯的温度负 反馈控制的方法相比，本发明的控制方法使风机运行的稳定性更好。 本发明的优越性和技术效果在于1.本发明通过分析判断冷却塔的运行状态，协调控制水泵和风机这两个主要耗能 设备的工况，合理分配电能在水泵电机和风机电机的份额，实现系统的最佳节能效果。2.本发明对水泵采用冷却塔进水温度的恒温控制，利用水轮机充分利用水泵富余 扬程，一方面避免了恒压控制需要调整管路阻力曲线的缺点，另一方面也避免了常规恒温 控制无法充分利用水泵在额定工况下的富余扬程以及水泵的效能不能完全发挥的缺点。3.本发明通过动力合成器控制电动机在需要的时候间歇性地投入运转，在充分利 用了水泵富余扬程的同时，也提高了冷却塔运行的可靠性。4.本发明可以根据实际情况合理地调整分配风机总的需求功率在水轮机和电动 机之间的份额，优化水泵、水轮机以及风机电机的容量配置，可配备小功率风机电机，节省 相应的投资，也有助于扩大水轮机的应用范围。
图1是本发明的系统结构示意图；图2是本发明的具体实施方式
中风机、动力合成器、水轮机及第一电动机的布置 示意图；图3是本发明动力合成器的结构示意图；图4是本发明控制方法的总流程图；图5是本发明水泵及第二电动机的控制框图；图6是本发明水泵及第二电动机的控制框图中判断子程序的流程图；图7是本发明第一电动机的启动流程图；图8是本发明第一电动机的控制框图。
具体实施例方式下面结合附图和具体实例方式对本发明作进一步说明。如图1所示，基于动力合成器的冷却塔综合节能系统主要包括动力合成器1、风机2、水轮机3、第一电动机4、第一变频器5、水泵6、第二电动机7、第二变频器8、传感器组 9、智能控制器10等。传感器组9包括转速传感器901、流量计902、压力传感器903、第一温 度传感器904、第二温度传感器905、干湿球温度传感器906。其中，转速传感器901位于动 力合成器的输出轴端，流量计902、压力传感器903以及第一温度传感器904位于冷却塔的 循环冷却水管路进水口处，第二温度传感器905位于冷却塔的出水口处，干湿球温度传感 器906置于冷却塔附近的空气中。传感器组9的信号输出端与智能控制器10的信号输入 端相连。智能控制器10的信号输出端与动力合成器1、第一变频器5以及第二变频器8相 连，第一变频器5与第一电动机4相连，第二变频器8与第二电动机117相连，第二电动机 7与水泵6相连。图2所示为风机2、动力合成器1、水轮机3及第一电动机4的布置示意图。所述 水轮机3的入水口与水泵6的出水口通过管路相连，动力合成器1的两个输入轴分别与水 轮机3和第一电动机4的输出轴相连，动力合成器1的输出轴与风机2相连。如图3所示，在本实施例中，所述的动力合成器1主要包括第一输入轴101、电磁 离合器102、第一主动轮103、第一从动轮104、第二输入轴105、输出轴106、第二从动轮107 等。其中第一输入轴101 —端与第一电动机4的输出轴连接，另一端利用轴承与第一主动轮 103实现固定。所述的电磁离合器102为常规产品，其结构包括磁轭、线圈、动盘、衔铁和蝶 形弹簧等部件。电磁离合器102的动盘与第一输入轴101固定，磁轭和线圈与机壳相固定， 衔铁和蝶形弹簧与第一主动轮103相连。动力合成器1的信号输入端与智能控制器10的 信号输出端相连。所述的第一主动轮103和第一从动轮104依据第一电动机4的布置方式 选用锥形齿轮，第一从动轮104利用平键与第二输入轴105相固定。所述的第二输入轴105 为齿轮轴，其上的主动轮与第二从动轮107啮合，第二从动轮107利用平键与输出轴106相 固定。所述的智能控制器10为数字信号处理器或其他单片机系统，水轮机3可以根据冷 却塔的实际情况选择混流式、轴流式、双击式等。对本发明冷却塔综合节能系统控制方法的总流程图如图4所示。所述的转速传感器901、流量计902、压力传感器903、第一温度传感器904、第二 温度传感器905、干湿球温度传感器906分别采集风机2的转速、循环冷却水的流量、压力、 冷却塔的进水温度、冷却塔的出水温度、环境的干湿球温度送给智能控制器10，智能控制器 10根据以上参数对冷却塔、水泵6和水轮机3工作状态进行分析，若造成冷却塔冷却效果下 降的原因是负荷增加，则减小第二电动机7的输出功率，进而增加水泵6的流量和扬程；若 造成冷却塔冷却效果下降的原因是由于环境条件变化带来的影响，则增加第一电动机4的 输出功率；当冷却塔的冷却效果满足要求可以节能运行时，则优先减小第一电动机4的输 出功率，当第一电动机4关闭后，再逐渐减小第二电动机7的输出功率，降低水泵6的流量 和扬程。传感器组9中的第一温度传感器904、第二温度传感器905和干湿球温度传感器 906按一定的周期采集冷却塔的进水温度tls、出水温度t2s以及环境的湿球温度τ s，并送至智能控制器10，智能控制器10判断冷却塔的出水温度t2s是否高于冷却塔出水温度的设定值t2(l+At2，其中t2(l为冷却塔出水温度的设计值，At2为设计所允许的温度偏差。若冷却塔的出水温度t2s高于设定值t2(l+At2，则继续判断冷却塔的进水温度tls 以及环境的湿球温度^是否高于设定值^1(|+八、和％+Δ τ。其中t1(l为冷却塔进水温度 的设计值，At1为设计所允许的温度偏差；τ ^为环境湿球温度的设计值，Δ τ为设计所允 许的温度偏差。当冷却塔的进水温度tls高于设定值t1(l+At1，而环境的湿球温度低于 设定值^+Δ τ时，调用第二电动机7的控制程序，增加第二电动机7的输出功率。当冷 却塔的进水温度tls低于设定值t1(l+At1而环境的湿球温度％高于设定值％+Δ τ时， 此时只调用第一电动机4的控制程序，增加第一电动机4的输出功率。当冷却塔的进水温 度tls高于设定值 1(1+Δ、，同时环境的湿球温度Ts也高于设定值τ J Δ τ时，同时调用 第一电动机4和第二电动机7的控制程序，增加二者的输出功率。当冷却塔的进水温度tls 低于设定值t1(l+At1,同时环境的湿球温度％也低于设定值τ J Δ τ时，智能控制器10 通过控制第一变频器5和第二变频器8将第一电动机4和第二电动机7均恢复至额定工况 同时报告故障。若冷却塔的出水温度t2s低于设定值t2(l+At2，则进而判断t2s是否低于设定值 t2crAt2，若高于设定值t2(|-At2，则结束本周期控制；若低于设定值t2(|-At2，则调用第一 电动机4的控制程序，逐步减小第一电动机4的输出功率；若第一电动机4已关闭，则判断 冷却塔的进水温度tls是否低于设定值 1(ΓΔ、。若高于设定值AicrAt1，则结束本周期控 制；若低于设定值AicrAt1，则调用第二电动机7的控制程序，逐渐减小第二电动机7的输 出功率。整个控制过程在保持冷却塔出水温度t2s不高于设定值t2(l+A t2的同时，也保持 冷却塔的进水温度tls稳定在设定值^^八^与^厂八、之间，以充分发挥冷却塔的冷却效 能。对第二电动机7的控制是在常规单闭环控制的基础上，以冷却塔进水温度作为反 馈量，并增加效率判断环节。第二电动机7的控制框图如图5所示，在控制周期开始时，第 一温度传感器904采集冷却塔的进水温度tls送至智能控制器10，智能控制器10将tls与 进水温度的设定值t1(l进行比较，其差值经过智能控制器10的调节子程序处理后生成初始 的第二电动机7的转速控制信号Iiltl送给智能控制器10的判断子程序。判断子程序的工作 流程图如图6所示，当n1Q向递增的方向变化时，流量计902、压力传感器903和转速传感器 901分别检测冷却塔入口循环冷却水的流量Qs、压力Hs和风机2的转速Ii3等参数送至智能 控制器10，智能控制器10依据采集的Qs、Hs、n3等参数计算水轮机3的单位流量Q11和单位 转速nn，得到水轮机3在其特性曲线上的工作点(Qn，nn)，同时估算水泵6的实际扬程Hs’， 得到水泵6运行的工作点(QS，HS’)，进而判断以上两工作点是否在相应特性曲线上的高效 率区域，若水轮机3和水泵6的工作点均在各自的高效率区域，则表明水轮机3和水泵6的 工作效率较高，此时输出本周期的第二电动机7的转速控制信号n1(1给第二变频器8，第二 变频器8完成对第二电动机7的调速控制；否则输出上一周期的转速控制信号n1(1，维持第 二电动机7原来的运行状态。由于水泵所消耗的轴功率与转速的三次方成正比变化，当n1Q 减小时，第二电动机7的输出功率会大幅下降，即便水泵6和第二电动机7的工作效率会有 所下降仍然可以节约更多的电能。因此当第二电动机7转速控制信号Iiltl向递减的方向变化时，智能控制器10不经过判断直接输出本周期第二电动机的转速控制信号n1(1送给第二 变频器8，第二变频器8实现对第二电动机7的工作状态的调速控制。
对第一电动机4的控制是在启动状态采用转速预估和转速反馈的单闭环控制，在 稳定运行状态采用温度和转速反馈的常规双闭环控制。第一电动机4的启动流程图如图7 所示，在第一电动机4启动之前，转速传感器901检测风机2的转速Ii3送至智能控制器10， 智能控制器10进而计算第一电动机4需要达到的初始转速n/，以n/作为参考量启动第一 电动机4，经过At秒后，智能控制器10将动力合成器1的电磁离合器102闭合，第一电动 机4投入工作，其中At为第一电动机4的启动时间。在动力合成器1的电磁离合器102 闭合之后，智能控制器10依据转速传感器901检测的风机2的转速Ii3计算第一电动机4的 实际转速n2s。第一电动机4的控制框图如图8所示，在第一电动机4的启动状态，流量计 902、第一温度传感器904、第二温度传感器905和干湿球温度传感器906分别采集冷却塔循 环冷却水的流量Qs、进水温度tls、出水温度t2s、环境的干球温度θ s和湿球温度Ts等参数 送至智能控制器10，智能控制器10利用控制程序中的转速预估子程序判断冷却塔的工作 状态，计算需要的风量并对第一电动机4的目标转速进行预估得到第一电动机4的目标转 速n2，经过延时和切换子程序，将Ii2作为参考量与第一电动机4的实际转速n2s进行闭环控 制。当第一电动机4的转速稳定后，第二温度传感器905采集冷却塔出水温度t2s送至智能 控制器10，智能控制器10将t2s与出水温度的设定值t2(l进行比较，其差值经过智能控制器 10的外环调节子程序处理后生成初始的第一电动机4的转速控制信号n2’。此时智能控制 器10的延时和切换子程序转为接受II2’作为参考量与第一电动机4的实际转速n2s作为控 制内环进行闭环控制，得到最终的第一电动机4的转速控制信号Ii2tl送给第一变频器5，第 一变频器5完成对第一电动机4的转速控制并进而实现对风机2的转速的调节 。
权利要求
一种基于动力合成器的冷却塔综合节能系统，包括风机(2)、水轮机(3)、第一电动机(4)、第一变频器(5)、水泵(6)、第二电动机(7)、第二变频器(8)和传感器组(9)，其特征是所述综合节能系统还包括动力合成器(1)和智能控制器(10)；所述的传感器组(9)包括转速传感器(901)、流量计(902)、压力传感器(903)、第一温度传感器(904)、第二温度传感器(905)、干湿球温度传感器(906)；转速传感器(901)位于动力合成器(1)的输出轴端，流量计(902)、压力传感器(903)以及第一温度传感器(904)位于冷却塔的循环冷却水管路进水口处，第二温度传感器(905)位于冷却塔的出水口处，干湿球温度传感器(906)置于冷却塔附近的空气中；传感器组(9)的信号输出端与智能控制器(10)的信号输入端相连，智能控制器(10)的信号输出端与动力合成器(1)、第一变频器(5)和第二变频器(8)相连，第一变频器(5)与第一电动机(4)相连，第二变频器(8)与第二电动机(7)相连，第二电动机(7)与水泵(6)相连驱动水泵(6)运转，水轮机(3)的进水口与水泵(6)的出水口通过管路相连，动力合成器(1)的两个输入轴分别与水轮机(3)和第一电动机(4)的输出轴相连，动力合成器(1)的输出轴与风机(2)相连，所述的综合节能系统采用水轮机(3)作为主要动力，第一电动机(4)作为辅助动力驱动风机(2)运转。
2.应用于权利要求1所述的基于动力合成器的冷却塔综合节能系统的控制方法，其特 征是所述的转速传感器(901)、流量计(902)、压力传感器(903)、第一温度传感器(904)、 第二温度传感器(905)、干湿球温度传感器(906)分别采集风机(2)的转速、循环冷却水的 流量、压力、冷却塔的进水温度tls、冷却塔的出水温度t2s、环境的干湿球温度τ s，并送至智 能控制器(10)，智能控制器(10)根据以上参数对冷却塔、水泵(6)和水轮机(3)工作状态 进行分析，若造成冷却塔冷却效果下降的原因是负荷增加，则增加第二电动机(7)的输出 功率，进而增加水泵(6)的流量和扬程；若造成冷却塔冷却效果下降的原因是由于环境条 件变化带来的影响，则增加第一电动机(4)的输出功率；当冷却塔的冷却效果较好可以节 能运行时，则优先减小第一电动机(4)的输出功率，当第一电动机(4)关闭后，再逐渐减小 第二电动机(7)的输出功率，降低水泵(6)的流量和扬程。
3.根据权利要求2所述的控制方法，其特征是对所述的第二电动机(7)是在常规单 闭环控制的基础上，以冷却塔进水温度作为反馈量，并增加效率判断环节；在控制周期开始 时，第一温度传感器(904)采集冷却塔的进水温度，送至智能控制器(10)；智能控制器(10) 将冷却塔的进水温度与进水温度设定值进行比较，进水温度与进水温度设定值的差值经过 智能控制器(10)的调节子程序处理后，生成初始的第二电动机(7)的转速控制信号，送给 智能控制器(10)的判断子程序；判断子程序的工作流程为当第二电动机(7)的转速控制 信号向递增的方向变化时，流量计(902)、压力传感器(903)和转速传感器(901)分别检测 冷却塔入口循环冷却水的流量、压力和风机转速等参数，送至智能控制器(10)，智能控制器 (10)依据采集的冷却塔入口循环冷却水的流量、压力和风机转速等参数计算水轮机(3)的 单位流量和单位转速，得到水轮机(3)在水轮机(3)的特性曲线上的工作点，智能控制器 (10)同时估算水泵(6)的实际扬程，得到水泵(6)在水泵(6)的特性曲线上的工作点，进而 判断水轮机(3)和水泵(6)的工作点是否在各自特性曲线上的高效率区域；若水轮机(3) 和水泵(6)的工作点均在各自特性曲线上的高效率区域，则表明水轮机3和水泵6的工作 效率较高，此时输出本周期的第二电动机(7)的转速控制信号给第二变频器(8)，第二变频 器(8)完成对第二电动机(7)的调速控制；否则输出上一周期的第二电动机(7)的转速控制信号，维持第二电动机(7)原来的运行状态；当第二电动机(7)的转速控制信号向递减的 方向变化时，智能控制器(10)不经过判断直接输出本周期的第二电动机(7)的转速控制信 号送至第二变频器(8)，第二变频器(8)实现对第二电动机(7)的工作状态的调速控制。
4.根据权利要求2所述的控制方法，其特征是对所述的第一电动机(4)在启动状态 采用转速预估和转速反馈的单闭环控制，在稳定运行状态采用温度和转速反馈的双闭环控 制；在第一电动机⑷启动之前，转速传感器(901)检测风机(2)的转速送至智能控制器 (10)，智能控制器(10)计算第一电动机(4)需要达到的初始转速，并以初始转速作为参考 量启动第一电动机(4)，经过At秒后，将动力合成器(1)的电磁离合器(102)闭合，第一 电动机⑷投入工作，其中At为第一电动机(4)的启动时间；在动力合成器(1)的电磁离 合器(102)闭合之后，智能控制器(10)依据转速传感器(901)检测的风机(2)的转速计算 第一电动机(4)的实际转速；在第一电动机(4)启动状态，流量计(902)、第一温度传感器 (904)、第二温度传感器(905)和干湿球温度传感器(906)分别采集冷却塔循环冷却水的流 量、进水温度、出水温度、环境的干湿球温度等参数送至智能控制器(10)，智能控制器(10) 利用控制程序中的转速预估子程序判断冷却塔的工作状态，计算需要的风量并对第一电动 机⑷的目标转速进行预估得到第一电动机⑷的目标转速，智能控制器(10)将第一电动 机(4)的目标转速作为参考量与第一电动机(4)的实际转速进行闭环控制；当第一电动机 (4)的转速稳定后，第二温度传感器(905)采集冷却塔出水温度送至智能控制器(10)，智 能控制器(10)将冷却塔出水温度与出水温度的设定值进行比较，其差值经过智能控制器 (10)的外环调节子程序处理后生成初始的第一电动机(4)的转速控制信号；此时智能控制 器(10)的延时和切换子程序转为接受初始的第一电动机(4)的转速控制信号作为参考量 与第一电动机(4)的实际转速作为控制内环进行闭环控制，得到最终的第一电动机(4)的 转速控制信号送给第一变频器(5)，第一变频器(5)完成对第一电动机(4)的转速控制并进 而实现对风机(2)的转速的调节。
5.根据权利要求2所述的控制方法，其特征是在保持冷却塔出水温度不高于设定温 度的同时，也保持冷却塔的进水温度稳定在设定值。
全文摘要
一种基于动力合成器的冷却塔综合节能系统及其控制方法，由传感器组(9)采集风机(2)的转速、循环冷却水的流量、压力、冷却塔的进水温度和出水温度、环境的干湿球温度，并送给智能控制器(10)，智能控制器(10)控制冷却塔、水泵(6)和水轮机(3)工作状态，若造成冷却塔的冷却效果下降的原因是负荷增加，则增加第二电动机(7)的输出功率，进而提高水泵(6)的流量和扬程；若山于环境条件变化造成冷却效果下降时，则增加第一电动机(4)的输出功率；当冷却塔的冷却效果达到要求可以节能运行时，则优先减小第一电动机(4)的输出功率，当第一电动机(4)关闭后，再逐渐减小第二电动机(7)的输出功率，降低水泵(6)的流量和扬程。
文档编号F28F27/00GK101865613SQ20101020038
公开日2010年10月20日 申请日期2010年6月9日 优先权日2010年6月9日
发明者史金华, 张国强, 郭润睿 申请人:中国科学院电工研究所;南京大洋冷却塔股份有限公司