专利名称：基于动力合成器的冷却塔综合节能系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种冷却塔综合节能系统，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。
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掘水泵的节能潜力。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。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。
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；具体实施方式
以下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II 7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。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。
权利要求1.一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。
2.根据权利要求1所述的所述的基于动力合成器的冷却塔综合节能系统，其特征在于 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⑵运转。
3.根据权利要求1所述的所述的基于动力合成器的冷却塔综合节能系统，其特征在 于所述的动力合成器(1)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)固定；电磁离合器(102)的动盘与第一输入轴(101) 固定，电磁离合器(102)的磁轭和线圈与电机机壳固定，衔铁和蝶形弹簧与第一主动轮 (103)相连；动力合成器(1)信号输入端与智能控制器(10)的信号输出端相连；第一从 动轮(104)与第二输入轴(105)固定；第二输入轴(105)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)固定。
专利摘要一种基于动力合成器的冷却塔综合节能系统，其传感器组(9)中转速传感器(901)位于动力合成器(1)的输出轴端，流量计(902)、压力传感器(903)和第一温度传感器(904)位于冷却塔的进水口处，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。
文档编号F28C1/00GK201795695SQ20102022547
公开日2011年4月13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