用于工业循环冷却水系统的节能降耗运行控制方法与流程

1.本发明涉及泵智能控制系统领域，具体而言，涉及一种用于工业循环冷却水系统的节能降耗运行控制方法。


背景技术：

2.循环冷却水系统是工业生产装置必不可少的基本环节，随着我国经济的发展，工业水泵的应用范围越来越广，在钢铁、冶金、发电、矿山、石油、化工、水泥、制药、化肥、造纸等行业的企业都会大批量的使用离心泵、循环泵等系列产品。根据2018年中国电机行业现状及未来发展趋势分析报告，我国电机装机总容量已达4亿多kw，年耗电量达12000亿kwh，占全国总用电量的60％，占工业用电量的80％，其中风机、水泵、压缩机的装机总容量已超过2亿kw，年耗电量达8000亿kwh，占全国总用电量的40％左右，泵耗电量约占全国总用电量的15％，即年耗电量约为1200亿kwh。而目前我国的循环水系统运行效率普遍在50％以下。
3.因此对整个工业循环水系统进行节能，一方面响应了“绿水青山就是金山银山”的号召，对于近年要求的“碳达峰，碳中和”目标具有前瞻性，另一方面降低生产成本，节能降耗，为企业提供更多的利润，循环水系统的节能改造意义重大。


技术实现要素：

4.本发明就是为了解决如何使工业循环冷却水系统节能降耗的技术问题，提供了一种用于工业循环冷却水系统的节能降耗运行控制方法。
5.本发明以工艺装置工况负荷作为模型的前置反馈条件，以功耗最小作为目标函数，使得循环水泵在最小功耗下工作。
6.本发明公开一种用于工业循环冷却水系统的节能降耗运行控制方法，对循环水泵系统特性曲线进行建模，以工艺装置工况负荷作为模型的前置反馈条件，通过优化系统对模型进行求解，求得符合当前工艺装置工况负荷下循环水泵的运行状态，最后通过控制系统对循环水泵系统进行调节。
7.本发明还公开一种用于工业循环冷却水系统的节能降耗运行控制方法，包括以下步骤：
8.步骤s1，建立各循环水泵性能函数：通过试验得到循环水泵的特性曲线，并通过多项式拟合：
9.hi＝a+b
·
qi+c
·qi2
+d
·qi3
+e
·qi4
+f
·qi5
+g
·qi6
+h
·qi7
10.ηi＝x0+x1·
qi+x2·qi2
+x3·qi3
+x4·qi4
+x5·qi5
+x6·qi6
11.上式中，hi为各循环水泵扬程，qi为各循环水泵流量，a、b、c、d、e、f、g、h为扬程多项式拟合系数，ηi为效率，x0、x1、x2、x3、x4、x5、x6为效率多项式拟合系数；
12.步骤s2，建立循环水泵系统阻力函数，通过二次多项式拟合得到：
13.14.上式中，hf为循环水泵系统阻力，f1、f2、f3为阻力拟合系数，hz为工艺装置到泵出口中心线的高度差，hi为各泵出口至母管的阻力；q
总
为工艺装置需求总流量，q
总
是qi的求和，qi是各泵运行流量；
15.步骤s3，建立功耗最小目标函数minp
总
，总功耗p
总
通过以下公式计算：
[0016][0017]
p
总
的计算公式中，n为总的运行泵数，pi为各泵功耗，pi通过以下公式计算：
[0018][0019]
pi的计算公式中，hi为各泵运行扬程，ηi为各泵运行效率，qi为各泵运行流量；
[0020]
qi与q
总
关系如下：
[0021][0022]
步骤s4，设置工艺装置工况负荷前置反馈条件：工艺装置工况负荷前置反馈条件根据工艺装置冷却系统进口压力p
进
、出口压力p
出
、循环水的回水温度t1和供水温度t2以及工艺装置中换热器需求最大热负荷g
max
和换热器需求最小热负荷g
min
，确定循环水泵流量的最大值q
总max
和最小值q
总min
：
[0023][0024][0025]q总max
和q
总min
计算公式中，c表示水的比热容，g1和g2是经验系数；工艺需求总流量q
总
需满足以下限定条件：
[0026]q总min
＜q
总
＜q
总max
；
[0027][0028]
步骤s5，运用智能优化算法对当前工艺装置工况负荷前置反馈条件下的目标函数minp
总
进行求解计算，获得符合当前工况条件下变频器频率数据以及电动阀门开度数据；
[0029]
步骤s6，控制器根据变频器频率数据调整变频器的频率从而控制各个循环水泵的转速，控制器根据电动阀门开度数据调整各个电动阀门的开度。
[0030]
本发明的有益效果是，通过对循环水泵系统进行建模，以当前工艺装置工况负荷作为模型的前置反馈条件，通过优化算法对模型进行求解，求得符合当前工艺装置工况负荷前置反馈条件下循环水泵的运行状态，最后经过控制系统对循环水泵系统进行调节，达到循环水泵节能降耗的目的。
[0031]
本发明进一步的特征和方面，将在以下参考附图的具体实施方式的描述中，得以清楚地记载。
附图说明
[0032]
图1是本发明节能降耗运行控制方法的原理图。
[0033]
附图中符号说明：
[0034]
1.循环水泵，2.母管。
具体实施方式
[0035]
如图1所示，工业领域中小型循环水泵智能控制系统包括：循环水泵系统、工艺装置工况负荷和优化系统，运用工艺装置工况负荷与循环水泵运行工况的匹配性，以及通过智能控制系统，保证泵运行在高效区间内，实现节能降耗。
[0036]
循环水泵系统为循环水泵及其辅助设备以智能控制方式组成的管路系统。循环水泵系统包括循环水泵、变频器、各类传感器、电动阀门，循环水泵用于将循环水加压以满足其工艺生产所需的条件，变频器用于控制循环水泵的转速；各类传感器用于采集流量、压力等信号；电动阀门用于调节冷却水的流量，以及配套控制系统；每个泵出口处的管路设置电动阀门。
[0037]
工艺装置工况负荷为工业领域中季节变换或生产负荷调整时配套冷却水系统和冷却水系统进出口压力、回水总管压力以及循环水温度监测装置。
[0038]
优化系统为根据工艺装置工况负荷为前置反馈条件，结合系统模型单元、求解单元和控制系统，用于优化循环水泵的运行，达到节能降耗的目的。
[0039]
优化算法求解单元用于对优化模型进行求解，得到优化控制方案。
[0040]
工艺装置工况负荷前置反馈条件：根据工艺装置冷却系统进口压力p
进
、出口压力p
出
、循环水的回水温度t1和供水温度t2以及工艺装置中换热器需求最大热负荷g
max
和换热器需求最小热负荷g
min
，确定加压的压力范围与流量范围；进口压力p
进
是指工艺装置的进水口处的压力，母管与工艺装置的进水口连接；出口压力p
出
指工艺装置的出水口处的压力，回水管与工艺装置的出水口连接。换热器需求最大热负荷g
max
和换热器需求最小热负荷g
min
是根据生产需求与换热器本身特性决定。
[0041]
运用智能优化算法对当前工艺装置工况负荷前置反馈条件下的系统模型进行求解计算，获得符合当前工况条件下循环水泵的节能运行转速与阀门开度，并通过控制信号，对循环水泵系统进行调节。具体过程如下：
[0042]
步骤s1，建立各循环水泵性能函数：通过试验得到循环水泵的特性曲线，并通过多项式拟合：
[0043]hi
＝a+b
·
qi+c
·qi2
+d
·qi3
+e
·qi4
+f
·qi5
+g
·qi6
+h
·qi7
[0044]
ηi＝x0+x1·
qi+x2·qi2
+x3·qi3
+x4·qi4
+x5·qi5
+x6·qi6
[0045]
上式中hi为各循环水泵扬程，qi为各循环水泵流量，对生产的循环水泵成品进行试验得到流量、扬程数据作为多项式拟合的基础数据；a、b、c、d、e、f、g、h为扬程多项式拟合系数，ηi为效率，x0、x1、x2、x3、x4、x5、x6为效率多项式拟合系数。
[0046]
步骤s2，建立循环水泵系统阻力函数：通过二次多项式拟合得到：
[0047][0048]
式中hf为循环水泵系统阻力，f1、f2、f3为阻力拟合系数，hz为工艺装置到泵出口中
心线的高度差，hi为各泵出口至母管的阻力；q
总
为工艺装置需求总流量，q
总
是qi的求和，qi是各泵运行流量。
[0049]
工业循环冷却水系统运行作用在工艺装置时：hf＝hi。
[0050]
步骤s3，建立功耗最小目标函数：为使得系统功耗最小，采用总功耗作为目标函数minp
总
，p
总
通过以下公式计算：
[0051][0052]
其中p
总
为总功耗，n为总的运行泵数，pi为各泵功耗，pi通过以下公式计算：
[0053][0054]
其中，hi为各泵运行扬程，ηi为各泵运行效率，qi为各泵运行流量。qi与q
总
关系如下：
[0055][0056]
步骤s4，设置工艺装置工况负荷前置反馈条件：工艺需求总流量：工艺装置工况负荷前置反馈条件根据工艺装置冷却系统进口压力p
进
、出口压力p
出
、循环水的回水温度t1和供水温度t2以及工艺装置中换热器需求最大热负荷g
max
和换热器需求最小热负荷g
min
，确定循环水泵流量的最大值q
总max
和最小值q
总min
。
[0057][0058][0059]
上式中，c表示水的比热容，g1和g2是经验系数。
[0060]
工艺需求总流量q
总
需满足以下限定条件：
[0061]q总min
＜q
总
＜q
总max
[0062]
步骤s5，采用智能优化算法对目标函数minp
总
进行求解，直到满足判断条件输出最优值。运用智能优化算法对当前工艺装置工况负荷前置反馈条件下的目标函数minp
总
进行求解计算，也就是说在满足q
总min
＜q
总
＜q
总max
的条件下，获得符合当前工况条件下变频器频率数据以及电动阀门开度数据。
[0063]
步骤s6，控制器根据变频器频率数据调整变频器的频率从而控制各个循环水泵的转速。控制器根据电动阀门开度数据调整各个电动阀门的开度。进而使各个循环泵的功耗最小，以达到节能降耗的目的。
[0064]
通常情况下，电动阀门的开度控制在80％-100％。
[0065]
以上所述仅对本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。