智能水能循环节电系统的制作方法

本发明与水泵供水系统节能有关。

背景技术：

许多水泵供水的系统，目前采用的是一台或若干台水泵对水加压，输送到需要的场景，使用后的水流有多种处理方式。有的将水引到水处理设备处理后再排到河流；有的排到地下；有的通过回水管路将水引入冷却塔降温，然后再由水泵加压输送到需要的场景，从而实现水的循环使用。然而，使用后的水流往往还具有大量水能：第一，还存在富余位能。比如地源热泵从地下取水到地面使用后流入地下的位能。工厂的设备或物料需要冷却的换热器，因工艺需要安装位置较高，冷却水从高位换热器流到热水池或流入冷却塔，还存在富余位能。第二，供水、供暖系统，因使用用户的远近距离不同，管路损失不同，用水距离越短的回水余压越大。第三，为了保证供水流量满足用户的最大需要，设计师必须按最大需要流量设计供水水泵，并考虑安全系数，因此，水泵实际流量有较大富余。第四、因环境气温高低变化，用户使用需求的变化，实际流量存在富余。

在国家节能减排政策的倡导下，产生了许多回收回水余能，或减少循环水能量的技术和方法。比如，因水泵本身不能调节流量，采用变频电机对水泵变速来调节流量，但存在变频器本身耗电，水泵富余能量不多时变频不节电反而费电，还有产生高次谐波影响电网电能质量，导致电机发热增大。又比如，有用冷却塔水轮机回收利用回水浪费的富余能量，但因水轮机可能发生故障，会影响风机抽风，造成冷却循环水系统影响生产。再比如，还有采用水轮发电机组利用回水余压发电节能，但存在发电系统增加了用户的使用和管理难度，降低了供水系统的可靠性等问题。但是，已有技术的节电率都不高，一般为10%左右，而水泵供水系统的能量浪费普遍有40%以上，甚至有的高达70%！

本发明人的专利号为zl201721854153.8《节能的水冷却循环系统》，提供一种由轴伸贯流式水轮机和高效水泵组成的水轮泵的安全可靠、高效节能的水循环冷却系统。轴伸贯流式水轮机将系统余压转化为动能直接提供给高效水泵，取代或减少电动机耗电，从而使循环水能耗降低，该技术只适用于回水压力不高、回水能量小的循环水系统，其使用范围不广，节电效果不理想。并且使用运行管理麻烦。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种具有水能循环和发电功能，安全可靠、维护和运行管理方便、高效节能的水泵供水智能水能循环节电系统。

本发明是这样实现的：

智能水能循环节电系统由智能控制装置，水轮机旁路，高效水泵旁路组成，水轮机旁路由水轮机4及其第一进水管路9上的第1阀门10、第1出水管路6上的第2阀门5组成，智能控制装置由若干传感器、电动阀门、智能控制柜1，液压站2，接力器3组成，高效水泵旁路由高效水泵13及其第2进水管路19上的第3阀门20、第2出水管路14上的第4阀门12、与高效水泵13传动连接的异步电机17组成，第1出水管路6、第1进水管路9分别与系统的回水管路8连接，两连接点之间有第5阀门7，高效水泵13的一端轴与水轮机4的轴通过第1联轴器11连接，另一端轴与异步电机17通过第2联轴器18连接，或者同轴直接连接，高效水泵13旁路与系统供水管路15上的第1水泵16并联运行，高效水泵13的进出口分别有第3阀门20、第4阀门12，第1水泵16的进出口分别有第6阀门53、第7阀门54，智能控制装置通过液压站2、接力器3控制水轮机的导水机构52或转浆机构300调节水轮机的流量。

在回水管路8上安装第1温度传感器、第1压力传感器和流量传感器，在供水管路15上安装第2温度传感器，在水轮机4的轴承座上安装第3温度传感器，在水轮机的接力器3上安装位移传感器50检测接力器的活塞51的位移，传感器采集回水、供水管路的有关参数提供给智能控制柜1的plc可编程控制器，可编程控制器根据传感器采集的回水管路的实时温度、压力、流量和供水管路的温度的变化，与供水系统要求的参数的设定值比较，当这些参数的其中一个超出设定值时，可编程控制器通过液压站2、接力器3调节水轮机的流量和供水管路水泵的流量，使该参数回复的到设定值范围内。

异步电机17采用具有发电机和电动机两种功能的异步电机，当回水的富余能量较大，水轮机4转换提供给高效水泵13的轴功率大于高效水泵13需要的轴功率时，异步电机17作为发电机运行，高效水泵13将多余的轴功率提供给异步电机17反向发电供给电网，当回水的富余能量较小，水轮机4转换提供给高效水泵13的轴功率小于高效水泵13需要的轴功率时，异步电机17作为电动机运行，电动机补充水轮机4不足的轴功率提供给高效水泵13。

在回水压力较高的供水系统，水轮机4适宜采用混流式水轮机，所有阀门采用电动型，当水轮机4或高效水泵13有故障或需要检修时，智能控制装置控制将回水从水轮机旁路自动切换到回水管路8回水，将高效水泵旁路供水自动切换到供水管路15的第1水泵16供水，保证供水正常运行，当水轮机轴承座上的第3温度传感器检测到轴承温度超过设定的报警值时，可编程控制器控制报警器报警；当水轮机轴承座上的第三温度传感器检测到轴承温度达到设定的事故停机值时，可编程控制器控制第3阀门20和第4阀门12关闭，同时控制供水管路15上第1水泵16进口的第6阀门53和出口的第7阀门54开启，将高效水泵13供水切换为第1水泵16供水，然后控制回水管路8上的第5阀门7开启，同时将第1阀门10和第2阀门5关闭，使回水从水轮机旁路切换到回水管路8回水，然后对水轮机进行故障检查排除，对水轮机进行检修，水轮机正常后，可编程控制器控制第3阀门20和第4阀门12开启，同时控制供水管路15上第1水泵16进口的第6阀门53和出口的第7阀门54关闭，将第1水泵16供水切换为高效水泵13供水，然后控制回水管路8上的第5阀门7关闭，同时将第1阀门10和第2阀门5开启，使回水从回水管路8切换到水轮机旁路回水。

在供水切换过程中，可编程控制器根据压力传感器检测到的回水压力数值，控制阀门开关的速度，在供水切换为第1水泵16供水的过程中，回水管路压力超过正常回水压力设定值时，减小第6阀门53和第1水泵16出口的第7阀门54的开启速度，或暂停开启，待回水管路压力回复到正常回水压力设定值时再切换阀门恢复原来状态，反之，在供水切换为第1水泵16供水的过程中，回水压力低于正常回水压力设定值时，减小第3阀门20和第4阀门12的关闭速度，或暂停关闭，待回水压力回复到正常回水压力设定值时再切换阀门恢复原来状态。

许多情况下，在供水管路15中并联若干水泵，其中至少有一台水泵为备用。在供水管路15上安装第2温度传感器和第2压力传感器，高效水泵13、第1水泵16、第2水泵161、第3水泵162并联于供水管路15，第2水泵161的进出口分别有第8阀门55、第9阀门56，第3水泵162的进出口分别有第10阀门57、第11阀门58，所有阀门采用电动型。在回水压力较小的供水系统，水轮机4适宜采用后轴伸贯流转浆式水轮机，智能控制装置的接力器3直接设计在水轮机4的转轮体302里面，智能控制柜1通过液压站2，再通过控制水轮机转轮体302里面的接力器3，直接控制水轮机的转浆机构300驱动水轮机的叶片301转动，该结构是直线往复运动变转动的结构，后轴伸贯流转浆式水轮机已经在水电站广泛应用，许多水轮机结构教材、设计手册等资料里面有介绍，水轮机专业的技术人员很容易就能设计实施，从而调节水轮机的流量。所述的智能水能循环节电系统工作时，第1水泵16、第2水泵和第3水泵中至少一台关闭备用，包括高效水泵13的多台水泵开启，回水管中的阀门21关闭，回水走水轮机旁路。可以高效水泵13和第1水泵16开启，第2水泵161和第3水泵162备用，回水走水轮机旁路，即第1阀门10、第2阀门5、第3阀门20、第4阀门12、第6阀门53、第7阀门54开启，第8阀门55、第9阀门56、第10阀门57、第11阀门58、第12阀门21关闭。

传感器采集的有关参数提供给智能控制柜1的plc可编程控制器，可编程控制器根据传感器采集的实时温度、压力、流量的变化，与根据供水系统要求的参数的设定值比较，当这些参数的其中一个超出设定值时，可编程控制器通过液压站2、及接力器3推动水轮机的转浆机构300动作，使水轮机的叶片301转动，调节水轮机的流量和供水系统的流量，使该参数回复到设定值范围内，调节过程中，在水轮机的接力器3上安装位移传感器50检测接力器的活塞51的位移数值，提供给可编程控制器进行运算，使流量调节更准确，从而，使供水系统的供水量符合最少必须流量。

当水轮机轴承座上的第3温度传感器检测到轴承温度超过设定的报警值时，可编程控制器控制报警器报警；当水轮机轴承座上的第3温度传感器检测到轴承温度超过设定的事故停机值时，可编程控制器控制开启第8阀门55、第9阀门56，从而开启第2水泵161，同时控制第3阀门20和第4阀门12关闭，将高效水泵13供水切换为第2水泵161供水，系统供水切换为由两台水泵供水。然后控制回水管路8后面的第12阀门21开启，同时将第1阀门10和第2阀门5关闭，使回水从水轮机旁路切换到回水管路8回水，水轮机4和高效水泵13停止运行，然后就可以对水轮机进行故障检查排除，可以对水轮机4和高效水泵13进行检修，水轮机正常后，又可以控制关闭第8阀门55和第9阀门56，从而关闭第2水泵161，同时控制第3阀门20和第4阀门12开启，将第2水泵161供水切换为高效水泵13供水，控制回水管路8后面的第12阀门21关闭，同时将第1阀门10和第2阀门5开启，使回水从回水管路8切换到水轮机旁路回水，恢复水轮机运行，使回水余能转换反馈给水泵节电。

可编程控制器根据位移传感器50检测的活塞51的位移位置，或流量传感器检测的流量数据，判定水轮机流量，控制阀门的开关，控制开启水泵并联运行的台数，可编程控制器根据位移传感器50检测的活塞51的位移位置，或流量传感器检测的流量数据，判定水轮机流量大于第1、2水泵的流量和时，可编程控制器控制开启第10阀门57和第11阀门58，从而开启第3水泵162，由3台水泵供水，可编程控制器根据位移传感器50检测的活塞51的位移位置，或流量传感器检测的流量数据，判定水轮机流量小于高效水泵的额定流量时，可编程控制器控制关闭第6阀门53和第7阀门54，从而关闭第1水泵16，只由1台高效水泵13供水，使供水系统的供水量符合系统需要的流量。

液压站2为包含油泵和三位四通电磁阀的液压站。

本发明在通常的水泵循环供水系统中，增加本发明智能水能循环节电系统，使回水的能量实现了循环利用，甚至使异步电机发电反向给其它水泵电动机供电，还节约了水泵富余扬程、流量的耗电，还节约了环境气温降低和用户需要减少的富余流量的耗电，大大减少了供水电机的耗电。减少了人工管理成本，减少了人工操作不及时和误差，减少了人工误操作，提高了供水运行的安全可靠性。该发明的智能水能循环节电系统比传统的节电方法，使用方便可靠，节电率成倍提高。

附图说明

图1为本发明实施例1智能水能循环节电系统示意图。

图2为实施例1智能控制装置示意图。

图3为实施例2智能水能循环节电系统示意图。

图4实施例2智能控制装置示意图。

具体实施方式

实施例1：

图1是在通常的一台水泵循环供水系统中增加一套智能水能循环节电系统。智能水能循环节电系统由智能控制装置，水轮机旁路，高效水泵旁路组成。水轮机旁路由混流式水轮机4、第1进水管路9、第1阀门10、第1出水管路6、第2阀门5组成。智能控制装置由若干传感器，智能控制柜1，液压站2，接力器3组成。高效水泵旁路由高效水泵13、第2进水管路19、第3阀门20、第2出水管路14、第4阀门12、异步电机17组成。

高效水泵13的一端轴与水轮机4的轴通过第1联轴器11连接，另一端轴与异步电机17通过第2联轴器18连接，或者同轴直接连接。高效水泵旁路与水泵16并联运行。

水轮机旁路与通常的回水管路8并联。在通常的回水管路8中增加第5阀门7，第1进水管路9与第5阀门7前面的回水管路8连接，第1出水管路6与第5阀门7后面的回水管路8连接。回水压力较高，采用具有导水机构的混流式水轮机4。智能控制装置通过液压站2、接力器3控制水轮机的导水机构52调节水轮机的流量。

正常使用中，采用增加的一套智能循环节电系统代替通常的一台水泵循环供水。智能控制装置如图2所示，可以根据具体供水情况设置若干温度传感器、压力传感器、流量传感器和位移传感器，在回水管路8上安装第一温度传感器，在供水用户主要用水的管路上安装第2温度传感器，在水轮机轴承座上安装第3温度传感器，在回水管路8上安装压力传感器和流量传感器，在水轮机的接力器3上安装位移传感器50检测接力器的活塞51的位移。传感器采集回水的有关参数提供给智能控制柜1的plc可编程控制器，可编程控制器根据传感器采集的回水的实时温度、压力、流量和供水用户的温度的变化，与根据供水系统要求的参数的设定值比较，当这些参数的其中一个超出设定值时，可编程控制器通过液压站2、接力器3调节水轮机的流量和供水系统的流量，使该参数回复的设定值范围内。

液压站2可以选用通常的主要包含油泵和三位四通电磁阀的液压站，可编程控制器通过启动液压站的油泵供压力油，和通过电磁阀控制压力油进出接力器3推动活塞51移动，推动水轮机4的导水机构52调节水轮机流量。

当回水的实时温度或供水用户的温度大于设定值时，可编程控制器通过液压站2，接力器3调节增大水轮机的流量和供水系统的流量，使该参数回复到设定值范围内。反之，当回水的实时温度或供水用户的温度小于设定值时，可编程控制器通过液压站2，接力器3调节减小水轮机的流量和供水系统的流量，使该参数回复到设定值范围内。调节过程中，在水轮机的接力器3上安装位移传感器50检测接力器的活塞51的位移数值，提供给可编程控制器进行pid运算，使流量调节更准确，从而，使供水系统的供水量符合最少必须流量。

将所有阀门采用电动型，当水轮机4或高效水泵13有故障或需要检修时，智能控制装置可以控制将回水从水轮机旁路自动切换到原回水管路8回水，将高效水泵旁路供水自动切换到通常的水泵16供水，保证供水正常运行。当水轮机轴承座上的第3温度传感器检测到轴承温度超过设定的报警值时，可编程控制器控制报警器报警；当水轮机轴承座上的第3温度传感器检测到轴承温度达到设定的事故停机值时，可编程控制器控制第3阀门20和第4阀门12关闭，同时控制供水管路15上水泵16进口的第6阀门53和出口的第7阀门54开启，将高效水泵13供水切换为水泵16供水。然后控制回水管路8上的第5阀门7开启，同时将第1阀门10和第2阀门5关闭，使回水从水轮机旁路切换到回水管路8回水。然后对水轮机进行故障检查排除，对水轮机进行检修。水轮机正常后，可编程控制器控制第3阀门20和第4阀门12开启，同时控制供水管路15上水泵16进口的第6阀门53和出口的第7阀门54关闭，将水泵16供水切换为高效水泵13供水。然后控制回水管路8上的第5阀门7关闭，同时将第1阀门10和第2阀门5开启，使回水从回水管路8切换到水轮机旁路回水，使回水余能转换反馈给水泵节电。

在供水切换过程中，可编程控制器根据压力传感器检测到的回水压力数值，控制阀门开关的速度。比如，在供水切换为水泵16供水的过程中，回水压力超过正常回水压力设定值时，减小第6阀门53和出口的第7阀门54的开启速度，或暂停开启，待回水压力回复到正常回水压力设定值时再继续切换阀门。反之，在供水切换为水泵16供水的过程中，回水压力低于正常回水压力设定值时，减小第3阀门20和第4阀门12的关闭速度，或暂停关闭，待回水压力回复到正常回水压力设定值时再继续切换阀门。

混流式水轮机4将较高压力的回水水能转换为动能，提供给高效水泵13，实现了水能的循环利用。通常，单台水泵供水的回水的富余能量较小，水轮机4转换提供给高效水泵13的轴功率小于高效水泵13需要的轴功率，异步电机17作为电动机运行，补充水轮机4不足的轴功率提供给高效水泵13。异步电机17比通常的水泵16的驱动电动机显著节电。

特殊情况，比如将该系统用于城市供暖供水系统，将水轮机旁路与供暖一次回路并联，高效水泵与二次供水水泵并联，由于在供暖一次回路离供暖一次水泵较近时，一次回路回水余压较大，可能水轮机4转换提供给高效水泵13的轴功率大于高效水泵13需要的轴功率，异步电机17作为发电机运行，高效水泵13将多余的轴功率提供给异步电机17反向发电供给电网。供水完全不用电，还发电反向供给电网。

增加的这套智能水能循环节电系统，节约了水泵富余扬程、流量的耗电，回收了回水的能量，减少了电机的耗电，甚至使异步电机发电反向给其它水泵电动机供电。还节约了环境气温降低和用户需要减少的富余流量的耗电。该发明的智能水能循环节电系统比传统的节电方法，使用方便可靠，节电率成倍提高，经济效益非常好。

实施例2：

在通常的多台水泵循环供水系统中增加一套智能水能循环节电系统，如图3是通常的两用一备或一用两备的供水系统。智能水能循环节电系统由智能控制装置，水轮机旁路，高效水泵旁路组成。水轮机旁路由水轮机4、第1进水管路9、第1阀门10、第1出水管路6、第2阀门5组成。在回水压力较小的供水系统，水轮机4适宜采用后轴伸贯流转浆式水轮机。智能控制装置由若干传感器，智能控制柜1，液压站2组成。高效水泵旁路由高效水泵13、第2进水管路19、第3阀门20、第2出水管路14、第4阀门12、异步电机17组成。

高效水泵13的一端轴与水轮机4的轴通过第1联轴器11连接，高效水泵13的另一端轴与异步电机17通过第2联轴器18连接。高效水泵旁路与通常的第1水泵16和第2水泵161，和第3水泵162并联运行。所有阀门采用电动型。

水轮机旁路与通常的回水管路8并联，即第1进水管路9与通常的回水管路8连接，第1出水管路6与通常的第12阀门21后面的回水管路40连接，形成并联关系。回水压力较低，采用后轴伸贯流转浆式水轮机30，智能控制装置的接力器3直接设计在水轮机4的转轮体302里面，智能控制柜1通过液压站2，再通过控制水轮机转轮体302里面的接力器3，直接控制水轮机的转浆机构300驱动水轮机的叶片301转动，从而调节水轮机的流量。

正常使用中，采用增加的一套智能循环节电系统代替通常的3台水泵中的一台水泵与其它水泵并联运行循环供水。比如高效水泵13和通常的第1水泵16开启，第2水泵161和第3水泵162备用，回水走水轮机旁路，即第1阀门10、第2阀门5、第3阀门20、第4阀门12、第6阀门53、第7阀门54开启，第8阀门55、第9阀门56、第10阀门57、第11阀门58、第5阀门7关闭。

如图3、图4，智能控制装置可以根据具体供水情况设置若干传感器，在供水用户主要用水的管路上安装第2温度传感器，在水轮机轴承座上安装第3温度传感器，在回水管路8上安装第1温度传感器，压力传感器和流量传感器，在供水管路15上安装第2温度传感器和第2压力传感器，在水轮机的接力器3上安装位移传感器50检测接力器的活塞51的位移。传感器采集的有关参数提供给智能控制柜1的plc可编程控制器，可编程控制器根据传感器采集的实时温度、压力、流量的变化，与根据供水系统要求的参数的设定值比较，当这些参数的其中一个超出设定值时，可编程控制器通过液压站2、及接力器3推动水轮机的转浆机构300动作，使水轮机的叶片301转动，调节水轮机的流量和供水系统的流量，使该参数回复到设定值范围内。调节过程中，在水轮机的接力器3上安装位移传感器50检测接力器的活塞51的位移数值，提供给可编程控制器进行pid运算，使流量调节更准确，从而，使供水系统的供水量符合最少必须流量。

当水轮机轴承座上的第三温度传感器检测到轴承温度超过设定的报警值时，可编程控制器控制报警器报警；当水轮机轴承座上的第3温度传感器检测到轴承温度超过设定的事故停机值时，可编程控制器控制开启第8阀门55、第9阀门56，从而开启通常的第2水泵161，同时控制第3阀门20和第4阀门12关闭，将高效水泵13供水切换为通常的第2水泵161供水，系统供水切换为由两台通常的水泵供水。然后控制回水管路8后面的阀门7开启，同时将第1阀门10和第2阀门5关闭，使回水从水轮机旁路切换到回水管路8回水。水轮机4和高效水泵13停止运行，然后就可以对水轮机进行故障检查排除，可以对水轮机4和高效水泵13进行检修。水轮机正常后，又可以控制关闭第8阀门55和第9阀门56，从而关闭通常的水泵161，同时控制第3阀门20和第4阀门12开启，将通常的第2水泵161供水切换为高效水泵13供水，然后控制回水管路8上的第12阀门21关闭，同时将第1阀门10和第2阀门5开启，使回水从回水管路8切换到水轮机旁路回水，使回水余能转换反馈给水泵节电。

可编程控制器可以根据位移传感器50检测的活塞51的位移位置，或流量传感器检测的流量数据，判定水轮机流量，控制阀门的开关，控制开启水泵并联运行的台数。比如，可编程控制器根据位移传感器50检测的活塞51的位移位置，或流量传感器检测的流量数据，判定水轮机流量大于开两台水泵的流量时，可编程控制器控制开启第10阀门57和第11阀门58，从而开启第3水泵162，由3台水泵供水，以满足系统流量的需求。又比如，可编程控制器根据位移传感器50检测的活塞51的位移位置，或流量传感器检测的流量数据，判定水轮机流量小于开一台水泵的额定流量时，可编程控制器控制关闭第6阀门53和第7阀门54，从而关闭第1水泵16，只由1台高效水泵13供水，使供水系统的供水量符合最少必须流量。

异步电机17具有发电机和电动机两种功能。当回水的富余能量较大，水轮机30转换提供给高效水泵13的轴功率大于高效水泵13需要的轴功率时，异步电机17作为发电机运行，高效水泵13将多余的轴功率提供给异步电机17反向发电供给电网。当回水的富余能量较小，水轮机30转换提供给高效水泵13的轴功率小于高效水泵13需要的轴功率时，异步电机17作为电动机运行，电动机补充水轮机4不足的轴功率提供高效水泵13。

增加的这套智能水能循环节电系统，节约了水泵富余扬程、流量的耗电，回收了回水的能量，减少了供水电机的耗电，还节约了环境气温降低和用户需要减少的富余流量的耗电，甚至使异步电机发电反向给其它水泵电动机供电。实现了水能智能循环节电，实现了实时地智能调节水量和供水的智能节电运行，减少了人工管理成本，减少了人工操作不及时和误差，避免了人工误操作，提高了供水运行的安全可靠性。该发明的智能水能循环节电系统比传统的节电方法，使用方便可靠，节电率成倍提高。

比如将该系统用于城市自来水供水系统，将水轮机旁路与引水管路8（相当于回水）并联，高效水泵与自来水供水水泵16并联，由于引水管路8存在余压，水轮机4将余压转换提供给高效水泵13。当水轮机4的轴功率大于高效水泵13需要的轴功率，异步电机17作为发电机运行，高效水泵13将多余的轴功率提供给异步电机17反向发电供给电网。当引水的富余能量较小，水轮机4转换提供给高效水泵13的轴功率小于高效水泵13需要的轴功率时，异步电机17作为电动机运行，电动机补充水轮机4不足的轴功率提供高效水泵13。