回水余压能闭环回收循环水单拖动输送系统及控制方法与流程

本发明涉及工业循环水系统，尤其公开了一种回水余压能闭环回收循环水单拖动输送系统及控制方法。

背景技术：

1、目前大多数的循环水系统中，循环水泵为电动机拖动，是循环水系统中的用电大户。部分循环水系统中，换热器所在高度大于冷却塔上塔高度，为了满足换热器的用水需求，循环水泵必须提供足够的压力，而这个压力远虽然是用水设备(换热器)必须的，但却大于循环水上塔所需压力，且由于二者高度差别，使得循环水经过换热器后至冷却塔上塔前这一段管道区间内，仍有较高的压力富余，为了保证循环水不冲毁塔内布水设施，国家标准内对于循环水进入冷却塔喷头的压力上限是有要求的，必须设法降低上塔压力。

2、在以上介绍的压力需求一定的情况下，生产系统的产量是有变化的，因此生产装置要带出的热量也就是变化的，而对于循环水系统来说，热量的变化，等于流量的变化，所以生产装置流量又必须可以调整。要特别指出的是，即使流量变化，但由于装置的高度、内部压力和温度的不变，使得流量变化的同时，压力却不能变。

3、目前针对这个问题，行业内大体分为四种解决方式(类似专利有很多，不一一赘述，此处仅概括性地描述每种方式的原理)：

4、第一种解决方式：将上塔阀开度关小，憋压降低循环水上塔压力，造成能源浪费。

5、第二种解决方式：通过增加水轮机回收循环水余压拖动冷却塔风机进行能量回收。详见专利文件cn204255171u，解决方法为在冷却塔的回水总管上设置若干回水旁路，每条旁路水平轴向上设置一台管道式水轮机，水轮机主轴与冷却塔上的风机用联轴器相连接，水轮机出口通过回水支管连通冷却塔。每条回水旁路设置蝶阀，与冷却塔连通，调节阀门开度以控制进入水轮机的水量，以提高风机转速保证冷却效果或降低风机转速避免风机过速。

6、其本质是利用现有冷却塔循环水装置中的富余压能推动管道式水轮机叶轮转动，再传动至风机使其运转对循环水进行冷却，以替代本来风机运转所需要的电能，从而达到节能目的。

7、第三种解决方式：通过用水轮机取代上塔阀，利用上塔阀消耗的压力能进行发电内部上网。详见专利文件cn217080668u，解决方法为在上塔管路外另设旁路并内置贯流式水轮机，其特点是适用于低水头，大流量的专用型号，水轮机直接连接发电动机，回收上塔余压进行发电，同时在后端设置变压器，发出的电能经变压器升压后直接就近输入厂区内配电系统上网使用。

8、第四种解决方式：通过回水推动水轮机，水轮机和电机联合驱动循环泵实现节能，详见专利文件cn104913659，解决方案是通过第一超越联轴器、第二超越联轴器，把液力透平、循环水泵和电机串联起来，通过回水余压推动水轮机，形成电机与水轮机对循环泵的双拖动，用水轮机的轴功，部分抵消电机本来需要消耗的功率，实现节能。为了实现尽可能多的余压到冷却塔下方，专利中明确表示采用了对系统局部增压的办法。

9、上述四种解决方式存在以下的缺点：

10、1、水轮机回收循环水余压拖动冷却塔风机固然可行，但仍有一定局限性：

11、1)增加水轮机对冷却塔的结构、材质和承重条件有一定要求，一方面增加了冷却塔上承重的重量，冷却塔在建设的时候就规定了其上面承受的重量，新增的水轮机是和风扇直联，而水轮机及水轮机里面的水的重量远远大于电动机，这就对冷却塔的安全造成了隐患。

12、2)单纯使用水轮机拖动冷却塔风扇，受循环水运行稳定情况的影响较大，我们知道水轮机能输出的功按热力学第一定律计算推动功公式就等于水轮机两端的压差与过水轮机流量的乘积。如果循环系统的压力和流量有变化的时候，变大可以用旁通管调节，但变小就会导致风扇转速不够，直接影响冷却塔的散热效果，冷却塔的散热效果不好，采用这种方式节能就会得不偿失。

13、2、通过用水轮机取代上塔阀，利用上塔阀消耗的压力能进行发电也是可行的，但也有很多问题：

14、1)系统构成复杂，成本高。因为除了水轮机外还必须要有发电动机，发电上网设备，甚至要有专门的配电室，这样成本较高。

15、2)系统越复杂，故障率就越高。

16、3)上网按规定必须通过电力管理部门的审批和统一管理，而且还有一部分的管理费用，导致投资的实际收益率下降。

17、4)此系统的工作过程为，用水轮机把水力能转换为机械能(转换效率85％)，然后通过发电机把机械能转换为电能(转换效率90％)，然后通过上网设备把电能调制到和电网频率和波形同步后上网(转换效率95％)，然后通过电网把电能输送到用电设备(传输效率95％)，这样一来，最理想情况下，系统的总能量回收效率为69％。转换效率比较低。

18、3、通过第一超越联轴器、第二超越联轴器，把液力透平、循环水泵和电机串联起来，然后对系统局部增压的办法来实现余压能力回收也有一些问题：

19、1)如果系统内所需水压很平均，所有的用水设备(换热器)所需压力基本一致，那就没有局部增压的需求和可能，那这种方式就无法执行，而现实中大多数循环水系统就是如此。因此到目前为止，几乎没有系统可以采用这种方法。

20、2)通过第一超越联轴器、第二超越联轴器，把液力透平、循环水泵和电机串联起来的目的就是在转速不够时断开原动机，因为循环水流量和余压在生产中是变化的，因此当回水流量和压力不变化的时候，偏离水轮机的选型工况，那水轮机就出力不够，对外表现就是转速达不到设计要求，一旦转速达不到要求，就变成了不但不出力，反而成为系统的负担，由原来的拖动设备，变成了被拖动设备，为了避免这种情况的出现，被迫采用了超越离合器。这样，工况偏离时，一旦达不到额定转速，超越离合器就根据其结构特性，自动断开，水轮机此时就不参与运行，这样一来就没有干扰到泵的运行，但却白白浪费了系统余压，在流量变化较大的系统，此方案的水轮机的做功时间只占总运行时间的30％。

21、显然，这样一来，就使得上述系统在工况偏离额定点时，无法实现节能。

22、3)上述系统液力透平与泵之间没有变速装置，意味着泵的转速必须适应于液力透平，或液力透平的转速必须适应于泵，目前各生产企业的模型有限，要互相适应必须重新设计水力模型，或者继续采用大马拉小车的模式，没有实现彻底的节能。

23、4)上述系统需要配置储能飞轮，这个在系统开车时，靠电机带动的情况下，会大幅度增加电机的启动电流，甚至会导致系统跳闸，而在系统停车时，又大大的增加了系统的惯性，导致停车时间特别长，不利于现场随时可能发生的倒换开停设备，带来了安全隐患。

24、5)上述方法改造关联管路很复杂，成本高，施工时间长，不利于现场管理和不停车改造。

25、因此，现有循环水系统存在的上述缺陷，是目前亟待解决的技术问题。

技术实现思路

1、本发明提供了一种回水余压能闭环回收循环水单拖动输送系统及控制方法，旨在解决现有循环水系统存在的上述缺陷。

2、本发明的一方面涉及一种回水余压能闭环回收循环水单拖动输送系统，包括循环水泵、冷却塔、冷却水池、换热器、联轴器、变速器和液力透平，循环水泵、联轴器、变速器和液力透平依序连接，循环水泵的进水端经进水管与冷却水池相连通，循环水泵的出水端经上水管与换热器的进水端相连通，换热器的出水端经回水管与冷却塔相连通，液力透平的进水端经第一连接管与回水管的前管段相连通，液力透平的出水端经第二连接管与回水管的后管段相连通。

3、进一步地，回水余压能闭环回收循环水单拖动输送系统还包括主管调节阀、进口调节阀和出口开关阀，主管调节阀设于回水管的前管段和后管段之间，进口调节阀设于第一连接管上，出口开关阀设于第二连接管上。

4、进一步地，回水余压能闭环回收循环水单拖动输送系统还包括控制系统，控制系统包括数据采集设备，数据采集设备包括第一数据采集装置、第二数据采集装置、第三数据采集装置、第四数据采集装置和第五数据采集装置，第一数据采集装置设于第一连接管上用于采集液力透平的进口压力；第二数据采集装置设于第二连接管上用于采集液力透平的出口压力；第三数据采集装置设于液力透平的传动轴上用于采集液力透平的转速；第四数据采集装置设于进水管上用于采集循环水泵的进口压力，第五数据采集装置设于上水管上用于采集循环水泵的出口压力。

5、进一步地，液力透平自带进口可调导叶。

6、进一步地，液力透平采用水轮机，第一数据采集装置用于采集液力透平的水轮机进口压力；第二数据采集装置用于采集液力透平的水轮机出口压力；第三数据采集装置用于采集液力透平的水轮机转速；第四数据采集装置用于采集循环水泵的水泵进口压力；第五数据采集装置用于采集循环水泵的水泵出口压力。

7、进一步地，控制系统还包括控制器，控制器分别与第一数据采集装置、第二数据采集装置、第三数据采集装置、第四数据采集装置和第五数据采集装置相连接，用于根据第一数据采集装置采集的水轮机进口压力和第二数据采集装置采集的水轮机出口压力，计算出水轮机工作水头；还用于根据第四数据采集装置采集的水泵进口压力和第五数据采集装置采集的水泵出口压力，计算出泵扬程；还用于根据第三数据采集装置采集的水轮机转速，获取水轮机转速；还用于根据第一数据采集装置采集的液力透平的水轮机进口压力、第二数据采集装置采集的液力透平的水轮机出口压力、第三数据采集装置采集的液力透平的水轮机转速、第四数据采集装置采集的循环水泵的水泵进口压力、以及第五数据采集装置采集的循环水泵的水泵出口压力，控制主管调节阀、进口调节阀和出口开关阀动作，尽可能关小主管调节阀，在系统安全的情况下尽量将水轮机的进口调节阀调整为全开。

8、进一步地，控制器还用于根据水轮机工作水头、泵扬程和水轮机转速，计算出泵流量，泵流量通过以下公式得出：

9、

10、其中，q为泵流量，h为泵扬程，p水轮机为水轮机输出功率，η泵为泵效率。

11、本发明的另一方面涉及一种回水余压能闭环回收循环水单拖动输送系统的控制方法，应用于上述的回水余压能闭环回收循环水单拖动输送系统中，回水余压能闭环回收循环水单拖动输送系统的控制方法包括以下步骤：

12、采用预设的余压控制逻辑来调节回水余压能闭环回收循环水单拖动输送系统，余压控制逻辑为尽可能关小主管调节阀，在系统安全的情况下尽量将水轮机的进口调节阀调整为全开；

13、若识别到水轮机转速大于预设的第一安全转速阈值、或者水轮机工作水头大于预设的安全水头阈值时，则执行打开主管调节阀程序，正向调节主管调节阀；

14、若识别到水轮机转速小于预设的第二安全转速阈值且水轮机工作水头大于预设的安全水头阈值时，则执行关闭主管调节阀程序，反向调节主管调节阀。

15、进一步地，若识别到水轮机转速大于预设的第一安全转速阈值、或者水轮机工作水头大于预设的安全水头阈值时，则执行打开主管调节阀程序，正向调节主管调节阀的步骤之前包括：

16、当固定液力透平的进口导叶角度后，获取固定扬程时不同流量下循环水泵的转速和功率曲线，并把不同流量下循环水泵的转速与功率曲线的单位换算到和固定扬程时不同流量下水轮机的转速与功率曲线单位一致，将固定扬程时不同流量下循环水泵的转速与功率曲线和固定扬程时不同流量下水轮机的转速与功率曲线绘制于同一张图上，则固定扬程时不同流量下循环水泵的转速与功率曲线和固定扬程时不同流量下水轮机的转速与功率曲线的交点即为循环水泵的运行点。

17、进一步地，若识别到水轮机转速大于预设的第一安全转速阈值、或者水轮机工作水头大于预设的安全水头阈值时，则执行打开主管调节阀程序，正向调节主管调节阀的步骤之前还包括：

18、通过水轮机曲线得出水轮机在固定进口导叶开度和固定工作水头的情况下的功率范围和转速范围；

19、把得出的水轮机的功率标在循环水泵的性能曲线上，通过循环水泵不同转速下的性能曲线图找出循环水泵在相同转速和固定供水压力下的流量变化范围，流量变化范围包括最小流量q2min和最大流量q2max，最大流量q2max与最小流量q2min的差为δq2。

20、本发明所取得的有益效果为：

21、本发明提供一种回水余压能闭环回收循环水单拖动输送系统及控制方法，回水余压能闭环回收循环水单拖动输送系统采用循环水泵、冷却塔、冷却水池、换热器、联轴器、变速器和液力透平，循环水泵、联轴器、变速器和液力透平依序连接，循环水泵的进水端经进水管与冷却水池相连通，循环水泵的出水端经上水管与换热器的进水端相连通，换热器的出水端经回水管与冷却塔相连通，液力透平的进水端经第一连接管与回水管的前管段相连通，液力透平的出水端经第二连接管与回水管的后管段相连通。回水管的前管段和回水管的后管段中间设置主管调节阀。本发明提供的回水余压能闭环回收循环水单拖动输送系统及控制方法，通过液力透平的余压回收，可以在保证循环水系统供水压和回水压不变且流量大幅变化的情况下实现能量回收，节约能源；采用余压控制逻辑，自动化程度高，自动达到最大节能的效果。

22、由于此方案的能源转换过程为用水力透平把水力能转换成机械能(效率85％)，然后此机械能又被直接传递循环泵做功。因此整个系统的转换效率就达到了85％。而且系统结构简单，成本只有水轮机驱动风机方案的75％，水轮机发电方案的50％，节能效益良好。