一种循环冷却水系统集成控制优化的方法技术方案

本发明专利技术公开了一种循环冷却水系统集成控制优化的方法，包括：构建循环水冷系统；构建湿球温度的计算模型；构建循环水单元设备能效分析模型；构建加药单元水质分析控制模型；构建补排水单元节水控制模型；应用控制模型实现系统集成控制优化。上述技术方案结合系统外部影响因子，将循环水系统的所有组成单元及设备、监测计量仪表综合考虑，结合先进准确的控制模型和软件，进行运行管理和控制优化，帮助企业进行循环冷却水系统的全面整体、精细化的优化控制，使循环冷却水系统达到高效、节能、安全稳定的运行效果，提高企业对循环冷却水系统整体集成控制优化和节能减排的需求，助力企业生产、进步和可持续发展。进步和可持续发展。进步和可持续发展。

【技术实现步骤摘要】
一种循环冷却水系统集成控制优化的方法


[0001]本专利技术涉及发电厂冷却水系统
，尤其涉及一种循环冷却水系统集成控制优化的方法。

技术介绍

[0002]在流程工业企业中，循环冷却水系统作为重要的公用辅助系统，为工业生产的换热、冷凝、冷冻冷藏等工艺需求提供了重要保障。然而，由于主工艺设计初期的设计余量大、主工艺生产的负荷波动、气候季节变化等现实情况，致使循环冷却水系统在大部分情况下均处于低负荷、低效率运行状态。
[0003]据调研，全球工业循环冷却水占全球用水总量的14％左右。在我国，循环冷却水用水量已占工业用水总量的70％。2020年，根据国家数据局统计数据，全国工业用水总量为1030.4亿立方米，工业循环冷却水用量约有721.3亿立方米，其中，仅石油化工行业工业循环水用量占50亿立方米。如此巨大的水量需求，配套大量大功率水泵机组，直接关系着工业企业的资源能源消耗。根据文献调研，我国工业循环冷却水系统效率比先进国家低约20％，能耗偏高20％～40％。国家工信部公布数据显示，2018年，全国工业循环冷却水耗电量约5100亿千瓦时，其中80％以上的系统具备15％的节电潜力，50％以上的系统具备25％以上的节电潜力。预计2022年我国循环冷却水系统年节电效益在700亿千瓦时以上。
[0004]循环冷却水可提供企业生产运营必要的换热需求(如换热设备、冷凝器、制冷空调等)。通常，流程工业企业更侧重对主要生产工艺和装置进行全面、精细化的管理和控制，而对公用辅助系统，如循环冷却水系统的全面精细管控较为欠缺。由于循环冷却水系统水量普遍较大(通常几千至十几万立方米每小时)，其水泵和冷却塔风机功率也较大(通常几十至几百千瓦时每台)。因此，局部性、粗放式的运行管理造成的水资源、电能浪费等问题十分严重。
[0005]如此低效率、高能耗的系统现状，究其原因主要有2个方面。一方面是设备运行冗余量过大，系统整体衔接性不强；另一方面是运行管理过程中自控系统不智能，人工操作繁琐复杂。
[0006]中国专利文献CN105841408B公开了一种“闭式循环冷却水节能驱动系统及方法”。包括闭式水箱，与闭式水箱连通的闭式循环冷却水回路；闭式循环冷却水回路包括与闭式水箱连通的供水母管，依次连接设置于供水母管上的闭式冷却水泵组件、闭式水热交换器及多个并列的冷却设备管路，以及连通每个冷却设备管路和闭式冷却水泵组件的回水母管；闭式冷却水泵组件包括设置于供水母管上的闭式循环冷却水泵，以及驱动闭式循环冷却水泵的双速电机，闭式循环冷却水泵的入口与回水母管连通、闭式循环冷却水泵的出口与闭式水热交换器连通。上述技术方案仅就循环水泵和阀门进行了优化控制和设计，缺少统一管控。

技术实现思路

[0007]本专利技术主要解决原有的技术方案仅就循环水泵和阀门进行了优化控制和设计，缺少统一管控的技术问题，提供一种循环冷却水系统集成控制优化的方法，结合系统外部影响因子，将循环水系统的所有组成单元及设备、监测计量仪表综合考虑，结合先进准确的控制模型和软件，进行运行管理和控制优化，帮助企业进行循环冷却水系统的全面整体、精细化的优化控制，使循环冷却水系统达到高效、节能、安全稳定的运行效果，提高企业对循环冷却水系统整体集成控制优化和节能减排的需求，助力企业生产、进步和可持续发展。
[0008]本专利技术的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：本专利技术包括：
[0009]S1构建循环水冷系统；
[0010]S2构建湿球温度的计算模型；
[0011]S3构建循环水单元设备能效分析模型；
[0012]S4构建加药单元水质分析控制模型；
[0013]S5构建补排水单元节水控制模型；
[0014]S6应用控制模型实现系统集成控制优化。
[0015]作为优选，所述的步骤S1中循环冷却水系统包括循环水单元、加药单元和补排水单元，所述循环水单元包括冷却塔及塔顶风机，进塔水温监测仪T2，冷却水池，冷却水池水质检测仪表组B，出塔水温监测仪T1，循环水泵机组，循环水泵出口电动调节阀M，循环水泵出水流量计Q3，换热设备，环境大气温度、相对湿度和气压检测仪TH；所述加药单元包括杀菌剂加药设备及泵，阻垢缓蚀剂加药设备及泵，加酸设备及泵，冷却水池水质检测仪表组B；所述补排水单元包括补水泵，补水流量计Q1，补水电导率仪A1，冷却水池水质检测仪表组B，排污泵，排污水流量计Q2和排污水电导率仪A2。
[0016]作为优选，所述的步骤S2构建湿球温度的计算模型具体包括t摄氏度下的饱和水蒸气压P〞的计算公式和二分法计算湿球温度τ的判断函数F(R
H
，P，T，τ)如下：
[0017][0018][0019]其中，P
″
：饱和水蒸气压力，kPa；t：干球温度,℃；F(R
H
，P，T，τ)：二分法判断函数；R
H
：相对湿度，％；P：大气压力，kPa；T：现场实际干球温度，℃；τ：需求解的湿球温度，℃；
[0020]求解湿球温度τ的过程简化为求解F(R
H
，P，T，τ)＝0的过程，而根据监测仪表TH得到T、R
H
和P数据，即二分法求解τ的步骤为：
[0021]S2.1取湿球温度区间[a0,b0]，其中a0＝T
‑
30，b0＝T；
[0022]S2.2取区间[a0,b0]的中点X0＝(a0+b0)/2，计算判断函数F在τ＝X0时的函数值F(X0)与0的关系，
[0023]S2.3若F(X0)＝0，即X0为该环境条件下的湿球温度；若F(X0)＜0，即有根区间为[X0,b0],赋值a1＝X0，b1＝b0，新有根区间即为[a1,b1]；若F(X0)＞0，即有根区间为[X0,b0],赋值a1＝a0，b1＝X0，新有根区间即为[a1,b1]；
[0024]S2.4再取区间[a1,b1]的中点X1＝(a1+b1)/2，计算判断函数F在τ＝X1时的函数值F
(X1)与0的关系；
[0025]S2.5如此循环，设定在b
n
‑
a
n
＜0.01时，输出结果τ＝(a
n
+b
n
)/2，即为当前环境条件下的湿球温度，精度为0.01℃。
[0026]作为优选，所述的步骤S3构建循环水单元设备能效分析模型包括构建设备能耗模型，构建冷却塔风机模型和进行模型约束。
[0027]作为优选，所述的构建设备能耗模型目的在保证循环水供应量与换热需求的情况下，使整个循环水单元的综合能耗最小，达到节能的目的，目标函数如下：
[0028][0029]其中，P
t
：循环水系统功率，kw；P
f,i
：冷却塔风机功率，kw；P
p,i
：循环水泵功率，kw；
[0030]各设备功率基于数据驱动模型进行计算，根据设备的历史运行数据，通过最小二乘法等数据拟合方法，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种循环冷却水系统集成控制优化的方法，其特征在于，包括：S1构建循环水冷系统；S2构建湿球温度的计算模型；S3构建循环水单元设备能效分析模型；S4构建加药单元水质分析控制模型；S5构建补排水单元节水控制模型；S6应用控制模型实现系统集成控制优化。2.根据权利要求1所述的一种循环冷却水系统集成控制优化的方法，其特征在于，所述步骤S1中循环冷却水系统包括循环水单元、加药单元和补排水单元，所述循环水单元包括冷却塔及塔顶风机，进塔水温监测仪T2，冷却水池，冷却水池水质检测仪表组B，出塔水温监测仪T1，循环水泵机组，循环水泵出口电动调节阀M，循环水泵出水流量计Q3，换热设备，环境大气温度、相对湿度和气压检测仪TH；所述加药单元包括杀菌剂加药设备及泵，阻垢缓蚀剂加药设备及泵，加酸设备及泵，冷却水池水质检测仪表组B；所述补排水单元包括补水泵，补水流量计Q1，补水电导率仪A1，冷却水池水质检测仪表组B，排污泵，排污水流量计Q2和排污水电导率仪A2。3.根据权利要求1所述的一种循环冷却水系统集成控制优化的方法，其特征在于，所述步骤S2构建湿球温度的计算模型具体包括t摄氏度下的饱和水蒸气压P〞的计算公式和二分法计算湿球温度τ的判断函数F(R
H
，P，T，τ)如下：，P，T，τ)如下：其中，P
″
：饱和水蒸气压力，kPa；t：干球温度,℃；F(R
H
，P，T，τ)：二分法判断函数；R
H
：相对湿度，％；P：大气压力，kPa；T：现场实际干球温度，℃；τ：需求解的湿球温度，℃；求解湿球温度τ的过程简化为求解F(R
H
，P，T，τ)＝0的过程，而根据监测仪表TH得到T、R
H
和P数据，即二分法求解τ的步骤为：S2.1取湿球温度区间[a0,b0]，其中a0＝T
‑
30，b0＝T；S2.2取区间[a0,b0]的中点X0＝(a0+b0)/2，计算判断函数F在τ＝X0时的函数值F(X0)与0的关系，S2.3若F(X0)＝0，即X0为该环境条件下的湿球温度；若F(X0)＜0，即有根区间为[X0,b0],赋值a1＝X0，b1＝b0，新有根区间即为[a1,b1]；若F(X0)＞0，即有根区间为[X0,b0],赋值a1＝a0，b1＝X0，新有根区间即为[a1,b1]；S2.4再取区间[a1,b1]的中点X1＝(a1+b1)/2，计算判断函数F在τ＝X1时的函数值F(X1)与0的关系；S2.5如此循环，设定在b
n
‑
a
n
＜0.01时，输出结果τ＝(a
n
+b
n
)/2，即为当前环境条件下的湿球温度，精度为0.01℃。4.根据权利要求1所述的一种循环冷却水系统集成控制优化的方法，其特征在于，所述步骤S3构建循环水单元设备能效分析模型包括构建设备能耗模型，构建冷却塔风机模型和
进行模型约束。5.根据权利要求4所述的一种循环冷却水系统集成控制优化的方法，其特征在于，所述构建设备能耗模型目的在保证循环水供应量与换热需求的情况下，使整个循环水单元的综合能耗最小，达到节能的目的，目标函数如下：其中，P
t
：循环水系统功率，kw；P
f,i
：冷却塔风机功率，kw；P
p,i
：循环水泵功率，kw；各设备功率基于数据驱动模型进行计算，根据设备的历史运行数据，通过最小二乘法等数据拟合方法，分别建立冷却塔风机、循环水泵的流量与电耗的关联模型：P
n
＝L
n
*a
n
+b
n
，式中P
n
、L
n
分别表示各设备的电耗、流量，a
n
、b
n
为模型的拟合系数；首先构建误差平方和函数：P
j
＝L
i
*a
i
+b
i
两方程合并得：其中，设备电耗模型误差平方和；P
i
：设备实际功率，kW；L
i
：设备实际流量，m3/h；a
i
：设备电耗模型拟合系数a；b
i
：设备电耗模型拟合系数b；P
j
：设备计算功率，kW；将合并后的函数方程分别对a
i
、b
i
求偏导数，令其等于0，获得P
j
最小为“优化判据”的模型拟合系数；借助风机的实时运行数据进行模型的更新与校正，冷却塔风机、循环水泵的电耗模型P
f,i
、P
p,i
如下所示：如下所示：a
f,i
：风机电耗模型拟合系数a；风机风量，m3/h；b
f,i
：风机电耗模型拟合系数b；a
p,i
：循环水泵电耗模型拟合系数a；循环水流量，m3/h；b
p,i
：循环水泵电耗模型拟合系数b。6.根据权利要求4所述的一种循环冷却水系统集成控制优化的方法，其特征在于，所述构建冷却塔风机模型具体包括，根据湿球温度计算模型确定湿球温度τ(℃)后，再由下式确定热量系数k：k＝1
‑
4.187*(τ+3)/2460根据大气温度t(℃)、大气湿度R
H
(％)、热量系数k、循环水进出塔温差Δ(℃)，确定冷却塔进出口空气的焓H
i
(kJ/kg)、H
o
(kJ/kg)：H
i
＝f(t,R
H
)H
o
＝H
i
+4.187*Δ/k根据温度t℃时的冷却水总流量L
t
(m3/h)、循环水进出塔温差Δ(℃)，确定所需冷量Q
(冷吨)：根据需冷量Q(冷吨)、进出口空气的焓H
i
、H
o
，确定所需风量V(m3/h)：7.根据权利要求4所述的一种循环冷却水系统集成控制优化的方法，其特征在于，所述模型约束具体包括，物料平衡约束冷却塔的进出口风量分别为F
a,in
、F
a,out
，单位是m3/h，则对于冷却塔风机机组有风量约束条件：∑(F
a,in
‑
F
a,out
)＝0循环水泵的进出口水量分别为F
w,in
、F
w,out
，单位是m3/h，则对于循环水泵机组有水量约束条件：∑(F
w,in
‑
F
w,out
)＝0；能量平衡约束循环水泵的进出口水量分别为F
w,in
、F
w,out
，单位是m3/h，循环水泵的进出水焓值分别为H
w,in
、H
w,out
，单位是kJ/kg。W
w
表示对外做功，Q
w
表示能量损失，单...

【专利技术属性】
技术研发人员：张悍，吴玉成，李达，何中炜，
申请(专利权)人：浙江中控技术股份有限公司，
类型：发明
国别省市：