一种无人值守循环水站云智控节能系统的制作方法

1.本发明涉及节能系统技术领域，尤其涉及一种无人值守循环水站云智控节能系统。


背景技术：

2.当前工业领域的循环水站(也称循环水系统)是用能单位的耗能大户(用电 用水)和用工大户，需要大量专职人员进行管理、维护，人员通常几十到几百人，多的上千人，耗能量也占到了全厂20％以上。而我国目前的循环水系统的工艺及设备相对落后，智能化程度低，基本是人工操作，人员专业程度不高，系统维护不到位，维护费用居高不下。当前疫情防控关键时期，如何提质增效、数字化转型成为用能单位循环水站管理人员急需思考的一项工作。目前市场上能提供的减排技术，基本都局限于机泵系统，智能化也浮于表面，未真正有一项从全流程角度，实现深度智能化的综合技术出现，故一直未实现真正无人值守泵站。
3.现有的循环水站节能改造技术，基本局限在泵房内的水泵及电机上，很少涉及到系统上，基本原理是：通过简单采集机泵系统的运行参数，从市场上直接采购高效节能水泵及高效节能电机，将旧水泵或电机置换为标准出厂的高效节能产品，从而达到节能及提升设备性能的目的，属于设备置换。就国内现状来说，因用能单位缺乏循环水站专业节能人才，同时对机泵系统专业节能知识的缺乏，对节能的认识还停留在设备更新上，对机泵系统之外的设备节能、工艺优化节能、行为节能、云智控节能均缺乏认识，故节能效果一般。此技术虽然有一定的节能效益，设备也得到了更新，机泵系统的性能也有一定提升，但远远未挖掘出机泵系统的节能潜力，同时未涉及到除机泵系统外的其他环节，节能不彻底，节电率一般为8％～10％国内出现了一批循环水泵节能公司，节能基本原理为：通过展专业检测工具，详细测试机泵系统的电流、电压、水量、压力等参数，再根据实测数据量身定制高效节能水泵及高效电机，将旧水泵及电机置换为定制化的高效水泵及高效电机，节电率一般可到10～15％，结合管道、阀门优化后，节电率可到20％(见专利：一种新型高效节能水泵，专利号：zl201821590903.x)。现有技术的共同特点都是局限于水泵房内开展工作，聚焦在机泵系统，未考虑循环水站全流程节能，更未考虑到工艺优化节能、管理规范节能及全流程智能化控制。
4.因此，本技术旨在提供一种能够克服上述缺陷的无人值守循环水站云智控节能系统。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种无人值守循环水站云智控节能系统。
6.本发明的目的通过以下技术方案来实现：一种无人值守循环水站云智控节能系统，配置由末端换热组件、冷却塔和水泵组件共同构成的循环回路，所述末端换热组件和所述水泵组件均通信地耦合至云智控平台，所述云智控平台配置为：s100，基于物料产生的第
一热量q1和第二热量q2，以及加热剂或冷却剂传给设备和所处理物料的第三热量q3确定末端换热组件的换热量q4的第一理论值；s101，基于循环回路的温差范围、物料反应需要末端换热组件所交换热量确定循环回路的实际用水量h；s102，基于实际用水量和管网压差确定水泵组件的工作性能参数。
7.优选的，在所述冷却塔耦合至风机组件的情况下，所述云智控平台还配置为：s103，实时获取实际用水量，基于所述实际用水量生成第一控制命令以对水泵组件的工作状态进行调整，使得水泵组件能够按需提供水量；s104，实时获取末端换热组件的进水口和出水口的水温差数据，在水温差数据不满足控制命令以对风机组件的工作状态进行调整，使得所述水温差数据能要求的情况下，生够满足所述既定要求。
8.优选的，所述第一理论值通过如下方式确定：设定第一理论值计算公式q1 q2 q3＝q4；设定第一热量q1计算公式q1＝∑mc
p
(t2-t1)；设定第二热量q2计算公式q2＝nf(t0,v)；设定第三热量计算公式q3＝
△
h1
△
h2 ∑δh
r，298k
，其中，q1为物料带入到设备所产生的第一热量，q2为加热剂或冷却剂传给设备和所处理物料的热量，q3为物料化学反应产生的第二热量,m为物料质量，cp为物料的平均比热容，t2为环境温度，t1为基准温度，n为物料热反应常数，t0为物料热反应温度，v为物料热反应体积，
△
h1为进反应器物料在等压变温过程中的焓变和有相变时的焓变之和，
△
h2为出反应器物料在等压变温过程中的焓变和有相变时的焓变之和，∑δh
r,298k
为标准状态下所有主、副反应的反应热的总和，ni、n'i为进、出反应器的物料i的质量，c
pi
、c'
pi
为进、出反应器的物料i的等压热容，δhi、δh'i为进、出反应器的物料i的相变热。
9.优选的，所述实际用水量按照如下步骤确定：设定实际用水量h的计算公式其中，δt＝(tr-to)，q为物料反应需要末端换热组件所交换热量，c为循环冷却水的平均比热容，tr为换热器出水温度，to为换热器进水温度，j为设计余量。
10.优选的，确定水泵组件的工作性能参数包括如下步骤：基于第一理论值，确定循环水量；根据水泵房与最远最高末端用水点的压力差，确定水泵所需扬程。
11.优选的，水泵组件的工作状态的调整至少包括如下步骤：基于水泵组件配套的电机的功率及余量要求，确定电机功率；将电机配置为变频控制或恒压控制。
12.优选的，风机组件的工作状态调整包括如下步骤：在实际循环过程中，确定水温差数据的标准值；在实际获取的水温差数据与标准值不一致时生成第二控制命令对风机组的工作状态进行调整；当实际的水温差数据小于标准值时，生成第二控制命令以减小风机组件的排风量，使得实际的水温差数据增大；或者，当实际的水温差数据大于标准值时，生成第二控制命令以增大风机组件的排风量，进而使得实际的水温差数据减小。
13.优选的，所述末端换热组件包括蒸发器、液体补偿器、冷凝器和相变换热管，所述液体补偿器设置于蒸发器中，所述蒸发器和所述冷凝器通过所述相变换热管彼此热耦合。
14.优选的，所述相变换热管包括蒸汽管线和冷凝线，所述蒸汽管线设置于所述蒸发器中，所述冷凝线设置于所述冷凝器中。
15.优选的，所述蒸汽光纤和所述冷凝线均包括沟槽管、毛细吸液芯和翅片，所述毛细吸液芯设置于所述沟槽管中，所述翅片设置于所述沟槽管外壁上。
16.本发明具有以下优点：
17.(1)本发明提出了反向控制云智控技术，利用循环水站反向控制逻辑，实时换热量计算、实时能效数据采集、大数据分析计算，实现实时节能量测定、运行参数自我修正、故障预警等功能，根据反向计算结果，定制高效智能设备，使水泵始终处于最高效区间运行，达到最省功状态，达到真正无人值守目的，节省了大量人资资源。反向控制云智控节能技术与传统调速节能技术区别在于：传统调速控制均从机泵系统开始，很少涉及工艺及换热方面，其控制信号来源不是根据工艺生产真实所需水量信号，而是目前的经验值，这就会存在水量供应不精准，浪费能源；传统智能控制方式是直接在电机上配套变频器，在变频器内设置好模拟信号参数，进行调速控制，在一定程度上达到调速控制及节能的目的，但是不彻底，方式较落后，而且变频器本身耗电，且故障率较高，更重要的是工艺生产变化时，调速不及时，仍未达到无人值守及智能化的目的。本专利的智能化控制方面创新点：采用反向控制方式，从末端工艺出发，通过末端工艺分析，实时计算真实换热量及供水量，通过自主研发的诊断分析模块(云智控平台)，精准控制供水量、整个系统均为实时数据，末端工艺变，则供水端的供水量也及时反馈，时刻保持末端水量的精准供应。
18.(2)本专利解决了恒工况下，机泵系统变频调试基本无效果的弊端，变工况下，机泵系统变频调速装置节能不彻底的弊端，变频装置自身还需耗电及增加故障点；本专利无需变频调速装置，从末端换热装置入手，实时计算换热量，不同环境温度下，反向推算出循环水量，进而控制水泵及电机输出端的输出水量，反向设计高效节能水泵，使水泵始终处于最高效区间运行，达到最省功状态，所以不论是恒工况还是变工况，本专利均可实现真正的调速功能。
19.(3)本专利解决了现有节能技术的节能率不高的弊端，现有节能技术均是局部节能，均是设备置换与部分控制，未涉及到工艺优化、设备及工艺管理、全流程智能化控制；本专利实时数据计算、采集、传输、诊断与大数据分析，运行参数自动最优组合，确保水泵时刻处于高效区运行、确保换热器时刻保持高效换热，节能彻底，整体节能率30％～60％。
附图说明
20.图1为本发明的无人值守循环水站云智控节能系统的模块化结构示意图；
21.图2为末端换热组件的结构示意图；
22.图3为相变换热管的结构示意图。
23.图中，1-云智控平台、2-末端换热组件、3-水泵组件、4-冷却塔、5-风机组件、2a-蒸发器、2b-液体补偿器、2c-冷凝器、2d-相变换热管、2d-1-蒸汽管线、2d-2-冷凝线、7-沟槽管、8-毛细吸液芯、9-翅片。
具体实施方式
24.下面结合附图对本发明做进一步的描述，本发明的保护范围不局限于以下所述：
25.实施例1
26.如图1至图3所示，本技术提供一种工业循环水站云智控节能系统，至少包括云智控平台1、末端换热组件2、水泵组件3、冷却塔4和风机组件5。云智控平台1通信地耦合至末端换热组件2和水泵组件3。云智控平台1能够根据末端换热组件2的实时换热量和换热效率确定控制策略。水泵组件3能够根据循环水量调整其自身工作状态以改变循环水量，例如，
可以通过调整电机的功率、转速、阀门的开口大小等方式实现循环水量的调节。水泵组件3的下游与末端换热组件2连通。末端换热组件2的下游与冷却塔4连通。冷却塔4的下游与水泵组件3连通。即，末端换热组件2、水泵组件3和冷却塔4能够形成封闭的循环回路。水泵组件3能够为流体的循环流动提供驱动力。低温流体通过水泵组件3的驱动流动至末端换热组件2后，能够与末端换热组件2进行热交换，形成高温流体。高温流体循环流动至冷却塔4后，高温流体在冷却塔中进行降温冷却以生量水蒸气。冷却塔4能够与风机组件5耦合，进而产生的水蒸气能够进入风机组件中以推动风机组件5工作。
27.优选的，云智控平台1配置为按照如下方式确定控制策略：
28.s100，基于物料产生的第一热量q1和第二热量q2，以及加热剂或冷却剂传给设备和所处理物料的第三热量q3确定末端换热组件2的换热量q4的第一理论值。
29.优选的，末端换热组件2的换热量q4的第一理论值计算公式为：
30.q1 q2 q3＝q4 q5 q6
31.式中，q1——物料带入到设备所产生的第一热量,kj；
32.q2——加热剂或冷却剂传给设备和所处理物料的热量,kj；
33.q3——物料化学反应产生的焓变值(第二热量),kj；
34.q4——物料离开换热装置所消耗的热量(末端换热组件2的换热量)，kj
35.q5——加热或冷却设备所消耗的热量(可忽略)，kj
36.q6——设备向环境散失的热量(可忽略)，kj
37.优选的，第一热量q1通过计算公式q1＝∑mc
p
(t2-t1)获得，其中，m——物料质量，kg；cp——物料的平均比热容，kj/(kg
·
℃)；t2——环境温度，℃；t1——基准温度，℃。
38.优选的，第二热量q2通过计算公式q2＝nf(t0,v)获得，其中，n——物料热反应常数；t0——物料热反应温度，℃；v——物料热反应体积，cm3。
39.优选的，第三热量q3通过计算公式q3＝
△
h1
△
h2 ∑δh
r，298k
获得，其中，
[0040][0041][0042]
△
h1——进反应器物料在等压变温过程中的焓变和有相变时的焓变之和，kj；
[0043]
△
h2——出反应器物料在等压变温过程中的焓变和有相变时的焓变之和，kj；
[0044]
∑δh
r,298k
——标准状态下所有主、副反应的反应热的总和，kj；
[0045]
ni、n'i——进、出反应器的物料i的质量，kmol/h；
[0046]cpi
、c'
pi
——进、出反应器的物料i的等压热容，kj/mol；
[0047]
δhi、δh'i——进、出反应器的物料i的相变热，kj/mol。
[0048]
优选的，基于计算公式q4＝∑ak(tr-to)获取换热量q4的第一理论值，其中，a——末端用水装置换热板换热面积，m2；k——末端用水装置换热板导热系数，w/m2℃；tr——换热器出水温度，℃；to——换热器进水温度，℃。在第一理论值和第二理论值的偏差量大于设定阈值的情况下，基于第二理论值对第一理论值进行修正。例如，当第一理论值和第二理论值的偏差量大于10％时，可以将第一理论值和第二理论值取平均值来达到修正第一理论值的目的。
[0049]
s101，基于循环回路的温差范围、物料反应需要末端换热组件所交换热量确定循
环回路的实际用水量h。
[0050]
实际用水量h通过如下公式获取：
[0051]
式中，q——物料反应需要末端换热组件所交换热量，kj；c——循环冷却水的平均比热容，kj/(kg
·
℃)；
△
t——循环冷却水温差，℃；tr——换热器出水温度，℃；to——换热器进水温度，℃；j——设计余量，一般为5％～10％。
[0052]
s102，基于实际用水量h和管网压差确定水泵组件3的工作性能参数。
[0053]
优选的，水泵组件3的工作性能参数的确定包括如下步骤：(1)通过末端热负荷计算，确定循环水量
→
(2)根据水泵房与最远最高末端用水点的压力差(相当于海拔差值)，确定水泵所需扬程
→
(3)根据已确定的水泵流量和扬程值，结合生产厂家的水泵型谱图，设计水泵模具
→
(4)根据用户现场水质情况，决定水泵泵壳及叶轮的材质
→
(5)仿真计算，设计水泵结构、叶轮结构
→
(6)铸造水泵泵壳及叶轮等铸件
→
(7)加工制造、组装
→
(8)平衡测试、性能测试
→
(9)改装水泵(型腔湍流微调、加涂层材料、叶轮外表处理、远程控制数据采集传感器集成、控制器配套)
→
(10)模拟现场用水情况，在工厂内性能测试，达到设计要求(效率、振动、数据采集、数据分析功能等)
→
(11)出厂。
[0054]
s103，实时获取实际用水量，基于实际用水量生成第一控制命令以对水泵组件3的工作状态进行调整，使得水泵组件5能够按需提供水量，实时供水，并保持最佳能耗状态。
[0055]
优选的，水泵组件5的工作状态的调整可以通过与水泵组件配套的电机的功率调整实现，具体包括如下步骤：(1)根据水泵配套功率及余量设计，确定电机功率
→
(2)根据现场安装情况、使用情况、工艺变化情况、水量波动情况，决定是变频控制还是恒压控制，决定电机外形尺寸及结构设计
→
(3)生产厂家根据要求设计电机结构及外形
→
(4)生产制造、性能测试
→
(5)安装在线监测系统
→
(6)与水泵一起上测试平台，模拟现场真实用水情况，再次测试、微调
→
(7)如达到设计要求，则出厂，如未达到设计要求，则水泵与电机性能再次微调，再次测试，直至完全达到设计要求，方可出厂。
[0056]
s104，实时获取末端换热组件2的进水口和出水口的水温差数据，在水温差数据不满足既定要求的情况下，生成第二控制命令以对风机组件5的工作状态进行调整，使得水温差数据能够满足既定要求。
[0057]
具体的，在实际循环过程中，确定水温差数据的标准值。在实际获取的水温差数据与标准值不一致时则生成第二控制命令对风机组5的工作状态进行调整。当实际的水温差数据小于标准值时，生成第二控制命令以减小风机组件5的排风量，进而使得实际的水温差数据增大。或者，当实际的水温差数据大于标准值时，生成第二控制命令以增大风机组件5的排风量，进而使得实际的水温差数据减小。
[0058]
优选的，风机组件5能够进行定制以满足实际工况需求，定制过程包括：(1)根据冷却塔进出水温差要求、环境温度，计算温降所需散热风量
→
(2)确定风机规格型号及配套功率(标准化产品，生产厂家可完成选型)
→
(3)根据现场安装情况、使用情况、决定是变频控制还是恒压控制，决定风机及配套电机外形尺寸及结构设计
→
(4)生产厂家根据要求设计
→
(5)生产制造、性能测试
→
(6)安装在线监测系统
→
(7)风机、电机一起上测试平台，测试风量、控制、及稳定性
→
(7)，如达到设计要求，则出厂，如未达到设计要求，则再次微调，再
次测试，直至完全达到设计要求，方可出厂。
[0059]
实施例2
[0060]
优选的，工业循环水站云智控节能系统还包括通信地耦合至云智控平台1的数据采组件。数据采集组件至少包括智能水表和智能电表。智能水表用于实时采集循环回路的流量和压力值。智能电表用于实时采集各用电器件的功率、耗电量、电流、电压等数据。例如，水泵组件3的出口端、末端换热组件2的进口端、末端换热组件2与冷却塔4之间的通路上均可以设置有智能水表。水泵组件3、冷却塔4和风机组件5均可以配置有智能电表以分别对其功率、耗电量、电流、电压等数据进行采集。
[0061]
优选的，数据采集组件还能够通过光纤传导器件对管道、阀门等进行流量、压力、流速、阻力等数据的采集。具体的，光纤传导器件包括光纤、地面解析装置、控制显示器，光纤连接至地面解析装置，地面解析装置含有发射器、接收器和解析盒。地面解析装置连接至控制显示器。光纤的安装方式包括两种，一种为可回收式，即水管外安装，利用过接箍保护卡固定，地面解析装置安装在循环水站主控室，与控制显示器实现通讯。另一种为永久式，即内置水管安装，地面解析装置安装在循环水站主控室，与控制显示器实现通讯。
[0062]
光纤传导器件的工作原理为：整根光纤本身就是传感器，不同于传统的仪器探头，光纤作为发射和反射光的载体，其物理属性比如温度、压力或形变能够暂时改变反向散射光的属性。通过地面解析装置向光纤发送一个大功率窄脉宽激光脉冲，产生微弱的反向散射光。分析反向散射光的衰减情况就可以精确地测量出光纤的温度、压力或形变等物理属性。从而能够长时间、实时稳定地收集和解析全光纤长度上数以万计的点的温度、应力和声波的数据。光纤传导器件采集的数据包括循环水流量、温度、压力等数据，能够用于能效诊断分析、管道阻力计算等。
[0063]
优选的，工业循环水站云智控节能系统还包括故障采集组件7。故障采集组件7够基于热成像技术对水泵机组、冷却塔4、风机组件5等的热成像数据进行采集。热成像数据能够传输至云智控平台1进行分析处理以判断工业循环水站云智控节能系统是否存在故障。具体的，热成像技术工作原理：设备故障具有偶发性、隐蔽性、延迟性、同时多发性等特征，在工厂的日常设备管理中无法排查到，本发明利用影像排查工具结合增强三维系统及大数据系统，进行设备故障隐患管理，探测出电机等运行设备的故障源及浪费源，在解决能效问题的同时，解决设备故障隐患问题，消除一般情况下人为排查不到的故障隐患，如机械安装问题、电气问题、管道泄露问题、仪表、控制系统及设备损耗问题等，从而提高设备可靠性、稳定性问题以及产品质量，同时代替人为故障排查，从而提高职工的人身安全及生产安全。热成像技术所采用的器件包括：微振动影像检测仪表、红外热成像检测仪表(高帧率)、噪音泄露点成像检测仪表、紫外成像检测仪表、超声成像检测仪、控制器等。控制器可以为分析中心、隐患档案中心，微振动影像检测仪表、红外热成像检测仪表(高帧率)、噪音泄露点成像检测仪表、紫外成像检测仪表、超声成像检测仪等检测仪表采集的数据能够传输至控制器中进行分析处理。
[0064]
优选的，末端换热组件2包括蒸发器2a、液体补偿器2b、冷凝器2c和相变换热管2d。液体补偿器设置于蒸发器中，蒸发器和冷凝器之间通过相变换热管进行热耦合。相变换热管是一种高效的两相传热装置，其利用蒸发器内的毛细芯产生的毛细力驱动回路运行，利用工质的蒸发和冷凝来传递热量，因此能够在小温差、长距离的情况下传递大量的热量。相
变换热管的热源是蒸发器，其内部装有高性能的毛细芯，与之相连的液体补偿器处在液体回流管路上，与蒸发器成为一体，内部通过副芯与蒸发器相连接；冷源为冷凝器；热源与冷源之间由相变换热管连接。相变换热管包括蒸汽管线和冷凝线，蒸汽管线设置于蒸发器中，冷凝线设置于冷凝器中。
[0065]
优选的，相变换热管2d包括蒸汽管线2d-1和冷凝线2d-2。蒸汽管线2d-1和冷凝线2d-2均包括沟槽管7、毛细吸液芯8和翅片9。毛细吸液芯8设置于沟槽管7中，翅片9设置于沟槽管7外壁上。
[0066]
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。