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基于DCS的高位集水冷卻塔水位維持系統.pdf

摘要
申請專利號:

CN201510291759.4

申請日:

2015.06.01

公開號:

CN104990450A

公開日:

2015.10.21

當前法律狀態:

授權

有效性:

有權

法律詳情: 授權|||實質審查的生效IPC(主分類):F28F 27/00申請日:20150601|||公開
IPC分類號: F28F27/00 主分類號: F28F27/00
申請人: 中國電力工程顧問集團西南電力設計院有限公司
發明人: 曾華; 廖內平; 吳浪洲; 楊卓穎
地址: 610021四川省成都市成華區東風路18號
優先權:
專利代理機構: 成都九鼎天元知識產權代理有限公司51214 代理人: 項霞; 錢成岑
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法律狀態
申請(專利)號:

CN201510291759.4

授權公告號:

||||||

法律狀態公告日:

2016.11.02|||2015.11.18|||2015.10.21

法律狀態類型:

授權|||實質審查的生效|||公開

摘要

本發明提供了一種基于DCS的高位收水冷卻塔水位維持系統,本發明改變以往思路,變被動為主動,預先將維位補水流量、進水閥閥門開度與水泵頻率關系曲線植入DCS控制系統中,在冷卻塔水位變化時,計算得到單位時間內冷卻塔的進水水量與損失水量,DCS控制模塊根據關系曲線數據,對閥門開度信號、變頻信號發送給進水閥、水泵的變頻器進行調節,保證最終的補水量與損耗量一致,即可維持水位正常。

權利要求書

權利要求書
1.  基于DCS的高位收水冷卻塔水位維持系統,包括進水閥、與進水閥連接的水泵,其特征在于,還包括液位信號器、DCS控制模塊;DCS控制模塊與進水閥、水泵、液位信號器通信連接;
所述液位信號器安裝于冷卻塔內,用于采集實際水位,并轉化為液位信號發送給DCS控制模塊;
DCS控制模塊植入有進水閥的閥門開度、水泵頻率、維位補水流量三者關系曲線圖,所述DCS運算模塊用于對液位信號進行處理,計算得到冷卻塔維持恒定水位需要的維位補水流量,通過閥門開度信號、變頻信號對流量控制閥、水泵頻率進行調節;
所述進水閥及水泵分別接收閥門開度信號及變頻信號,并對冷卻塔進水以補充水。

2.  權利要求1所述的基于DCS的高位收水冷卻塔水位維持系統,其特征在于,所述閥門開度、水泵頻率、維位補水流量三者關系曲線具體為:在水泵頻率相同的條件下,改變閥門開度,測量對應的維位補水流量,以閥門開度為橫坐標,以維位補水流量為縱坐標繪制閥門開度與維位補水流量的關系曲線;接著,水泵頻率改變,繪制變化后的頻率下閥門開度與維位補水流量的關系曲線;如此反復,直到確定好不同頻率下的閥門開度與維位補水流量的關系曲線。

3.  如權利要求1所述的基于DCS的高位收水冷卻塔水位維持系統,其特征在于,所述DCS控制模塊的工作方式分為兩種情況,其中,
當實際水位低于正常水位,經進水閥及水泵補水再恢復到正常水位后,DCS控制模塊的工作流程如下:
步驟一:根據液位信號計算得到單位時間內冷卻塔進水量與損耗量相抵后的實際補水流量;
步驟二:計算單位時間內水的維位補水流量,所述維位補水流量等于單位時間內進水流量與實際補水流量的差值;
步驟三:在關系曲線圖中根據維位補水流量查找對應的水泵頻率和閥門開度;
步驟四:將對應的閥門開度信號、變頻信號發送給進水閥、水泵的變頻器進行調節;
當實際水位高于正常水位,減小進水流量一段時間后,DCS控制模塊的工作流程如下;
步驟一:檢測是否恢復到正常水位,如果是,則計算單位時間內水的維位補水流量,所述維位補水流量等于單位時間內進水流量與冷卻塔水位下降流量的和,如果否,則需要進行步驟二;
步驟二:閥門全關,等待恢復到正常水位后,計算單位時間內水的維位補水流量,所述維位補水流量等于在閥門關閉后單位時間內水位下降流量;
步驟三:在關系曲線圖中根據維位補水流量查找對應的水泵頻率和閥門開度;
步驟四:DCS將對應的閥門開度信號、變頻信號發送給進水閥、水泵的變頻器進行調節。

4.  如權利要求3所述的基于DCS的高位收水冷卻塔水位維持系統,其特征在于,DCS控制模塊DCS控制模塊選擇水泵頻率最低的曲線,將對應的閥門開度信號、變頻信號發送給閥門、水泵的變頻器進行調節。

5.  如權利要求3或4所述的基于DCS的高位收水冷卻塔水位維持系統,其特征在于,系統在實際水位低于正常水位時,進水閥閥門全開補水直到恢復正常水位。

6.  如權利要求3或4所述的基于DCS的高位收水冷卻塔水位維持系統,其特征在于,系統在實際水位高于正常水位時,減小水泵頻率以減小進水流量。

說明書

說明書基于DCS的高位集水冷卻塔水位維持系統
技術領域
本發明屬于DCS技術領域,尤其涉及一種基于DCS的高位收水冷卻塔水位維持系統。
背景技術
冷卻塔的損失包括蒸發、風吹和排污,受氣溫和負荷變化影響,蒸發損失隨之在不斷變化,而補水量在一定時間內不變,因此水池水位隨之上升或下降,在傳統的冷卻塔水池水位控制中,多通過按水位簡單調節進水閥開度方式,常規塔水池面積大,水容積大,短時間內補水量的差異對水池水位影響不明顯,水位低于設計水位時也不要求水位迅速上升到設計值,水位存在一定幅度的波動對常規塔系統的運行也沒有根本的影響。此控制水位的方法波動較大,對于常規塔系統對水位控制要求不高的情況是可行的。
但是對于高位收水冷卻塔系統來說,由于高位集水槽的水容積小,水面面積小,水位的變化對于蒸發損失、排污量和補水量的變化極為敏感,采用常規塔粗放型的水位控制方法無法及時調節補水量使之與損失平衡,高位集水槽易出現較大和頻繁的水位變化,易經常出現溢流或長時間持續在低水位運行工況,而保持恒定的高水位運行對節能達到理想效果至關重要,傳統水位控制方法無法達到保持恒定高水位、最大限度地節約能耗的要求。
因此,急需一種能自動、實時對于高位收水冷卻塔進行水位檢測與管理的技術。
發明內容
為解決上述問題,本發明提供了一種基于DCS的基于DCS的高位收水冷卻塔水位維持系統,包括進水閥、與進水閥連接的水泵,還包括液位信號器、DCS控制模塊;DCS控制模塊與進水閥、水泵、液位信號器通信連接;
所述液位信號器安裝于冷卻塔內,用于采集實際水位,并轉化為液位信號發送給DCS控制模塊;
DCS控制模塊植入有進水閥的閥門開度、水泵頻率、維位補水流量三者關系曲線圖,所述DCS運算模塊用于對液位信號進行處理,計算得到冷卻塔維持恒定水位需要的維位補水流量,通過閥門開度信號、變頻信號對流量控制閥、水泵頻率進行調節;
所述進水閥及水泵分別接收閥門開度信號及變頻信號,并對冷卻塔進水以補充水。
進一步的,所述閥門開度、水泵頻率、維位補水流量三者關系曲線具體為:在水泵頻率相同的條件下,改變閥門開度,測量對應的維位補水流量,以閥門開度為橫坐標,以維位補水流量為縱坐標繪制閥門開度與維位補水流量的關系曲線;接著,水泵頻率改變,繪制變化后的頻率下閥門開度與維位補水流量的關系曲線;如此反復,直到確定好不同頻率下的閥門開度與維位補水流量的關系曲線。
進一步的,所述DCS控制模塊的工作方式分為兩種情況,其中,
當實際水位低于正常水位,經進水閥及水泵補水再恢復到正常水位后,DCS控制模塊的工作流程如下:
步驟一:根據液位信號計算得到單位時間內冷卻塔進水量與損耗量相抵后的實際補水流量;
步驟二:計算單位時間內水的維位補水流量,所述維位補水流量等于單位時間內進水流量與實際補水流量的差值;
步驟三:在關系曲線圖中根據維位補水流量查找對應的水泵頻率和閥門開度;
步驟四:將對應的閥門開度信號、變頻信號發送給進水閥、水泵的變頻器進行調節;
當實際水位高于正常水位,減小進水流量一段時間后,DCS控制模塊的工作流程如下;
步驟一:檢測是否恢復到正常水位,如果是,則計算單位時間內水的維位補水流量,所述維位補水流量等于單位時間內進水流量與冷卻塔水位下降流量的和,如果否,則需要進行步驟二;
步驟二:閥門全關,等待恢復到正常水位后,計算單位時間內水的維位補水流量,所述維位補水流量等于在閥門關閉后單位時間內水位下降流量;
步驟三:在關系曲線圖中根據維位補水流量查找對應的水泵頻率和閥門開度;
步驟四:DCS將對應的閥門開度信號、變頻信號發送給進水閥、水泵的變頻器進行調節。
進一步的,DCS控制模塊DCS控制模塊選擇水泵頻率最低的曲線,將對應的閥門開度信號、變頻信號發送給閥門、水泵的變頻器進行調節。
進一步的,系統在實際水位低于正常水位時,進水閥閥門全開補水直到恢復正常水位。
進一步的,系統在實際水位高于正常水位時,減小水泵頻率以減小進水流量。
本發明的有益效果為;
本發明充分利用DC的運算和邏輯控制功能,得到精確的損失水量值。通過邏輯設定,DCS在內置關系曲線點中自動挑選最節能的水泵頻率及閥門開度組合,并輸出控制信號給水泵和閥門,保證補水量與損失水量一致。本發明可有效控制水位變幅,同時實現系統節能的目的。
附圖說明
圖1是關系曲線示意圖。
圖2為水泵變頻特性曲線圖。
圖3是水位下降區間邏輯控制圖。
圖4為水位上升區間邏輯控制圖。
具體實施方式
下面結合具體實施例對發明作進一步的說明。
本發明的設計構思為:傳統的水位控制方法無法保持恒定水位的原因在于無法準確通過儀器測量冷卻塔的損失水量(風吹、蒸發、排污三者),閥門水位調節法屬于被動追趕型的調節方法。本發明改變以往思路,變被動為主動,預先將維位補水流量、進水閥閥門開度與水泵頻率關系曲線植入DCS控制系統中,在冷卻塔水位變化時,計算得到單位時間內冷卻塔的進水水量與損失水量,DCS控制模塊根據關系曲線數據,對閥門開度信號、變頻信號發送給進水閥、水泵的變頻器進行調節,保證最終的補水量與損耗量一致,即可維持水位正常。
下面對本發明的技術方案進行介紹。
本發明所述系統包括進水閥、與進水閥連接的水泵、液位信號器、DCS控制模塊。所述進水閥、水泵、液位信號器均與DCS控制模塊通信連接。
所述液位信號器安裝于冷卻塔內,用于采集液位信號;
DCS控制模塊植入有進水閥門開度、水泵頻率、維位補水流量三者關系曲線圖,所述DCS運算模塊用于對液位信號進行處理,計算得到冷卻塔維持恒定水位需要的維位補水流量,通過閥門開度信號、變頻信號對流量控制閥、水泵頻率進行調節。
所述進水閥、水泵分別接收閥門開度信號、變頻信號,并對冷卻塔進水以補水。
首先,以圖1為例對所述進水閥門開度、水泵頻率、維位補水流量三者關系曲線進行介紹:在水泵頻率相同的條件下,改變閥門開度,測量對應的水流量,以閥門開度為橫坐標,以水流量為縱坐標繪制閥門開度與水流量的關系曲線;接著,水泵頻率改變,繪制變化后的頻率下閥門開度與水流量的關系曲線;如此反復,直到確定好不同頻率下的閥門開度與補水流量的關系曲線。
在本實施例的圖1中,從上至下的三條曲線分別為水泵頻率為100%、95%、90%時的關系曲線。關系曲線通過試驗和水力計算自行繪制,頻率變化梯度可以根據實際選取。
將關系曲線預先植入到DCS控制模塊中是達到本發明目的的關鍵,該方式實現了進水閥閥門開度、水泵頻率、維位補水流量之間關系的直觀展示及聯動控制,解決了現有技術中僅僅只能靠人工憑經驗去控制而造成的困局,實現了準確高效控制水位的目的。
優選的,DCS自動選擇水泵頻率最小、閥門開度最大方案。這是由于閥門的開合耗能遠遠高于水泵頻率調節耗能。
圖2為水泵變頻特性曲線。橫坐標Q表示流量,縱坐標H表示水壓。在供水系統中,當用水量發生變化時,一般要調節水泵工況點使系統水量達到平衡。在未采用調速措施時,當所需流量由Q0減少為Q1,需減少管路上閥門的開度,使泵工作在A0??點,此時(H0??-H1)的水頭將浪費,泵的軸功率為Q1×H0??。當采用調速水泵時,可減低轉速變為n1,水泵工作點將變到A1,軸功率為Q1×H1。從圖中可看出,采用調速泵可減少軸功率Q1×(H0??-H1),這就是水泵調速的節能原理。此外,當閥門調節工況點變化幅度較大時,水泵效率可能下降,甚至最終離開高效段,而變速調節從理論上講水泵各相似工況下對應點的效率基本都是高效區,即在一定范圍內水泵工況點發生變化,水泵效率并不下降。從上述分析可看出,水泵調速運行之所以節能,一是調速可以減少揚程浪費,二是調速后水泵基本都是在高效區范圍運行,能保證在流量變化幅度較大的情況下,水泵仍能有較高的效率。
下面對DCS控制模塊的工作方法進行說明。
DCS控制模塊進行基準水位下、上兩個區域范圍的水位調節,分別為水位下降區間、水位上升區間。圖3和圖4分別為水位下降區間、水位上升區間邏輯控制示例。現分別說明。
如圖3所示,收水槽正常水位為13.7m,水位下降0.1米(0.1米是預設值),閥門全開,單位時間的進水流量為Q全,經過時間Δt后,水位上升至13.7米,由于補水過程中一直在進行水消耗,需要了解到這段時間單位時間內的水損失量。
根據水位上升量0.1及水位上升時間Δt,得到水位上升速率V=0.1/Δt。設冷卻塔水位表面積為S,則單位時間內收水槽進水出水相抵后實際得到的補水量為ΔQ=V*S,進而得到單位時間內水量損失的量Q補水=Q全-ΔQ。Q補水即DCS運算模塊后續需要控制進水閥及水泵實現的維位補水流量。
DCS根據內置曲線,查找Q補水對應的水泵頻率和閥門開度,并優先選擇水泵頻率最低的曲線數據,并將閥門開度信號、變頻信號傳遞給進水閥、水泵的變頻器,使得單位時間內水塔的補水量與損失量一致,以使冷卻塔水位維持在正常水平。
綜上,在水位下降區間,經進水閥及水泵補水再恢復到正常水位后(優選使得閥門全開,使得迅速補水,并且節能),DCS控制模塊工作流程可概括為:
步驟1:根據液位信號計算得到補水期間單位時間內冷卻塔進水流量與水損耗相抵后收水槽的實際補水流量;
  實際補水流量=水位上升量*水位表面積/補水時間。
步驟2:計算單位時間內水的維位補水流量,所述維位補水流量等于單位時間閥門進水流量與冷卻塔實際補水流量的差值;
維位補水流量=進水流量-實際補水流量;
步驟3:在關系曲線圖中查找維位補水流量對應的水泵頻率和閥門開度;
步驟4:將對應的閥門開度信號、變頻信號發送給進水閥、水泵的變頻器進行調節。
DCS控制模塊優選水泵頻率最低的曲線數據,將對應的閥門開度信號、變頻信號發送給閥門、水泵變頻器進行調節。
如圖4所示,收水槽正常水位為13.7m,水位上升0.1米,水泵頻率降到80%進行補水(也可以為其他設定的百分比,根據具體情況選取),此時單位時間內的補水流量為Q80%。觀察時間Δt內水位是否下降至13.7米。
如果是的話,則根據水位下降高度0.1及水位上升時間Δt,得到水位下降速率V=0.1/Δt。設冷卻塔水位表面積為S,則單位時間內的補水差值為ΔQ=V*S,進而得到單位時間內所需補水量為Q補水=Q80%+ΔQ。
如果否的話,則閥門全關,等水位由于損耗下降到13.7米,根據水位下降高度及水位上升時間Δt,得到水位下降速率V。設冷卻塔水位表面積為S,則單位時間內收水槽進水出水相抵后實際得到的補水量為ΔQ=V*S,進而得到單位時間內所需維位補水流量為Q補水=ΔQ。
   DCS根據內置曲線,查找Q補水對應的水泵頻率和閥門開度,并優先選擇頻率最低的曲線數據,然后將閥門開度信號、變頻信號傳遞給進水閥、水泵的變頻器,使得單位時間內補水量與損失量一致,冷卻塔水位維持在正常水平。
綜上,當實際水位高于正常水位,減小進水流量一段時間后(優選減小水泵頻率以減小進水流量,以節約能源),DCS控制模塊的工作流程如下;
步驟1: 檢測是否恢復到正常水位,如果是,則計算單位時間內水的維位補水流量,所述維位補水流量等于單位時間內進水流量與冷卻塔水位下降流量的和,
水位下降流量=水位下降高度*水位表面積/補水時間;
維位補水流量=進水流量+水位下降流量;
如果否,則需要進行步驟二。
步驟2:閥門全關,等待恢復到正常水位后,計算單位時間內水的維位補水流量,所述維位補水流量等于在閥門關閉后單位時間內水位下降流量;
水位下降流量=水位下降高度*水位表面積/補水時間;
維位補水流量=水位下降流量;
步驟3:在關系曲線圖中查找維位補水流量對應的水泵頻率和閥門開度;
步驟4:將對應的閥門開度信號、變頻信號發送給進水閥、水泵的變頻器進行調節。
DCS控制模塊優選水泵頻率最低的曲線數據,將對應的閥門開度信號、變頻信號發送給閥門、水泵變頻器進行調節。
為了更好的實現自動化控制,可以對水位的上升只或者下降值可以進行設定,當水位值為設定值后再進行水位變化值的測量。
本發明的有益效果為;
本發明充分利用DC的運算和邏輯控制功能,得到精確的損失水量值。通過邏輯設定,DCS在內置關系曲線點中自動挑選最節能的水泵頻率及閥門開度組合,并輸出控制信號給水泵和閥門,保證補水量與損失水量一致。本發明可有效控制水位變幅,同時實現系統節能的目的。

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基于 DCS 高位 集水 冷卻塔 水位 維持 系統
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