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一种冷却水换热系统优化控制系统及方法与流程

  • 国知局
  • 2024-12-06 12:52:08
  • 66

本发明涉及冷却水换热系统领域,具体为用于一种冷却水换热系统优化控制系统及方法。

背景技术:

1、工业园区的工业生产活动中,需要为部分工艺流程或工业设施提供制冷,工业换热系统是一类用于将热量从一个介质传递到另一个介质的系统,广泛应用于各种工业领域,如发电、化工、冶金、制冷和暖通空调等。其核心目的是回收热量、提高能效,或控制设备和工艺温度,以保障生产的稳定性和设备的安全性。工业换热系统在优化能源利用、降低运营成本和减少碳排放方面扮演着关键角色,是现代工业生产的重要组成部分。

2、由于水良好的传热性能、资源的可获得性、适应性强和良好的经济性,因此水资源在工业中被普遍采用。用水作为热量传导媒介的冷却水换热系统也因技术成熟度高、运行可靠、部署成本低、易于操作和维护、设备兼容性好以及良好的环保性和长期经济性,成为各类工业场景中的主流选择。现有冷却水换热系统运行过程中对于冷却水的制冷方式多为水冷,若仅采用水冷对冷却水进行降温,则当外界环境较低时无法合理利用外界的低温环境来对冷却水进行降温,无法有效适应环境温度变化,造成对接入能源的浪费,这些问题在高能耗和严控成本的现代工业环境中亟待解决。

3、因此,我们需要一种冷却水换热系统优化控制系统及方法。

技术实现思路

1、本发明的目的在于满足提高冷却水换热刚才对于外界环境温度变化的适应性以及降低能源消耗的需求。

2、一方面,本发明一个实施例提供了一种冷却水换热系统优化控制系统,包括水冷机组、风冷机组、供冷泵、换热器、回流泵、冷却塔、制冷泵、管道组件、plc控制器、冷却水换热云端优化系统;

3、所述水冷机组与所述风冷机组通过管道组件并联于制冷泵出水口与供冷泵进水口之间,所述供冷泵出水口一侧通过管道组件连接于换热器,所述换热器另一侧通过管道组件连接于回流泵进水口,所述回流泵出水口通过管道组件连接于冷却塔进水口,所述冷却塔出水口通过管道组件连接于制冷泵进水口;

4、所述冷却塔的风机、供冷泵、回流泵、制冷泵、水冷机组、风冷机组均配置有独立变频器;

5、所述管道组件中部署有传感器网络,所述传感器网络包含温度传感器、流量计、压差传感器;

6、所述水冷机组、风冷机组、供冷泵、回流泵、冷却塔、制冷泵均部署有能耗计量装置;

7、所述水冷机组与所述风冷机组并联处的管道组件还设有供流阀,能够控制经所述冷却塔吸收热量后的冷却水流向风冷机组与水冷机组的流量大小;

8、所述水冷机组、风冷机组、供冷泵、换热器、回流泵、冷却塔、制冷泵、传感器网络、供流阀均通过工业网络连接于plc控制器,所述plc控制器还连接于冷却水换热云端优化系统,所述冷却水换热云端优化系统部署有风冷机组与水冷机组并联最佳能效点计算模型;

9、所述换热器设置于工艺流程中需要降温冷却的设备外侧,吸收了热量的冷却水经回流泵作用回流至冷却塔,所述冷却塔将热水通过喷淋暴露在空气中,使水蒸发并释放热量,经冷却塔释放热量后的冷却水在制冷泵的作用下进入风冷机组与水冷机组并联系统中,实现进一步降温,经风冷机组与水冷机组并联系统制冷的冷却水在供冷泵的作用下,经管道组件运送至换热器,为工艺流程中需要降温冷却的设备进行降温处理;

10、所述冷却水换热云端优化系统部署的风冷机组与水冷机组并联最佳能效点计算模型能够根据外界温度和制冷功耗需求计算出最佳水冷机组和风冷机组的负荷分配以及冷却水换热系统的最小总能耗,所述plc控制器根据风冷机组与水冷机组并联最佳能效点计算模型的输出结果对水冷机组与风冷机组并联系统、供冷泵、回流泵、冷却塔、制冷泵、供流阀进行动态调节;

11、所述冷却水换热云端优化系统上部署的风冷机组与水冷机组并联最佳能效点计算模型包含有能耗计算模型和最小总能耗目标优化模型。

12、优选的,所述plc控制器根据风冷机组与水冷机组并联最佳能效点计算模型的输出结果对水冷机组与风冷机组并联系统进行启停和负荷分配控制:如果环境温度低于风冷机组与水冷机组并联最佳能效点计算模型计算出的门槛温度,plc控制器优先启用风冷机组;如果负荷超过风冷机组的制冷负荷能力,则启用水冷机组;plc根据环境温度、负荷需求动态调节风冷机组风扇转速、水冷机组压缩机功率。

13、优选的,所述plc控制器根据风冷机组与水冷机组并联最佳能效点计算模型的输出结果的负荷需求以及流量计和压力传感器的实时反馈值对回流泵、制冷泵、制冷泵的转速进行动态调节,确保在低负荷时减少能耗。

14、优选的,所述plc控制器根据风冷机组与水冷机组并联最佳能效点计算模型的输出结果的负荷需求以及温度传感器的实时反馈值对冷却塔风机转速、冷却塔水泵转速进行动态调节,确保在低负荷时减少能耗。

15、优选的,所述冷却塔中部署有余热回收模块,用于吸收流进冷却塔的回流冷却水中的废热并储存,存蓄的废热供给至办公采暖、工业用水预热或热泵系统。

16、优选的,所述冷却水换热云端优化系统中包含预测性维护模块,所述预测性维护模块分析能耗数据和设备运行状态,识别出水冷机组、风冷机组、回流泵、制冷泵、制冷泵等设备的异常变化趋势,提前发出维护提醒,减少非计划停机时间。

17、优选的,所述行车信息处理模块对经所述行车中间数据的处理方式包括基础特征提取、数据聚合统计、匹配碳排放因子、匹配行车路线,所述碳排放因子包含电力碳排放因子、燃油碳排放因子。

18、优选的,所述冷却水换热云端优化系统上部署的风冷机组与水冷机组并联最佳能效点计算模型包含有能耗计算模型和最小总能耗目标优化模型,所述能耗计算模型包含水冷机组能耗echiller、风冷机组能耗eair、冷却塔系统能耗etower、泵系统能耗epumps,所述最小总能耗目标优化模型包含最小总能耗minetotal;

19、水冷机组能耗,其中qchiller为水冷机组的冷却负荷,为外界温度,copchiller(tenv)为水冷机组的性能系数,随外界环境温度tenv变化;

20、风冷机组能耗,其中qair为风冷机组的冷却负荷,pfan为风冷机组风机运行能耗,f(tenv)为风冷机组性能随环境温度的变化函数;

21、冷却塔能耗,其中ptower-fan是冷却塔风机运行能耗,ptower-pump是冷却塔水泵运行能耗;

22、泵系统能耗,其中preflow-pump是回流泵的运行能耗,pcooling-pump是供冷泵的运行能耗,pchiller-pump是制冷泵的运行能耗;

23、最小总能耗;

24、使用python中 scipy 库的 optimize.minimize() 函数求解目标函数最小总能耗minetotal的非线性优化问题,其约束条件为:

25、约束条件一,所述水冷机组与风冷机组的冷却负荷平衡,即,其中qload为冷却水换热系统需要满足的总冷却负荷;

26、约束条件二,tenv≤tthreshold时qair≠0,其中tthreshold为温度阈值,即当外界环境温度tenv小于温度阈值tthreshold时,plc控制器控制风冷机组启动;

27、约束条件三,仅水冷机组工作时qair=0,仅风冷机组工作时qchiller=0,混合运行时qair>0且qchiller>0。

28、另一方面,本发明另一个实施例提供了一种冷却水换热系统优化控制方法,方法包括:

29、s1、系统软硬件部署:通过管道组件连接水冷机组、风冷机组、供冷泵、换热器、回流泵、冷却塔、制冷泵,其中水冷机组、风冷机组组成并联组件,在管道组件内外部署传感器网络,所有设备接入plc控制器,plc控制器接入冷却水换热云端优化系统,冷却水换热云端优化系统中部署风冷机组与水冷机组并联最佳能效点计算模型;

30、s2、数据采集与监测:传感器网络和能耗计量装置实时采集冷却水换热系统中冷却水状态及水冷机组、风冷机组、供冷泵、回流泵、冷却塔、制冷泵能耗;

31、s3、负荷需求与系统状态预测:基于历史运行数据和外界温度变化,使用冷却水换热云端优化系统部署的大数据ai模型预测未来冷却负荷,利用天气预报数据和气象监测系统数据预测未来环境温度趋势,决定是否优先使用风冷机组,通过数据分析判断当前系统是否满足负荷需求,并评估各机组的运行效率和状态;

32、s4、优化控制模型计算:冷却水换热云端优化系统使用线性规划、非线性规划或启发式算法对冷却水换热系统各部件的运行负荷进行处理,使系统满足负荷平衡、各设备的功率和流量不得超过设计限制、低环境温度控制风冷机组启动的约束条件,求解目标函数最小总能耗minetotal和最佳负荷分配;

33、s5、实时优化控制执行:根据优化模型的输出,决定风冷机组和水冷机组的启停状态及负荷分配,并通过plc控制器对风冷机组和水冷机组并联系统进行控制切换,同时plc根据负荷需求调节回流泵、制冷泵、供冷泵的钻速以及冷却塔风机的转速,以根据负荷需求和流量反馈动态调整冷却水流转速度及制冷效率,避免过度冷却和能耗浪费;

34、s6、系统优化反馈及调整:根据系统能效指标如cop性能系数和系统总能耗的实时计算结果,判断系统是否达到预期能效,若系统未达预期能效,plc控制器结合冷却水换热云端优化系统自动重新计算优化模型并调整控制策略,同时设备出现异常或系统状态超出正常范围,plc控制器发出报警,并执行相应的应急策略;

35、s7、数据存储及分析:将运行数据储存在到冷却水换热云端优化系统,定期分析历史数据,优化负荷预测模型和设别的运行策略,以提高系统长期性能,实现能耗降低及运行效率优化。

36、本发明的有益效果:

37、引入风冷组件,与水冷组件并联,可在低温环境下根据系统负荷选择仅开启风冷组件或风冷与水冷同时开启,实现制冷负荷动态分配,确保达到最低制冷能耗;

38、系统实时获取温度、流量、压差等传感器数据,并根据负荷需求调整各设备的运行状态,确保在低负荷时降低能耗;

39、系统在冷却塔中集成了余热回收模块,将废热用于办公采暖、工业用水预热或热泵系统,提高了能源利用率。

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