一種壓力自適應冷卻塔水壓能量最優回收算法

宋純亮

摘 要：針對工業冷卻塔中冷卻水富余水壓無法被充分利用，導致冷卻水在循環過程中余壓能量浪費的問題，提出了一種壓力自適應的冷卻塔余壓能量最優回收算法，并設計了一種一拖二雙饋能電機控制模塊，實現了冷卻塔富余水壓能量的高效回收及回收能量的優先利用，從而達到冷卻塔系統整體效能最優的目的。實驗結果驗證了該策略對水壓變化的魯棒性和能量回收的有效性，效益分析結果表明了算法重要的經濟意義和節能減排潛力。

關鍵詞：冷卻塔；余壓；壓力自適應；雙饋能；能量回收

DOIDOI：10.11907/rjdk.171471

中圖分類號：TP312

文獻標識碼：A 文章編號文章編號：1672-7800（2017）008-0056-03

0 引言

冷卻塔是用空氣冷卻水的裝置，廣泛應用于冶金、石油、化工、紡織等行業[1]。在冷卻塔中，循環水流的能量完全來源于循環水泵。其中，循環水泵的大小主要取決于流程的最高位置。一般而言，流程中的最高位置大于冷卻塔噴淋系統距離地面的高度，所以循環水流在回到冷卻塔出水口時仍然具有一定富余能量[2]。對于這種富余能量，傳統的解決方法是通過節流閥將其余壓能量耗散盡以滿足噴淋條件，直接造成了能量浪費。針對冷卻塔中余壓能量得不到利用的浪費現象，國內外學者進行了深入研究和應用實踐。文獻[3]提出利用循環水系統中的富余壓力勢能引水上塔，從而停止塔泵運行，達到節約電能的目的，但是實際冷卻塔系統富余水壓會根據工況、溫度、季節等因素不斷變化，導致引水上塔系統工作不穩定，需要經常根據富余水壓大小調整工作狀態；文獻[4]提出用水輪機替代冷卻塔通風電機驅動風扇葉片轉動的技術，而在冷卻塔由于冬季水量小或上游設備水流阻力大等原因造成水頭較低時，不能滿足風機的轉速需要而達不到冷卻效果，該方法同樣受到了冷卻塔富余水壓不穩定的限制。

針對冷卻塔中大小不斷變化的富余水壓能量回收再利用問題，本文提出一種將永磁同步電機所發電能優先用于驅動異步電機帶動風扇旋轉的壓力自適應冷卻塔余壓能量最優回收算法，并設計一種一拖二雙饋能電機控制模塊，同時控制永磁同步電機的發電和異步電機的轉動，最后在JLT-3小型冷卻塔上驗證方案的有效性。

1 冷卻塔模型

傳統的工業冷卻塔結構包括水泵、水管路、熱用戶、余壓節流閥、異步風機系統、噴淋裝置、蓄水池等。節流閥存在的目的是消除冷卻水富余壓力，以滿足冷卻塔噴淋的壓力要求，這將造成能量的浪費。本文在傳統冷卻塔基礎上，去除節流閥，增加水輪機和永磁同步電機（PMSM）作為發電系統。同時，設計了一套一拖二雙饋能電機控制模塊來控制永磁同步電機發電和風機電機的轉動系統，結構簡圖如圖1所示。具體過程為：由熱用戶流出的冷卻水先經過水輪機，將回水水流中的富余能量轉化為機械能，再進一步由PMSM轉化為電能。在一拖二雙饋能電機控制模塊的控制下，回收到的電能將被風機優先利用。隨著富余壓力的變化，當回收能量不足時，由電網補充能量給風機；回收能量過多時，多余電能用來加熱蓄水池的水給熱用戶進行二次利用。冷卻水流經冷卻塔內的散熱填料表面，最后落入塔底蓄水池中，并再由水泵抽送到熱用戶處，形成整個水循環。

2 壓力自適應能量最優回收算法

2.1 壓力追蹤控制算法

由于工業冷卻塔中大慣量水輪機的存在以及水路的高阻尼特性，工作于制動發電狀態的PMSM阻力矩的響應速度遠遠大于冷卻塔富余水壓的變化速度。在響應速度相差5倍以上時，快速響應對象可以作為慢速響應對象的內環，慢速響應對象可以把快速響應對象看作一階慣性環節，從而達到內外環解耦控制。因此，可以將PMSM的制動力矩（制動電流）作為控制內環，將水輪機出口壓力作為控制外環，組成雙閉環壓力追蹤控制算法。

壓力追蹤控制算法框圖如圖2所示。在壓力環PI算法中，將水輪機出口處的實際壓力與給定的壓力Pref相比較，差值作為壓力環PI調節器的輸入。壓力環PI調節器的輸出作為制動力矩控制環的參考輸入iqref。制動力矩控制內環采用最大轉矩電流比的矢量控制，以減少PMSM電機銅耗，提高發電效率。整個系統由于采用了水輪機出口壓力閉環控制，因此無論水輪機入口壓力，即冷卻塔富余水壓大小如何變化，水輪機出口水壓都能夠保持在穩定的噴淋所需水壓，從而實現了冷卻塔水壓的自適應控制。

2.2 PMSM最大轉矩電流比矢量控制算法

在轉子磁場定向的同步旋轉d-q軸系下，PMSM定子電壓方程[5-7]如下：

ud = Rs id + pψd -ωψq uq = Rs iq + pψq + ωψd （1）

磁鏈方程如下：

ψd=Ld+ψfψq=Lqiq（2）

電磁轉矩方程如下：

Te=pnψfiq+（Ld-Lq）idiq（3）

式中，ud、uq、id、iq、Ψd、Ψq分別為d-q軸上的定子電壓、電流和磁鏈分量；Rs為定子一相繞組的電阻；Ld、Lq分別為d-q軸等效電感；p為微分算子；pn為電機極對數；ω為d-q坐標系旋轉電角速度；Te為電磁轉矩；Ψf為轉子永磁體定子上的耦合磁鏈。

本文以表貼式PMSM為研究對象，Ld=L[8]q，由式（3）進一步變換可得：

Te=pnψfiq（4）

由式（1）～（4）可得出，表貼式PMSM的Te與iq成正比，與id無關。因此，要想實現最大轉矩電流比控制，即單位電流產生最大的制動轉矩，只需讓id=0即可。

2.3 系統穩定性制動力矩限制算法

在冷卻塔中，水輪機與PMSM級聯，為了使PMSM工作在制動能量回饋狀態，可控制iq>0，ω<0，從而使PMSM的電磁功率Pe<0，實現水輪機機械能向電能的轉化。除去摩擦損耗、傳動損耗以及其它雜散損耗，水輪機機械能中被PMSM轉換成電能的部分功率可表示為：endprint

-Pe=-ωψfiq（5）

PMSM轉換成電能的功率，除去電機銅耗、電機鐵耗，剩余部分才能回饋到直流母線被二次利用，回饋到直流母線的功率[9]為：

Pfd = -Rs （i2d + i2q ）-ω2（ψ2d + ψ2q ）Ri -ωψf iq （6）

式中，Ri是等效鐵耗電阻。相比銅耗，鐵耗較小，為了簡化分析，本文忽略鐵耗。在表貼式PMSM中，采用id=0最大轉矩電流比控制，因此由式（6）推導可得穩態下PMSM回饋到直流母線的功率[10]：

Pfb = -ωψf iq -Rs i2q （7）

對于選定的電機，Rs、Ψf為定值，ω一定時Pfb是iq的一元二次函數，由式（7）推算可得Pfb最大時對應的iqmax為：

iq max = -ωψf 2Rs （8）

由圖2壓力追蹤雙閉環控制算法框圖可知，外環壓力環要形成穩定的負反饋，PMSM制動力矩（對應于iq）必須與水輪機出水口壓力負相關，即iq越大，回饋功率應該越大，出水口壓力則應越小。因此，iq只能在iqmax以下取值，即只能在圖3所示的0

另外PMSM定子電流還有最大允許值inm。綜上述，圖2中電流指令值iqref在給內環之前應該加一個限制，如圖4所示。其中ilimt是iqmax和inm中較小的一個。

由于iqmax是同步電轉速ω的函數，inm是恒定值，因此當富余水壓較小時，水輪機轉速較低，對應的ω也較低，此時ilimt=iqmax；當富余水壓較大時，水輪機轉速較高，對應的ω也較高，iqmax超過了inm，此時ilimt=inm。

3 實驗平臺搭建與結果分析

JLT-3冷卻塔主要參數為：水輪機額定功率300W，風機額定功率180W，額定電壓220V，水泵額定流量18t/h，額定揚程24m，額定電壓220V。

80ST-M02430永磁同步電機主要參數為：額定功率750W，額定電壓220V，額定電流3A，額定轉速3 000rpm，額定扭矩2.39Nm 。利用如圖5所示的實驗室平臺，在CCS5.5開發環境中對軟件進行測試。

在實驗過程中，采集DSP的ADC寄存器數據矩陣，繪制得到冷卻塔工作時一拖二雙饋能電機控制模塊中的電流實際波形。

在最大轉矩電流比矢量控制算法下，如圖6所示，定子電流始終為0；當冷卻塔水頭由開始到穩定，定子電流約在6s后基本維持恒定。

如圖7所示，約在60s處，調整冷卻塔水頭使之變大，轉速ω上升，在雙閉環壓力追蹤算法控制下，制動電流iq隨之上升，回收功率Pfd增大，系統回到一個新的穩定點。

4 結語

針對冷卻塔中大小不斷變化的富余水壓能量回收再利用問題，提出了一種壓力自適應的冷卻塔余壓能量最優回收算法，并設計了一種一拖二雙饋能電機控制模塊。采用本文提出的算法，可實現冷卻塔富余水壓能量的高效回收利用，而且該設計成本低廉、通用性強，無需對冷卻塔進行大規模改造，在生產中有著重要的經濟價值和節能減排潛力。

參考文獻：

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