一种压力自适应冷却塔水压能量最优回收算法

宋纯亮

摘 要：针对工业冷却塔中冷却水富余水压无法被充分利用，导致冷却水在循环过程中余压能量浪费的问题，提出了一种压力自适应的冷却塔余压能量最优回收算法，并设计了一种一拖二双馈能电机控制模块，实现了冷却塔富余水压能量的高效回收及回收能量的优先利用，从而达到冷却塔系统整体效能最优的目的。实验结果验证了该策略对水压变化的鲁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经济意义和节能减排潜力。

关键词：冷却塔；余压；压力自适应；双馈能；能量回收

DOIDOI：10.11907/rjdk.171471

中图分类号：TP312

文献标识码：A 文章编号文章编号：1672-7800（2017）008-0056-03

0 引言

冷却塔是用空气冷却水的装置，广泛应用于冶金、石油、化工、纺织等行业[1]。在冷却塔中，循环水流的能量完全来源于循环水泵。其中，循环水泵的大小主要取决于流程的最高位置。一般而言，流程中的最高位置大于冷却塔喷淋系统距离地面的高度，所以循环水流在回到冷却塔出水口时仍然具有一定富余能量[2]。对于这种富余能量，传统的解决方法是通过节流阀将其余压能量耗散尽以满足喷淋条件，直接造成了能量浪费。针对冷却塔中余压能量得不到利用的浪费现象，国内外学者进行了深入研究和应用实践。文献[3]提出利用循环水系统中的富余压力势能引水上塔，从而停止塔泵运行，达到节约电能的目的，但是实际冷却塔系统富余水压会根据工况、温度、季节等因素不断变化，导致引水上塔系统工作不稳定，需要经常根据富余水压大小调整工作状态；文献[4]提出用水轮机替代冷却塔通风电机驱动风扇叶片转动的技术，而在冷却塔由于冬季水量小或上游设备水流阻力大等原因造成水头较低时，不能满足风机的转速需要而达不到冷却效果，该方法同样受到了冷却塔富余水压不稳定的限制。

针对冷却塔中大小不断变化的富余水压能量回收再利用问题，本文提出一种将永磁同步电机所发电能优先用于驱动异步电机带动风扇旋转的压力自适应冷却塔余压能量最优回收算法，并设计一种一拖二双馈能电机控制模块，同时控制永磁同步电机的发电和异步电机的转动，最后在JLT-3小型冷却塔上验证方案的有效性。

1 冷却塔模型

传统的工业冷却塔结构包括水泵、水管路、热用户、余压节流阀、异步风机系统、喷淋装置、蓄水池等。节流阀存在的目的是消除冷却水富余压力，以满足冷却塔喷淋的压力要求，这将造成能量的浪费。本文在传统冷却塔基础上，去除节流阀，增加水轮机和永磁同步电机（PMSM）作为发电系统。同时，设计了一套一拖二双馈能电机控制模块来控制永磁同步电机发电和风机电机的转动系统，结构简图如图1所示。具体过程为：由热用户流出的冷却水先经过水轮机，将回水水流中的富余能量转化为机械能，再进一步由PMSM转化为电能。在一拖二双馈能电机控制模块的控制下，回收到的电能将被风机优先利用。随着富余压力的变化，当回收能量不足时，由电网补充能量给风机；回收能量过多时，多余电能用来加热蓄水池的水给热用户进行二次利用。冷却水流经冷却塔内的散热填料表面，最后落入塔底蓄水池中，并再由水泵抽送到热用户处，形成整个水循环。

2 压力自适应能量最优回收算法

2.1 压力追踪控制算法

由于工业冷却塔中大惯量水轮机的存在以及水路的高阻尼特性，工作于制动发电状态的PMSM阻力矩的响应速度远远大于冷却塔富余水压的变化速度。在响应速度相差5倍以上时，快速响应对象可以作为慢速响应对象的内环，慢速响应对象可以把快速响应对象看作一阶惯性环节，从而达到内外环解耦控制。因此，可以将PMSM的制动力矩（制动电流）作为控制内环，将水轮机出口压力作为控制外环，组成双闭环压力追踪控制算法。

压力追踪控制算法框图如图2所示。在压力环PI算法中，将水轮机出口处的实际压力与给定的压力Pref相比较，差值作为压力环PI调节器的输入。压力环PI调节器的输出作为制动力矩控制环的参考输入iqref。制动力矩控制内环采用最大转矩电流比的矢量控制，以减少PMSM电机铜耗，提高发电效率。整个系统由于采用了水轮机出口压力闭环控制，因此无论水轮机入口压力，即冷却塔富余水压大小如何变化，水轮机出口水压都能够保持在稳定的喷淋所需水压，从而实现了冷却塔水压的自适应控制。

2.2 PMSM最大转矩电流比矢量控制算法

在转子磁场定向的同步旋转d-q轴系下，PMSM定子电压方程[5-7]如下：

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

磁链方程如下：

ψd=Ld+ψfψq=Lqiq（2）

电磁转矩方程如下：

Te=pnψfiq+（Ld-Lq）idiq（3）

式中，ud、uq、id、iq、Ψd、Ψq分别为d-q轴上的定子电压、电流和磁链分量；Rs为定子一相绕组的电阻；Ld、Lq分别为d-q轴等效电感；p为微分算子；pn为电机极对数；ω为d-q坐标系旋转电角速度；Te为电磁转矩；Ψf为转子永磁体定子上的耦合磁链。

本文以表贴式PMSM为研究对象，Ld=L[8]q，由式（3）进一步变换可得：

Te=pnψfiq（4）

由式（1）～（4）可得出，表贴式PMSM的Te与iq成正比，与id无关。因此，要想实现最大转矩电流比控制，即单位电流产生最大的制动转矩，只需让id=0即可。

2.3 系统稳定性制动力矩限制算法

在冷却塔中，水轮机与PMSM级联，为了使PMSM工作在制动能量回馈状态，可控制iq>0，ω<0，从而使PMSM的电磁功率Pe<0，实现水轮机机械能向电能的转化。除去摩擦损耗、传动损耗以及其它杂散损耗，水轮机机械能中被PMSM转换成电能的部分功率可表示为：endprint

-Pe=-ωψfiq（5）

PMSM转换成电能的功率，除去电机铜耗、电机铁耗，剩余部分才能回馈到直流母线被二次利用，回馈到直流母线的功率[9]为：

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

式中，Ri是等效铁耗电阻。相比铜耗，铁耗较小，为了简化分析，本文忽略铁耗。在表贴式PMSM中，采用id=0最大转矩电流比控制，因此由式（6）推导可得稳态下PMSM回馈到直流母线的功率[10]：

Pfb = -ωψf iq -Rs i2q （7）

对于选定的电机，Rs、Ψf为定值，ω一定时Pfb是iq的一元二次函数，由式（7）推算可得Pfb最大时对应的iqmax为：

iq max = -ωψf 2Rs （8）

由图2压力追踪双闭环控制算法框图可知，外环压力环要形成稳定的负反馈，PMSM制动力矩（对应于iq）必须与水轮机出水口压力负相关，即iq越大，回馈功率应该越大，出水口压力则应越小。因此，iq只能在iqmax以下取值，即只能在图3所示的0

另外PMSM定子电流还有最大允许值inm。综上述，图2中电流指令值iqref在给内环之前应该加一个限制，如图4所示。其中ilimt是iqmax和inm中较小的一个。

由于iqmax是同步电转速ω的函数，inm是恒定值，因此当富余水压较小时，水轮机转速较低，对应的ω也较低，此时ilimt=iqmax；当富余水压较大时，水轮机转速较高，对应的ω也较高，iqmax超过了inm，此时ilimt=inm。

3 实验平台搭建与结果分析

JLT-3冷却塔主要参数为：水轮机额定功率300W，风机额定功率180W，额定电压220V，水泵额定流量18t/h，额定扬程24m，额定电压220V。

80ST-M02430永磁同步电机主要参数为：额定功率750W，额定电压220V，额定电流3A，额定转速3 000rpm，额定扭矩2.39Nm 。利用如图5所示的实验室平台，在CCS5.5开发环境中对软件进行测试。

在实验过程中，采集DSP的ADC寄存器数据矩阵，绘制得到冷却塔工作时一拖二双馈能电机控制模块中的电流实际波形。

在最大转矩电流比矢量控制算法下，如图6所示，定子电流始终为0；当冷却塔水头由开始到稳定，定子电流约在6s后基本维持恒定。

如图7所示，约在60s处，调整冷却塔水头使之变大，转速ω上升，在双闭环压力追踪算法控制下，制动电流iq随之上升，回收功率Pfd增大，系统回到一个新的稳定点。

4 结语

针对冷却塔中大小不断变化的富余水压能量回收再利用问题，提出了一种压力自适应的冷却塔余压能量最优回收算法，并设计了一种一拖二双馈能电机控制模块。采用本文提出的算法，可实现冷却塔富余水压能量的高效回收利用，而且该设计成本低廉、通用性强，无需对冷却塔进行大规模改造，在生产中有着重要的经济价值和节能减排潜力。

参考文献：

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