一种用于循环冷却水系统的智慧控制系统及方法

技术领域

本发明属于循环冷却水处理技术领域，具体涉及一种用于循环冷却水系统的智慧化控制系统及方法。

背景技术

循环冷却水系统的控制是关乎我国工业安全生产和节能减排的关键环节，并且是一项精细又繁琐的系统性工作，需要专业水处理技术人员进行频繁的日常监测及采取合理有效的管控措施。水质控制工作对现场技术人员的技术水平及人员数量有较高的要求，目前大多数循环冷却水系统的水质控制工作主要通过人工来完成，监测流程较长，时效性差，经常出现监控滞后或效果不佳的情况，非常不利于企业对循环冷却水系统进行及时有效的调整，不利于设备的安全稳定运行及企业整体运转效率，影响节水减排整体效果。

已出现的循环冷却水系统管理自动化装备，目前仅停留在传输数据和信号的层面上，可实现自动加药及少量水质数据传输。但不具备从整体上控制循环冷却水水质的功能，主要体现在以下四方面：

1不具备主动降浊降铁，主动调节循环冷却水系统浓缩倍数的功能；

2不具备云端自动控制及趋势判断功能，不能对系统的腐蚀、结垢、黏泥滋生倾向进行提示和预警，并提前采取适宜的干预手段；

3不具备在循环冷却水系统发生物料泄漏时进行即时警报及启动应急自动处置功能。

4不具备通过手机移动端进行实时清循环冷却水系统水质管理功能，可随时显示并主动发送数据及系统预估、预警、处理建议等信息，并具有自动调整、及人工及时矫正功能。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有循环冷却水系统控制方法的上述不足，提供一种用于循环冷却水系统的智慧化控制系统及方法。

为解决上述技术问题，本发明具体通过如下技术方案予以实现：

本发明一种用于循环冷却水系统的智慧化控制系统，包括数据感知模块、数据传输模块、现场显示及控制模块、云端分析及控制模块、移动端显示及控制模块和供配电及辅助模块，其中，

所述的数据感知模块包括水质数据感知模块、化学品用量数据感知模块和视频信号感知模块，用于采集水质数据、化学品用量数据、视频数据；

所述的数据传输模块包括用于传输数据感知模块采集的数据的无线局域网组件、GPRS网络模块及WIFI组件；

所述的现场显示及控制模块包括用于现场显示和控制的便携式小型控制箱、PLC组件和化学品投加装置；

所述的云端分析及控制模块至少包括循环冷却水系统智慧水质云平台、腐蚀倾向预估及控制模块、结垢倾向预估及控制模块、生物粘泥滋生倾向预估及控制模块；

所述的移动端显示及控制模块包括用于移动端操作的循环冷却水系统智慧水质控制手机端app和/或电脑端web应用；

所述的供配电及辅助模块包括市电供配电组件、自备发电供配电组件和用于供电互补的供配电组件，负责支持所有模块的供配电工作；

数据感知模块采集水质信号、化学品用量信号、视频信号，通过数据传输模块，传输至现场显示及控制模块中的PLC组件，经过处理后，通过数据传输模块中的无线局域网组件传输至云端分析及控制模块进行数据综合分析及处理后，转化成控制信号和数据信号，其中，控制信号通过数据传输模块传输回现场显示及控制模块，形成操作记录信号再通过数据传输模块传输回移动端显示及控制模块；数据信号则直接通过数据传输模块传输移动端显示及控制模块。

本发明一种用于循环冷却水系统的智慧化控制系统中，优选数据感知模块还包括水量数据感知模块，用于采集循环冷却水系统的工业新水补水流量、非常规补水流量、清循环冷却水系统排水流量、循环冷却水量、旁滤器进出水及反洗水进出水流量、水池液位中的一种或多种数据。

本发明用于循环冷却水系统的智慧控制系统中，进一步优选，所述的数据感知模块还包括用于采集设备运行数据的设备运行状态感知模块。

本发明用于循环冷却水系统的智慧控制系统中，所述的水质数据感知模块优选包括水处理化学品浓度检测单元、pH值检测仪、电导检测仪、浊度检测仪、水温检测仪、钙硬度检测仪、氯离子检测仪、硫酸根离子检测仪、余氯检测仪、碱度检测仪、COD检测仪、腐蚀速率检测仪、污垢热阻测试仪中的一种或多种；

所述的化学品用量感知模块包括循环冷却水系统控制用水处理化学品储罐液位仪；

所述的视频信号感知模块包括水池冷却塔壁处视频监控仪、旁滤监测仪处视频监控仪和化学品投加区视频监控仪。

本发明用于循环冷却水系统的智慧控制系统中，所述的水处理化学品优选为缓蚀阻垢剂、杀菌灭藻剂、生物黏泥分散剂、助滤剂、硬度调节剂、碱度调节剂、酸度调节剂。

本发明用于循环冷却水系统的智慧控制系统中，所述的云端分析及控制模块还包括物料泄漏判断及应急处理模块、补水量预估及控制模块，和/或综合运行费用预估及控制模块。

本发明用于循环冷却水系统的智慧控制系统中，所述的化学品投加装置包括化学品计量泵、水处理化学品储罐、液位仪、水处理化学品加药管线。

本发明还提供了一种采用上述智慧控制系统进行循环冷却水系统水质控制的方法，该方法包括如下步骤：

数据感知模块采集水质、化学品用量、系统关键位置的视频信号，通过数据传输模块，传输至现场显示及控制模块，经过处理后，再通过数据传输模块中的无线局域网组件传输至云端分析及控制模块的腐蚀倾向预估及控制模块、结垢倾向预估及控制模块、生物粘泥滋生倾向预估及控制模块，通过其设置的控制方法及判定规则进行数据综合分析及处理，转化成控制信号和显示数据信号，其中控制信号通过数据传输模块传输回现场显示及控制模块，对化学品投加装置进行自动控制，形成的化学品投加装置操作记录信号再通过数据传输模块传输回移动端显示及控制模块；显示数据信号则直接通过数据传输模块传输移动端显示及控制模块并显示。

本发明采用上述智慧控制系统进行循环冷却水系统水质控制的方法中，优选，所述的腐蚀倾向预估及控制模块中，通过设定循环冷却水钙硬度碱度之和、pH值限值，和设定循环冷却水氯离子或硫酸根离子控制上限，和循环冷却水水处理化学品浓度上下限，和或循环冷却水ORP或余氯上下限，和或设定循环冷却水浊度及总铁上下限，实现腐蚀倾向预估及控制；

所述的结垢倾向预估及控制模块中通过在云端分析及控制模块中设定循环水钙硬度和碱度数据之和控制上限、pH上限和或浊度上限实现结垢倾向预估及控制；

所述的生物粘泥滋生倾向预估及控制模块中通过设定循环水COD的上限设定值，和或循环冷却水池立柱位置颜色变化，和或旁滤监测挂片器中是否出现黏泥进行判断及控制。

进一步优选，本发明采用上述智慧控制系统进行循环冷却水系统水质控制的方法中，所述的云端分析及控制模块还包括物料泄漏判断及应急处理模块、补水量预估及控制模块，和/或综合运行费用预估及控制模块，其中：

所述的物料泄漏判断及应急模块中通过设置循环水COD或或可表征泄漏物料的水质因子的上限值进行判断及应急处理；

所述的补水量预估及控制模块中通过按下面公式计算而得预估补水量：

预估补水量＝理论蒸发水量*浓缩倍数/(浓缩倍数-1)

所述的综合运行费用预估及控制模块中全年运行总费用按下述的公式计算，全年运行总费用＝全年水费+全年电费+全年化学品费用；

其中：全年水费＝补充水综合水价(多水源情况需计算出其加权平均值)*预估补水量。

本发明所述的循环冷却水系统智慧控制系统及方法与传统循环冷却水监控系统及方法相比具有如下优势：

1)具备高度自动化、安全可靠、适用范围广(根据不同系统选择合理的控制参数及范围)，实现循环冷却水系统的精细化、定制化管理，可使水质和浓缩倍数稳定并逐渐优化，最终达到良好的处理效果，同时节省人力及水处理化学品费用，减少人员操控失误；

2)对循环冷却水系统腐蚀、结垢、生物黏泥滋长倾向进行预测，可有效降低系统安全隐患，减少系统因未及时发现水质恶化而产生的不必要排水量，延长换热设备及整套清循环冷却水系统的使用寿命，适用于各种规模的循环冷却水处理装置；

3)系统具备的物料泄漏警报及应急自动处置功能可以确保水系统及时处置物料泄漏的异常情况，降低此异常情况下的新鲜补水及排水量；

4)设置的移动端应用，可使清循环冷却水系统的不同层级管理人员及时了解系统状态及自动处置动作。

附图说明

图1是循环冷却水智慧控制系统组成示意图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例及对本发明技术方案作进一步描述。

如图1所示，本发明用于循环冷却水系统的智慧化控制系统，包括数据感知模块、数据传输模块、现场显示及控制模块、云端分析及控制模块、移动端显示及控制模块和供配电及辅助模块。

数据感知模块采集水质、视频等数据通过数据传输模块传输至现场显示及控制模块中的PLC组件，经过处理后，再通过数据传输模块中的无线局域网组件传输至云端分析及控制模块进行数据综合分析及处理后，转化成控制信号和数据信号，其中，控制信号通过数据传输模块传输回现场显示及控制模块，操控化学品投加装置，形成操作记录信号再通过数据传输模块传输回移动端显示及控制模块；数据信号则直接通过数据传输模块传输至移动端显示及控制模块并显示。

数据感知模块包括水质数据感知模块、水量数据感知模块、化学品用量数据感知模块和视频信号感知模块和设备运行状态感知模块，用于采集水质数据、水量数据、化学品用量数据、视频数据、设备运行状态数据；其中水量数据感知模块和设备运行状态感知模块不是必需模块。

数据传输模块包括无线局域网组件、GPRS网络模块及WIFI组件，数据感知模块与现场显示及控制模块间、现场显示及控制模块与云端分析及控制模块间、云端分析及控制模块与移动端显示及控制模块间的数据或信号传输所用的数据传输模块类型，是根据模块所处环境及数据传输要求进行选择。

现场显示及控制模块包括用于现场显示和控制的便携式小型控制箱、PLC组件和化学品投加装置。

云端分析及控制模块至少包括循环冷却水系统智慧水质云平台、腐蚀倾向预估及控制模块、结垢倾向预估及控制模块、生物粘泥滋生倾向预估及控制模块；如图1中，还包括物料泄漏判断及应急处理模块、补水量预估及控制模块、和/或综合运行费用预估及控制模块。

所述的移动端显示及控制模块包括用于移动端操作的循环冷却水系统智慧水质控制手机端app和/或电脑端web应用。

所述的供配电及辅助模块包括市电供配电组件、自备发电供配电组件和用于供电互补的供配电组件，确保智慧控制系统所有模块的用电。

如图1所示，本发明用于循环冷却水系统的智慧化控制系统进行循环冷却水系统水质控制的方法，具体控制流程为：

数据感知模块采集水质、水量、化学品用量、系统关键位置的视频信号、设备运行状态数据，通过数据传输模块，将上述数据传输至现场显示及控制模块，，经过处理后，再通过数据传输模块中的无线局域网组件传输至云端分析及控制模块的腐蚀倾向预估及控制模块、结垢倾向预估及控制模块、生物粘泥滋生倾向预估及控制模块、物料泄漏判断及应急处理模块、补水量预估及控制模块和综合运行费用预估及控制模块，通过其设置的控制方法及判定规则进行数据综合分析及处理，转化成控制信号和显示数据信号，其中控制信号通过数据传输模块传输回现场显示及控制模块，对化学品投加装置进行自动控制，形成的化学品投加装置操作记录信号再通过数据传输模块传输回移动端显示及控制模块；显示数据信号则直接通过数据传输模块传输至移动端显示及控制模块并显示。

上述控制流程中，腐蚀倾向预估及控制模块通过如下判定方法实现腐蚀倾向预估及控制：

1)实时监控循环冷却水钙硬度碱度之和：

通过数据感知模块中的钙硬度检测仪、碱度检测仪检测感知到钙硬度和碱度数据，经由数据传输模块中的无线局域网组件实时上传至现场显示及控制模块中的PLC组件，然后再通过数据传输模块中的WIFI组件传输至云端分析及控制模块，在此进行数据分析及处理，设定循环冷却水钙硬度碱度之和、pH值限值，当低于下限设定值，或pH低于下限设定值，发出报警信号及提示系统腐蚀倾向加剧，系统自动显示提前设置好的操作建议信号等显示数据信号，显示于移动端显示及控制模块中的循环冷却水系统智慧水质控制手机端app和/或电脑端web应用中，现场显示及控制模块和云端分析及控制模块分析得出的启停信号经由数据传输模块发送启停信号至硬度调节剂或酸碱度调节剂工作泵；

通过数据感知模块中的氯离子检测仪和/或硫酸根离子检测仪感知氯离子浓度和/或硫酸根离子浓度，经由数据传输模块的无线局域网组件实时上传至现场显示及控制模块中PLC组件，然后再通过数据传输模块中的WIFI组件传输至云端分析及控制模块，在此进行数据分析及处理，在此进行数据分析及处理，循环冷却水氯离子或硫酸根离子超过上限控制设定值，发出报警信号，提示系统腐蚀倾向加剧，系统自动显示操作建议，移动端显示及控制模块中的循环冷却水系统智慧水质控制手机端app和/或电脑端web应用中，现场显示及控制模块和云端分析及控制模块分析得出的启停信号经由数据传输模块发送启停信号至硬度调节剂工作泵、酸碱度调节剂工作泵、停缓蚀阻垢剂工作泵、杀菌灭藻及生物黏泥分散剂工作泵、助滤剂投加泵或硬度调节剂、或碱度调节剂工作泵中的一种或多种。

2)系统实时监控循环冷却水缓蚀阻垢水处理化学品浓度：

通过数据感知模块中的水处理化学品浓度传感器感知水处理化学品浓度，经由数据传输模块的无线局域网组件实时上传至现场显示及控制模块中PLC组件，然后再通过数据传输模块中的WIFI组件传输至云端分析及控制模块，在此进行数据分析及处理，在此进行数据分析及处理，循环冷却水水处理化学品浓度超出其控制的上下限设定值时，显示于移动端显示及控制模块中的循环冷却水系统智慧水质控制手机端app和/或电脑端web应用中，现场显示及控制模块和云端分析及控制模块分析得出的启停信号经由数据传输模块发送启停信号至缓蚀阻垢剂控制泵，泵的启停信号回传至现场显示及控制模块和云端分析及控制模块，同步显示在移动端显示及控制模块中的循环冷却水系统智慧水质控制手机端app和/或电脑端web应用中。

3)系统实时监控循环冷却水ORP或余氯监测值：

通过数据感知模块中的ORP测试仪和或余氯测试仪感知循环水ORP和或余氯，经由数据传输模块的无线局域网组件实时上传至现场显示及控制模块中PLC组件，然后再通过数据传输模块中的WIFI组件传输至云端分析及控制模块，在此进行数据分析及处理，在此进行数据分析及处理，循环冷却水水处理化学品浓度超出其控制的上下限设定值时，显示于移动端显示及控制模块中的循环冷却水系统智慧水质控制手机端app和/或电脑端web应用中，现场显示及控制模块和云端分析及控制模块分析得出的启停信号经由数据传输模块发送启停信号至杀菌灭藻剂及生物黏泥分散剂控制泵，泵的启停信号回传至现场显示及控制模块和云端分析及控制模块，同步显示在移动端显示及控制模块中的循环冷却水系统智慧水质控制手机端app和/或电脑端web应用中。

4)系统实时监控循环冷却水浊度及总铁监测值：

通过数据感知模块中的浊度传感器感知补水及循环水浊度，经由数据传输模块的无线局域网组件实时上传至现场显示及控制模块中PLC组件，然后再通过数据传输模块中的WIFI组件传输至云端分析及控制模块，在此进行数据分析及处理，在此进行数据分析及处理，补水及循环水浊度超出其控制的上下限设定值时，发出报警信号，显示于移动端显示及控制模块中的循环冷却水系统智慧水质控制手机端app和/或电脑端web应用中，现场显示及控制模块和云端分析及控制模块分析得出的启停信号经由数据传输模块发送启停信号至助滤剂控制泵，泵的启停信号回传至现场显示及控制模块和云端分析及控制模块，同步显示在移动端显示及控制模块中的循环冷却水系统智慧水质控制手机端app和/或电脑端web应用中。

结垢倾向预估及控制模块通过如下方法实现结垢倾向预估及控制：

通过数据感知模块中的的钙硬度检测仪、碱度检测仪检测、pH计、浊度仪感知到钙硬度和碱度数据，经由数据传输模块的无线局域网组件实时上传至现场显示及控制模块中PLC组件，然后再通过数据传输模块中的WIFI组件传输至云端分析及控制模块，在此进行数据分析及处理，在此进行数据分析及处理，循环水钙硬度和碱度数据之和超出其控制的上限设定值，和或pH超过上限设定值，和或浊度超过上限值，发出报警信号，提示系统结垢倾向加剧，系统自动显示操作建议，显示于移动端显示及控制模块中的循环冷却水系统智慧水质控制手机端app和/或电脑端web应用中，现场显示及控制模块和云端分析及控制模块分析得出的启停信号经由数据传输模块发送启停信号至酸度调节剂泵和或助滤剂控制泵，泵的启停信号回传至现场显示及控制模块和云端分析及控制模块，同步显示在移动端显示及控制模块中的循环冷却水系统智慧水质控制手机端app和/或电脑端web应用中。

生物粘泥滋生倾向预估及控制模块通过如下方法实现生物粘泥滋生倾向预估及控制：

通过数据感知模块中的COD测试仪和或视频分析系统信号感知循环水COD和或循环冷却水池立柱位置颜色变化，和或旁滤监测挂片器中有否黏泥情况，经由数据传输模块的无线局域网组件实时上传至现场显示及控制模块中PLC组件，然后再通过数据传输模块中的WIFI组件传输至云端分析及控制模块，在此进行数据分析及处理，在此进行数据分析及处理，循环水COD超出其控制的上限设定值，和或循环冷却水池立柱位置颜色变化，和或旁滤监测挂片器中出现黏泥,发出报警信号，提示系统生物黏泥滋生倾向加剧，系统自动显示操作建议，显示于移动端显示及控制模块中的循环冷却水系统智慧水质控制手机端app和/或电脑端web应用中，现场显示及控制模块和云端分析及控制模块分析得出的启停信号经由数据传输模块发送启停信号至杀菌灭藻和或生物黏泥分散剂工作泵，泵的启停信号回传至现场显示及控制模块和云端分析及控制模块，同步显示在移动端显示及控制模块中的循环冷却水系统智慧水质控制手机端app和/或电脑端web应用中。

物料泄漏判断及应急处理模块运行方法包括：

通过数据感知模块中的COD检测仪或可表征泄漏物料的水质因子检测仪感知到循环水COD或可表征泄漏物料的水质因子数据，经由数据传输模块的无线局域网组件实时上传至现场显示及控制模块中PLC组件，然后再通过数据传输模块中的WIFI组件传输至云端分析及控制模块，在此进行数据分析及处理，在此进行数据分析及处理，如果出现超出其控制的上限设定值，发出报警信号，系统可能存在物料泄漏情况，导致腐蚀倾向或其他相关关键倾向加剧，系统自动显示操作建议，显示于移动端显示及控制模块中的循环冷却水系统智慧水质控制手机端app和/或电脑端web应用中。设定启动系统对应的应急处置物料泄漏程序，现场显示及控制模块和云端分析及控制模块分析得出的启停信号经由数据传输模块发送启停信号至杀菌灭藻、生物黏泥分散剂、助滤剂工作泵的启停顺序和启停时间，泵的启停信号回传至现场显示及控制模块和云端分析及控制模块，同步显示在移动端显示及控制模块中的循环冷却水系统智慧水质控制手机端app和/或电脑端web应用中。

补水量预估及控制模块运行方法包括：

为确保每套循环冷却水系统合理的系统浓缩倍数，排水不做自动控制，系统浓缩倍数根据现场监测或人工上传的补水及循环冷却水同一项目离子(氯离子)计算得出，并显示于移动端显示及控制模块中的循环冷却水系统智慧水质控制手机端app和/或电脑端web应用中。当其数据短时间内超过一定范围，例如30％幅度的波动时，计入报警，系统提示管理人员关注并巡查，检查系统运行有否异常；

预估补水量＝理论蒸发水量*浓缩倍数/(浓缩倍数-1)

上述公式中，理论蒸发水量按标准GB/T50746-2012石油化工循环水场设计规范中3.3.3条款计算。

综合运行费用预估及控制模块运行方法包括：

在云端分析及控制模块中联网水价、电价，按下述的公式计算全年运行总费用，并绘制其变化曲线显示于移动端显示及控制模块中的循环冷却水系统智慧水质控制手机端app和/或电脑端web应用中。

全年运行总费用＝全年水费+全年电费+全年化学品费用

上述公式中，

全年水费＝补充水综合水价(多水源情况需计算出其加权平均值)*预估补水量。

实施案例1

在某钢厂循环冷却水系统应用了该套循环冷却水系统智慧控制系统，选用了数据感知模块、数据传输模块、现场显示及控制模块、云端分析及控制模块、移动端显示及控制模块和供配电及辅助模块，其中，云端分析及控制模块中应用了腐蚀倾向预估及控制模块、结垢倾向预估及控制模块、生物粘泥滋生倾向预估及控制模块、补水量预估及控制模块。应用2个月后，实现可视化移动终端查询、预警、信息发送及在线操作。

水质效果

碳钢缓蚀速率达到≤0.050mm/a(国标≤0.075mm/a)；

不锈钢及铜缓蚀速率达到≤0.003mm/a(国标≤0.005mm/a)；

污垢热阻≤1.0x10

循环冷却水系统运行效果

总铁≤1.0mg/L(国标≤2.0mg/L)；

浊度≤10NTU(国标≤20NTU)；

浓缩倍数达由原来的2.1倍增加到2.7倍，较往年同期减排水量40％。

实施案例2

在某化工厂循环冷却水系统应用了该套循环冷却水系统智慧控制系统，选用了数据感知模块、数据传输模块、现场显示及控制模块、云端分析及控制模块、移动端显示及控制模块和供配电及辅助模块，其中，云端分析及控制模块中应用了腐蚀倾向预估及控制模块、结垢倾向预估及控制模块、生物粘泥滋生倾向预估及控制模块、物料泄漏判断及应急处理模块、补水量预估及控制模块、综合运行费用预估及控制模块。

应用该系统4个月后：实现可视化移动终端查询、预警、信息发送及在线操作，物料泄漏预警及应急处置及综合运行费用预估及控制。

水质效果

碳钢缓蚀速率达到≤0.040mm/a(国标≤0.075mm/a)；

不锈钢及铜缓蚀速率达到≤0.002mm/a(国标≤0.005mm/a)；

循环冷却水系统运行效果

总铁≤0.7mg/L(国标≤2.0mg/L)；

浊度≤10NTU(国标≤20NTU)；

浓缩倍数达由原来的4.7倍增加到5.5倍，较往年同期减排水量25％，年综合运行费用降低30％。