TWI557391B - 使用於冷卻水塔之水溫預測系統、前饋控制系統及其方法 - Google Patents

Description

使用於冷卻水塔之水溫預測系統、前饋控制系統及其方法

本發明是有關於一種水溫預測系統、前饋控制系統及其方法，且特別是一種使用於冷卻水塔之水溫預測系統、前饋控制系統及其方法。

冷卻水塔常見於一般化學工業和能源相關等產業，其係用以將冷卻水的廢熱傳遞至空氣，而排出廢熱的冷卻水可再回到製程設備中進行冷卻。習知使用於冷卻水塔的風扇控制模式主要有開關切換、高頻低頻切換和回饋變換等模式。然而，習知冷卻水塔的風扇控制方法，缺乏自動控制機制，大多藉由現場操作人員手動調整，導致無法有效率地調整風扇的運作狀態，而造成冷卻水的溫度過度降低，也因此產生過多的功率消耗。

本發明之一方面是在提供一種使用於冷卻水塔之水溫預測系統、前饋控制系統及其方法，將冷卻水塔的相關數據進行運算，並藉由運算結果控制冷卻水塔中風扇組的運轉，可在冷卻水塔的出口水溫維持在一上限溫度之下 的前提下，減少風扇組過多的功率消耗，進而達成節能的功效。

根據本發明之上述目的，提出一種適用於冷卻水塔的水溫預測系統，其中此冷卻水塔具有風扇組、至少一入水口及和出水口。水溫預測系統包含出口水溫偵測單元、至少一入口水溫偵測單元、空氣溫度感測單元、空氣濕度感測單元、功率偵測單元和出口水溫預測單元。出口水溫偵測單元設置於出水口，其係用以偵測出水口的出口水溫。此些入口水溫偵測單元分別設置於此些入水口的一入水口，其係用以偵測此些入水口的入口水溫。空氣溫度感測單元設置於該冷卻水塔外，其係用以偵測冷卻水塔外的空氣溫度。空氣濕度感測單元設置於冷卻水塔外，其係用以偵測冷卻水塔外的空氣濕度。功率偵測單元電性連接於該風扇組，其係用以偵測該風扇組產生的耗電功率。出口水溫預測單元電性連接於出口水溫偵測單元、此些入口水溫偵測單元、空氣溫度感測單元、空氣濕度感測單元和功率偵測單元，其係用以根據出口水溫、此些入口水溫、空氣溫度、空氣濕度和耗電功率產生預測出口水溫。

根據本發明之上述目的，另提出一種適用於冷卻水塔的前饋控制系統，其中此冷卻水塔具有風扇組、至少一入水口及和出水口。前饋控制系統包含水溫預測系統和風扇調整單元，其中水溫預測系統包含出口水溫偵測單元、至少一入口水溫偵測單元、空氣溫度感測單元、空氣濕度感測單元、功率偵測單元和出口水溫預測單元。出口水溫 偵測單元設置於出水口，其係用以偵測出水口的出口水溫。此些入口水溫偵測單元分別設置於此些入水口的一入水口，其係用以偵測此些入水口的入口水溫。空氣溫度感測單元設置於該冷卻水塔外，其係用以偵測冷卻水塔外的空氣溫度。空氣濕度感測單元設置於冷卻水塔外，其係用以偵測冷卻水塔外的空氣濕度。功率偵測單元電性連接於風扇組，其係用以偵測風扇組產生的耗電功率。出口水溫預測單元電性連接於出口水溫偵測單元、此些入口水溫偵測單元、空氣溫度感測單元、空氣濕度感測單元和功率偵測單元，其係用以根據出口水溫、此些入口水溫、空氣溫度、空氣濕度和耗電功率產生預測出口水溫。風扇調整單元電性連接於風扇組和出口水溫預測單元，其係用以根據預測出口水溫調整風扇組的操作，以控制出口水溫。

根據本發明之上述目的，另提出一種適用於冷卻水塔的前饋控制方法，其中此冷卻水塔具有風扇組、至少一入水口及和出水口。前饋控制方法包含：偵測出水口的出口水溫；偵測每個入水口中的入口水溫；偵測冷卻水塔外的空氣溫度和空氣濕度；偵測風扇組產生的耗電功率；根據下列關係式以得到預測出口水溫： 以及根據預測出口水溫調整風扇組的操作，以控制出口水溫。在上述關係式中，T' _cwout 為預測出口水溫，T _cwout 為出口水溫，N為出水口的個數，T _i 為入口水溫，T _air 為空氣溫度，H 為空氣濕度，W為耗電功率，且a、b、c _i 、d、e及f分別為實數係數。

10‧‧‧冷卻水塔

11‧‧‧風扇組

12A~12N‧‧‧入水口

13‧‧‧出水口

100‧‧‧前饋控制系統

110‧‧‧出口水溫偵測單元

120A~120N‧‧‧入口水溫偵測單元

130‧‧‧空氣溫度感測單元

140‧‧‧空氣濕度感測單元

150‧‧‧功率偵測單元

160‧‧‧出口水溫預測單元

170‧‧‧風扇調整單元

500‧‧‧前饋控制方法

502、504、506、508、510、512‧‧‧步驟

P_A~P_N‧‧‧製程設備

為讓本發明之上述和其他目的、特徵、優點與實施例能更明顯易懂，所附圖式之說明如下：第1圖係繪示依據本發明一實施例前饋控制系統設置於冷卻水塔之示意圖。

第2A圖係繪示本發明實施例之出口水溫和原始出口水溫之示意圖。

第2B圖係繪示本發明實施例之耗電功率和原始耗電功率之示意圖。

第3A圖係繪示本發明實施例之出口水溫和原始出口水溫之示意圖。

第3B圖係繪示本發明實施例之耗電功率和原始耗電功率之示意圖。

第4A圖係繪示本發明實施例進行的驗證所得到的預測出口水溫和調整過的出口水溫之示意圖。

第4B圖係繪示本發明實施例進行的驗證所得到的預測耗電功率和調整過的耗電功率之示意圖。

第5圖係繪示依據本發明一實施例前饋控制方法之流程圖。

以下仔細討論本發明實施例之製造和使用。然而，可以理解的是，實施例提供許多可應用的發明概念，其可 實施於各式各樣的特定內容中。所討論之特定實施例僅供說明，並非用以限定本發明之範圍。

請參照第1圖，第1圖係繪示依據本發明一實施例前饋控制系統100設置於冷卻水塔10之示意圖。冷卻水塔10的作用在於將製程設備P_A~P_N排出的水冷卻，且將冷卻後的水排入至製程設備P_A~P_N以供製程設備P_A~P_N使用。冷卻水塔10包含風扇組11、入水口12A~12N和出水口13。風扇組11包含至少一個變頻風扇，其係用以冷卻經由入水口12A~12N流入冷卻水塔10內的水。入水口12A~12N分別連接於製程設備P_A~P_N的出水端，以將製程設備P_A~P_N排出的水引入至冷卻水塔10內。出水口13連接於製程設備P_A~P_N的入水端，以將冷卻後的水引入至製程設備P_A~P_N中。

前饋控制系統100係用以提供控制冷卻水塔10內風扇組11的控制機制，使風扇組10的運作更有效率，進而達到節能的效果。前饋控制系統100包含出口水溫偵測單元110、入口水溫偵測單元120A~120N、空氣溫度感測單元130、空氣濕度感測單元140、功率偵測單元150、出口水溫預測單元160和風扇調整單元170。其中，出口水溫偵測單元110、入口水溫偵測單元120A~120N、空氣溫度感測單元130、空氣濕度感測單元140、功率偵測單元150和出口水溫預測單元160的組合為水溫預測系統，其係用以根據冷卻水塔10的運轉數據計算出對應冷卻水塔10的預測出口水溫。

在前饋控制系統10中，出口水溫偵測單元110設置於出水口13，其係用以偵測出水口13的出口水溫T _cwout 。入口水溫偵測單元120A~120N分別設置於入水口12A~12N，其係用以偵測入水口12A~12N的入口水溫T ₁~T _N 。空氣溫度感測單元130和空氣濕度感測單元140設置於冷卻水塔10外，其係分別用以偵測該冷卻水塔10外的空氣溫度T _air 和空氣濕度H。功率偵測單元150電性連接於風扇組11，其係用以偵測風扇組11所產生的耗電功率W。此耗電功率W係風扇組11中所有變頻風扇產生的次耗電功率的總和。出口水溫預測單元160電性連接於出口水溫偵測單元110、入口水溫偵測單元120A~120N、空氣溫度感測單元130、空氣濕度感測單元140和功率偵測單元150。出口水溫預測單元160接收出口水溫偵測單元110、入口水溫偵測單元120A~120N、空氣溫度感測單元130、空氣濕度感測單元140和功率偵測單元150分別傳輸的出口水溫T _cwout 、入口水溫T ₁~T _N 、空氣溫度T _air 、空氣濕度H和耗電功率W等數據後，藉由下列關係式，計算出預測出口水溫T' _cwout ：

其中，a、b、c _i 、d、e和f分別為實數係數，其值可根據不同情況做對應調整，例如預測時間點與計算時間點的間隔(即預測出口水溫T' _cwout 和出口水溫T _cwout 的時間間隔)、冷卻水塔內水槽尺寸或系統穩定時間等。

風扇調整單元170電性連接於風扇組11和出口水溫預測單元160。風扇調整單元170用以接收由出口水溫預測單元160計算出的預測出口水溫T' _cwout 數據，且利用此數據藉由下列關係式計算出預測耗電功率W'：

其中，T _d 為上限出口水溫，且預測耗電功率W'的預測時間點與預測出口水溫T' _cwout 的預測時間點相同。風扇組11的調整操作頻率F _adj 為預測耗電功率W'的函數。在計算出預測耗電功率W'後，風扇調整單元170將預測耗電功率W'轉換為調整操作頻率F _adj ，然後再依據調整操作頻率F _adj 控制風扇組11的操作，例如調整風扇組11中每一變頻風扇的開關狀態或轉速，使得在預測出口水溫T' _cwout 不超過上限出口水溫T _d 的前提下，風扇組11的耗電功率可有效降低。

請參照第2A圖，第2A圖係繪示本發明實施例之出口水溫和原始出口水溫之示意圖。本發明實施例之出口水溫為使用本發明前饋控制系統100所得到的實際出口水溫，且原始出口水溫為未使用本發明前饋控制系統100所得到的出口水溫。在本發明實施例進行的驗證中，上限出口水溫的值設定為33℃。如第2A圖所示，本發明實施例之出口水溫大致高於原始出口水溫，且大致位於上限出口水溫之下。

請同時參照第2B圖，第2B圖係繪示本發明實施例之耗電功率和原始耗電功率之示意圖。如第2B圖所示， 本發明實施例之耗電功率大致在原始耗電功率之下。

由第2A和2B圖可知，在符合低於上限出口水溫的前提下，本發明實施例之出口水溫高於原始出口水溫，且較原始出口水溫接近於上限出口水溫，同時本發明實施例之耗電功率W'明顯較原始耗電功率W為小，代表本發明實施例可明顯減少電能消耗。

請參照第3A和3B圖，第3A圖係繪示本發明實施例之出口水溫和原始出口水溫之示意圖，且第3B圖係繪示本發明實施例之耗電功率和原始耗電功率之示意圖。第3A和3B圖與第2A和2B圖係在不同月份所進行的驗證結果。如第3A圖所示，本發明實施例之出口水溫大致高於原始出口水溫，且大致位於上限出口水溫之下，且如第3B圖所示，本發明實施例之耗電功率亦大致在原始耗電功率之下。

依據上述，本發明即使在不同時間點進行驗證，亦可得到相似的結果。透過本發明前饋控制系統100的設定，可在出口水溫不超過上限出口水溫的前提下，有效降低冷卻水塔中風扇組的耗電功率，以減少不必要的功率消耗，進而達成節能的功效。

請參照第4A和4B圖，第4A和4B圖係繪示本發明實施例在不同月份進行的驗證所得到的預測出口水溫T' _cwout 和實際的出口水溫T _cwout 之示意圖。如第4A和4B圖所示，出口水溫T _cwout 和預測出口水溫T' _cwout 幾乎一致，且預測出口水溫T' _cwout 的均方誤差(mean square error；MSE)大約在0.2%附近。由上述可知，使用本發明前饋控制系統100所 計算出的預測出口水溫T' _cwout 準確性高。

請參照第5圖，其係繪示依據本發明一實施例前饋控制方法500之流程圖。前饋控制方法500係使用於具風扇組、入水口和出水口的冷卻水塔上。本實施例係以N個入水口和一個出水口的冷卻水塔為例，而在不同實施例中，冷卻水塔的入水口和出水口個數可以是一個或多個。此外，冷卻水塔的風扇組包含至少一個變頻風扇。首先，進行步驟502，偵測出水口的出口水溫T _cwout 。接著，進行步驟504，偵測此N個入水口的入口水溫T ₁~T _N 。步驟504完成後，接著進行步驟506，以偵測冷卻水塔外的空氣溫度T _air 和空氣濕度H。之後，進行步驟508，偵測風扇組中所有變頻風扇產生的耗電功率W。此耗電功率W係風扇組中所有變頻風扇產生的次耗電功率的總和。

藉由進行步驟502至步驟508，以取得出口水溫T _cwout 、入口水溫T ₁~T _N 、空氣溫度T _air 、空氣濕度H和耗電功率W等冷卻水塔相關數據。接著，進行步驟510，藉由式(1)以得到預測出口水溫T' _cwout 。

接著，進行步驟512，根據在步驟510中得到的預測出口水溫T' _cwout 調整風扇組的操作，以控制冷卻水塔的出口水溫。詳細而言，在步驟512中，首先設定冷卻水塔的上限出口水溫T _d ，接著藉由式(2)計算出預測耗電功率W'。在式(2)中，預測耗電功率W'的預測時間點與預測出口水溫T' _cwout 的預測時間點相同。風扇組的調整操作頻率F _adj 為預測耗電功率W'的函數。因此，在計算出預測耗電功率W'後， 利用調整操作頻率F _adj 和預測耗電功率W'的函數關係，將預測耗電功率W'轉換為調整操作頻率F _adj ，然後再依據調整操作頻率F _adj 控制風扇組的操作，例如調整風扇組中每一變頻風扇的開關狀態或轉速。

藉由進行本發明的前饋控制方法500，可使冷卻水塔在預測出口水溫T' _cwout 不超過上限出口水溫T _d 的前提下，有效降低風扇組的耗電功率，減少風扇組過度運轉所產生的額外功率消耗，進而達成節能的功效。此外，前饋控制方法500亦提供操作的便利性，使用者只需要設定上限出口水溫T _d ，便可自動控制風扇組以最有效率的方式運作。

應注意的是，式(1)中係數a、b、c _i 、d、e和f的值可根據不同情況做對應調整，例如預測出口水溫T' _cwout 和出口水溫T _cwout 的時間間隔、冷卻水塔內水槽尺寸或系統穩定時間等。此外，在其他實施例中，步驟502可改變為偵測冷卻水塔中水槽內的水溫。

雖然本發明已以實施方式揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

10‧‧‧冷卻水塔

11‧‧‧風扇組

12A~12N‧‧‧入水口

13‧‧‧出水口

100‧‧‧前饋控制系統

110‧‧‧出口水溫偵測單元

120A~120N‧‧‧入口水溫偵測單元

130‧‧‧空氣溫度感測單元

140‧‧‧空氣濕度感測單元

150‧‧‧功率偵測單元

160‧‧‧出口水溫預測單元

170‧‧‧風扇調整單元

P_A~P_N‧‧‧製程設備

Claims (9)

1. 一種適用於一冷卻水塔之水溫預測系統，該冷卻水塔具有一風扇組、至少一入水口及一出水口，該水溫預測系統包含：一出口水溫偵測單元，設置於該出水口，該出口水溫偵測單元係用以偵測該出水口之一出口水溫；至少一入口水溫偵測單元，分別設置於該些出水口中之一者，該些入口水溫偵測單元之每一者係分別用以偵測該些入水口中之一者之一入口水溫；一空氣溫度感測單元，設置於該冷卻水塔外，該空氣溫度感測單元係用以偵測該冷卻水塔外之一空氣溫度；一空氣濕度感測單元，設置於該冷卻水塔外，該空氣濕度感測單元係用以偵測該冷卻水塔外之一空氣濕度；一功率偵測單元，電性連接於該風扇組，該功率偵測單元係用以偵測該風扇組產生之一耗電功率；以及一出口水溫預測單元，電性連接於該出口水溫偵測單元、該些入口水溫偵測單元、該空氣溫度感測單元、該空氣濕度感測單元及該功率偵測單元，其中該出口水溫預測單元係根據下列關係式產生該預測出口水溫： 其中，T' _cwout 為該預測出口水溫，T _cwout 為該出口水溫，N為該些出水口之個數，T _i 為該入口水溫，T _air 為該空氣溫度，H為該空氣濕度，W為該耗電功率，且a、b、c _i 、d、e及f分別為實數係數。
2. 如請求項1所述之水溫預測系統，其中該些實數係數係根據該些出水口之個數及該預測出口水溫與該出口水溫之一時間差作對應調整。
3. 如請求項1所述之水溫預測系統，其中該風扇組包含至少一變頻風扇，該功率偵測單元係用以偵測該些變頻風扇產生之至少一次耗電功率，且該耗電功率係該些次耗電功率之總和。
4. 一種適用於一冷卻水塔之前饋控制系統，該冷卻水塔具有一風扇組、至少一入水口及一出水口，該前饋控制系統包含：一水溫預測系統，包含：一出口水溫偵測單元，設置於該出水口，該出口水溫偵測單元係用以偵測該出水口之一出口水溫；至少一入口水溫偵測單元，分別設置於該些出水口中之一者，該些入口水溫偵測單元之每一者係分別用以偵測該些入水口中之一者之一入口水溫；一空氣溫度感測單元，設置於該冷卻水塔外，該空氣溫度感測單元係用以偵測該冷卻水塔外之一空氣溫度；一空氣濕度感測單元，設置於該冷卻水塔外，該空氣濕度感測單元係用以偵測該冷卻水塔外之一空氣濕度；一功率偵測單元，電性連接於該風扇組，該功率偵測單元係用以偵測該風扇組產生之一耗電功率；以及 一出口水溫預測單元，電性連接於該出口水溫偵測單元、該些入口水溫偵測單元、該空氣溫度感測單元、該空氣濕度感測單元及該功率偵測單元，其中該出口水溫預測單元係根據下列關係式產生該預測出口水溫： 其中，T' _cwout 為該預測出口水溫，T _cwout 為該出口水溫，N為該些出水口之個數，T _i 為該入口水溫，T _air 為該空氣溫度，H為該空氣濕度，W為該耗電功率，且a、b、c _i 、d、e及f分別為實數係數；以及一風扇調整單元，電性連接於該風扇組及該出口水溫預測單元，該風扇調整單元係用以根據該預測出口水溫調整該風扇組之操作，以控制該出口水溫。
5. 如請求項4所述之前饋控制系統，其中該風扇組包含至少一變頻風扇，該功率偵測單元係用以偵測該些變頻風扇產生之至少一次耗電功率，且該耗電功率係該些次耗電功率之總和。
6. 如請求項5所述之前饋控制系統，其中該風扇調整單元係用以根據該預測出口水溫分別調整該些變頻風扇之每一者之開關狀態或轉速。
7. 一種適用於一冷卻水塔之前饋控制方法，該冷卻水塔具有一風扇組、至少一入水口及一出水口，該前饋控制方法包含： 偵測該出水口之一出口水溫；偵測該些入水口中之每一者之一入口水溫；偵測該冷卻水塔外之一空氣溫度及一空氣濕度；偵測該風扇組產生之一耗電功率；根據下列關係式以得到一預測出口水溫： ；以及 根據該預測出口水溫調整該風扇組之操作，以控制該出口水溫；其中，T' _cwout 為該預測出口水溫，T _cwout 為該出口水溫，N為該些出水口之個數，T _i 為該入口水溫，T _air 為該空氣溫度，H為該空氣濕度，W為該耗電功率，且a、b、c _i 、d、e及f分別為實數係數。
8. 如請求項7所述之前饋控制方法，其中該風扇組包含至少一變頻風扇，其中偵測該風扇組產生之該耗電功率係偵測該些變頻風扇產生之至少一次耗電功率，且該耗電功率係該些次耗電功率之總和。
9. 如請求項8所述之前饋控制方法，其中根據該預測出口水溫調整該風扇組之操作係根據該預測出口水溫分別調整該些變頻風扇之每一者之開關狀態或轉速。