基于變頻器技術(shù)的冷卻塔節(jié)能改造

趙毅斌

（寧波三菱化學(xué)有限公司，寧波 315175）

0 引言

某公司冷卻塔臺(tái)數(shù)總計(jì)7臺(tái)（5用2備），其中，單臺(tái)風(fēng)機(jī)年耗電量達(dá)622800 kW·h (300d×24h×86.5kW·h),單臺(tái)年電費(fèi)約38萬元，因此研究冷卻塔的節(jié)能問題意義重大。

變頻調(diào)速技術(shù)在社會(huì)各個(gè)領(lǐng)域均有廣泛應(yīng)用，為解決傳統(tǒng)冷卻塔存在的問題提供了技術(shù)基礎(chǔ)[1]。本文采用變頻器為核心的恒溫供水控制系統(tǒng)，較好地控制實(shí)時(shí)溫度，實(shí)現(xiàn)溫度恒定控制，具有節(jié)能、安全穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。依運(yùn)行結(jié)果可知，經(jīng)濟(jì)效益顯著，所以在工業(yè)生產(chǎn)中極具推廣價(jià)值[2]。

1 改造思想

1）采用JR9000系列變頻器取代原接觸器來控制風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)?？紤]到變頻器故障檢修時(shí)不間斷風(fēng)機(jī)運(yùn)行，采用帶檢修旁路的變頻器柜。

2）利用變頻器的節(jié)能功能實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)節(jié)能。因?yàn)轱L(fēng)機(jī)的風(fēng)量與風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)數(shù)的1次方成正比，壓力與轉(zhuǎn)數(shù)的2次方成正比，而風(fēng)機(jī)的軸功率與轉(zhuǎn)數(shù)的3次方成正比。假如風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)數(shù)降低15%，風(fēng)機(jī)的耗能將降低近40%?？梢姴捎米冾l器調(diào)速的節(jié)能空間巨大。

3）利用變頻器的完備的保護(hù)功能實(shí)現(xiàn)對電動(dòng)機(jī)的全面保護(hù)。變頻器具有過電流、過電壓、欠電壓、電動(dòng)機(jī)過載等保護(hù)功能。

2 冷卻塔系統(tǒng)變頻改造過程

2.1 冷卻循環(huán)水系統(tǒng)介紹

冷卻塔冷卻水循環(huán)系統(tǒng)圖如圖1所示。冷卻循環(huán)水系統(tǒng)主要由冷卻水泵、冷卻塔組成。冷卻水經(jīng)冷卻水泵加壓后，送入工藝用戶進(jìn)行冷卻熱交換。熱交換后的熱水通過熱泵送人冷卻塔，經(jīng)布水器，通過冷卻塔風(fēng)機(jī)降溫，降溫后的冷卻水通過出水管，流入冷卻水泵，經(jīng)加壓后再送入工藝用戶。

圖1 冷卻塔冷卻水循環(huán)系統(tǒng)圖

2.2 冷卻塔變頻節(jié)能改造原理

冷卻塔是冷卻水最主要的熱交換設(shè)備之一，它主要靠冷卻塔風(fēng)機(jī)對冷卻水降溫。風(fēng)機(jī)改造前是靠交流接觸器直接起動(dòng)控制，風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速是恒定的，不能調(diào)速，因此風(fēng)機(jī)的風(fēng)量也是恒定的，不能調(diào)節(jié)。為了使冷卻水溫度保持在20～28℃之間，在冷卻水泵的出口，即冷卻塔冷卻水進(jìn)口處安裝一個(gè)溫度變送器，采集冷卻水溫度，通過給出一路模擬信號(hào)給變頻器，經(jīng)變頻器自身的PID進(jìn)行調(diào)節(jié)，如圖2所示。變頻器給出適當(dāng)?shù)碾妷汉皖l率給冷卻塔電動(dòng)機(jī)調(diào)節(jié)冷卻塔風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速和輸出功率，這樣形成一個(gè)閉環(huán)反饋系統(tǒng)，維持冷卻水溫度，從而降低冷卻水溫度，冷卻水溫度降低時(shí)，減小風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，放慢熱交換的速度，從而減慢冷卻水溫度的降低。

圖2 變頻器改造原理圖

2.3 冷卻塔風(fēng)機(jī)主、控回路設(shè)計(jì)

2.3.1 冷卻塔風(fēng)機(jī)改造主電路

以單臺(tái)為例，為增加可靠性及維修方便，KM1打開，同時(shí)KM2閉合可自動(dòng)切換到工頻狀態(tài)運(yùn)行。

增加了電力綜合計(jì)量儀表一塊（EX8型），主要功能：記錄和查看電能計(jì)量數(shù)據(jù)。

安裝風(fēng)機(jī)變頻器一臺(tái)（JR9000系列變頻器）為變頻式閉環(huán)恒溫一體控制系統(tǒng)核心設(shè)備。用于電動(dòng)機(jī)的速度和轉(zhuǎn)矩控制，模塊化設(shè)計(jì)，具有體積小、安裝簡便、節(jié)能能源、控制準(zhǔn)確、安全可靠等特點(diǎn)。

另外，變頻器具有以下主要技術(shù)特性：

保護(hù)特性為過電流保護(hù)、I2t、過壓保護(hù)、欠電壓保護(hù)、過熱保護(hù)、短路保護(hù)、接地保護(hù)、欠

電壓緩沖、電動(dòng)機(jī)欠／過載保護(hù)、堵轉(zhuǎn)保護(hù)、串行通信故障保護(hù)、AI信號(hào)的丟失保護(hù)等。

豐富的菜單功能包括內(nèi)置PID、PFC等多種應(yīng)用功能，選擇需要的功能項(xiàng)目，相應(yīng)的參數(shù)都自動(dòng)設(shè)置，輸入輸出端子也將自動(dòng)配置，這些預(yù)設(shè)的配置大大節(jié)約了調(diào)試時(shí)間，減少出錯(cuò)。

2.3.2 冷卻塔風(fēng)機(jī)改造控制電路

輸出頻率控制部分：溫度變送器用于檢測冷卻水溫度。將實(shí)際溫度反饋給變頻器。給定值與反饋值通過變頻器進(jìn)行PID控制運(yùn)算。決定變頻器的輸出頻率。

工頻與變頻切換控制部分：KM1閉合，變頻器啟動(dòng)；如果變頻器及負(fù)載發(fā)生故障（過壓、欠壓、短路、過熱），則變頻器立即停止；KM2閉合，應(yīng)立即切換到工頻運(yùn)行，以保證正常工作。

變頻器工作狀態(tài)指示：包含變頻和工頻運(yùn)行指示、電源指示、故障狀態(tài)指示。

反饋測量部分：PT100溫度變送器將冷卻水溫度電阻信號(hào)轉(zhuǎn)換成可識(shí)別的4-20ma標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)傳到變頻器。

圖3 主電路

2.4 改造前后數(shù)據(jù)比較

如表1所示：

3 經(jīng)濟(jì)效益

變頻改造后運(yùn)行的平均頻率為40Hz，即：單臺(tái)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行電流為84A，運(yùn)行消耗功率為53kW，按年運(yùn)行300天計(jì)算，五臺(tái)風(fēng)機(jī)運(yùn)行年耗電1908000kW.h，單位電費(fèi)0.6元/kW.h，年電費(fèi)是114.5萬元。

變頻改造前電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行電流為159A，運(yùn)行消耗功率為86.5kW，五臺(tái)電動(dòng)機(jī)年運(yùn)行耗電3114000kW.h，單位電費(fèi)0.6元/kW.h，年電費(fèi)是186.8萬元。

可見，變頻改造后運(yùn)轉(zhuǎn)節(jié)電效果每年節(jié)約電費(fèi)72.3萬元，減去改造投資費(fèi)用74萬元，改造后1年即收回投資。

圖4 控制電路

表1 改造前后數(shù)據(jù)比較

4 結(jié)束語

設(shè)備改造工程于2009 年8 月完成，變頻器一次試車成功，運(yùn)行正常，運(yùn)行頻率在40 Hz左右，保證了循環(huán)水的正常溫度，取得了明顯的節(jié)電效果，并為電機(jī)的節(jié)能改造積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。

[1] 劉法治, 樊克艷, 李愛國. 變頻技術(shù)在生產(chǎn)車間冷卻供水改造中的應(yīng)用[J]. 河南科技學(xué)院學(xué)報(bào), 2010.

[2] 李振國, 田新東, 張廣強(qiáng), 高偉娜. 電廠空冷風(fēng)機(jī)變頻器蒸發(fā)冷卻技術(shù)改造[J]. 電力自動(dòng)化設(shè)備, 2008.