冷却塔风机的变频控制与节能降耗.docx

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冷却塔风机的变频控制与节能降耗

李方园/浙江工商职业技术学院

摘要:

通过变频调速控制调节在夜间或气温较低的季节气候条件下,冷却风机的转速和开启台数,达到节能效果。

关键词:

冷却塔风机变频器PID控制

中图分类号:

TH43 文献标识码:

文章编号:

1006-8155（2007）02-0057-03

TheFrequencyControlandEnergySavingfortheFanforCoolingTower

Abstract:

Theenergysavingresultcanbereached

throughcontrollingthespeedandnumberofstartedfansofcoolingtowerfansbythefrequencyconversioncontrollerontheconditionduringthenightorlowertemperature.

Keywords:

CoolingtowerforFanFrequencyconverterPIDControl

0引言

风机为冷却塔机械通风的关键设备,通常都采用户外立式冷却塔专用电机,具有效率高,耗电省,防水性能好等特点。

水从冷却塔滴下时,冷却风机使之与空气较充分的接触,将热量传递给周围空气,使水温降下来。

长期以来,冷却塔的节能降耗问题却未引起足够重视,大部分冷却塔没有任何节能措施,究其原因,主要有两个方面:

（1）冷却塔生产厂与其配套电器设备厂分离;

（2）行业落后,现代化控制与变频技术没有渗透到冷却塔的节能中。

由于冷却塔的设备容量是根据在夏天最大热负载的条件下选定的,也就是考虑到最恶劣的条件。

然而在实际设备运行中,由于季节、气候、工作负载的等效热负载等诸多因素都决定

收稿日期:

2006-10-28宁波市315012

了机组设备经常是处于在较低热负载的情况下运行,所以机组的耗电通常是不必要且浪费的。

1典型的冷却塔风机控制方式

在典型的冷却塔风机控制系统中,变频器可以利用内置PID功能,组成以温度为控制对象的闭环控制。

图1所示为典型的冷却塔变频控制原理,冷却塔风机的作用是将出水温度降到一定的值,其降温的效果可通过调整变频器的速度来进行。

被控量（出水温度）与设定值的差值经过变频器内置的PID控制器后,送出速度命令并控制PWM输出,最终调节冷却塔风机的转速。

图1冷却塔风机变频控制原理

温度信号给定量通过变频器操作面板的参数设定,温度反馈量通过出水管路中的温度检测以4~20mA的电流形式从R口输入（以安川VS系列变频器为例）,然后通过设置合理的PI参数（Kp=80%比例增益;Ki=30s积分时间;T=5s采样周期;10%偏差极限）就可以获得满意的闭环控制。

风机技术2007年第2期/节能

图2冷却塔风机变频接线示意

对冷却塔风机采用变频调速控制,还应注意以下几点。

（1）由于冷却塔风机驱动部分的转动惯量一般都较大,所以给定加减速时间要长一些,如30~50s。

（2））在实际运转中经常会由于外界风力的作用使冷却风机自转,此时如果启动变频器,电动机会进入再生状态,就会出现故障跳闸。

对于变频器应该将启动方式设为转速跟踪再启动,这样就可在变频器启动前,通过检测电机的转速和方向来实现对旋转中电机的平滑无冲击启动。

（3））由于是普通电机,因此应该设置最低运转频率,以保持电机合适的温升,通常频率下限为20Hz。

（4）为防止在较宽运转频率范围内（一般20

~50Hz）冷却风机出现特定转速下的机械共振

现象,应该在试运转中分析这种情况,并采取修改参数的方法将系统的固有频率列为跳跃频率。

2多台风机变频节能控制系统

在大容量冷却水系统中,采用多冷却塔变频控制也是一种常见的方式。

在某冷却水控制系统中,用户采用PLC控制两台风机,其中M1为工频风机,M2为变频风机,如图3所示（其中变频器采用艾默生的TD2000系列）;M2变频风机控制采用闭环温度PID控制。

PLC则利用TD2000的开路集电极Y1和Y2的输出功能,获得该变频器的频率运行状态是在上限（FHL）或是下限（FLL）,就可以自动开停M1工频风机,而M2变频风机始终处于工作状态。

风机M2的工作状态分两种:

一是处于20~50Hz运行;另一种是长时间处于20Hz运行。

为了保证节能效果,对于后者就可以采用节能方式（休眠状态）。

它只需设置一个零频运行阈值和零频回差即可。

这样休眠的控制方式非常有效,尤其是在夜间冷负荷相对较低的情况下。

显然,低速运行是冷却塔本身节能所在。

比如,两台主机和两台冷却塔对应,在两台主机满载工作时,如室外工况要求两台冷却塔100%投入,毫无疑问,这种满载工况的出现并没有可以节能的余地了,但是这种满载概率在舒适性空调中通常不超过10%;系统在全年的运行中,大部分时间是处在部分负荷状态下。

也就是说,全年90%以上的时间都有节能的余地。

图3冷却塔多风机变频控制原理

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从图3中看出,PLC主要起到了开关控制的作用,可采用小型PLC,如西门子的CPU221、LG的K10S1或其他品牌的小型PLC。

当然,本方案的功能只对同一出水并联的多冷却塔才有效,不同机组或不同出水管路均有局限性。

3冷却塔风机的优化温度设置

根据一般的工程常识,对于机械式冷却塔,风扇转速越高,冷却水的温度就会越低,此时冷却塔的耗电也就越多;可对于空调主机来说,冷却水温度越低,主机的耗电就会越少。

反之,冷却塔转速越低,冷却水的温度越高,这样冷却塔的耗电越少。

但对于空调主机来说,由于进入冷凝器的水温升高,相应的主机耗电会增加,这里显然存在一个优化控制的问题。

图4是3516kW（1000Ton）离心主机在50%荷载时,某一湿球温度下的瞬间能耗比较图。

由图中分析可知,对于冷却塔能耗线,随着冷却水温度的提高,冷却塔的能耗就相应减少;而对于主机能耗曲线,随着冷却水温度的提高,主机的能耗也相应增加。

因此,单一设备的节能并不能说明该系统节能,综合能耗是主机能耗和冷却塔能耗的叠加,只有在图中找出综合能耗的最低点,才是最佳的系统节能。

图4中,在该工况下,该冷却水优化温度为28C。

不同的机器有不同的优化温度公式,文献[1,2]给出的是一单台螺杆冷水机组的最优冷却水控制温度的算法。

4结束语

综上所述,根据负荷变化对冷却塔风机系统进行节能控制,对于系统的节能降耗具有十分重要的意义。

本文结合单机和多机两种不同的工程,提出了相应的控制措施,使其能发挥最佳的运行效果,并提出了冷却塔温度的最优控制计算。

图4冷却水温度变化与机组能耗关系示意图

参考文献

[1]MarkHydeman,KenGillespieandRonKammerud,AToolkittoImproveEvaluationandOperationofChilledWaterPlants,TheCool$enseNationalForumonIntegratedChillerRetrofits,SanFrancisco,September1997.

[2]美国专利号:

U.SPatentNo.560096,1995.

[3]张燕宾.变频调速应用实践[M].北京:

机械工业出版社,2001.

（上接第40页）

表2进气箱和集流器组合对比

项目

组合1

组合2

图2进气箱

马蹄形集流器

图3b进气箱

近圆弧形集流器

模具静重/kg

630

模具工时/h

产品静重/kg

2655.8

1395.4

2395

495

产品工时/h

180

145

100

投资成本/元

10915.3

8933.9

9192.5

2632.5

合计/元

19849.2

11825

注:

图3b进气箱与机壳侧板共用,故进气箱的质量更轻一些;工时按:

9元/h计;材料按:

3.5元/kg。

表2显示,组合2的总投资成本减少了8024.2元。

这两种组合另需的设备有:

开料设备、三辊卷板机、电焊机;组合1还另需:

铸造、车床、油压机等,可见它增加了设备损耗,工序以及工序带来的管理成本。

且组合2产品重量

比组合1轻了1t多,对运输和用户地基要求也就降低了一挡。

可见组合2的使用是一种双赢的产品结构。

参考文献

[1]商景泰.通风机手册[M].机械工业出版社,1994.

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