冷卻塔風(fēng)機(jī)的調(diào)速節(jié)能探討

石立民

關(guān)鍵詞：冷卻塔;變頻調(diào)速;節(jié)能

冷卻塔在重工業(yè)中非常重要，目前，電機(jī)式冷卻塔降溫仍占主導(dǎo)地位，比傳統(tǒng)的自然通風(fēng)式冷卻塔效率更高。然而，它帶來(lái)了一個(gè)非常真實(shí)的問(wèn)題，也就是能源消耗的增加，而且占據(jù)整個(gè)水循環(huán)的很大一部分，冷卻塔不僅重要的是節(jié)水設(shè)備，還是設(shè)備能耗。據(jù)統(tǒng)計(jì)，每小時(shí)1立方米水在冷卻塔中循環(huán)的能耗約0.07-0.1kW（含風(fēng)機(jī)能耗0.03-0.06kW），風(fēng)機(jī)冷卻塔年能耗達(dá)（70-140）×108kW？h，包括電力、紡織、造紙業(yè)、產(chǎn)鐵和石油化工產(chǎn)業(yè)等）。然而，冷卻塔節(jié)能的方法很多，比如限制水的壓力分布，改進(jìn)冷卻塔的氣動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)，降低冷卻塔的阻力，減少需要的空氣量，以及風(fēng)機(jī)調(diào)速等，為提高產(chǎn)品質(zhì)量，生產(chǎn)平穩(wěn)，節(jié)約能源，隨著變頻技術(shù)的不斷發(fā)展和成熟，變頻器調(diào)速在風(fēng)機(jī)冷卻塔中，特別是在恒壓調(diào)節(jié)中得到了廣泛的應(yīng)用，從而節(jié)約了成本，取得了經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益[1]。

1風(fēng)機(jī)調(diào)速節(jié)能的基本概念

據(jù)統(tǒng)計(jì)，每年炎熱季節(jié)以5%-10%的頻率出現(xiàn)，與濕球溫度相對(duì)應(yīng)的是冷卻塔設(shè)計(jì)的氣象參數(shù)，冷卻塔的日平均濕球溫度設(shè)計(jì)就是根據(jù)氣象參數(shù)制定的，包括干球溫度、相對(duì)濕度、大氣壓力等等。在非“熱季”，制冷劑（空氣）的冷卻能力會(huì)增強(qiáng)，此時(shí)，完成同樣的冷卻任務(wù)所需的冷卻劑量將會(huì)減少，空氣量會(huì)減少，發(fā)動(dòng)機(jī)的功率將非常小。在這一點(diǎn)上，如果按照最初的設(shè)計(jì)風(fēng)量，冷卻水溫度將低于設(shè)計(jì)溫度，有時(shí)是多余的且不必要的，會(huì)消耗更多的能源。在保證冷卻水溫度設(shè)計(jì)的前提下，節(jié)能可以通過(guò)調(diào)節(jié)（限制）空氣量來(lái)實(shí)現(xiàn)。調(diào)節(jié)空氣量的方法有很多種。通常有兩種：一種是限制風(fēng)機(jī)運(yùn)行的數(shù)量，另一種是改變風(fēng)機(jī)的性能，限制風(fēng)機(jī)的數(shù)量是間歇性的，間歇性的階梯調(diào)節(jié)，水溫可能突然變化，有時(shí)不能滿(mǎn)足生產(chǎn)工藝的要求[2]。

風(fēng)機(jī)的空氣量與風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速成正比，氣壓與風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的平方成正比，動(dòng)力軸等于進(jìn)風(fēng)氣量和氣壓的乘積，即動(dòng)力軸與發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的三次方成正比，理論上轉(zhuǎn)速下降10%時(shí)，功率將下降30%，由于功率下降較大，可以獲得明顯的節(jié)能效果。

2風(fēng)機(jī)性能變化方法

首先，手動(dòng)調(diào)整葉片角度。雖然這種方法不需要增加投資，但是適應(yīng)也很麻煩，往往很容易造成葉片固定設(shè)施損壞，如果采用的是風(fēng)機(jī)角度自調(diào)節(jié)，則成本更高。二是調(diào)節(jié)葉片轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)葉片轉(zhuǎn)速最直接的方法是調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速（調(diào)節(jié)齒輪箱風(fēng)機(jī)的減速比或調(diào)節(jié)葉片轉(zhuǎn)速，但裝置調(diào)節(jié)復(fù)雜昂貴）。目前電機(jī)調(diào)速技術(shù)越來(lái)越成熟，調(diào)速設(shè)備的投資也越來(lái)越便宜，因此調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速是一種切實(shí)可行的進(jìn)氣調(diào)節(jié)措施[3]。

3利用變頻裝置改變風(fēng)機(jī)功率頻率的優(yōu)點(diǎn)

電源的頻率可以通過(guò)變頻器的應(yīng)用來(lái)實(shí)現(xiàn)，所以電機(jī)和風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速可以改變，由于環(huán)境溫度（濕空氣球溫）的變化，冷卻塔的送風(fēng)量可以滿(mǎn)足不同的要求，因此可以實(shí)現(xiàn)節(jié)能。變頻器的輸出頻率依賴(lài)于驅(qū)動(dòng)控制，通過(guò)是在線水溫監(jiān)測(cè)端口或環(huán)境溫度檢測(cè)信號(hào)運(yùn)行的發(fā)送信號(hào)，因?yàn)樵诰€水溫監(jiān)測(cè)端口的信號(hào)更加可靠，檢測(cè)信號(hào)更準(zhǔn)確，更穩(wěn)定，它可以反映制冷量的變化，建議采用位置檢測(cè)信號(hào)。當(dāng)環(huán)境溫度發(fā)生變化時(shí)，冷卻塔溫度出口會(huì)隨之變化，通過(guò)控制電路控制變頻器出口，實(shí)現(xiàn)輸出頻率的變化，由于變頻器頻率調(diào)節(jié)精度一般達(dá)到1%-2%，頻率和速度呈線性，旋轉(zhuǎn)速度可以通過(guò)相對(duì)調(diào)頻來(lái)調(diào)節(jié)，從而獲得性能曲線梯度相差不大的風(fēng)機(jī)性能調(diào)節(jié)，從而達(dá)到節(jié)能降耗的目的[4]。

4變頻器應(yīng)用中的問(wèn)題

變頻調(diào)速裝置不應(yīng)調(diào)至較低的范圍，因?yàn)殡姍C(jī)在低速時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，很容易造成線路燃燒。另一方面，當(dāng)頻率（速度）較低時(shí)（例如低于百分之三十），速度將下降到30%以下，工作點(diǎn)不是風(fēng)量的30%，造成偏差很大，實(shí)際意義較低。低于50%頻率（速度）可以通過(guò)停用或開(kāi)啟多個(gè)風(fēng)機(jī)來(lái)調(diào)節(jié)，調(diào)頻通常會(huì)降低風(fēng)機(jī)效率，原因是因?yàn)樽非笮适钱a(chǎn)品開(kāi)發(fā)的目標(biāo)，通過(guò)多次實(shí)驗(yàn)得到的高效風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速標(biāo)準(zhǔn)[5]。

變頻器諧波污染帶來(lái)的危害不容忽視，所有在電力側(cè)有電路整流的器件都能因非線性而產(chǎn)生高次諧波，變頻器也不例外，變頻器中的大功率二極管整流、大功率晶體管可以在輸入輸出電路中產(chǎn)生高次諧波電流，干擾電源系統(tǒng)，負(fù)載及其他相鄰電氣設(shè)備。特別是精密儀表等需要高度抗干擾電腦控制要求很高。所以，體積大于每小時(shí)2000立方米的循環(huán)冷卻塔風(fēng)機(jī)不應(yīng)使用變頻裝置，由于改造風(fēng)機(jī)數(shù)量可以滿(mǎn)足工程節(jié)能的要求，高壓變頻器電路復(fù)雜，體積大，成本高，諧波污染嚴(yán)重，在使用時(shí)應(yīng)進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析。

5.冷卻塔風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速應(yīng)用

5.1循環(huán)水冷卻系統(tǒng)的改造

循環(huán)水冷系統(tǒng)主要由壓力水泵和冷卻塔組成，冷卻水從冷卻器經(jīng)冷凝器回壓泵，再輸送到冷卻塔，冷卻塔是冷卻水最重要的換熱裝置，冷卻風(fēng)機(jī)對(duì)冷卻塔進(jìn)行冷卻水，過(guò)去風(fēng)機(jī)直接從交流接觸器啟動(dòng)來(lái)控制風(fēng)機(jī)的送風(fēng)量，轉(zhuǎn)速恒定，不能調(diào)節(jié)，冷凝器對(duì)冷卻水溫度應(yīng)在28攝氏度-32攝氏度之間。為了滿(mǎn)足需求，安裝在進(jìn)水管上的溫度傳感器，可以檢測(cè)管道進(jìn)水的溫度，將電流模擬信號(hào)發(fā)送到變頻器，變頻器通過(guò)調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速和功率輸出，自動(dòng)調(diào)節(jié)變頻器。形成閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)，當(dāng)冷卻水溫度下降時(shí)，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速和換熱速度降低，當(dāng)冷卻水溫度升高時(shí)，提高風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速以加快換熱，從而保持冷卻水溫度的生產(chǎn)要求[6]。

5.2電氣控制電路調(diào)整

電氣控制電路的改造過(guò)程比較簡(jiǎn)單，原控制電路基本相同，只加220V-240V故障信號(hào)提示燈，連接到反常輸出端b-c變頻器位置（如果變頻器本身發(fā)生故障或電機(jī)發(fā)生故障，閉式B-C端子轉(zhuǎn)換器，提示紅指示燈）在冷卻塔和冷凝器之間的管道中間連接探頭溫度轉(zhuǎn)換器，在調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速方面，通過(guò)調(diào)壓調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，從而調(diào)節(jié)冷卻水溫度，在自動(dòng)狀態(tài)下，變頻器通過(guò)變溫器的模擬信號(hào)（4-20Ma）自動(dòng)調(diào)節(jié)PID控制[7]。

5.3負(fù)荷運(yùn)行與節(jié)能效果

當(dāng)風(fēng)機(jī)用負(fù)載測(cè)試儀運(yùn)行時(shí)，正常運(yùn)行，恒定旋轉(zhuǎn)，恒速升降，改造后效果非常理想，當(dāng)環(huán)境溫度低于22攝氏度時(shí)，變頻器輸出頻率約為30赫茲，冷卻水溫度約為28攝氏度。當(dāng)溫度為22攝氏度-35攝氏度，頻率為30-45赫茲，水溫在28-32攝氏度之間。當(dāng)環(huán)境溫度高于36攝氏度時(shí)，逆變器輸出頻率約為48赫茲，水溫約為33攝氏度。根據(jù)調(diào)查，當(dāng)環(huán)境溫度低于22攝氏度時(shí)，變頻后電源電流約3.3A，風(fēng)機(jī)功率從3kW額定功率到約1.7kW。當(dāng)溫度在22攝氏度-35攝氏度之間時(shí)，電壓為3.3A-4.7A，風(fēng)機(jī)功率為1.7kW-2.6kW。這說(shuō)明采用風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速監(jiān)測(cè)頻率，風(fēng)機(jī)輸出功率，節(jié)約能源，提高生產(chǎn)穩(wěn)定性，自動(dòng)化程度顯著提高，機(jī)器壽命長(zhǎng)。

6結(jié)論

冷卻塔風(fēng)機(jī)節(jié)能潛力大， 設(shè)計(jì)和管理應(yīng)給予足夠的重視，合理設(shè)計(jì)多臺(tái)風(fēng)機(jī)的停機(jī)和運(yùn)行可以達(dá)到一定的節(jié)能效果，如果能與變頻調(diào)速裝置配合使用， 對(duì)于不能使用多個(gè)冷卻塔的項(xiàng)目，節(jié)能效果可能更加明顯。 只是使用冷卻塔的風(fēng)扇調(diào)速，在節(jié)約能源的時(shí)候， 變頻調(diào)速的使用應(yīng)優(yōu)先考慮，實(shí)踐表明，冷卻塔經(jīng)變頻器改造后為風(fēng)機(jī)， 且節(jié)能效果顯著，在降低機(jī)械地面轉(zhuǎn)速后，減少機(jī)械磨損，延長(zhǎng)使用壽命，從而減少檢修量和檢修費(fèi)用，說(shuō)明冷卻塔風(fēng)機(jī)調(diào)速具有良好的運(yùn)行性能和節(jié)能效果。

參考文獻(xiàn)：

[1]熊耀平.電動(dòng)機(jī)調(diào)速在冷水機(jī)組的冷卻塔風(fēng)機(jī)中的節(jié)能應(yīng)用[J].科教文匯（下旬刊），2011：80+114.

[2]李德興.冷卻塔[M].上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，1981.

[3]胡連江.冷卻塔設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)運(yùn)算程序[J].中國(guó)給水排水，2000，16（12）：39-42.

[4]胡連江，王敬.淺談冷卻塔節(jié)能技術(shù)[J].工業(yè)用水與廢水，2006，37（增刊）：1-5.

[5]胡連江，趙新華，王敬.冷卻塔風(fēng)機(jī)的調(diào)速節(jié)能探討[J].中國(guó)給水排水，2009：109-111.

[6]變頻調(diào)速應(yīng)用實(shí)踐[M].北京機(jī)械工業(yè)出版社，2005.[2]百德福變頻器使用手冊(cè)：B500系列.

[7]岳慶來(lái).變頻器、可編程序控制器及觸摸屏綜合運(yùn)用技術(shù)[M].機(jī)械工業(yè)出版社，2006.