冷却塔风机联合变频节能探讨

前言

江阴兴澄特钢制氧分厂三期循环冷却水系统设计有5台四格钢结构逆流式冷却塔，设计循环水量7500m ³ /h，水池容量2000m ³ ，运行循环水量5200m ³ /h，单塔冷却水量1600m ³ /h。

冷却塔风机自2009年建成使用以来，已连续运行10年，随着冷却塔风机运行时间延长，电耗不断增加，冷却效率逐年降低。为了降低冷却塔系统在日常运行维护中的成本，笔者对冷却塔节能方面进行系统性的分析和探讨。

1  现状与问题

1.1  冷却塔风机现状

江阴兴澄特种钢铁有限公司三期制氧循环水系统共有6台高压水泵和5台冷却塔风机。系统冷却塔运行现状：

冷却塔功率55kW，供电电压380V，流量1600m ³ /h，共5 台，夏季（7、8、9 月）开5台，过渡季（4、5、6、10 月）开4 台，冬季（11、12、1、2、3 月）开3 台。

循环水泵设备配置：功率500kW，供电电压10kV，流量2200m ³ /h，扬程46 m，数量6 台。

风机运行数量和耗能的增加一般有两个方面的原因造成：

一是循环回水温度升高，风机所带来的冷却水量一定，在一定程度内到达了风机冷却极限，夏季室外温度较高，携带大量的热能，导致冷却塔风机开启数量增加，耗能增加。

二是冷却塔冷却效率降低，风机运行产生的无用功率较多，冷却塔风机机组没有有效的优化节能，运行数量的增加并未起到相匹配的冷却效果。

1.2  风机数量和耗能增加的要因确认对循环水回水温度和冷却塔进出水温差情况进行统计分析：

从表1 中可以看出连续2 年8、9 月份的回水温度差别不大，虽然室外气温升高对水温有一定的影响，但此影响并不是很大，甚至2018 年的水温更低，所以外界环境温度所带来的热能并非主要原因。

从表2 中可以看出5~7 月份进出口水温差出现下降趋势，表明循环水量不变，风机运行数量增加，但并未起到很好的冷却降温效果。

表1  2017、2018 年循环水回水平均温度对比℃

表2  2017、2018 年冷却塔进出水温差对比℃

所以只有大幅度提高冷却塔风机的运行效率，才能有效降低风机耗能，达到节能增效的效果。

1.3  存在的问题

确认了造成冷却塔风机耗电增加和冷却效果不好的根本原因是冷却塔风机产生过多的无效功之后，笔者对冷却塔和风机运行情况做了现场调查，存在以下问题：

（1）现场共有5 台冷却塔，冷却塔管路采用并联方式，低负荷时冷却塔开启部分风机，未开启风机的冷却塔会产生浑水现象，造成回水温度升高，能耗大。

（2）冷却塔没有采用风机联合变频控制。消耗的功率是开启台数的倍数关系，冷却塔的整体利用率低，冷却塔出水温度较高，导致能耗偏高。

（3）冷却塔全部工频开启无法运行在风电比高效区间，导致能耗浪费。即风机功率百分比随频率上升而增大，同时风量百分比也增大，但两者却非线性关系。

2  冷却塔风机联合变频的探讨

2.1  冷却塔变频节能改造

冷却塔是循环水系统中一种必不可少的换热设备，主要是依靠冷却塔上的风机对循环冷却水回水进行风冷降温。风机以前采用交流接触器启动控制模式，恒定的转速，因此风机所带来的风量也是恒定的，不可以控制调节，只有启动和停止之分，极易形成高成本和低效率两个极端的现象。为了能够让循环冷却水温稳定地控制在27~ 30 ℃ 区间，同时提高冷却塔风机实时效率，采取风机变频节能的改造。在高压水泵的出口（循环水管网总管入口）处安装一个温度传感器，通过将传感器的温度模拟信号输送给变频器，再由变频器自身的PID 进行调节，根据输出冷却水的温度，适应性地调整风机电机的电流和频率，从而调整风机在运行过程中的输出功率和转速，形成一个完整的闭环反馈系统，避免出现在冷却塔风机开停中所带来的循环水温度高低矛盾现象，起到节能降本的作用。

2.2  冷却塔联合变频的升级节能改造

2.2.1  联合变频的原理

由冷却塔风机功率百分比和风量百分比随风机频率变化的曲线图（图1）看出，风机功率百分比随频率上升而增大，同时风量百分比也增加大，但两者不是线性关系。在频率25~42Hz时，冷却塔电机耗电量在13%~51%，这时风量可达到55%~86%，该区的平均电风比例为1∶2.218，两侧的电风比都呈下降趋势。由此可得出：在满足温度需求的前提下，使冷却塔风机运行在25~42Hz高效区内，可实现节能目的。

图1 风量与电机功率的关系

其次，由冷却塔风量和出水温度变化的曲线图（图1）可以看出，随着冷却塔风量的上升，冷却塔出水温度下降。在达到一定风量后，继续增大风量，出水温度也几乎不再变化。理论上出水温度始终不会低于环境的湿球温度。据此找到风机的运行频率点，通过对冷却塔群的控制，将风机运行频率自动锁定在风机高效区，使出水温度接近湿球温度，实现节能目的。

2.2.2  联合变频的探讨

运用联合变频节能原理，结合分厂实际冷却塔运行状况进行节能探讨。现以3 台冷却塔运行为例，同等环境不同方案进行节能对比。

方案一：3 台开启2 台，另1台旁通，功率=2P ₀ ，出水温度31℃，见图2。

结论：混水造成总的冷却塔温度较高。

方案二：3 台开启2台，另1台不旁通，功率=2P ₀ ，出水温度30℃，见图3。

结论：单台冷却塔的流量过大，冷却效果下降，造成冷却塔的出水温度较高。

方案三：3 台全开，联合变频控制，功率=1.5P ₀ ，出水温度29℃，见图4。

结论：在采用冷却塔联合变频控制的情况下，消耗的功率较小，冷却塔的整体利用率高，冷却水出水温度相对较理想。

综上所述：在联合变频工况下，开启3台冷却塔，额定功率只为1.5倍单台塔额定功率，而出水温度降低到29℃，比不采用联合变频技术工况下的出水温度降低1~2℃。

2.2.3  联合变频的改造

安装冷却塔模块化能效控制柜，通过对环境温度、环境湿度、湿球温度、进水温度采集，利用近湿球温度控制技术计算出当前冷却塔系统最大冷却能力和最大可以冷却到的温度值，再通过多参数冷却水出水温度技术，得到最佳的出水温度目标值、最佳能效区间值等参数，采用风机联合变频开启，实现冷却塔整体运行高效化，实现冷却循环水输配系统的效率提升。

通过安装WISDOM 管理平台，采用自动化控制平台连接所有设备模块化控制柜，实现自动化控制，达到实时监控、定时记录数据、统计风机能耗等效果。

3  经济效益分析

根据开机时间计算用电量数据：

优化前：夏季594000kW·h，过渡季633600kW·h，冬季594000kW·h，合计1821600 kW·h。优化前能耗：1821600kW·h，优化后能耗1275120kW·h，节约能耗546480 kW·h，节能率30%。按电价0.6元/kW·h 计算，优化前费用109.2960万元，优化后费用76.5072万元，节约费用32.7888万元。

综上所述，对循环水冷却塔进行一系列改造升级后，经实际测试节能率达到30%，节省电量约55万kW·h，折合效益约33万元，冷却效果大幅度提升。

4  结束语

冷却塔风机根据收集的出水温度的数据实时风机变频调节原理进行节能控制，摒弃了原先直启风机的传统观念，在变频节能改造的基础上进行联合变频节能的升级改造。笔者结合现场多方案的节能探讨，提出相应的控制措施，根据实测数据，确认联合变频能够发挥出冷却塔风机的最佳运行效果，在实践中进一步探索出节能创新举措。

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