基于變頻器技術的冷卻塔節能改造

趙毅斌

（寧波三菱化學有限公司，寧波 315175）

0 引言

某公司冷卻塔臺數總計7臺（5用2備），其中，單臺風機年耗電量達622800 kW·h (300d×24h×86.5kW·h),單臺年電費約38萬元，因此研究冷卻塔的節能問題意義重大。

變頻調速技術在社會各個領域均有廣泛應用，為解決傳統冷卻塔存在的問題提供了技術基礎[1]。本文采用變頻器為核心的恒溫供水控制系統，較好地控制實時溫度，實現溫度恒定控制，具有節能、安全穩定等優點。依運行結果可知，經濟效益顯著，所以在工業生產中極具推廣價值[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機轉數。考慮到變頻器故障檢修時不間斷風機運行，采用帶檢修旁路的變頻器柜。

2）利用變頻器的節能功能實現風機節能。因為風機的風量與風機的轉數的1次方成正比，壓力與轉數的2次方成正比，而風機的軸功率與轉數的3次方成正比。假如風機的轉數降低15%，風機的耗能將降低近40%。可見采用變頻器調速的節能空間巨大。

3）利用變頻器的完備的保護功能實現對電動機的全面保護。變頻器具有過電流、過電壓、欠電壓、電動機過載等保護功能。

2 冷卻塔系統變頻改造過程

2.1 冷卻循環水系統介紹

冷卻塔冷卻水循環系統圖如圖1所示。冷卻循環水系統主要由冷卻水泵、冷卻塔組成。冷卻水經冷卻水泵加壓后，送入工藝用戶進行冷卻熱交換。熱交換后的熱水通過熱泵送人冷卻塔，經布水器，通過冷卻塔風機降溫，降溫后的冷卻水通過出水管，流入冷卻水泵，經加壓后再送入工藝用戶。

圖1 冷卻塔冷卻水循環系統圖

2.2 冷卻塔變頻節能改造原理

冷卻塔是冷卻水最主要的熱交換設備之一，它主要靠冷卻塔風機對冷卻水降溫。風機改造前是靠交流接觸器直接起動控制，風機的轉速是恒定的，不能調速，因此風機的風量也是恒定的，不能調節。為了使冷卻水溫度保持在20～28℃之間，在冷卻水泵的出口，即冷卻塔冷卻水進口處安裝一個溫度變送器，采集冷卻水溫度，通過給出一路模擬信號給變頻器，經變頻器自身的PID進行調節，如圖2所示。變頻器給出適當的電壓和頻率給冷卻塔電動機調節冷卻塔風機轉速和輸出功率，這樣形成一個閉環反饋系統，維持冷卻水溫度，從而降低冷卻水溫度，冷卻水溫度降低時，減小風機轉速，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 冷卻塔風機主、控回路設計

2.3.1 冷卻塔風機改造主電路

以單臺為例，為增加可靠性及維修方便，KM1打開，同時KM2閉合可自動切換到工頻狀態運行。

增加了電力綜合計量儀表一塊（EX8型），主要功能：記錄和查看電能計量數據。

安裝風機變頻器一臺（JR9000系列變頻器）為變頻式閉環恒溫一體控制系統核心設備。用于電動機的速度和轉矩控制，模塊化設計，具有體積小、安裝簡便、節能能源、控制準確、安全可靠等特點。

另外，變頻器具有以下主要技術特性：

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

電壓緩沖、電動機欠／過載保護、堵轉保護、串行通信故障保護、AI信號的丟失保護等。

豐富的菜單功能包括內置PID、PFC等多種應用功能，選擇需要的功能項目，相應的參數都自動設置，輸入輸出端子也將自動配置，這些預設的配置大大節約了調試時間，減少出錯。

2.3.2 冷卻塔風機改造控制電路

輸出頻率控制部分：溫度變送器用于檢測冷卻水溫度。將實際溫度反饋給變頻器。給定值與反饋值通過變頻器進行PID控制運算。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；如果變頻器及負載發生故障（過壓、欠壓、短路、過熱），則變頻器立即停止；KM2閉合，應立即切換到工頻運行，以保證正常工作。

變頻器工作狀態指示：包含變頻和工頻運行指示、電源指示、故障狀態指示。

反饋測量部分：PT100溫度變送器將冷卻水溫度電阻信號轉換成可識別的4-20ma標準信號傳到變頻器。

圖3 主電路

2.4 改造前后數據比較

如表1所示：

3 經濟效益

變頻改造后運行的平均頻率為40Hz，即：單臺電動機的運行電流為84A，運行消耗功率為53kW，按年運行300天計算，五臺風機運行年耗電1908000kW.h，單位電費0.6元/kW.h，年電費是114.5萬元。

變頻改造前電動機的運行電流為159A，運行消耗功率為86.5kW，五臺電動機年運行耗電3114000kW.h，單位電費0.6元/kW.h，年電費是186.8萬元。

可見，變頻改造后運轉節電效果每年節約電費72.3萬元，減去改造投資費用74萬元，改造后1年即收回投資。

圖4 控制電路

表1 改造前后數據比較

4 結束語

設備改造工程于2009 年8 月完成，變頻器一次試車成功，運行正常，運行頻率在40 Hz左右，保證了循環水的正常溫度，取得了明顯的節電效果，并為電機的節能改造積累了豐富的經驗。

[1] 劉法治, 樊克艷, 李愛國. 變頻技術在生產車間冷卻供水改造中的應用[J]. 河南科技學院學報, 2010.

[2] 李振國, 田新東, 張廣強, 高偉娜. 電廠空冷風機變頻器蒸發冷卻技術改造[J]. 電力自動化設備, 2008.