節能變頻控制低濕球閉式冷卻塔

張錚一，陳 星，楊 帆，惠 巍

（1.海洋石油工程股份有限公司，天津 300450；2.中國石油集團工程技術研究院北京石油機械有限公司，北京 102206；3.中國石油集團渤海石油裝備（天津）中成機械制造有限公司，天津 300280；4.西北（陜西）國際招標有限公司，陜西西安 710075）

0 引言

閉式冷卻塔（蒸發式空冷器）是一種高效的換熱設備，將冷卻塔與換熱器的功能合并，減少了管泵數量，維護方便，冷卻水全封閉循環，不受外界環境污染，能夠有效控制水垢生成；循環水沒有消耗，維護和運行費用低；冷卻后的水溫更接近環境濕球溫度。該產品隨著控制技術的升級，已廣泛應用于石油石化、電力工程、冶金制造、醫藥化工等行業。閉式冷卻塔作為蒸發式冷卻設備在冬季或者其他濕球溫度較低的工況下使用時，由于使用條件優于設計工況，設備的散熱性能也優于設計參數，此時在保證散熱量的情況下所需要的風量可減少，從而減少風機能耗，達到節能的目的。但在實際使用中，根據環境溫度的變化，人為控制風機的啟停很難實現，而且風機簡單的啟停使得設備散熱能力波動較大，很難實現平穩運行。因此，大量蒸發冷卻設備的用戶在設備滿足運行要求的情況下，都不對風機進行控制管理，產生大量運行能耗的浪費。為了進一步實現節能減排，使蒸發式冷卻設備在低濕球工況下運行更加合理，節省設備運行費用，延長設備使用壽命，研發出節能變頻控制閉式冷卻塔，設備運行實現閉環控制。

1 閉式冷卻塔結構

閉式冷卻塔由上下兩個箱體組成，上箱體右邊為換熱盤管，盤管下邊為換熱填料，左邊為風機引風腔及檢修通道。運行時，上箱體中工作流體在盤管中流動，盤管外壁被噴淋水包裹，流體的熱量通過管壁傳遞給管外水膜，水膜在風的作用下不斷蒸發帶走熱量，風和噴淋水同向流動的形式減少了水垢的形成并強化了換熱；經過盤管處換熱后的噴淋水流到下箱體的填料中繼續進行蒸發換熱，使自身溫度更低，從而在下一個循環中與工作流體形成更大的溫差，增強換熱效果，經過換熱后的空氣變成飽和濕熱空氣并被風機排入大氣（圖1）。

圖1 閉式冷卻塔工作原理

2 設備結構特點

（1）熱交換效率高。采用風、水同向二次熱交換的盤管與填料組合技術，有效避免了盤管壁干點和結垢，實現高效換熱。

（2）檢修方便。采用人性化結構設計，超大檢修門，內部空間寬敞，檢修人員在產品內部能輕松地進行各種檢修工作。

（3）實現不停機檢修。采用風、水同向設計結構，在設備運行時能方便地檢修噴嘴和盤管，可在不停機的情況下對浮球閥、過濾網進行檢修。

（4）運輸安裝方便。采用上、下箱體標準組件，現場安裝方便，且大大方便產品的運輸裝卸。

（5）節能環保。采用獨特的結構形式，具有高熱工性能、冷卻溫度低、節水、節電、低噪聲和維修成本低等優點。

（6）故障率低。風機和水泵均采用優質軸承，設備再無其他磨損運轉部件。風機采用直聯式結構，無皮帶輪結構帶來的傳動損失，噪聲低，故障率低。

（7）結構緊湊成本低。采用集傳統殼管式換熱器或板式換熱器、循環水泵、冷卻塔為一體，占地面積少，內循環水水質清潔。

（8）清洗方便。傾斜式集水池底部向排污口端傾斜和PVC填料熱交換層懸掛的結構設計，可方便清除集水池污水及雜質。

（9）可拆蓋板設計。針對內循環介質易堵塞、易結垢等特點，專門設計了可拆管箱結構，內部采用直管與管板焊接。焊接采用先脹后焊，確保焊縫處質量高，使用壽命長。管板焊接完成后全部進行探傷。

3 節能變頻控制工作原理

變頻控制節能原理：①溫度傳感器安裝在閉式冷卻塔進口管路上，采集設備運行時的溫度參數，當采集到的溫度參數高于設定值時，設備所有風機都工頻運行；②當采集到的溫度參數低于設定值時，控制器發出指令，變頻器開始對第1 個風機進行變頻控制，減少風機電機的頻率，減少風量從而減少設備的排熱能力，使系統的壓力值穩定在設定值附近；③當第1 個風機電機的頻率減少到電機額定頻率的1/2 時，風機電源將被切斷，接下來變頻器開始控制第2 個風機，只要采集到的溫度低于設定的經濟運行值，變頻器就會依次減少風機的運行頻率直至電源被切斷。

在環境溫度不斷變化的情況下，控制柜自動采集運行參數并做出相應的調節，使系統維持在比較經濟的情況下運行，節能效果明顯，特別是在冬季等氣溫較低的季節，效果相當明顯。通過程序控制建立了濕球溫度和絕熱飽和溫度的嚴格控制，可保證設備在低濕球溫度下長時間工作。變頻柜同時提供遠程監控、電機保護及報警功能，大大減少了電機損壞的概率。變頻柜由控制開關、電子式電能表、編程器、變頻器、小型接觸器、交流接觸器、電機保護器、逆變電源、內置溫控系統、柜體及附屬裝置等組成。

以7.5 kW-4-D型節能控制為例：①若冷卻塔要求出口溫度為32 ℃，當夏季天氣炎熱時，冷卻塔出口溫度在32 ℃或者偏上的工況點運行，則所有風機工頻運行；②當春秋冬等季節，濕球溫度降低，出口溫度低于設定值時，變頻器將對第1 個風機進行減速控制，使冷卻溫度穩定在32 ℃，若第1 個風機減速甚至停止運行后，溫度仍然低于32 ℃，則變頻器切換到第2 個風機對其進行控制，以此類推，直至冷卻溫度穩定在32 ℃為止。在保證系統運行良好的情況下，風機減速或者停止運行所減少的電能就是變頻柜所達到的節能效果。

4 節能變頻控制特點及效果

該裝置通過壓力的反饋來調節電機的轉數及個數，配置知名品牌設備變頻器、編程控制器，達到國家1 級節能減排標準。

（1）節能高效。變頻提速，通過PID 信號反饋由變頻器自動調節達到節能目的，使壓力或流量恒定。該系統輔助裝置自主開發，可以根據當地的氣候、溫度自動調節達到最佳的節能效果，比使用前節能近50%。

（2）自動可靠。操作管理便捷，實現編程控制，由信號反饋裝置的微機中央控制。使用多種保護功能，系統運行可靠。

（3）節約成本。利用單一電機控制部件控制至少2 臺電機的工作狀態，減少了電路中尤其是變頻器等電機控制部件的數量，優化了電路的制造成本，降低電機控制部件的投入成本至數分之一，減少資源浪費。利用變頻器等的電機控制部件控制2 臺以上電機，實現了對電能的最小損耗，使電機控制電路具有優越的節能效果。

（4）啟動平穩。安裝節能變頻柜后，所有風機的啟動均為軟啟動，減少了設備啟動時對電網的沖擊，特別是對于采用大功率風機的冷卻器，可以省去價格昂貴的軟啟動裝置。

5 現場應用

隨著近些年國內各油田對自身在用生產設備的能耗持續關注，以及本智能變頻低濕球閉式冷卻塔的應用效果得到認可，在新建項目的采用率極高。2015—2019 年，本產品成功配套于陜西焦化、大港油田、煙臺電力、勝利油田等多個新建項目，現場使用節能效果明顯，得到一線使用單位的認可。本產品實現智能化控制，參數根據環境改變設置，運行工況及參數實時顯示，可遠程監控運行、故障及時報警等。本控制技術還可以延伸應用于在用運行設備的節能控制改造，2017 年對惠州煉化一組閉式冷卻塔進行節能控制改造升級，節能效果顯著，對運行能耗統計對比，運行16 個月基本上可收回節能改造的投資費用。