變頻調速在石化企業循環水溫控系統中的應用

摘要：本文介紹了石化企業冷卻塔風機上使用變頻器，使變頻風機和工頻風機配合運行，調節風量來精確地控制循環水溫度，同時降低能耗。

關鍵詞：循環水；風機；變頻調速器 PLC

前言

變頻調速以其優異的性能，在國內外得到廣泛的應用。石化企業的冷卻塔負責生產裝置循環水的冷卻工作，冷卻效果的好壞直接影響到生產裝置產品質量和運行效率。循環冷卻水系統是石油化工行業的一個主要耗能系統，風機耗電總量一般占總電量的15%～20%，由于循環水系統存在的設計余量較大及設備老化等方面情況，造成循環水系統的運行非最優運行方式，存在進行整體節能挖潛和節能改造的潛力和必要。2014年，在循環水冷卻塔風機上安裝2臺變頻器，變頻風機和工頻風機配合運行，通過PID閉環來控制水溫，解決了水溫波動大的問題，并降低了能耗。

1.循環水冷卻塔運行情況

天津石油化工生產裝置用的循環水由6座冷卻塔組成冷卻系統，每座冷卻塔有一臺風機，配套功率200 kW，轉速127r/min。循環水經過生產裝置換熱后，溫升約為（6—10）℃，經過地下管道匯集到總管，然后分6路上各個冷卻塔頂部，在冷卻塔中經風機冷卻后，匯集到吸水池，再經水泵升壓后送至生產裝置。

根據設計，循環水冷卻后的回水溫度低于32℃即可滿足生產需要。由于華北地區四季、晝夜溫差大，經常需要調整增減風機運行臺數的方法來調整冷卻塔風量。通過開停風機控制水溫，水溫波動大，溫度變化滯后；風機開停頻繁，對電機和電網造成沖擊。另外，經常出現多開一臺風機風量富余，少開一臺風機風量不足的情況，由于多開一臺風機造成能耗的浪費。

2.變頻控制系統的工作特性

2.1變頻控制系統的工作特性

在兩臺循環水冷卻塔風機上安裝變頻器，綜合優化控制程序和調速控制設備，根據生產要求水溫、環境溫度變化、風機氣動性能、冷卻塔填料冷卻性能，葉片工作狀態等影響因素，優化控制循環水系統的風機運行，對部分風機調速控制，對部分風機啟停控制，達到節能效果的優化。

對風機重要承載件葉片和傳動軸進行實時監控和故障預警報警，在葉片和傳動軸即將斷裂時，及時發出報警信號并可預置自動停機，防止斷裂的葉片和傳動軸打壞相關設施而造成的損失。并具有風機的驅動電機運行電流分析和監控軟硬件系統、減速箱油溫油位監控報警功能。保證安全生產，減少停機檢修時間和人力物力消耗，增加效益。

2.2變頻系統控制方案介紹

在回水總管上安裝雙頭輸出的熱電偶，一路送到溫度測量儀表，一路經溫變轉為標準信號，送入PLC，在PLC的PLD中與設定值比較運算后，將調節信號送到變頻器來調節風機轉速。在所需風量增加，變頻器增大輸出頻率，當增加到設定的高限值時，變頻器給出信號到PLC，PLC自動給出信號來投運一臺工頻風機。反之，在所需風量減少時，變頻器減少輸出頻率，當減少到設定的低限值，變頻器出信號到PLC，可人工或由PLC自動來停一臺工頻風機。

一臺風機的開停，對水溫的影響在1℃到1.5℃，要想充分發揮變頻器的節能作用，必須精確控制水溫。循環水系統從控制上講，是一個慣性滯后系統，風機的開停和轉速的變化，在半小時后才能在測溫系統中反映出來，如此長的滯后時間，一般的PID調節器根本無法完成控制。根據冷卻塔的實際運行狀況，建立控制數學模型，在PLC的PLD中建立預估器，在PID運算中預先考慮到變化提前控制，將循環水溫度波動控制在±0.5℃。

2.3變頻系統的構成及功能

兩臺變頻控制柜安裝在配電間，原風機控制柜仍保留，并于變頻柜互鎖，在變頻系統萬一發生故障時，用原控制柜控制。循環水控制室安裝一臺操作控制盤，PLC裝在盤內，操作控制盤上可顯示水溫、電機的電流、變頻器輸出頻率、故障報警、上下限頻率提示等，操作控制盤上還有啟停按鈕、自動手動轉換開關、正反轉控制開關等。可在控制盤上啟停風機也可在冷卻塔現場操作，當閉環控制系統出現異常時，可轉換到手動位置，用盤上的頻率調節旋鈕來調節頻率。另外，變頻控制柜由防晃電功能，采用延時自啟動方式，在短暫斷電10秒內來電，變頻系統自啟動。

自診斷功能。當設備產生事故時擾動時， 其事故信息首先進入寄存器，能在盤上顯示欠電壓、控制模塊故障、輸入保險絲斷、上位機的接口故障、接地故障、電路缺相、電路短路、電機過載、過流、過壓、過熱等事故狀態，以使維修人迅速檢修，同時有音響報警及事故解除裝置。

3.應用效果分析

3.1水溫恒溫控制。

采用變頻器加PLC的控制系統，實現了循環水恒溫控制。工藝要求將水溫控制在28℃，通過實際運行情況統計，水溫在（28±0.5）℃波動，達到了工藝要求。

3.2節能效果明顯。

采用水溫恒溫控制后，一方面減少了冷卻塔風機在工藝要求溫度以下的運行時間，減少了能源浪費。另一方面，2臺變頻風機在較低頻率下運行，大大減少了風機功率消耗。

一臺200KW冷卻塔風機在變頻工況下可運行7個月，每年節電38.55萬kW ·h，二臺風機一年節能77.13萬kW ·h。

參考文獻：

[1]佟純厚.近代交流調速[M].北京：冶金工業出版社

[2]胡崇岳.現代交流調速技術[M].北京：機械工業出版社.

作者簡介：張慶華，職務職稱：高級工程師。