冷卻塔風機的調速節能探討

石立民

關鍵詞：冷卻塔;變頻調速;節能

冷卻塔在重工業中非常重要，目前，電機式冷卻塔降溫仍占主導地位，比傳統的自然通風式冷卻塔效率更高。然而，它帶來了一個非常真實的問題，也就是能源消耗的增加，而且占據整個水循環的很大一部分，冷卻塔不僅重要的是節水設備，還是設備能耗。據統計，每小時1立方米水在冷卻塔中循環的能耗約0.07-0.1kW（含風機能耗0.03-0.06kW），風機冷卻塔年能耗達（70-140）×108kW？h，包括電力、紡織、造紙業、產鐵和石油化工產業等）。然而，冷卻塔節能的方法很多，比如限制水的壓力分布，改進冷卻塔的氣動力學設計，降低冷卻塔的阻力，減少需要的空氣量，以及風機調速等，為提高產品質量，生產平穩，節約能源，隨著變頻技術的不斷發展和成熟，變頻器調速在風機冷卻塔中，特別是在恒壓調節中得到了廣泛的應用，從而節約了成本，取得了經濟效益和社會效益[1]。

1風機調速節能的基本概念

據統計，每年炎熱季節以5%-10%的頻率出現，與濕球溫度相對應的是冷卻塔設計的氣象參數，冷卻塔的日平均濕球溫度設計就是根據氣象參數制定的，包括干球溫度、相對濕度、大氣壓力等等。在非“熱季”，制冷劑（空氣）的冷卻能力會增強，此時，完成同樣的冷卻任務所需的冷卻劑量將會減少，空氣量會減少，發動機的功率將非常小。在這一點上，如果按照最初的設計風量，冷卻水溫度將低于設計溫度，有時是多余的且不必要的，會消耗更多的能源。在保證冷卻水溫度設計的前提下，節能可以通過調節（限制）空氣量來實現。調節空氣量的方法有很多種。通常有兩種：一種是限制風機運行的數量，另一種是改變風機的性能，限制風機的數量是間歇性的，間歇性的階梯調節，水溫可能突然變化，有時不能滿足生產工藝的要求[2]。

風機的空氣量與風機的轉速成正比，氣壓與風機轉速的平方成正比，動力軸等于進風氣量和氣壓的乘積，即動力軸與發動機風機轉速的三次方成正比，理論上轉速下降10%時，功率將下降30%，由于功率下降較大，可以獲得明顯的節能效果。

2風機性能變化方法

首先，手動調整葉片角度。雖然這種方法不需要增加投資，但是適應也很麻煩，往往很容易造成葉片固定設施損壞，如果采用的是風機角度自調節，則成本更高。二是調節葉片轉速，調節葉片轉速最直接的方法是調節電機轉速（調節齒輪箱風機的減速比或調節葉片轉速，但裝置調節復雜昂貴）。目前電機調速技術越來越成熟，調速設備的投資也越來越便宜，因此調節電機轉速是一種切實可行的進氣調節措施[3]。

3利用變頻裝置改變風機功率頻率的優點

電源的頻率可以通過變頻器的應用來實現，所以電機和風機的轉速可以改變，由于環境溫度（濕空氣球溫）的變化，冷卻塔的送風量可以滿足不同的要求，因此可以實現節能。變頻器的輸出頻率依賴于驅動控制，通過是在線水溫監測端口或環境溫度檢測信號運行的發送信號，因為在線水溫監測端口的信號更加可靠，檢測信號更準確，更穩定，它可以反映制冷量的變化，建議采用位置檢測信號。當環境溫度發生變化時，冷卻塔溫度出口會隨之變化，通過控制電路控制變頻器出口，實現輸出頻率的變化，由于變頻器頻率調節精度一般達到1%-2%，頻率和速度呈線性，旋轉速度可以通過相對調頻來調節，從而獲得性能曲線梯度相差不大的風機性能調節，從而達到節能降耗的目的[4]。

4變頻器應用中的問題

變頻調速裝置不應調至較低的范圍，因為電機在低速時會產生大量的熱量，很容易造成線路燃燒。另一方面，當頻率（速度）較低時（例如低于百分之三十），速度將下降到30%以下，工作點不是風量的30%，造成偏差很大，實際意義較低。低于50%頻率（速度）可以通過停用或開啟多個風機來調節，調頻通常會降低風機效率，原因是因為追求效率是產品開發的目標，通過多次實驗得到的高效風機轉速標準[5]。

變頻器諧波污染帶來的危害不容忽視，所有在電力側有電路整流的器件都能因非線性而產生高次諧波，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生高次諧波電流，干擾電源系統，負載及其他相鄰電氣設備。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2000立方米的循環冷卻塔風機不應使用變頻裝置，由于改造風機數量可以滿足工程節能的要求，高壓變頻器電路復雜，體積大，成本高，諧波污染嚴重，在使用時應進行技術經濟分析。

5.冷卻塔風機變頻調速應用

5.1循環水冷卻系統的改造

循環水冷系統主要由壓力水泵和冷卻塔組成，冷卻水從冷卻器經冷凝器回壓泵，再輸送到冷卻塔，冷卻塔是冷卻水最重要的換熱裝置，冷卻風機對冷卻塔進行冷卻水，過去風機直接從交流接觸器啟動來控制風機的送風量，轉速恒定，不能調節，冷凝器對冷卻水溫度應在28攝氏度-32攝氏度之間。為了滿足需求，安裝在進水管上的溫度傳感器，可以檢測管道進水的溫度，將電流模擬信號發送到變頻器，變頻器通過調節風機轉速和功率輸出，自動調節變頻器。形成閉環反饋控制系統，當冷卻水溫度下降時，風機轉速和換熱速度降低，當冷卻水溫度升高時，提高風機轉速以加快換熱，從而保持冷卻水溫度的生產要求[6]。

5.2電氣控制電路調整

電氣控制電路的改造過程比較簡單，原控制電路基本相同，只加220V-240V故障信號提示燈，連接到反常輸出端b-c變頻器位置（如果變頻器本身發生故障或電機發生故障，閉式B-C端子轉換器，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換器，在調節風機轉速方面，通過調壓調節風機轉速，從而調節冷卻水溫度，在自動狀態下，變頻器通過變溫器的模擬信號（4-20Ma）自動調節PID控制[7]。

5.3負荷運行與節能效果

當風機用負載測試儀運行時，正常運行，恒定旋轉，恒速升降，改造后效果非常理想，當環境溫度低于22攝氏度時，變頻器輸出頻率約為30赫茲，冷卻水溫度約為28攝氏度。當溫度為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。當環境溫度高于36攝氏度時，逆變器輸出頻率約為48赫茲，水溫約為33攝氏度。根據調查，當環境溫度低于22攝氏度時，變頻后電源電流約3.3A，風機功率從3kW額定功率到約1.7kW。當溫度在22攝氏度-35攝氏度之間時，電壓為3.3A-4.7A，風機功率為1.7kW-2.6kW。這說明采用風機轉速監測頻率，風機輸出功率，節約能源，提高生產穩定性，自動化程度顯著提高，機器壽命長。

6結論

冷卻塔風機節能潛力大， 設計和管理應給予足夠的重視，合理設計多臺風機的停機和運行可以達到一定的節能效果，如果能與變頻調速裝置配合使用， 對于不能使用多個冷卻塔的項目，節能效果可能更加明顯。 只是使用冷卻塔的風扇調速，在節約能源的時候， 變頻調速的使用應優先考慮，實踐表明，冷卻塔經變頻器改造后為風機， 且節能效果顯著，在降低機械地面轉速后，減少機械磨損，延長使用壽命，從而減少檢修量和檢修費用，說明冷卻塔風機調速具有良好的運行性能和節能效果。

參考文獻：

[1]熊耀平.電動機調速在冷水機組的冷卻塔風機中的節能應用[J].科教文匯（下旬刊），2011：80+114.

[2]李德興.冷卻塔[M].上海：上海科學技術出版社，1981.

[3]胡連江.冷卻塔設計的計算機運算程序[J].中國給水排水，2000，16（12）：39-42.

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

[5]胡連江，趙新華，王敬.冷卻塔風機的調速節能探討[J].中國給水排水，2009：109-111.

[6]變頻調速應用實踐[M].北京機械工業出版社，2005.[2]百德福變頻器使用手冊：B500系列.

[7]岳慶來.變頻器、可編程序控制器及觸摸屏綜合運用技術[M].機械工業出版社，2006.