節(jié)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(fā)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(huán)，不受外界環(huán)境污染，能夠有效控制水垢生成；循環(huán)水沒有消耗，維護和運行費用低；冷卻后的水溫更接近環(huán)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(yī)藥化工等行業(yè)。閉式冷卻塔作為蒸發(fā)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(yōu)于設計工況，設備的散熱性能也優(yōu)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(jié)能的目的。但在實際使用中，根據環(huán)境溫度的變化，人為控制風機的啟停很難實現(xiàn)，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(xiàn)平穩(wěn)運行。因此，大量蒸發(fā)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(xiàn)節(jié)能減排，使蒸發(fā)式冷卻設備在低濕球工況下運行更加合理，節(jié)省設備運行費用，延長設備使用壽命，研發(fā)出節(jié)能變頻控制閉式冷卻塔，設備運行實現(xiàn)閉環(huán)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(fā)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(xù)進行蒸發(fā)換熱，使自身溫度更低，從而在下一個循環(huán)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)場安裝方便，且大大方便產品的運輸裝卸。

（5）節(jié)能環(huán)保。采用獨特的結構形式，具有高熱工性能、冷卻溫度低、節(jié)水、節(jié)電、低噪聲和維修成本低等優(yōu)點。

（6）故障率低。風機和水泵均采用優(yōu)質軸承，設備再無其他磨損運轉部件。風機采用直聯(lián)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(tǒng)殼管式換熱器或板式換熱器、循環(huán)水泵、冷卻塔為一體，占地面積少，內循環(huán)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(huán)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(jié)能變頻控制工作原理

變頻控制節(jié)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(fā)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(tǒng)的壓力值穩(wěn)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(huán)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(jié)，使系統(tǒng)維持在比較經濟的情況下運行，節(jié)能效果明顯，特別是在冬季等氣溫較低的季節(jié)，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(jiān)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(tǒng)、柜體及附屬裝置等組成。

以7.5 kW-4-D型節(jié)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(jié)，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(wěn)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(wěn)定在32 ℃為止。在保證系統(tǒng)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(jié)能效果。

4 節(jié)能變頻控制特點及效果

該裝置通過壓力的反饋來調節(jié)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(jié)能減排標準。

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

（2）自動可靠。操作管理便捷，實現(xiàn)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(tǒng)運行可靠。

（3）節(jié)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(tài)，減少了電路中尤其是變頻器等電機控制部件的數量，優(yōu)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(xiàn)了對電能的最小損耗，使電機控制電路具有優(yōu)越的節(jié)能效果。

（4）啟動平穩(wěn)。安裝節(jié)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(xiàn)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(xù)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(xiàn)場使用節(jié)能效果明顯，得到一線使用單位的認可。本產品實現(xiàn)智能化控制，參數根據環(huán)境改變設置，運行工況及參數實時顯示，可遠程監(jiān)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(jié)能控制改造，2017 年對惠州煉化一組閉式冷卻塔進行節(jié)能控制改造升級，節(jié)能效果顯著，對運行能耗統(tǒng)計對比，運行16 個月基本上可收回節(jié)能改造的投資費用。