冷卻塔風機控制電路節能改造方案

唐衛紅 許小玲（青海油田公司培訓中心）

青海油田格爾木煉油廠經歷了三十年的發展，產品質量不斷升級、生產控制技術不斷提高、經營業績大幅度改善，為青藏兩省區的經濟發展和國防事業做出了突出貢獻[1-2]。現在，格煉有150×104t/a常減壓裝置、90×104t/a催化裂化裝置、80×104t/a加氫改質裝置、30×104t/a重整裝置、30×104t/a與10×104t/a甲醇裝置、2×104t/a聚丙烯等22套裝置，這些裝置都離不開水冷器。循環冷卻水經過換熱后（帶走煉油化工裝置產生大量的無效低溫熱）變成循環熱水。循環熱水通過冷卻塔降溫處理變成循環冷水后，再輸送到各煉油化工裝置水冷器，保證各裝置安全平穩運行。循環水冷卻裝置中冷卻塔風機是最重要的電氣設備[3-5]。煉油化工裝置換熱后產生的循環熱水通過管網送到冷卻塔頂部自由散落下來，形成一股股熱水蒸汽，冷卻塔的三相異步電動機拖動風扇葉片旋轉產生強大的風力，將熱氣排出、強力冷風冷卻熱水從而達到降溫的效果[6-10]。

1 改造前的狀況

1.1 設備運行基本情況

格爾木煉油廠有3套循環水冷卻裝置，分別是10×104t/a甲醇循環水、30×104t/a甲醇循環水、304循環水單元。具體電動機運行參數見表1。

表1 電氣運行參數

其中配備的三相異步電動機90kW與75kW為直接啟動正反轉運行；45kW電動機為直接啟動方式運行，都配有電動機保護管理器。

冷卻塔風機的啟動、停止需要到冷卻塔上由操作工在操作柱上按下“啟動”按鈕或“停止”按鈕、觀看操作柱上的電流表指示、觀察操作柱上的紅色與綠色指示燈表示電動機運行的狀態。

10×104t/a甲醇與30×104t/a甲醇、90kW與75kW正反轉三相異步電動機控制原理見圖1。304單元循環水裝置45kW電動機直接啟動控制原理見圖2。

圖1 正反轉控制原理圖

圖2 直接啟動控制原理圖

1.2 兩種冷卻塔風機電路存在的安全隱患

1.2.1 短路故障

冷卻塔現場操作柱上有電流表、啟動按鈕、停止按鈕、紅色指示燈、綠色指示燈，通過控制電纜從變電所引入交流220V電源到操作柱，被冷卻塔風機運行排出的水蒸氣圍繞，操作柱采用橡膠墊圈密封，青海油田格爾木煉油廠在海拔2800m的高原，早晚溫差大、紫外線強、導致橡膠密封墊圈老化、破裂；在水汽濕度重的環境中，造成操作柱進水，控制電纜受潮、發生電氣線路短路、接地、漏電等故障；使冷卻塔風機停止運行，控制電纜的電壓為220VAC在防腐PVC操作柱受潮時容易發生漏電，使操作人員與檢修人員發生電擊危險。電氣檢修人員在維護中需要將操作柱水汽烘干、或晾干、經過絕緣檢測合格后才能進行再次投入運行，造成冷卻風機停運時間長，導致循環冷卻水不能降至工藝要求的溫度值，使煉油化工裝置不能平穩運行。

1.2.2 檢修困難

由于冷卻塔風機采用正反轉控制電路直接啟動電路，風機剛啟動時電動機啟動電流是5～7倍電動機的額定電流，90kW的電動機對電網沖擊大，拉低電網的電壓影響到其他電氣設備正常運行，同時電動機運行電流大造成配電柜線路與交流接觸器觸頭發熱故障多、檢修困難，更換電氣元件成本高，影響到裝置安全運行。

1.2.3 維修成本高

冷卻塔風機在運行時，一直采用工頻50Hz高速運轉，不能實現調速，沒有充分利用青海格爾木海拔在2800m高原的氣候特點，在白天與夜晚溫差大，通過調節冷卻塔風機轉速達到節約電能；由于冷卻塔風機長期在50Hz高速運轉中對減速箱、電動機軸承磨損嚴重，電能消耗大。

2 采用觸摸屏控制冷卻塔風機實現集中控制的改造方案

2.1 冷卻塔風機實現集中控制的工作原理

觸摸屏控制冷卻塔風機電路中采用適用型控制器，具有較大的存儲運算能力，有兩個RS485通訊端口，能實現一個端口與觸摸屏進行連接，另外一個端口通過網絡連接器，引出兩根PROFIBUS數據通訊線去分別連接兩臺四方變頻器。通過在四方變頻器內置參數設置為通訊控制方式，設置波特率9600、偶校驗位、通訊站號數，實現數據通訊。兩臺冷卻塔電動機以觸摸屏控制電氣原理見3。

圖3 兩臺冷卻塔電動機以觸摸屏控制電氣原理

2.2 改造后電路具備的特點

2.2.1 變頻器采用最先進的調速方式

1）變頻調速的節能：采用變頻調速后，風機節電率可達到20%～60%，風機的耗用功率與轉速的三次方成比例，當用戶需要的平均流量較小時，風機的轉速較低，其節能效果越可觀。

2）軟啟動功能：采用變頻器后，馬達只需在額定電流下啟動，電流平滑無沖擊，減少了啟動電流對馬達和電網的沖擊，延長了電動機的壽命。

3）減少無功功率：變頻器調節后由于變頻器內濾波電容的使用，使得功率因數接近1，增大了電網的有功功率。從而節省了無功功率消耗的能量。

4）控制系統簡單：變頻器能夠實現電動機的正反轉，無極調節電動機的轉速，運行過程平穩。

2.2.2 采用觸摸屏人機界面，實現集中控制

改造電路中還采用觸摸屏人機界面HIM，可以實現承以下功能：過程的可視化，在觸摸屏畫面上能動態的顯示出過程數據如冷卻塔水溫、變頻器的運行參數及狀態；操作人員可以實現過程控制，通過觸摸按鍵輕松實現電動機的啟動、停止的控制；顯示報警功能，對于PLC采集到的變頻器報警信號可以及時發送到觸摸屏界面。

2.2.3 用先進的編程軟件，簡化電路

改造電路采用STEP7-MICRO-WINSP9編程軟件，針對小型S7-200PLC224XP可編程程序控制器進行編程。充分利用MODBUS通訊協議在工業控制中是一種通用的工業標準，實現PLC與變頻器高效通訊。這里運用MODBUSRTU主站協議，MBUSCTRL指令用于初化、監視或禁用MODBUS通信。MBUS-MSG指令用于向MODBUS從站發送請求消息，以及處理從站返回的響應消息，采用輪詢方式編程。SMATLINE1000的10寸觸摸屏采用組態軟件WINCCFLEXIBLE具有簡單、高效、功能強大的優點，運用winCCflexible軟件選擇觸摸屏型號，進行組態的連接，進行變量的組態、在工作區作出畫面的生成與組態，下載到觸摸屏中應用；該觸摸屏控制冷卻塔風機具有安全性。

2.3 電路改造后實現的功能

2.3.1 設備運行的穩定性

在冷卻塔操作過道的中間位置安裝一個防腐、密封觸摸屏操控箱，由于觸摸屏使用的是24DC直流電路，對操作人員可以避免電擊的危險。觸摸屏具有很好的環境適應性，故障發生率低，避免電路發生短路的故障，造成了冷卻塔風機的停機。

2.3.2 節約材料成本

采用觸摸屏控制冷卻塔風機實現風機的機群控制，這樣可以省去現場每臺風機的操作柱，包括電流表計、啟動按鈕、停止按鈕、紅綠指示燈，幾十米的8芯控制電纜的使用。減少維修工作量，節約了材料費用。

2.3.3 經濟效益

由于采用變頻器驅動風扇電動機，可以實現風機轉速PID的閉環調節，可以減少人工的調節，在比例積分項上可以將值放大一些，進行讓風扇電動機在滿足工藝水溫時，快速將風扇電動機進入“休眠”或直接讓它退出運行。由于冷卻塔水溫的控制不需要特別高的精度要求，做到依據高原氣候的特點，充分運用高原風大、氣溫低，按照變頻器節能20%～60%的效率測算其經濟性，可以使得節約目前運行的一套循環水裝置中一臺90kW的電動機每天停止2h，可以節省電費91980元。同時，變頻器的軟啟動功能使用后減少對電動機軸承與風機減速傳動軸承的磨損；也減少了對電網的沖擊，保證其他配電設備正常運行。

2.3.4 提高操作人員的安全

由于采用變頻器驅動風扇電動機，在冬天的時候，天氣寒冷冷卻塔四周容易結冰，對冷卻塔增加負重，通常采取人工除冰的方式，勞動強度大，容易造成人員的滑倒摔傷；采用觸摸屏控制實現冷卻塔風機反轉調速運行，可以使得融冰效果快，對冷卻塔震動小。

3 結論

觸摸屏控制冷卻塔風機的節能改造方案中電氣控制采用MODBUS-RTU通訊協議，很好解決現場中硬接線的方式，通過網絡連接器，實現多臺冷卻塔風機聯動控制，增加了電氣控制安全性能，對操作人員改善作業條件，能夠輕松、直觀的在操作屏上實現對風機的啟動、停止控制；能十分清楚的顯示出電氣的參數、運行的狀態、具有報警提示功能。根據HSE的目標要求，從設備的安全、節能出發確實做到以人為本，讓電氣設備智能化，高效的開展工作。