基于PLC控制的空調(diào)冷卻塔循環(huán)水泵的變頻節(jié)能研究

隋軍威

（吉林省吉林市燃?xì)鉄崃υO(shè)計(jì)研究院，吉林 吉林 132000）

0 引言

循環(huán)水泵廣泛應(yīng)用于空調(diào)冷卻塔中。PLC控制的空調(diào)冷卻塔循環(huán)水泵，制冷壓縮機(jī)機(jī)組，酒店、寫字樓、商場(chǎng)、住院樓、工業(yè)廠房制冷循環(huán)水系統(tǒng)，冷卻循環(huán)水系統(tǒng)和冷卻塔循環(huán)水泵系統(tǒng)主要根據(jù)建筑物的最大冷熱負(fù)荷來選擇，并留有足夠的余量。由于缺乏具有負(fù)載跟隨調(diào)節(jié)特性的PLC控制系統(tǒng)，由PLC控制的冷卻塔循環(huán)水泵所有電機(jī)長(zhǎng)期處于工頻固定狀態(tài)。目前，PLC控制的空調(diào)冷卻塔循環(huán)水泵的生產(chǎn)和服務(wù)行業(yè)之間的競(jìng)爭(zhēng)非常激烈，大多數(shù)企業(yè)的利潤(rùn)率都不理想。因此，為了控制用電成本，PLC控制空調(diào)冷卻塔循環(huán)泵變頻節(jié)能技術(shù)顯然已成為管理者關(guān)注的問題。采用PLC控制變頻循環(huán)水泵在冷卻塔中的節(jié)能技術(shù)，不僅可以使循環(huán)水泵在冷卻塔空調(diào)中發(fā)揮更理想的工作狀態(tài)，而且通常還具有30%以上的節(jié)能效果，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益[1]。PLC控制的空調(diào)負(fù)荷總是動(dòng)態(tài)的。PLC控制的空調(diào)冷卻塔循環(huán)水泵變頻節(jié)能運(yùn)行環(huán)境和技術(shù)文化影響PLC實(shí)時(shí)控制的空調(diào)冷負(fù)荷，冷負(fù)荷波動(dòng)范圍為50%～60%。大多數(shù)建筑至少70%的時(shí)間都在這個(gè)范圍內(nèi)。這樣，實(shí)際冷負(fù)荷與輸出最大功率之間的矛盾，實(shí)際上給PLC控制的空調(diào)冷卻塔循環(huán)水泵造成了變頻節(jié)能的巨大浪費(fèi)，給用戶造成了巨大的電力成本，增加了運(yùn)營(yíng)商的成本，并降低了企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力。根據(jù)冷卻水控制系統(tǒng)的工作原理和特點(diǎn)，需要實(shí)時(shí)跟蹤PLC控制的空調(diào)系統(tǒng)和冷卻塔冷卻器的熱動(dòng)態(tài)變化，采用復(fù)合控制方法對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能。

1 PLC控制的空調(diào)冷卻塔循環(huán)水泵的一般結(jié)構(gòu)與工作原理

根據(jù)冷卻塔循環(huán)泵，將PLC控制的空調(diào)冷卻塔循環(huán)泵變頻節(jié)能技術(shù)中的加熱冷卻水送至冷卻塔進(jìn)行自然冷卻或噴霧強(qiáng)制空冷。PLC控制的空調(diào)冷卻塔循環(huán)水泵變頻節(jié)能技術(shù)，充分與大氣進(jìn)行熱交換，使冷卻水回到常溫循環(huán)。當(dāng)冬季需要加熱時(shí)，空調(diào)冷卻塔中的循環(huán)水泵只需根據(jù)冷熱水泵(夏季稱為冷凍水泵)在室溫下泵入蒸汽熱交換器盤管，而熱水和蒸汽經(jīng)充分熱交換后送入塔內(nèi)循環(huán)水泵盤管。

2 PLC控制的空調(diào)冷卻塔循環(huán)水泵的節(jié)能原理

根據(jù)PLC控制的空調(diào)冷卻塔循環(huán)水泵的節(jié)能負(fù)荷類型，可將PLC控制的空調(diào)冷卻塔循環(huán)水泵分為兩種節(jié)能原理類型：一種是變轉(zhuǎn)矩負(fù)荷：如冷卻水系統(tǒng)、冷凍水系統(tǒng)，冷卻塔循環(huán)水泵系統(tǒng)及水泵負(fù)荷；恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載：如主制冷壓縮機(jī)系統(tǒng)[2]。不同PLC控制的冷卻塔循環(huán)水泵轉(zhuǎn)矩變頻節(jié)能技術(shù)特點(diǎn)，具有完全不同的轉(zhuǎn)矩功率關(guān)系特點(diǎn)。眾所周知，在PLC控制的空調(diào)冷卻塔循環(huán)水泵節(jié)能過程中，循環(huán)水泵與水泵之間的轉(zhuǎn)矩變化和負(fù)荷特性分析符合水動(dòng)力關(guān)系理論曲線。

最后可以看出，利用變頻省煤器對(duì)流量(風(fēng)量)進(jìn)行PLC控制，可以節(jié)省大量電能。根據(jù)最大制冷量的要求，設(shè)計(jì)了一種由PLC控制的循環(huán)水泵。制冷泵和制冷泵是根據(jù)單個(gè)設(shè)備的最大運(yùn)行工況來考慮的[3-5]。在實(shí)際操作中，冷卻泵和制冷泵滿負(fù)荷運(yùn)行的時(shí)間不到90%。閥門和自動(dòng)閥的使用不僅增加了系統(tǒng)的節(jié)流損失，而且還引起冷卻塔循環(huán)泵因空調(diào)調(diào)節(jié)階段的波動(dòng)。通過在冷卻泵和制冷泵上安裝變頻省煤器，可以從根本上解決這一問題。PLC自動(dòng)控制，根據(jù)轉(zhuǎn)換的節(jié)能投資回收。

3 冷卻塔循環(huán)水泵使用變頻節(jié)能的實(shí)施方案和應(yīng)用效果

3.1 冷卻塔循環(huán)水泵變頻節(jié)能PLC控制實(shí)施方案

3.1.1 方案一：固定變頻節(jié)能PLC控制方式

由于空調(diào)冷卻塔循環(huán)水泵采用PLC控制變頻，冷卻塔循環(huán)水泵變頻節(jié)能的相關(guān)形式有：?jiǎn)嗡问胶投嗨问健Ｒ虼耍鋮s塔循環(huán)水泵變頻節(jié)能的PLC控制方式可分為單定頻節(jié)能PLC控制和多定頻節(jié)能PLC控制。以下以幾種固定變頻節(jié)能PLC控制為例進(jìn)行說明。如圖3所示：

3.1.2 塔循環(huán)水泵運(yùn)行方式

工頻塔循環(huán)水泵運(yùn)行：空調(diào)冷卻塔PLC控制循環(huán)水泵主要根據(jù)工頻PLC控制回路選用指定的塔循環(huán)水泵，以50Hz全速運(yùn)行。塔內(nèi)循環(huán)水泵運(yùn)行時(shí)：空調(diào)冷卻塔中由PLC控制的循環(huán)水泵傳感器測(cè)得的實(shí)際水溫，由溫控器轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)或電壓信號(hào)，送變頻器模擬輸入[6]。

3.2 方案二：PLC周期變頻節(jié)能控制方式

塔內(nèi)p-N3循環(huán)泵節(jié)能的最佳途徑是根據(jù)PLC控制塔內(nèi)循環(huán)泵的轉(zhuǎn)速。根據(jù)PLC控制系統(tǒng)的改造，采用PLC控制冷卻塔循環(huán)水泵電機(jī)的空調(diào)，空調(diào)冷卻塔循環(huán)水泵電機(jī)轉(zhuǎn)速可通過PLC調(diào)節(jié)，達(dá)到PLC[7]控制冷卻塔循環(huán)水泵轉(zhuǎn)速的目的。以PLC控制的3臺(tái)功率相同的冷卻塔循環(huán)水泵電機(jī)為例，說明可編程控制器控制的功率相同的3臺(tái)冷卻塔循環(huán)水泵電機(jī)可由變頻省煤器的PLC控制。如圖所示4：

3.3 塔循環(huán)水泵運(yùn)行方式

正常運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)換開關(guān)切換到自動(dòng)塔循環(huán)水泵運(yùn)行回路。PLC控制轉(zhuǎn)爐省煤器的轉(zhuǎn)速，改變塔循環(huán)泵的風(fēng)量，從而改變冷卻塔的水溫；當(dāng)PLC控制的冷卻塔循環(huán)水泵仍不能滿足要求時(shí)，將變頻節(jié)能塔循環(huán)水泵的循環(huán)水泵改為工頻塔循環(huán)水泵，然后按變頻節(jié)能開啟另一座塔的循環(huán)水泵，直至生產(chǎn)裝置要求的循環(huán)水溫滿足工藝要求(即水溫≤32℃)[8]。根據(jù)機(jī)組的技術(shù)要求，將塔循環(huán)水泵自動(dòng)確定為變頻節(jié)能塔循環(huán)水泵和工頻塔循環(huán)水泵。

3.4 塔循環(huán)水泵變頻節(jié)能調(diào)速實(shí)施方案探討

3.4.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

此系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理是P∝N3循環(huán)水泵的最佳節(jié)能方式。塔內(nèi)循環(huán)泵的轉(zhuǎn)速由PLC控制。循環(huán)水泵電機(jī)在空調(diào)冷卻塔中的運(yùn)行速度可根據(jù)變化通過PLC控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，PLC控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)空調(diào)冷卻塔循環(huán)水泵電機(jī)的控制目的，達(dá)到循環(huán)水泵調(diào)速塔的目的。由于空調(diào)冷卻塔中PLC驅(qū)動(dòng)的三塔循環(huán)水泵電機(jī)功率為160kW，可采用變頻節(jié)能的PLC控制器運(yùn)行塔內(nèi)循環(huán)水泵。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示：

塔式循環(huán)水泵系統(tǒng)由兩部分組成。變頻節(jié)能電路：變頻節(jié)能裝置，空氣開關(guān)Q1，交流接觸器C1、C2、C3，塔式循環(huán)水泵PLC控制電路和自動(dòng)運(yùn)行信號(hào)報(bào)警電路，通過PLC控制的空調(diào)冷卻塔循環(huán)水泵變頻節(jié)能循環(huán)水泵運(yùn)行回路實(shí)現(xiàn)；工頻電路：空氣開關(guān)Q2，交流接觸器C4、C5、C6，熱繼電器T1、T2、T3，手動(dòng)塔循環(huán)水泵運(yùn)行PLC控制電路構(gòu)成與工頻（50Hz）塔循環(huán)水泵運(yùn)行相關(guān)的電路[9]。

3.4.2 塔式循環(huán)水泵的運(yùn)行方式

正常運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)換開關(guān)QK切換至自動(dòng)塔循環(huán)水泵運(yùn)行回路。PLC控制冷卻塔內(nèi)循環(huán)水泵的轉(zhuǎn)速，改變冷卻塔內(nèi)循環(huán)水泵的風(fēng)量，從而改變冷卻塔的出水溫度。運(yùn)行頻率塔靠近循環(huán)水泵和循環(huán)水泵動(dòng)力塔，但循環(huán)水泵運(yùn)行仍不滿足要求。循環(huán)水泵變頻節(jié)能塔改為循環(huán)水泵發(fā)電塔，然后根據(jù)變頻節(jié)能，循環(huán)水泵塔是另一個(gè)啟動(dòng)，直至各生產(chǎn)單元循環(huán)水溫度達(dá)到設(shè)計(jì)要求≤32℃[10]。

3.5 塔循環(huán)水泵節(jié)能經(jīng)濟(jì)分析

根據(jù)表1所示冷卻塔循環(huán)水泵運(yùn)行參數(shù)，1塔的處理能力僅為2塔或3塔的66%，熱水塔1m3/h循環(huán)水泵的單位電耗確實(shí)是2號(hào)塔和3號(hào)塔循環(huán)水泵平均單位電耗的兩倍(m3/h更大)。原因是塔式填料仍是一種老式的低效填料。如果將塔1填料改為與塔2性能相同的新型高效填料，每小時(shí)可增加1000m3的處理能力。如1號(hào)塔處理能力為2000m3/h，每小時(shí)應(yīng)節(jié)約2000度。塔循環(huán)水泵節(jié)能效果顯著。1#塔循環(huán)水泵每年運(yùn)行3000小時(shí)，更換填料投資約45萬元。

4 結(jié)語

隨著智能化建筑和功能化車間的迅速發(fā)展，建筑和車間的能耗越來越高。節(jié)能是人們關(guān)注的話題，變頻節(jié)能是最好的節(jié)能模式，PLC控制模式是投資最少的模式。對(duì)于PLC控制的冷卻塔制造商來說，新技術(shù)產(chǎn)品的生產(chǎn)取決于市場(chǎng)需求和效率。從本文的經(jīng)濟(jì)分析中可以看出，PLC控制空調(diào)冷卻塔的用戶只要了解變頻器應(yīng)用的優(yōu)點(diǎn)，考慮到塔循環(huán)泵的運(yùn)行成本以及設(shè)備的故障和維護(hù)，就會(huì)對(duì)這些投資感興趣。變頻器的應(yīng)用是整個(gè)冷卻塔市場(chǎng)和整個(gè)PLC控制空調(diào)市場(chǎng)的發(fā)展情況和發(fā)展趨勢(shì)。冷卻塔變頻節(jié)能技術(shù)不僅有利于制造商，而且使其冷卻塔在長(zhǎng)期激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中處于有利地位。雖然前期會(huì)有人員投入，但從長(zhǎng)遠(yuǎn)來看，PLC控制的空調(diào)冷卻塔的項(xiàng)目投資將為冷卻塔廠家?guī)砭薮蟮睦麧?rùn)回報(bào)。