基于变频器技术的冷却塔节能改造

赵毅斌

（宁波三菱化学有限公司，宁波 315175）

0 引言

某公司冷却塔台数总计7台（5用2备），其中，单台风机年耗电量达622800 kW·h (300d×24h×86.5kW·h),单台年电费约38万元，因此研究冷却塔的节能问题意义重大。

变频调速技术在社会各个领域均有广泛应用，为解决传统冷却塔存在的问题提供了技术基础[1]。本文采用变频器为核心的恒温供水控制系统，较好地控制实时温度，实现温度恒定控制，具有节能、安全稳定等优点。依运行结果可知，经济效益显著，所以在工业生产中极具推广价值[2]。

1 改造思想

1）采用JR9000系列变频器取代原接触器来控制风机转数。考虑到变频器故障检修时不间断风机运行，采用带检修旁路的变频器柜。

2）利用变频器的节能功能实现风机节能。因为风机的风量与风机的转数的1次方成正比，压力与转数的2次方成正比，而风机的轴功率与转数的3次方成正比。假如风机的转数降低15%，风机的耗能将降低近40%。可见采用变频器调速的节能空间巨大。

3）利用变频器的完备的保护功能实现对电动机的全面保护。变频器具有过电流、过电压、欠电压、电动机过载等保护功能。

2 冷却塔系统变频改造过程

2.1 冷却循环水系统介绍

冷却塔冷却水循环系统图如图1所示。冷却循环水系统主要由冷却水泵、冷却塔组成。冷却水经冷却水泵加压后，送入工艺用户进行冷却热交换。热交换后的热水通过热泵送人冷却塔，经布水器，通过冷却塔风机降温，降温后的冷却水通过出水管，流入冷却水泵，经加压后再送入工艺用户。

图1 冷却塔冷却水循环系统图

2.2 冷却塔变频节能改造原理

冷却塔是冷却水最主要的热交换设备之一，它主要靠冷却塔风机对冷却水降温。风机改造前是靠交流接触器直接起动控制，风机的转速是恒定的，不能调速，因此风机的风量也是恒定的，不能调节。为了使冷却水温度保持在20～28℃之间，在冷却水泵的出口，即冷却塔冷却水进口处安装一个温度变送器，采集冷却水温度，通过给出一路模拟信号给变频器，经变频器自身的PID进行调节，如图2所示。变频器给出适当的电压和频率给冷却塔电动机调节冷却塔风机转速和输出功率，这样形成一个闭环反馈系统，维持冷却水温度，从而降低冷却水温度，冷却水温度降低时，减小风机转速，放慢热交换的速度，从而减慢冷却水温度的降低。

图2 变频器改造原理图

2.3 冷却塔风机主、控回路设计

2.3.1 冷却塔风机改造主电路

以单台为例，为增加可靠性及维修方便，KM1打开，同时KM2闭合可自动切换到工频状态运行。

增加了电力综合计量仪表一块（EX8型），主要功能：记录和查看电能计量数据。

安装风机变频器一台（JR9000系列变频器）为变频式闭环恒温一体控制系统核心设备。用于电动机的速度和转矩控制，模块化设计，具有体积小、安装简便、节能能源、控制准确、安全可靠等特点。

另外，变频器具有以下主要技术特性：

保护特性为过电流保护、I2t、过压保护、欠电压保护、过热保护、短路保护、接地保护、欠

电压缓冲、电动机欠／过载保护、堵转保护、串行通信故障保护、AI信号的丢失保护等。

丰富的菜单功能包括内置PID、PFC等多种应用功能，选择需要的功能项目，相应的参数都自动设置，输入输出端子也将自动配置，这些预设的配置大大节约了调试时间，减少出错。

2.3.2 冷却塔风机改造控制电路

输出频率控制部分：温度变送器用于检测冷却水温度。将实际温度反馈给变频器。给定值与反馈值通过变频器进行PID控制运算。决定变频器的输出频率。

工频与变频切换控制部分：KM1闭合，变频器启动；如果变频器及负载发生故障（过压、欠压、短路、过热），则变频器立即停止；KM2闭合，应立即切换到工频运行，以保证正常工作。

变频器工作状态指示：包含变频和工频运行指示、电源指示、故障状态指示。

反馈测量部分：PT100温度变送器将冷却水温度电阻信号转换成可识别的4-20ma标准信号传到变频器。

图3 主电路

2.4 改造前后数据比较

如表1所示：

3 经济效益

变频改造后运行的平均频率为40Hz，即：单台电动机的运行电流为84A，运行消耗功率为53kW，按年运行300天计算，五台风机运行年耗电1908000kW.h，单位电费0.6元/kW.h，年电费是114.5万元。

变频改造前电动机的运行电流为159A，运行消耗功率为86.5kW，五台电动机年运行耗电3114000kW.h，单位电费0.6元/kW.h，年电费是186.8万元。

可见，变频改造后运转节电效果每年节约电费72.3万元，减去改造投资费用74万元，改造后1年即收回投资。

图4 控制电路

表1 改造前后数据比较

4 结束语

设备改造工程于2009 年8 月完成，变频器一次试车成功，运行正常，运行频率在40 Hz左右，保证了循环水的正常温度，取得了明显的节电效果，并为电机的节能改造积累了丰富的经验。

[1] 刘法治, 樊克艳, 李爱国. 变频技术在生产车间冷却供水改造中的应用[J]. 河南科技学院学报, 2010.

[2] 李振国, 田新东, 张广强, 高伟娜. 电厂空冷风机变频器蒸发冷却技术改造[J]. 电力自动化设备, 2008.