冷却塔风机的调速节能探讨

石立民

关键词：冷却塔;变频调速;节能

冷却塔在重工业中非常重要，目前，电机式冷却塔降温仍占主导地位，比传统的自然通风式冷却塔效率更高。然而，它带来了一个非常真实的问题，也就是能源消耗的增加，而且占据整个水循环的很大一部分，冷却塔不仅重要的是节水设备，还是设备能耗。据统计，每小时1立方米水在冷却塔中循环的能耗约0.07-0.1kW（含风机能耗0.03-0.06kW），风机冷却塔年能耗达（70-140）×108kW？h，包括电力、纺织、造纸业、产铁和石油化工产业等）。然而，冷却塔节能的方法很多，比如限制水的压力分布，改进冷却塔的气动力学设计，降低冷却塔的阻力，减少需要的空气量，以及风机调速等，为提高产品质量，生产平稳，节约能源，随着变频技术的不断发展和成熟，变频器调速在风机冷却塔中，特别是在恒压调节中得到了广泛的应用，从而节约了成本，取得了经济效益和社会效益[1]。

1风机调速节能的基本概念

据统计，每年炎热季节以5%-10%的频率出现，与湿球温度相对应的是冷却塔设计的气象参数，冷却塔的日平均湿球温度设计就是根据气象参数制定的，包括干球温度、相对湿度、大气压力等等。在非“热季”，制冷剂（空气）的冷却能力会增强，此时，完成同样的冷却任务所需的冷却剂量将会减少，空气量会减少，发动机的功率将非常小。在这一点上，如果按照最初的设计风量，冷却水温度将低于设计温度，有时是多余的且不必要的，会消耗更多的能源。在保证冷却水温度设计的前提下，节能可以通过调节（限制）空气量来实现。调节空气量的方法有很多种。通常有两种：一种是限制风机运行的数量，另一种是改变风机的性能，限制风机的数量是间歇性的，间歇性的阶梯调节，水温可能突然变化，有时不能满足生产工艺的要求[2]。

风机的空气量与风机的转速成正比，气压与风机转速的平方成正比，动力轴等于进风气量和气压的乘积，即动力轴与发动机风机转速的三次方成正比，理论上转速下降10%时，功率将下降30%，由于功率下降较大，可以获得明显的节能效果。

2风机性能变化方法

首先，手动调整叶片角度。虽然这种方法不需要增加投资，但是适应也很麻烦，往往很容易造成叶片固定设施损坏，如果采用的是风机角度自调节，则成本更高。二是调节叶片转速，调节叶片转速最直接的方法是调节电机转速（调节齿轮箱风机的减速比或调节叶片转速，但装置调节复杂昂贵）。目前电机调速技术越来越成熟，调速设备的投资也越来越便宜，因此调节电机转速是一种切实可行的进气调节措施[3]。

3利用变频装置改变风机功率频率的优点

电源的频率可以通过变频器的应用来实现，所以电机和风机的转速可以改变，由于环境温度（湿空气球温）的变化，冷却塔的送风量可以满足不同的要求，因此可以实现节能。变频器的输出频率依赖于驱动控制，通过是在线水温监测端口或环境温度检测信号运行的发送信号，因为在线水温监测端口的信号更加可靠，检测信号更准确，更稳定，它可以反映制冷量的变化，建议采用位置检测信号。当环境温度发生变化时，冷却塔温度出口会随之变化，通过控制电路控制变频器出口，实现输出频率的变化，由于变频器频率调节精度一般达到1%-2%，频率和速度呈线性，旋转速度可以通过相对调频来调节，从而获得性能曲线梯度相差不大的风机性能调节，从而达到节能降耗的目的[4]。

4变频器应用中的问题

变频调速装置不应调至较低的范围，因为电机在低速时会产生大量的热量，很容易造成线路燃烧。另一方面，当频率（速度）较低时（例如低于百分之三十），速度将下降到30%以下，工作点不是风量的30%，造成偏差很大，实际意义较低。低于50%频率（速度）可以通过停用或开启多个风机来调节，调频通常会降低風机效率，原因是因为追求效率是产品开发的目标，通过多次实验得到的高效风机转速标准[5]。

变频器谐波污染带来的危害不容忽视，所有在电力侧有电路整流的器件都能因非线性而产生高次谐波，变频器也不例外，变频器中的大功率二极管整流、大功率晶体管可以在输入输出电路中产生高次谐波电流，干扰电源系统，负载及其他相邻电气设备。特别是精密仪表等需要高度抗干扰电脑控制要求很高。所以，体积大于每小时2000立方米的循环冷却塔风机不应使用变频装置，由于改造风机数量可以满足工程节能的要求，高压变频器电路复杂，体积大，成本高，谐波污染严重，在使用时应进行技术经济分析。

5.冷却塔风机变频调速应用

5.1循环水冷却系统的改造

循环水冷系统主要由压力水泵和冷却塔组成，冷却水从冷却器经冷凝器回压泵，再输送到冷却塔，冷却塔是冷却水最重要的换热装置，冷却风机对冷却塔进行冷却水，过去风机直接从交流接触器启动来控制风机的送风量，转速恒定，不能调节，冷凝器对冷却水温度应在28摄氏度-32摄氏度之间。为了满足需求，安装在进水管上的温度传感器，可以检测管道进水的温度，将电流模拟信号发送到变频器，变频器通过调节风机转速和功率输出，自动调节变频器。形成闭环反馈控制系统，当冷却水温度下降时，风机转速和换热速度降低，当冷却水温度升高时，提高风机转速以加快换热，从而保持冷却水温度的生产要求[6]。

5.2电气控制电路调整

电气控制电路的改造过程比较简单，原控制电路基本相同，只加220V-240V故障信号提示灯，连接到反常输出端b-c变频器位置（如果变频器本身发生故障或电机发生故障，闭式B-C端子转换器，提示红指示灯）在冷却塔和冷凝器之间的管道中间连接探头温度转换器，在调节风机转速方面，通过调压调节风机转速，从而调节冷却水温度，在自动状态下，变频器通过变温器的模拟信号（4-20Ma）自动调节PID控制[7]。

5.3负荷运行与节能效果

当风机用负载测试仪运行时，正常运行，恒定旋转，恒速升降，改造后效果非常理想，当环境温度低于22摄氏度时，变频器输出频率约为30赫兹，冷却水温度约为28摄氏度。当温度为22摄氏度-35摄氏度，频率为30-45赫兹，水温在28-32摄氏度之间。当环境温度高于36摄氏度时，逆变器输出频率约为48赫兹，水温约为33摄氏度。根据调查，当环境温度低于22摄氏度时，变频后电源电流约3.3A，风机功率从3kW额定功率到约1.7kW。当温度在22摄氏度-35摄氏度之间时，电压为3.3A-4.7A，风机功率为1.7kW-2.6kW。这说明采用风机转速监测频率，风机输出功率，节约能源，提高生产稳定性，自动化程度显著提高，机器寿命长。

6结论

冷却塔风机节能潜力大， 设计和管理应给予足够的重视，合理设计多台风机的停机和运行可以达到一定的节能效果，如果能与变频调速装置配合使用， 对于不能使用多个冷却塔的项目，节能效果可能更加明显。 只是使用冷却塔的风扇调速，在节约能源的时候， 变频调速的使用应优先考虑，实践表明，冷却塔经变频器改造后为风机， 且节能效果显著，在降低机械地面转速后，减少机械磨损，延长使用寿命，从而减少检修量和检修费用，说明冷却塔风机调速具有良好的运行性能和节能效果。

参考文献：

[1]熊耀平.电动机调速在冷水机组的冷却塔风机中的节能应用[J].科教文汇（下旬刊），2011：80+114.

[2]李德兴.冷却塔[M].上海：上海科学技术出版社，1981.

[3]胡连江.冷却塔设计的计算机运算程序[J].中国给水排水，2000，16（12）：39-42.

[4]胡连江，王敬.浅谈冷却塔节能技术[J].工业用水与废水，2006，37（增刊）：1-5.

[5]胡连江，赵新华，王敬.冷却塔风机的调速节能探讨[J].中国给水排水，2009：109-111.

[6]变频调速应用实践[M].北京机械工业出版社，2005.[2]百德福变频器使用手册：B500系列.

[7]岳庆来.变频器、可编程序控制器及触摸屏综合运用技术[M].机械工业出版社，2006.