冷却塔风机控制电路节能改造方案

唐卫红 许小玲（青海油田公司培训中心）

青海油田格尔木炼油厂经历了三十年的发展，产品质量不断升级、生产控制技术不断提高、经营业绩大幅度改善，为青藏两省区的经济发展和国防事业做出了突出贡献[1-2]。现在，格炼有150×104t/a常减压装置、90×104t/a催化裂化装置、80×104t/a加氢改质装置、30×104t/a重整装置、30×104t/a与10×104t/a甲醇装置、2×104t/a聚丙烯等22套装置，这些装置都离不开水冷器。循环冷却水经过换热后（带走炼油化工装置产生大量的无效低温热）变成循环热水。循环热水通过冷却塔降温处理变成循环冷水后，再输送到各炼油化工装置水冷器，保证各装置安全平稳运行。循环水冷却装置中冷却塔风机是最重要的电气设备[3-5]。炼油化工装置换热后产生的循环热水通过管网送到冷却塔顶部自由散落下来，形成一股股热水蒸汽，冷却塔的三相异步电动机拖动风扇叶片旋转产生强大的风力，将热气排出、强力冷风冷却热水从而达到降温的效果[6-10]。

1 改造前的状况

1.1 设备运行基本情况

格尔木炼油厂有3套循环水冷却装置，分别是10×104t/a甲醇循环水、30×104t/a甲醇循环水、304循环水单元。具体电动机运行参数见表1。

表1 电气运行参数

其中配备的三相异步电动机90kW与75kW为直接启动正反转运行；45kW电动机为直接启动方式运行，都配有电动机保护管理器。

冷却塔风机的启动、停止需要到冷却塔上由操作工在操作柱上按下“启动”按钮或“停止”按钮、观看操作柱上的电流表指示、观察操作柱上的红色与绿色指示灯表示电动机运行的状态。

10×104t/a甲醇与30×104t/a甲醇、90kW与75kW正反转三相异步电动机控制原理见图1。304单元循环水装置45kW电动机直接启动控制原理见图2。

图1 正反转控制原理图

图2 直接启动控制原理图

1.2 两种冷却塔风机电路存在的安全隐患

1.2.1 短路故障

冷却塔现场操作柱上有电流表、启动按钮、停止按钮、红色指示灯、绿色指示灯，通过控制电缆从变电所引入交流220V电源到操作柱，被冷却塔风机运行排出的水蒸气围绕，操作柱采用橡胶垫圈密封，青海油田格尔木炼油厂在海拔2800m的高原，早晚温差大、紫外线强、导致橡胶密封垫圈老化、破裂；在水汽湿度重的环境中，造成操作柱进水，控制电缆受潮、发生电气线路短路、接地、漏电等故障；使冷却塔风机停止运行，控制电缆的电压为220VAC在防腐PVC操作柱受潮时容易发生漏电，使操作人员与检修人员发生电击危险。电气检修人员在维护中需要将操作柱水汽烘干、或晾干、经过绝缘检测合格后才能进行再次投入运行，造成冷却风机停运时间长，导致循环冷却水不能降至工艺要求的温度值，使炼油化工装置不能平稳运行。

1.2.2 检修困难

由于冷却塔风机采用正反转控制电路直接启动电路，风机刚启动时电动机启动电流是5～7倍电动机的额定电流，90kW的电动机对电网冲击大，拉低电网的电压影响到其他电气设备正常运行，同时电动机运行电流大造成配电柜线路与交流接触器触头发热故障多、检修困难，更换电气元件成本高，影响到装置安全运行。

1.2.3 维修成本高

冷却塔风机在运行时，一直采用工频50Hz高速运转，不能实现调速，没有充分利用青海格尔木海拔在2800m高原的气候特点，在白天与夜晚温差大，通过调节冷却塔风机转速达到节约电能；由于冷却塔风机长期在50Hz高速运转中对减速箱、电动机轴承磨损严重，电能消耗大。

2 采用触摸屏控制冷却塔风机实现集中控制的改造方案

2.1 冷却塔风机实现集中控制的工作原理

触摸屏控制冷却塔风机电路中采用适用型控制器，具有较大的存储运算能力，有两个RS485通讯端口，能实现一个端口与触摸屏进行连接，另外一个端口通过网络连接器，引出两根PROFIBUS数据通讯线去分别连接两台四方变频器。通过在四方变频器内置参数设置为通讯控制方式，设置波特率9600、偶校验位、通讯站号数，实现数据通讯。两台冷却塔电动机以触摸屏控制电气原理见3。

图3 两台冷却塔电动机以触摸屏控制电气原理

2.2 改造后电路具备的特点

2.2.1 变频器采用最先进的调速方式

1）变频调速的节能：采用变频调速后，风机节电率可达到20%～60%，风机的耗用功率与转速的三次方成比例，当用户需要的平均流量较小时，风机的转速较低，其节能效果越可观。

2）软启动功能：采用变频器后，马达只需在额定电流下启动，电流平滑无冲击，减少了启动电流对马达和电网的冲击，延长了电动机的寿命。

3）减少无功功率：变频器调节后由于变频器内滤波电容的使用，使得功率因数接近1，增大了电网的有功功率。从而节省了无功功率消耗的能量。

4）控制系统简单：变频器能够实现电动机的正反转，无极调节电动机的转速，运行过程平稳。

2.2.2 采用触摸屏人机界面，实现集中控制

改造电路中还采用触摸屏人机界面HIM，可以实现承以下功能：过程的可视化，在触摸屏画面上能动态的显示出过程数据如冷却塔水温、变频器的运行参数及状态；操作人员可以实现过程控制，通过触摸按键轻松实现电动机的启动、停止的控制；显示报警功能，对于PLC采集到的变频器报警信号可以及时发送到触摸屏界面。

2.2.3 用先进的编程软件，简化电路

改造电路采用STEP7-MICRO-WINSP9编程软件，针对小型S7-200PLC224XP可编程程序控制器进行编程。充分利用MODBUS通讯协议在工业控制中是一种通用的工业标准，实现PLC与变频器高效通讯。这里运用MODBUSRTU主站协议，MBUSCTRL指令用于初化、监视或禁用MODBUS通信。MBUS-MSG指令用于向MODBUS从站发送请求消息，以及处理从站返回的响应消息，采用轮询方式编程。SMATLINE1000的10寸触摸屏采用组态软件WINCCFLEXIBLE具有简单、高效、功能强大的优点，运用winCCflexible软件选择触摸屏型号，进行组态的连接，进行变量的组态、在工作区作出画面的生成与组态，下载到触摸屏中应用；该触摸屏控制冷却塔风机具有安全性。

2.3 电路改造后实现的功能

2.3.1 设备运行的稳定性

在冷却塔操作过道的中间位置安装一个防腐、密封触摸屏操控箱，由于触摸屏使用的是24DC直流电路，对操作人员可以避免电击的危险。触摸屏具有很好的环境适应性，故障发生率低，避免电路发生短路的故障，造成了冷却塔风机的停机。

2.3.2 节约材料成本

采用触摸屏控制冷却塔风机实现风机的机群控制，这样可以省去现场每台风机的操作柱，包括电流表计、启动按钮、停止按钮、红绿指示灯，几十米的8芯控制电缆的使用。减少维修工作量，节约了材料费用。

2.3.3 经济效益

由于采用变频器驱动风扇电动机，可以实现风机转速PID的闭环调节，可以减少人工的调节，在比例积分项上可以将值放大一些，进行让风扇电动机在满足工艺水温时，快速将风扇电动机进入“休眠”或直接让它退出运行。由于冷却塔水温的控制不需要特别高的精度要求，做到依据高原气候的特点，充分运用高原风大、气温低，按照变频器节能20%～60%的效率测算其经济性，可以使得节约目前运行的一套循环水装置中一台90kW的电动机每天停止2h，可以节省电费91980元。同时，变频器的软启动功能使用后减少对电动机轴承与风机减速传动轴承的磨损；也减少了对电网的冲击，保证其他配电设备正常运行。

2.3.4 提高操作人员的安全

由于采用变频器驱动风扇电动机，在冬天的时候，天气寒冷冷却塔四周容易结冰，对冷却塔增加负重，通常采取人工除冰的方式，劳动强度大，容易造成人员的滑倒摔伤；采用触摸屏控制实现冷却塔风机反转调速运行，可以使得融冰效果快，对冷却塔震动小。

3 结论

触摸屏控制冷却塔风机的节能改造方案中电气控制采用MODBUS-RTU通讯协议，很好解决现场中硬接线的方式，通过网络连接器，实现多台冷却塔风机联动控制，增加了电气控制安全性能，对操作人员改善作业条件，能够轻松、直观的在操作屏上实现对风机的启动、停止控制；能十分清楚的显示出电气的参数、运行的状态、具有报警提示功能。根据HSE的目标要求，从设备的安全、节能出发确实做到以人为本，让电气设备智能化，高效的开展工作。