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变频器在循环水冷却塔风机上的应用案例

一  存在题目
    某厂循环水场有三台冷却塔风机，采用的控制方式是正反转两地全压起动。夏季正转运行，通过调整运行电动机台数来调节风量，达到控制循环水温度的目的。冬季反转运行用以除霜。使用中存在以下题目。
    1) 冷却塔风机运行时不能调节转数，只能以恒定转数运行。不能满足对风量进行精调的要求。

    2) 冷却塔风机的电动机容量为160kW，额定电流为282A。全压起动电流接近2000A，不仅造成低压电气系统波动，而且对机械和电气设备的冲击损伤严重，电动机和机械设备检验次数较多。
    3) 如要调节风量，只能通过调整电动机台数来进行粗调，有大部分电能被浪费掉了。
    4) 冷却塔风机的电动机保护只能有短路和过负荷的常规保护，不能满足对电动机进行全面保护的要求。
二  改进方法
    1) 采用FRNl60P11s—4cx变频器取代原接触器来控制风机转数（接线图如附图所示）。采用控制室/机前正反转两地控制，调速方式为控制室手动调速。考虑到变频器故障检验时不中断风机运行，采用带检验旁路的变频器柜。
    2) 利用变频器的软起动/软停止功能替换原来的全压起动和惯性停机。并设定最佳加速时间为15s，最佳减速时间20 s。降低了起动电流和机械冲击给设备带来的破坏。
    3) 利用变频器的节能功能实现风机节能。由于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。
    4) 利用变频器的完备的保护功能实现对电动机的全面保护。变频用具有过电流、过电压、欠电压、电动机过载等保护功能。
三  应用效果
    经过改进，冷却塔风机已连续运行至今，节电明显，起动电流和运行电流均明显降低；调速简洁实用，转速调整灵活，数据记录正确；实现了软起动/软停止，调速平滑、稳定．降低了对低压系统的冲击，延长了设备使用寿命。
四  经济效益
    （1）直接经济效益
    冷却塔风机经过变频改造后，各项运行数据记录表示。
    变频改造后运行的频率在35～45 Hz区间，按照年均匀运行40Hz汁算，改造后的风机按年运行320天计算，三台风机运行年耗电l 359 360 kW-h，单位电费0．4元/kW．h，年电费是54．37万元。
    变频改造前电动机的运行电流为189 A，运行消耗功率为112 kW，三台电动机年运行耗电2 580 480kW．h，单位电费0．4元/kW．h，年电费是103．22万元。   
    可见，变频改造后运转节电效果每年节约电费48．85万元，减往改造投资用度54万元，投资改造后一年零两个月即基本收回投资。以后每年节约电费48．85万元，间接节约电动机维修费一万多元，并延长了电动机的使用寿命。
    （2）间接经济效益
    冷水塔风机的低故障率运行，保证了整个化工厂的三套生产装置所使用的循环水的高质量。保证生产装置的安全、稳定、优质、大负荷生产。
    实践证实，变频器在循环水冷却塔风机上的应用是企业回报率高的良好方案。

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循环水冷却塔运行概况
　　我公司供水厂共有3个编号分别为1#,2#和3#循环水冷却塔。各生产装置返回的循环热水用泵输送到这些塔内,通过塔内的填料增加热水与空气接触面积和时间,促进热水与空气进行热交换,使循环水冷却。从而获得各生产装置所需循环水温度≤32℃的冷水。当环境温度升高时,启动冷却塔内的轴流风机实行强制通风,加快冷却塔填料上循环水气相与液相的热交换。每个冷却塔内装设1台轴流风机,其直径为8500mm,由电压为380V,额定功率为160kW的4极异步电机驱动。电机和风机之间采用恒定减速比的减速机直联,塔内不装设节流阀。因此轴流风机的转速与风量是不可调的。3个塔的总处理能力达8000m3/h,远大于各生产装置最大需求量总和6600m3/h,1998年度各塔的运行参数详见表1与表2。
2　冷却塔风机采用变频调速节能方案
2.1　风机节能可行性分行
表1　各塔运行参数统计表
塔编号
1
2
3

处理能力(m3/h2)
2000
3000
3000

电机电流(A)
250
200
220

电机电压(V)
380
380
380

功率因数(cos φ)
0.87
0.87
0.87

电机输入功率(kw)
143
115
128

电功率单耗(kW/m3)
0.0715
0.0383
0.042

　　由表1所示的数据知：1998年度冷却塔风机全部运行期间,冷却塔进水温度的最高温度平均值分布在34.5℃～38℃内；循环水经冷却后,冷却塔出水温度的最高温度平均值分布在27.6℃～28.8℃内,其较各生产装置所需冷却水温度32℃低3.2℃～4.4℃；并可知在同时满足冷却塔进水温度低于最高热水温度平均值及冷却塔出水温度低于最高冷水温度平均值这一条件下,单台风机全年的运行时间为2705h。若采用变频控制器调节风机转速,改变风机风量,可使冷却塔出水温度提高2℃～3℃的情况下,仍能满足冷却塔出水温度≤32℃的工艺要求,这显然可节省电能。根据厂家所提供的：a.出水与空气湿球温度及冷却塔进水温度关系曲线图；b.进出水温差与空气湿球温度及风机轴功率百分比关系曲线图；以及表2的有关数据,通过工艺计算得风机的不同月份节能潜力及收益值.
注：收益率＝可运行时间×风机节能潜力×0.56元/kW·h×100%;表中P＝120.5kW；总收益值=8.883万元。
　　由表3可知各冷却塔风机节能潜力为40%～54%。

2.2　风机变频调速实施方案探讨
2.2.1　系统结构
　　由P∝n3知：风机节能的最佳方案是控制风机转速,可通过改变电机控制系统来调节电机运行转速,从而达到控制风机转速的目的。由于3台风机驱动电机功率均为160kW,可采用1台变频控制器循环方式运行.
该系统由2部分组成：变频回路：1台变频器,空气开关Q1,交流接触器C1、C2、C3和自动运行控制回路及信号报警回路组成变频循环运行回路;工频回路：空气开关Q2、交流接触器C4、C5、C6和热继电器T1、T2、T3以及手动运行控制回路等构成工频(50Hz)运行回路。
2.2.2　运行方式
　　正常状态,转换开关QK切至自动运行回路,由温度传感器测定冷却塔出水温度,转换成标准的电流信号,送至变频器的温度检测器,用于控制冷却塔风机转速,改变风机的风量,从而改变冷却塔出水温度；当1台风机运转频率接近工频运行仍不能满足要求时,将此变频运行风机改为工频运行,再变频启动另1台风机,直到满足各生产装置所需的循环水温度≤32℃为止。整个控制系统为一个闭环调节系统。根据工艺要求,自动确定电机是变频运行或是工频运行,并做到最先运行的风机最先切除,各电机循环运行,从而延长设备使用寿命。当变频器出故障时,将转换开关QK切换至手动状态,3台电机运行在工频状态仍可满足运行要求。
　　采用变频器调速的方法,改变了以往电机的开、停仅为手动控制的单一工频运行方式,从而避免为满足冷却塔出水水温≤32℃,必须使1台或几台风机均处在工频状态下运行,而造成水温过低,形成不必要的能源浪费。采用变频调速运行方式,提高了水温控制的准确性,并可实现平滑启动电机,使3台电机循环运行,从而提高电机的使用寿命。
3　风机节能经济分析
　　(1)由表1所示的冷却塔运行参数可知：1＃塔的处理能力只是2#或3#塔的66%,但其处理1m3/h热水风机电功率单耗确是2#塔与3#塔风机电功率单耗之平均值的1.783倍(即其大0.0313kW/m3/h),其原因是该塔填料仍为旧式低效填料,若将1#塔填料改用与2#塔相同性能的新型高效填料,则每小时处理能力就可提高1000m3。如按1#塔处理量为2000m3/h计算,每小时节电2000×0.0313＝62.6kW,节能效果相当可观。1#塔每年运行时间为3000h,更换填料需投资约45万元。
收益率＝3000×62.6×0.56/45×104×100%＝23.37％。
　　(2)采用变频调速方案,根据表3可得每年总收益值为8.883万元,实施变频控制需要投资约15万元,收益率=8.883/15×100%＝59.2％,约1.7年就能收回投资额,另外设备的折旧率大大降低,可见节能效果显著。

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