變頻器在冷卻塔中的節(jié)能應(yīng)用,冷卻塔變頻器工作原理

冷卻塔變頻器的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)越來越明顯，變頻器的使用也會(huì)越來越普遍。廠家采用冷卻塔變頻技術(shù)后，不僅可以獲得收益，還可以使自己的冷卻塔在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中，長(zhǎng)期處于主動(dòng)地位。

二、冷卻塔風(fēng)機(jī)變頻節(jié)能實(shí)施方案及應(yīng)用效果

1．冷卻塔風(fēng)機(jī)變頻控制實(shí)施方案

(!) 方案一：固定變頻控制方式。

固定變頻控制方式：可分為單臺(tái)固定變頻控制和多臺(tái)固定變頻控制。以多路固定變頻控制為例，如圖1所示。

系統(tǒng)由變頻電路和工頻電路兩部分組成：變頻電路：變頻循環(huán)運(yùn)行由一個(gè)變頻器、空氣開關(guān)QF2、交流接觸器KM02、變頻運(yùn)行控制電路和信號(hào)報(bào)警電路電路。工頻電路：工頻（50Hz）操作電路由空氣開關(guān)QF1、QF3、QF4、QF5、交流接觸器KM01、KM03、KM04、KM05、熱繼電器FR1、FR2、FR3、FR4和手動(dòng)操作控制電路組成。

運(yùn)行方式：工頻運(yùn)行時(shí)：風(fēng)機(jī)根據(jù)工頻控制電路選擇啟動(dòng)，50Hz全速運(yùn)行；標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)或電壓信號(hào)送至變頻器的模擬量輸入端，電機(jī)根據(jù)負(fù)載情況交替啟動(dòng)，三臺(tái)電機(jī)均運(yùn)行：第一臺(tái)電機(jī)變頻運(yùn)行，第二臺(tái)電機(jī)工頻運(yùn)行，第三電動(dòng)機(jī)以工頻運(yùn)行。

（2）方案二：循環(huán)變頻控制方式。

風(fēng)扇節(jié)能的最佳方案是控制風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速?？梢酝ㄟ^改變電機(jī)控制系統(tǒng)來調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而達(dá)到控制風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。以三臺(tái)相同功率電機(jī)的冷卻塔為例，三臺(tái)風(fēng)機(jī)為相同功率的電機(jī)，可以通過變頻器進(jìn)行循環(huán)控制運(yùn)行。系統(tǒng)電氣原理圖如圖2所示。

1）控制系統(tǒng)由變頻電路和工頻電路兩部分組成：變頻電路：由變頻器、空氣開關(guān)組成Q1、交流接觸器KM1、KM3、KM5與自動(dòng)運(yùn)行控制電路和信號(hào)報(bào)警電路組成變頻循環(huán)運(yùn)行電路。工頻電路：空氣開關(guān)QF2、QF3、QF4，交流接觸器KM2、KM4、KM6，熱繼電器FR1、FR2、FR3和手動(dòng)操作控制電路構(gòu)成工頻（50Hz）運(yùn)行電路。

2）控制系統(tǒng)由變頻電路和工頻電路兩部分組成：變頻電路：由變頻器、空氣開關(guān)QF3、交流接觸器KM4、KM5、KM6和自動(dòng)運(yùn)行控制組成電路與信號(hào)報(bào)警電路組成變頻循環(huán)運(yùn)算電路。工頻電路：空氣開關(guān)QF0、QF1、QF2，交流接觸器KM1、KM2、KM3，熱繼電器FR1、FR2、FR3和手動(dòng)操作控制電路構(gòu)成工頻（50Hz）運(yùn)行電路。

運(yùn)行方式：在正常狀態(tài)下，轉(zhuǎn)換開關(guān)切換到自動(dòng)運(yùn)行電路，溫度傳感器測(cè)量冷卻塔出水溫度，并通過傳感器轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)或電壓信號(hào)溫控器，送至變頻器的模擬量輸入端，用于控制變頻器的轉(zhuǎn)速，改變風(fēng)機(jī)的風(fēng)量，從而改變冷卻塔的出水溫度；當(dāng)一臺(tái)風(fēng)機(jī)運(yùn)行不能滿足要求時(shí)，將風(fēng)機(jī)變頻運(yùn)行改為工頻運(yùn)行，再啟動(dòng)另一臺(tái)風(fēng)機(jī)變頻運(yùn)行，直至生產(chǎn)裝置要求的循環(huán)水溫度達(dá)到工藝要求（即即水溫≤32℃）。整個(gè)控制系統(tǒng)是一個(gè)閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。先運(yùn)轉(zhuǎn)的風(fēng)機(jī)先斷電，電機(jī)循環(huán)運(yùn)轉(zhuǎn)，延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命。當(dāng)變頻系統(tǒng)控制電路或變頻器出現(xiàn)故障時(shí)，將轉(zhuǎn)換開關(guān)切換至手動(dòng)狀態(tài)，三臺(tái)電動(dòng)機(jī)工頻運(yùn)行時(shí)仍能滿足裝置的技術(shù)要求。

2.循環(huán)變頻控制方式帶來循環(huán)水冷卻塔變頻節(jié)能的效果

(1) 循環(huán)水冷卻塔運(yùn)行概況某供水廠有3號(hào)，分別為1#、2#、3#循環(huán)水冷卻塔。將各生產(chǎn)裝置返回的循環(huán)熱水泵入這些塔內(nèi)，通過塔內(nèi)填料增加熱水與空氣的接觸面積和接觸時(shí)間，促進(jìn)熱水與空氣的熱交換，冷卻循環(huán)水。這樣就可以得到各生產(chǎn)裝置所需的循環(huán)水溫≤32℃的冷水。

當(dāng)環(huán)境溫度升高時(shí)，啟動(dòng)冷卻塔內(nèi)的軸流風(fēng)機(jī)進(jìn)行強(qiáng)制通風(fēng)，以加速循環(huán)水在冷卻塔填料上的氣相與液相的熱交換。每座冷卻塔安裝一臺(tái)直徑8500mm的軸流風(fēng)機(jī)，由一臺(tái)4極異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，電壓380V，額定功率160KW。電機(jī)與風(fēng)機(jī)直接通過減速比恒定的減速機(jī)連接，塔內(nèi)不設(shè)節(jié)流閥。因此，軸流風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和風(fēng)量是不可調(diào)節(jié)的。三個(gè)塔的總處理能力為8000m3/h，遠(yuǎn)大于每個(gè)生產(chǎn)單元6600m3/h的總最大需求量。 2002年各塔運(yùn)行參數(shù)見表1、表2。

(2)冷卻塔風(fēng)機(jī)采用變頻調(diào)速節(jié)能方案

1)可行性分析風(fēng)機(jī)節(jié)能

從表1數(shù)據(jù)看：每年冷卻塔風(fēng)機(jī)滿負(fù)荷運(yùn)行期間，冷卻塔進(jìn)水溫度最高平均溫度分布在34.5-38℃之間；循環(huán)水冷卻后，冷卻塔出水溫度最高溫度平均值分布在27.6-28.8℃之間，比各生產(chǎn)裝置要求的冷卻水溫度32℃低3.2-4.4℃ ;可知，冷卻塔進(jìn)水溫度低于熱水最高溫度的平均值，冷卻塔出水溫度低于冷水最高溫度的平均值。 time 在此條件下，單臺(tái)風(fēng)機(jī)年運(yùn)行時(shí)間為2705h。若采用變頻器調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，改變風(fēng)機(jī)風(fēng)量，可使冷卻塔出水溫度升高2-3℃，出水溫度的工藝要求仍可滿足冷卻塔≤32℃，明顯節(jié)電。根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)和表2中的相關(guān)數(shù)據(jù)，通過該過程計(jì)算出風(fēng)機(jī)在不同月份的節(jié)能潛力和收益值，如表3所示。從表3可以看出，節(jié)能每臺(tái)冷卻塔風(fēng)機(jī)的潛力為40%-50%。

（三）風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速實(shí)施方案探討

1）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

風(fēng)機(jī)節(jié)能的最佳解決方案是控制風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，可通過更換電機(jī)來改變控制系統(tǒng)用于調(diào)節(jié)電機(jī)的運(yùn)行速度，從而達(dá)到控制風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的目的。

由于三臺(tái)風(fēng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率為160KW，一臺(tái)變頻器可以循環(huán)運(yùn)行。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

系統(tǒng)由2部分組成：變頻電路：1臺(tái)變頻器、空氣開關(guān)Q1、交流接觸器C1、C2、C3、自動(dòng)運(yùn)行控制電路及信號(hào)報(bào)警電路組成變頻循環(huán)運(yùn)行電路；變頻電路：空氣開關(guān)Q2、交流接觸器C4、C5、C6、熱繼電器T1、T2、T3和手動(dòng)操作控制電路構(gòu)成工頻（50Hz）操作電路。

2）運(yùn)行方式正常，轉(zhuǎn)換開關(guān)QK：切換到自動(dòng)運(yùn)行電路，溫度傳感器測(cè)量冷卻塔出水溫度，轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)，送出它到變頻器的溫度檢測(cè)器。用于控制冷卻塔風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，改變風(fēng)機(jī)風(fēng)量，從而改變冷卻塔出水溫度；當(dāng)一臺(tái)風(fēng)機(jī)的運(yùn)行頻率接近工頻運(yùn)行仍不能滿足要求時(shí)，將變頻運(yùn)行風(fēng)機(jī)改為工頻運(yùn)行，然后用變頻1風(fēng)機(jī)啟動(dòng)另一臺(tái)風(fēng)機(jī)，直至達(dá)到各臺(tái)所需的循環(huán)水溫度生產(chǎn)設(shè)備≤32°C。整個(gè)控制系統(tǒng)是一個(gè)閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。

根據(jù)工藝要求，自動(dòng)判斷電機(jī)是變頻運(yùn)行還是工頻運(yùn)行，先運(yùn)行的風(fēng)機(jī)先斷電，每臺(tái)電機(jī)循環(huán)運(yùn)行，從而延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命。當(dāng)變頻器出現(xiàn)故障時(shí)，將轉(zhuǎn)換開關(guān)QK切換到手動(dòng)狀態(tài)，三臺(tái)電動(dòng)機(jī)在工頻狀態(tài)下運(yùn)行仍能滿足運(yùn)行要求。

采用變頻調(diào)速的方式，改變了以往僅靠手動(dòng)控制電動(dòng)機(jī)啟停的單一工頻運(yùn)行方式，避免了需要使用一臺(tái)機(jī)組才能順序運(yùn)行為滿足冷卻塔出水溫度或幾臺(tái)風(fēng)機(jī)全部工頻運(yùn)行，造成水溫過低，造成不必要的能源浪費(fèi)。采用變頻調(diào)速運(yùn)行方式，提高了水溫控制的精度，可實(shí)現(xiàn)電機(jī)的平穩(wěn)啟動(dòng)，使3臺(tái)電機(jī)循環(huán)運(yùn)行，從而提高了電機(jī)的使用壽命。

（4）風(fēng)機(jī)節(jié)能經(jīng)濟(jì)分析

1）從表1所示冷卻塔運(yùn)行參數(shù)可知，1#處理能力塔僅為2#、3#塔的66%，但處理1m3/h熱水風(fēng)機(jī)的單位耗電量是2#塔風(fēng)機(jī)平均單位耗電量的1.783倍， 3#塔（即大了0.0313KW/h），原因是塔的填料還是舊的低效填料。若將1#塔填料換成與2#塔性能相同的新型高效填料，可增加處理能力1000m3/h。如1#塔處理能力為2000m3，每小時(shí)節(jié)電2000×0.0313=62.6KW，節(jié)能效果可觀。 1#塔每年運(yùn)行3000小時(shí)，更換填料需要投資約45萬元。收率=3000×62.6×0.56/45×104×100%=23.37%。

2）采用變頻調(diào)速方案，根據(jù)表3，年總收益為88830元。實(shí)施變頻控制需投資約15萬元，收益率=8.883/15×100%，約1.7年可收回投資，設(shè)備折舊率大大降低，說明節(jié)能效果顯著。

3.結(jié)語

對(duì)于冷卻塔廠商來說，一款新產(chǎn)品的投產(chǎn)，首先要看市場(chǎng)需求和能夠產(chǎn)生的效益。通過以上經(jīng)濟(jì)分析可以得出結(jié)論，只要用戶了解逆變器應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)，基于運(yùn)行成本和設(shè)備維護(hù)的考慮，用戶必然會(huì)對(duì)此類投資產(chǎn)生濃厚的興趣。事實(shí)上，冷卻塔逆變器在市場(chǎng)上的應(yīng)用已經(jīng)非常成熟，并且正朝著這個(gè)方向快速發(fā)展。變頻器的應(yīng)用是目前整個(gè)冷卻塔市場(chǎng)乃至整個(gè)中央空調(diào)市場(chǎng)的趨勢(shì)。