变频器在中央空调循环水冷却塔中的节能应用方案
2007-12-01 13:27:22 来源: 土木工程网收集整理 作者: 张少阳
该控制系统由变频回路和工频回路两部分组成：
变频回路：由一台变频器，空气开关Q1，交流接触器KM1、KM3、KM5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QF2、QF3、QF4、交流接触器KM2、KM4、KM6和热继电器FR1、FR2、FR3以及手动运行控制回路等构成工频（50Hz）运行回路。
该控制系统由变频回路和工频回路两部分组成：
变频回路：由一台变频器，空气开关QF3，交流接触器KM4、KM5、KM6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QF0、QF1、QF2、交流接触器KM1、KM2、KM3和热继电器FR1、FR2、FR3以及手动运行控制回路等构成工频（50Hz）运行回路。
运行方式：
正常状态，转换开关切至自动运行回路，由温度传感器测定冷却塔出水温度，经过温控器转换成标准的电流信号或电压信号，送到变频器的摸拟输入端来控制变频器的转速，改变风机的风量，从而改变冷却塔的出水温度；当一台风机运行仍旧不能满足要求时，将此变频运行的风机改为工频运行，再变频启动另一台风机，直到满足生产装置所需的循环水的温度达到工艺要求为止（即水温≤32°C）。整个控制系统为一个闭环调节系统。根据装置的工艺要求，自动确定风机是变频运行还好工频运行。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的目的。当变频系统控制回路或者变频器出故障的时候，将转换开关切换到手动状态，三台电机运行在工频状态仍可满足装置工艺要求。
4.2 以循环变频控制方式为例讲解一下循环却塔变频节能的效果：
4.2.1循环却塔运行概况
某公司供水厂共有3个编号分别为1#,2#和3#循环却塔。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, 2002年度各塔的运行参数详见表1与表2。
4.2.2冷却塔风机采用变频调速节能方案
4.2.2.1 风机节能可行性分析:
塔编号 | 处理能力(m3/h) | 电机电流(A) | 电机电压(V) | 功率因数(cosφ) | 电机输入功率(kw) | 电功率单耗(kW/m3) |
1 | 2000 | 250 | 380 | 0.87 | 143 | 0.0715 |
2 | 3000 | 200 | 380 | 0.87 | 115 | 0.0383 |
3 | 3000 | 220 | 380 | 0.87 | 128 | 0.042 |
由表1所示的数据知：2002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如表3。
日期 | 运行台数 | 运行天数 | 运行=24h/d | 运行=24h/d | 同时满足①τ热进≤τ热进max②τ冷出≤τ冷出max 时风机的运行时间/h | 最高热水温度平均值 τ热进max/℃ | 最高冷水温度平均值 τ冷出max/℃ | |||
台数 | 累计时间/h | 台 数 | 平均运行/h/b | 累计时间/h | ||||||
3 月27日~5月17日 | 1 | 34 | 0 | 0 | 1 | 16.7 | 56956 569 | 517 | 37.6 | 27.6 |
5 月18日~6月16日 | 2 | 45 | 1 | 1080 | 1 | 15 | 673 | 561 | 35.3 | 28 |
6 月17日~8月26日 | 3 | 69 | 2 | 3312 | 1 | 21.45 | 1480 | 1028 | 38 | 28.8 |
8月27日~10月13日 | 2 | 30 | 1 | 720 | 1 | 10.8 | 324 | 157 | 34.5 | 28.4 |
10月14日~11月15日 | 1 | 44 | 0 | 0 | 1 | 15.8 | 693 | 442 | 34.5 | 28.4 |
项目内容 日期 | 冷却塔进水温度/℃ | 温差Ζ1℃ | 湿球温度 /℃ | 对应不同功率比 | 冷水温度 /℃ | 运行 时间 /h | 风机 功率 | 风机节能 潜力 | 收益率/万元 | |
Z2 | Z1 | |||||||||
3.27-5.17 | 3.6 | 10 | 20.5 | 7.45 | 7.87 | 29.73 | 517 | 0.46P | 0.54P | 1.883 |
5.18-6.16 | 35.3 | 7.3 | 22.5 | 6.50 | 5.31 | 29.69 | 561 | 0.46P | 0.54P | 2.044 |
6.17~8.26 | 38 | 9.2 | 22.5 | 7.00 | 7.70 | 30.30 | 1028 | 0.46P | 0.40P | 2.774 |
8.27~10.13 | 34.5 | 6.1 | 24 | 5.80 | 4.05 | 30.45 | 157 | 0.46P | 0.54P | 0.572 |
10.14~11.15 | 34.5 | 6.1 | 24 | 5.80 | 4.05 | 30.45 | 442 | 0.46P | 0.54P | 1610 |
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元。
由表3可知各冷却塔风机节能潜力为40%～54%。
4.2.3 风机变频调速实施方案探讨
4.2.3.1 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,系统结构框图如图1所示：
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。
4.2.3.2 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。
4.2.4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。
智能楼宇和职能厂房的高速发展，使得现在楼宇和厂房的能耗越来越大，节能方法的使用是每一个管理者和经营者都必须考虑的问题。而节能是目前全球关注的观念主题，而就目前来讲变频器节能是最佳的投入最少的节能方式和控制方式。那么，作为冷却塔的用户如果在了解到变频器节能的好处之后。对于这么少量的投资自然是十分的乐意。
对于冷却塔的生产厂家来说，一种新的产品的投入生产首先看市场的需求和能够产生的效益，通过以上的经济分析，我们可以得出使用方只要在了解到了变频器应用的优点后，基于运行成本和设备维护的考虑，必然会对这样的投资产生浓厚的兴趣。而事实上目前市场上对于冷却塔变频器应用已经十分的成熟，而且也正是朝着这个方向快速的发展。变频器的应用是目前整个冷却塔市场乃至整个中央空调市场的趋势，照目前的市场情况来看，越早投入变频器的应用的厂商收到的经济效益必然是越快。当然这需要冷却塔厂商的销售人员对客户进行详尽的到位的变频器技术的解释。而冷却塔生产商在掌握了变频器技术后，控制部分的硬件收入和技术服务收入，都将可成为一个新的利润增长点。从长远来看，冷却塔变频器的应用优势会越来越明显，变频器的使用也会越来越普遍，厂商在使用了冷却塔变频技术后不仅可以得到收益而且也可使自己的冷却塔在激烈的市场竞争中长期处于主动位置。
虽然在前期的投入中会有人员配备等投资，但是从长远的立场来看，这项投资对冷却塔的厂商来说必将收到丰厚的利润回报。
附件: 系统配置及报价清单(以11KW变频循环控制方式控制三台电机为例)
序号 | 名称 | 型号规格 | 含税单价 | 数量 | 品牌 | 冷却塔功率 |
1 | 变频器 | VLT7016 | 6660 | 1 | Danfoss | 11KW |
2 | 断路器 | CP65N-D 3P 25A | 105 | 4 | 施耐德 | |
3 | 断路器 | C65 2P 2A | 102 | 2 | 施耐德 | |
4 | 保险丝 | RT19-32 2A | 5 | 2 | 正泰 | |
5 | 交流接触器 | LC1-D2510M5C | 90 | 6 | 施耐德 | |
6 | 热继电器 | LR2D1322C | 80 | 3 | 施耐德 | |
7 | 电压表 | 450V | 35 | 1 | 天正 | |
8 | 电流表 | 100/5A | 35 | 1 | 天正 | |
9 | 互感器 | 100/5 | 45 | 2 | 天正 | |
10 | 指示灯（绿） | XB2EV443 | 15 | 4 | 施耐德 | |
11 | 指示灯（红） | XB2EV444 | 15 | 4 | 施耐德 | |
12 | 指示灯（黄） | XB2EV445 | 15 | 1 | 施耐德 | |
13 | 旋钮开关 | XB2BD25C | 35 | 3 | 施耐德 | |
14 | 旋钮开关 | XB2BD33C | 35 | 1 | 施耐德 | |
15 | 按钮(绿) | XB2BA31C | 20 | 4 | 施耐德 | |
16 | 按钮(红) | XB2BA31C | 20 | 4 | 施耐德 | |
17 | 温度传感器 | WPT-2231 | 350 | 1 | 昆仑 | |
18 | 温控器 | LU-904MAOLOO | 450 | 1 | 台湾安东 | |
19 | 配电柜 | 1600*600*500 | 1500 | 1 | 佳丰 | |
20 | 排风扇 | 150MM | 60 | 2 | 国产 | |
21 | 安装辅材 | 一批 | 500 | 1 | 国产 | |
22 | 集成安装费 | 800 | 1 | 科盈 | ||
23 | 系统调试费 | 800 | 1 | 科盈 | ||
合计 | 人民币13234.00元 | |||||
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