冷卻塔風(fēng)機的節(jié)能及安全控制研究

冷卻塔風(fēng)機是循環(huán)水系統(tǒng)的核心設(shè)備[1]。北京燕山石化公司煉油廠目前擁有7套循環(huán)水裝置，循環(huán)冷卻水總設(shè)計處理量為4.665×104t/h；涼水塔風(fēng)機105臺（其中4.7m 98臺，8.5m 7臺），總裝機功率為4060kW，同時開機情況下最大日耗電量達9.74×104kW·h。
就循環(huán)水設(shè)備管理情況看，無論是從設(shè)備的數(shù)量、維修工作量、耗電量等哪個方面來講，冷卻塔風(fēng)機都占有很大比重。風(fēng)機臺數(shù)占車間設(shè)備總量的57％，維修工時占總量的60％，電耗占總量的22％。如何在節(jié)能降耗、減少勞動力的情況下來保證設(shè)備的長周期運行，必然要應(yīng)用先進的科學(xué)技術(shù)及管理方法[2]。自1993年開始，筆者單位與中科院工程熱物理所合作，共同研制開發(fā)了風(fēng)機節(jié)能自控和安全自控2套監(jiān)測系統(tǒng)，即“KR-933型風(fēng)機節(jié)能控制器”、“KR-939型風(fēng)機安全運行監(jiān)控器”。目前該系統(tǒng)已經(jīng)在循環(huán)水車間得到了全面應(yīng)用，并取得了理想的效果。

1 風(fēng)機節(jié)能控制器的研究

提出風(fēng)機節(jié)能控制管理的目的，是實現(xiàn)風(fēng)機運行閉環(huán)自動控制。根據(jù)生產(chǎn)的需要預(yù)先設(shè)定供水溫度，由氣候氣象環(huán)境對水溫的影響、系統(tǒng)換熱條件的改變對水溫的影響，用溫感探頭的實測值及時反應(yīng)出來，最終通過調(diào)控降溫設(shè)備的能耗來穩(wěn)定供水溫度，實現(xiàn)自控節(jié)能。

通常認(rèn)為，“變頻調(diào)速技術(shù)”是完成上述過程的理想方法。但變頻調(diào)速技術(shù)在循環(huán)水冷卻塔風(fēng)機控制上的運用存在如下局限性和缺陷：

①“變頻調(diào)速技術(shù)”可以做到很高的控溫精度，但這在循環(huán)冷卻水系統(tǒng)卻不很重要。
②變頻器自身的能量損耗（平均運行效率不足90％）影響節(jié)能效果。
③變速運行造成風(fēng)扇葉片攻角改變（迎風(fēng)角），風(fēng)機脫離工作點運行使效率降低。
④電機脫離額定轉(zhuǎn)速的低速運行，以及轉(zhuǎn)速、扭矩、功耗之間的非線性關(guān)系，也使電機的運行效率大為降低。
⑤變頻調(diào)速系統(tǒng)價格較為昂貴（每千瓦1000元左右），新建工程和老設(shè)備改造都需較大投入。
⑥設(shè)計上還必需考慮變頻調(diào)速器運行在某些特定轉(zhuǎn)速時的破壞性共振問題，和變頻調(diào)速器產(chǎn)生強電磁污染對其它儀表的干擾等問題。

我們根據(jù)冷卻塔風(fēng)機往往是以多臺并聯(lián)的機群形式工作，為此提出了根據(jù)測量供水溫度的變化，自動調(diào)節(jié)風(fēng)機的開、停機數(shù)量達到控溫節(jié)能的目的。

這是一種簡單易行、費用低廉的控制方法，但它又有別于常規(guī)的PID模擬調(diào)節(jié)方式。它是一種單變量離散控制閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，既要保證有一定的控溫精度，又不允許風(fēng)機頻繁啟停；既要保證風(fēng)機能單臺工作，又要求多臺風(fēng)機在時間和啟停次數(shù)上平衡運行。

針對冷卻塔風(fēng)機控制管理中實際遇到的問題，我們提出了“溫度測量范圍”、“測量精度”、“顯示分辯率”、“測量上下限”、‘測量校準(zhǔn)值”、“執(zhí)行周期”、“溫度允差”、“溫度速率允差”等共18項基本設(shè)計要求進行研發(fā)制作，并于1993年3月首次在第三循環(huán)水場風(fēng)機現(xiàn)場試用，該系統(tǒng)命名為“KR-933風(fēng)機智能控制器”。

2 風(fēng)機安全監(jiān)控器研究

提出風(fēng)機安全監(jiān)控管理的目的，是為了自動檢測出振動、油溫、油位的變化數(shù)值，并進行顯示和記錄，同時對檢測值超限的風(fēng)機進行報警和停機，以求達到風(fēng)機安全平穩(wěn)運行的目的，減少甚至杜絕風(fēng)機損壞事故的發(fā)生。根據(jù)現(xiàn)場管理的實際情況，確定了“風(fēng)機振動”、“滑油油溫”、“減速箱油位”3個參數(shù)是保證風(fēng)機安全最重要的運行參數(shù)[3]。又確定了“測量范圍”、“測量精度”、“巡檢時間”等共15項設(shè)計參數(shù)進行研發(fā)制作。該系統(tǒng)于1993年9月在循環(huán)水場得到首次試用，命名為“KR-939風(fēng)機安全監(jiān)控器”。

該系統(tǒng)運用了多參數(shù)組合探頭技術(shù)、數(shù)字指令編碼技術(shù)和計算機網(wǎng)絡(luò)管理技術(shù)。三參數(shù)組合探頭安裝于風(fēng)機減速箱泊尺固定座上，其探桿直接插入滑油中，將減速箱內(nèi)的油溫、泊位及設(shè)備振動值直接轉(zhuǎn)換為電信號，并遠傳至控制室內(nèi)的風(fēng)機安全監(jiān)控器。每臺安全監(jiān)控器可以用一條四芯電纜掛接8只組合探頭，對8臺風(fēng)機的運行參數(shù)進行實時監(jiān)控，同時完成數(shù)字顯示。超限報警、超限停機等多相功能。經(jīng)過了多次的試驗和改型設(shè)計，目前已經(jīng)成功運用于設(shè)備生產(chǎn)現(xiàn)場，各項參數(shù)達到了預(yù)定的設(shè)計要求。

3 實現(xiàn)計算機聯(lián)網(wǎng)控制

上面介紹的兩種測控系統(tǒng)，可以通過一條四芯通訊電纜（RS-422標(biāo)準(zhǔn)串行接口）與1臺管理計算機連接，計算機可以是通用型PC機或工控機。當(dāng)配備相應(yīng)的組態(tài)化監(jiān)控管理軟件（DCS-900軟件），即可與多臺KR-933、KR-939監(jiān)控器實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)控制。與計算機聯(lián)網(wǎng)后的風(fēng)機監(jiān)控器增加了如下功能：

①同時監(jiān)控網(wǎng)內(nèi)所有控制器的測量參數(shù)，實現(xiàn)綜合管理。
②修改網(wǎng)內(nèi)各控制器的設(shè)定參數(shù)。
③根據(jù)各控制器運行參數(shù)變化實現(xiàn)系統(tǒng)優(yōu)化管理。
④進行歷史數(shù)據(jù)及圖形的記錄，幫助分析，方便查詢。

4 風(fēng)機管理研究的效果

自1993年開始北京燕化煉油廠進行風(fēng)機自控管理試驗，取得了良好的效果，主要成績反應(yīng)在節(jié)能和安全運行兩個方面。

4.1 風(fēng)機運行節(jié)電效果明顯

以安裝了KR-933的第二循環(huán)水場為例，使用KR-933節(jié)能控制器的節(jié)能效果見表1。

如表1所示，最初現(xiàn)場試用KR-933節(jié)能控制器的第三循環(huán)水場，在1993年風(fēng)機負(fù)荷較重的6，7，8，9這4個月內(nèi)，耗電量與1991，1992年同期相比，節(jié)電量178533kW·h，若以0.45元/(kW·h)計算，這4個月共節(jié)約用電費7.92萬元；而第三循環(huán)水場安裝節(jié)能控制器的費用只有4.36萬元，可見投入的費用只需設(shè)備運行幾個月就能收回。

目前我廠已陸續(xù)在4個循環(huán)水場應(yīng)用了KR-933智能控制器13臺，受控風(fēng)機92臺，取得了可觀的經(jīng)濟效益。