Abstract: View of the domestic status of cooling tower fan and the research and analysis of cooling tower fan closed loop based on the principle of variable frequency energy saving control, designed and developed a kind of cooling tower fan energy-saving control system optimization. The S7-200 series PLC and frequency converter technology, the combination of realizing the closed-loop control of frequency conversion fan operation; And the organic combination of the fan fault alarm system, realize the safety control of fan. Through production practice has proved that the optimization of energy saving control system work stable performance and energy saving effect is good, has the good application value.

Key words: Cooling tower fan; Closed-loop control; Optimization of energy saving

【中图分类号】TE08 【文献标识码】B  【文章编号】1561-0330（2018）03-0000-00

1 引言

冷却塔风机广泛应用于石油、化工、电力和冶金等行业的循环水系统中，其主要作用是将热的工业用水强迫冷却到生产所需的温度，达到水的循环使用，是循环水系统的核心设备和主要的耗能部件。随着国家政策对节能减排的提倡，在实际生产中，冷却塔风机等消耗能量设备的节能问题已备受关注。

随着社会科技的进步，变频调速技术在社会生产生活中的各个领域均有广泛应用，为解决冷却塔风机的节能问题提供了技术基础与保障；通过对风机的转速和运行台数两种方式来保证出水温度维持在一定的范围内进而达到冷却塔风机节能的目的。国内大多数循环水系统均采用人工启停冷却塔风机来控制进出水温度值维持在一定的范围内，保证生产的稳定运行，冷却塔风机的设计工况在设计和选定时都留有足够的裕量，若风机长期工频运行，能力过剩，就造成了大量电能的损失。因此，采用合理的节能方案，开发群组冷却塔风机优化节能控制系统，实现对冷却塔风机的运行工况进行有序控制，能节约大量的电能。

2 冷却塔风机使用中存在的问题

2.1 冷却塔风机的工作原理

    冷却塔是利用水和空气的接触，通过蒸发作用来散去工业或制冷空调中产生的废热的一种设备。冷却塔风机广泛应用于石油化工等行业循环水系统的冷却塔中，其基本原理为将工业用水塔内空气作为冷却介质，电机通过传动轴和减速器带动风机叶片旋转，在塔内的空气就会发生流动，使得进入的冷空气与塔内喷洒的热循环水相接触，将循环水携带的热量扩散到空气中去，并由空气带到塔外。通过冷却塔风机将工业热水强制冷却，实现水的再循环使用。

风机类负载满足相似定律，对冷却塔风机进行相似定律分析，可以为冷却塔风机节能设计奠定坚实的理论基础。
2.2 目前使用存在的问题

经过对某化工公司循环水系统的6台冷却塔风机调研分析可得，冷却塔风机工作能力季节性变化较大，夜晚冷却能力过剩（昼夜温差大），即使通过人工上塔启停风机、调整运行台数、调整风机叶片角度等措施来减少风量，节约电能，都无法精确控制温度，水温的变化幅度较大，影响到生产。多数情况下，为了保证生产安全，供水温度控制都偏低，造成电能浪费。存在以下几种问题：

（1）为了保证生产工艺要求，一般在夏季开一台风机，约可使循环水出水温度降低1℃。其它季节开一台风机可使循环水温度降低2-4℃。按照安全生产第一的要求，水温应达到的控制精度。现有的人工控制方法难以精确及时控制水温，达到1℃的水温控制。常是多开一台水温偏低2-4℃，而少开一台水温又过高2-4℃。因水温变化反应速度与生产负荷、环境温度以及风机启停个数相关，人工实际操作时，无法及时准确调整水温。风机在除了夏季的其它季节工作能力过剩、夜晚冷却能力过剩（昼夜温差大），人工叶片角度调整需停机施工，无法及时调节和控制，常使风机在满负荷状态下无功运行，使水温偏低，造成电能的浪费。

（2）为了调整出水温度，若人工频繁启停风机或调节角度，不但劳动强度大，且有人身安全隐患，而且设备启动附加载荷大，造成对风机叶片、传动轴、齿轮、轴承等承力零部件的载荷冲击，严重影响使用寿命，增加故障隐患。

（3）频繁启动这种大功率设备，形成很大启动电流冲击，造成电能浪费。大功率电动机不适用于频繁启动，存在电机的安全隐患，一旦电机发生故障，恢复困难，影响生产。风机运行中若出现超限报警停车现象，只得停机查找故障部位。但是在塔上热水汽的恶劣环境下难以查到故障，并且排故是在其他风机运行情况下，不能可靠断电，塔内温度高、湿度大，人身安全无法保证。常常是在没有找到故障隐患的情况下继续运行，存在安全隐患。

2.3 总体方案设计

针对上述冷却塔风机运行存在的问题，设计了一种群组冷却塔风机优化节能控制系统，包括了优化运行系统和安全集成系统，在整体优化的原则下，对风机运行工况进行闭环节能控制：根据实时出水温度的反馈，调节风机的转速和控制风机运行的台数，达到出水温度的恒温控制的目的。实现风机的安全控制：通过对风机电机运转频率进行离散化台阶式控制，减轻调速过程中带来的转速震荡问题；通过与冷却塔风机故障预警系统结合，及时发现故障并逐步做到故障预警。

3 群组冷却塔风机优化节能控制系统的原理分析

3.1 单台冷却塔风机闭环节能控制方法

冷却塔稳定的出水温度是通过风机的风量控制实现的，而风量的大小则可以通过风机运转速度的改变实现。如图1所示，安装在冷却塔水池出水总管上的带有变送器的温度传感器将出水温度信号转换成可以识别的标准电流信号，并传送到可编程控制器的模块中进行逻辑分析和转换，把得出的数值与预设的温度参数进行比较，之后把控制信号传送给变频器，对风机电机的转速进行调节，将冷却水的温度维持在一定范围内。循环水系统出水温度高于设定值时，控制变频器增加风机的转速或运行台数，降低出水温度；出水温度减低时，同样会控制减小风机转速或风机运行台数，控制出水温度始终维持在一定的范围内，这样就形成了一个闭环反馈控制系统。

3.2 风机变频信号的离散化处理机理

闭环控制下的风机工作状况是由出水温度的高低决定的，由于出水温度的变化并不严格地按照线性规律连续变化的，而是会出现一定的波动性和随机性，温度变送器反馈的信号波动性就比较明显，导致变频器输出的频率总是处于震荡中，从而影响变频器的工作寿命和可靠性。同时，输出频率的震荡会带动电动机转速的震荡，对电动机、传动轴、减速机齿轮和风机叶片的受力载荷都会造成巨大的影响，进而会影响冷却塔风机的工作寿命。

为了减少冷却塔风机变频调速中转速震荡问题，引入了一种变频信号离散化处理的方法：转速的离散台阶式控制法，使风机的运转频率尽可能地工作在最佳工况点附近，实现最大程度上的节能。在实际生产工作中，当风机运行频率过低时，风量太小对出水温度的影响较小，另外还会加剧电动机和减速器的内部器件的磨损，会降低电动机和减速器的工作寿命。因此，设定频率变化范围为（35-50）Hz，即频率随出水温度的台阶式控制，如图2所示。

图2中，斜直线是理论上的频率的变化趋势，折线是离散后频率变化情况，横坐标轴表示出水温度t，纵坐标轴表示风机运转频率f。即只要温度变化在A₂和A_n之间变动，变频器就会输出固定的频率f_n。采取这种离散化处理机制，使得变频器的频率在一段时间内是稳定不变的，这样就可以解决转速震荡的问题。

3.3 群组冷却塔风机变频节能控制方法

系统将联合控制1#-6#一共6台风机运行，保证各种负荷的冷却要求，并优化节能控制，有效降低闲时风机负荷延长风机工作寿命。系统采用台变频风机和台工频风机的工作程序如下：

在夏季高温工作个月，冷却负荷大，6台风机：（三台变频风机：后称2、4、6#风机和三台工频风机：后称1、3、5#风机）全部满负荷运行。当夜晚或遇气温降低，循环水温降到工作水温以下时，三台变频风机依次进入变频调速降负载工作状态，并根据水温自动调节转速。具体过程如下：三台变频风机降速85%到时，自动停止1#风机，当水温仍低于设置温度时，并且三台变频风机再次降到80%时，自动停止3#风机。当水温仍低于设置温度时，并且三台变频风机再次降到75%时，自动停止5#风机。当风机降速到70%时，变频风机依次停机。水温升高时，控制程序为以上程序的逆程序。

3.4 电机和变频器运行安全监测

当冷却塔风机出现故障时，风机负载的变大，导致风机电机和变频器器电流急速增大，进而影响系统的正常运行，严重时使电机和变频器电流过载，烧坏电机和变频器，造成停机停产事故的发生。

针对这种现象，提出了电机故障的电流过载监测法，将通过在控制柜增加智能电表。将采集的电量参数信号，通过进行逻辑判断，并通过上位机显示出来，便于操作人员观察的直观性。

4 群组冷却塔风机优化节能控制系统的设计与实现

4.1 设计要求

根据该化工厂6台冷却塔风机的实际工况，为了实现冷却塔风机的变频调速节能和实时监控风机的运行状态，保证安全可靠运行，设计的优化节能控制系统应满足以下目标的要求：

（1）必须达到的工业生产目标

①对6台冷却塔风机的联合控制，保证出水温度在要求温度以下，满足生产要求；

②对冷却塔风机进行降速控制和状态安全监测来精确控制温度，减少电能浪费，消除风机运行隐患，延长设备使用寿命。

  （2）必须达到的技术目标

①根据实际出水温度值控制变频风机转速在范围内离散台阶变化；

②系统具有软启动功能，启动过程可屏蔽电流和负载变化时的冲击，在软件内设置自动运行程序，可保护电机和其他设备；

③实时监测冷却塔风机的运行状态、转速和风机故障信号，当其工作出现异常时，系统自动发出声光报警或停机信号；

④设置手自动切换、工变频切换功能，可保证风机变频系统出现故障时，可实现人工操作，保证正常生产可安全进行。

4.2 系统组成

优化节能控制系统由信号传感器、变频器、PLC和上位机组成。通过S7-200系列PLC对采集的信号处理，采用RS-485 总线和PROFIBUS-DP通讯协议实现变频器与PLC、信号传感器与PLC以及PC机与PLC之间的通信，从而实现了对冷却塔风机的优化节能系统的集中远程监测、控制和管理功能。优化节能控制系统的总体设计，如图3所示。

5 总结

在现有冷却塔风机变频调速节能的基础上，设计的基于S7-200系列PLC控制变频器信号台阶式变化的冷却塔风机优化节能控制系统，有机结合了冷却塔风机故障预警报警系统。经过在某化工厂循环水系统的6台冷却塔风机实际控制应用，证明了该优化节能控制系统的工作性能稳定可靠，有效地避免了变频节能过程中引起的转速震荡的问题，解决了故障报警系统漏报误报的问题，保证了冷却塔风机的安全可靠生产，具有良好的推广应用价值。

参考文献：

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[4]张国东,魏龙. PLC与变频器在冷却塔中的节能应用[J].制冷与空调,2009(4):76-78.

作者简介

周剑 （1988-11） 男 工程师 研究方向为电力系统自动化及行业节能研究