变频调速在石化企业循环水温控系统中的应用

摘要：本文介绍了石化企业冷却塔风机上使用变频器，使变频风机和工频风机配合运行，调节风量来精确地控制循环水温度，同时降低能耗。

关键词：循环水；风机；变频调速器 PLC

前言

变频调速以其优异的性能，在国内外得到广泛的应用。石化企业的冷却塔负责生产装置循环水的冷却工作，冷却效果的好坏直接影响到生产装置产品质量和运行效率。循环冷却水系统是石油化工行业的一个主要耗能系统，风机耗电总量一般占总电量的15%～20%，由于循环水系统存在的设计余量较大及设备老化等方面情况，造成循环水系统的运行非最优运行方式，存在进行整体节能挖潜和节能改造的潜力和必要。2014年，在循环水冷却塔风机上安装2台变频器，变频风机和工频风机配合运行，通过PID闭环来控制水温，解决了水温波动大的问题，并降低了能耗。

1.循环水冷却塔运行情况

天津石油化工生产装置用的循环水由6座冷却塔组成冷却系统，每座冷却塔有一台风机，配套功率200 kW，转速127r/min。循环水经过生产装置换热后，温升约为（6—10）℃，经过地下管道汇集到总管，然后分6路上各个冷却塔顶部，在冷却塔中经风机冷却后，汇集到吸水池，再经水泵升压后送至生产装置。

根据设计，循环水冷却后的回水温度低于32℃即可满足生产需要。由于华北地区四季、昼夜温差大，经常需要调整增减风机运行台数的方法来调整冷却塔风量。通过开停风机控制水温，水温波动大，温度变化滞后；风机开停频繁，对电机和电网造成冲击。另外，经常出现多开一台风机风量富余，少开一台风机风量不足的情况，由于多开一台风机造成能耗的浪费。

2.变频控制系统的工作特性

2.1变频控制系统的工作特性

在两台循环水冷却塔风机上安装变频器，综合优化控制程序和调速控制设备，根据生产要求水温、环境温度变化、风机气动性能、冷却塔填料冷却性能，叶片工作状态等影响因素，优化控制循环水系统的风机运行，对部分风机调速控制，对部分风机启停控制，达到节能效果的优化。

对风机重要承载件叶片和传动轴进行实时监控和故障预警报警，在叶片和传动轴即将断裂时，及时发出报警信号并可预置自动停机，防止断裂的叶片和传动轴打坏相关设施而造成的损失。并具有风机的驱动电机运行电流分析和监控软硬件系统、减速箱油温油位监控报警功能。保证安全生产，减少停机检修时间和人力物力消耗，增加效益。

2.2变频系统控制方案介绍

在回水总管上安装双头输出的热电偶，一路送到温度测量仪表，一路经温变转为标准信号，送入PLC，在PLC的PLD中与设定值比较运算后，将调节信号送到变频器来调节风机转速。在所需风量增加，变频器增大输出频率，当增加到设定的高限值时，变频器给出信号到PLC，PLC自动给出信号来投运一台工频风机。反之，在所需风量减少时，变频器减少输出频率，当减少到设定的低限值，变频器出信号到PLC，可人工或由PLC自动来停一台工频风机。

一台风机的开停，对水温的影响在1℃到1.5℃，要想充分发挥变频器的节能作用，必须精确控制水温。循环水系统从控制上讲，是一个惯性滞后系统，风机的开停和转速的变化，在半小时后才能在测温系统中反映出来，如此长的滞后时间，一般的PID调节器根本无法完成控制。根据冷却塔的实际运行状况，建立控制数学模型，在PLC的PLD中建立预估器，在PID运算中预先考虑到变化提前控制，将循环水温度波动控制在±0.5℃。

2.3变频系统的构成及功能

两台变频控制柜安装在配电间，原风机控制柜仍保留，并于变频柜互锁，在变频系统万一发生故障时，用原控制柜控制。循环水控制室安装一台操作控制盘，PLC装在盘内，操作控制盘上可显示水温、电机的电流、变频器输出频率、故障报警、上下限频率提示等，操作控制盘上还有启停按钮、自动手动转换开关、正反转控制开关等。可在控制盘上启停风机也可在冷却塔现场操作，当闭环控制系统出现异常时，可转换到手动位置，用盘上的频率调节旋钮来调节频率。另外，变频控制柜由防晃电功能，采用延时自启动方式，在短暂断电10秒内来电，变频系统自启动。

自诊断功能。当设备产生事故时扰动时， 其事故信息首先进入寄存器，能在盘上显示欠电压、控制模块故障、输入保险丝断、上位机的接口故障、接地故障、电路缺相、电路短路、电机过载、过流、过压、过热等事故状态，以使维修人迅速检修，同时有音响报警及事故解除装置。

3.应用效果分析

3.1水温恒温控制。

采用变频器加PLC的控制系统，实现了循环水恒温控制。工艺要求将水温控制在28℃，通过实际运行情况统计，水溫在（28±0.5）℃波动，达到了工艺要求。

3.2节能效果明显。

采用水温恒温控制后，一方面减少了冷却塔风机在工艺要求温度以下的运行时间，减少了能源浪费。另一方面，2台变频风机在较低频率下运行，大大减少了风机功率消耗。

一台200KW冷却塔风机在变频工况下可运行7个月，每年节电38.55万kW ·h，二台风机一年节能77.13万kW ·h。

参考文献：

[1]佟纯厚.近代交流调速[M].北京：冶金工业出版社

[2]胡崇岳.现代交流调速技术[M].北京：机械工业出版社.

作者简介：张庆华，职务职称：高级工程师。