节能变频控制低湿球闭式冷却塔

张铮一，陈 星，杨 帆，惠 巍

（1.海洋石油工程股份有限公司，天津 300450；2.中国石油集团工程技术研究院北京石油机械有限公司，北京 102206；3.中国石油集团渤海石油装备（天津）中成机械制造有限公司，天津 300280；4.西北（陕西）国际招标有限公司，陕西西安 710075）

0 引言

闭式冷却塔（蒸发式空冷器）是一种高效的换热设备，将冷却塔与换热器的功能合并，减少了管泵数量，维护方便，冷却水全封闭循环，不受外界环境污染，能够有效控制水垢生成；循环水没有消耗，维护和运行费用低；冷却后的水温更接近环境湿球温度。该产品随着控制技术的升级，已广泛应用于石油石化、电力工程、冶金制造、医药化工等行业。闭式冷却塔作为蒸发式冷却设备在冬季或者其他湿球温度较低的工况下使用时，由于使用条件优于设计工况，设备的散热性能也优于设计参数，此时在保证散热量的情况下所需要的风量可减少，从而减少风机能耗，达到节能的目的。但在实际使用中，根据环境温度的变化，人为控制风机的启停很难实现，而且风机简单的启停使得设备散热能力波动较大，很难实现平稳运行。因此，大量蒸发冷却设备的用户在设备满足运行要求的情况下，都不对风机进行控制管理，产生大量运行能耗的浪费。为了进一步实现节能减排，使蒸发式冷却设备在低湿球工况下运行更加合理，节省设备运行费用，延长设备使用寿命，研发出节能变频控制闭式冷却塔，设备运行实现闭环控制。

1 闭式冷却塔结构

闭式冷却塔由上下两个箱体组成，上箱体右边为换热盘管，盘管下边为换热填料，左边为风机引风腔及检修通道。运行时，上箱体中工作流体在盘管中流动，盘管外壁被喷淋水包裹，流体的热量通过管壁传递给管外水膜，水膜在风的作用下不断蒸发带走热量，风和喷淋水同向流动的形式减少了水垢的形成并强化了换热；经过盘管处换热后的喷淋水流到下箱体的填料中继续进行蒸发换热，使自身温度更低，从而在下一个循环中与工作流体形成更大的温差，增强换热效果，经过换热后的空气变成饱和湿热空气并被风机排入大气（图1）。

图1 闭式冷却塔工作原理

2 设备结构特点

（1）热交换效率高。采用风、水同向二次热交换的盘管与填料组合技术，有效避免了盘管壁干点和结垢，实现高效换热。

（2）检修方便。采用人性化结构设计，超大检修门，内部空间宽敞，检修人员在产品内部能轻松地进行各种检修工作。

（3）实现不停机检修。采用风、水同向设计结构，在设备运行时能方便地检修喷嘴和盘管，可在不停机的情况下对浮球阀、过滤网进行检修。

（4）运输安装方便。采用上、下箱体标准组件，现场安装方便，且大大方便产品的运输装卸。

（5）节能环保。采用独特的结构形式，具有高热工性能、冷却温度低、节水、节电、低噪声和维修成本低等优点。

（6）故障率低。风机和水泵均采用优质轴承，设备再无其他磨损运转部件。风机采用直联式结构，无皮带轮结构带来的传动损失，噪声低，故障率低。

（7）结构紧凑成本低。采用集传统壳管式换热器或板式换热器、循环水泵、冷却塔为一体，占地面积少，内循环水水质清洁。

（8）清洗方便。倾斜式集水池底部向排污口端倾斜和PVC填料热交换层悬挂的结构设计，可方便清除集水池污水及杂质。

（9）可拆盖板设计。针对内循环介质易堵塞、易结垢等特点，专门设计了可拆管箱结构，内部采用直管与管板焊接。焊接采用先胀后焊，确保焊缝处质量高，使用寿命长。管板焊接完成后全部进行探伤。

3 节能变频控制工作原理

变频控制节能原理：①温度传感器安装在闭式冷却塔进口管路上，采集设备运行时的温度参数，当采集到的温度参数高于设定值时，设备所有风机都工频运行；②当采集到的温度参数低于设定值时，控制器发出指令，变频器开始对第1 个风机进行变频控制，减少风机电机的频率，减少风量从而减少设备的排热能力，使系统的压力值稳定在设定值附近；③当第1 个风机电机的频率减少到电机额定频率的1/2 时，风机电源将被切断，接下来变频器开始控制第2 个风机，只要采集到的温度低于设定的经济运行值，变频器就会依次减少风机的运行频率直至电源被切断。

在环境温度不断变化的情况下，控制柜自动采集运行参数并做出相应的调节，使系统维持在比较经济的情况下运行，节能效果明显，特别是在冬季等气温较低的季节，效果相当明显。通过程序控制建立了湿球温度和绝热饱和温度的严格控制，可保证设备在低湿球温度下长时间工作。变频柜同时提供远程监控、电机保护及报警功能，大大减少了电机损坏的概率。变频柜由控制开关、电子式电能表、编程器、变频器、小型接触器、交流接触器、电机保护器、逆变电源、内置温控系统、柜体及附属装置等组成。

以7.5 kW-4-D型节能控制为例：①若冷却塔要求出口温度为32 ℃，当夏季天气炎热时，冷却塔出口温度在32 ℃或者偏上的工况点运行，则所有风机工频运行；②当春秋冬等季节，湿球温度降低，出口温度低于设定值时，变频器将对第1 个风机进行减速控制，使冷却温度稳定在32 ℃，若第1 个风机减速甚至停止运行后，温度仍然低于32 ℃，则变频器切换到第2 个风机对其进行控制，以此类推，直至冷却温度稳定在32 ℃为止。在保证系统运行良好的情况下，风机减速或者停止运行所减少的电能就是变频柜所达到的节能效果。

4 节能变频控制特点及效果

该装置通过压力的反馈来调节电机的转数及个数，配置知名品牌设备变频器、编程控制器，达到国家1 级节能减排标准。

（1）节能高效。变频提速，通过PID 信号反馈由变频器自动调节达到节能目的，使压力或流量恒定。该系统辅助装置自主开发，可以根据当地的气候、温度自动调节达到最佳的节能效果，比使用前节能近50%。

（2）自动可靠。操作管理便捷，实现编程控制，由信号反馈装置的微机中央控制。使用多种保护功能，系统运行可靠。

（3）节约成本。利用单一电机控制部件控制至少2 台电机的工作状态，减少了电路中尤其是变频器等电机控制部件的数量，优化了电路的制造成本，降低电机控制部件的投入成本至数分之一，减少资源浪费。利用变频器等的电机控制部件控制2 台以上电机，实现了对电能的最小损耗，使电机控制电路具有优越的节能效果。

（4）启动平稳。安装节能变频柜后，所有风机的启动均为软启动，减少了设备启动时对电网的冲击，特别是对于采用大功率风机的冷却器，可以省去价格昂贵的软启动装置。

5 现场应用

随着近些年国内各油田对自身在用生产设备的能耗持续关注，以及本智能变频低湿球闭式冷却塔的应用效果得到认可，在新建项目的采用率极高。2015—2019 年，本产品成功配套于陕西焦化、大港油田、烟台电力、胜利油田等多个新建项目，现场使用节能效果明显，得到一线使用单位的认可。本产品实现智能化控制，参数根据环境改变设置，运行工况及参数实时显示，可远程监控运行、故障及时报警等。本控制技术还可以延伸应用于在用运行设备的节能控制改造，2017 年对惠州炼化一组闭式冷却塔进行节能控制改造升级，节能效果显著，对运行能耗统计对比，运行16 个月基本上可收回节能改造的投资费用。