冷卻塔風機的節能及安全控制研究
冷卻塔風機是循環水系統的核心設備[1]。北京燕山石化公司煉油廠目前擁有7套循環水裝置,循環冷卻水總設計處理量為4.665×104t/h;涼水塔風機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。
就循環水(shui)設(she)備(bei)(bei)管(guan)理(li)(li)情(qing)況(kuang)看,無論是從設(she)備(bei)(bei)的(de)(de)數(shu)量(liang)、維修(xiu)(xiu)工(gong)(gong)作量(liang)、耗(hao)(hao)電量(liang)等哪個方(fang)面來講(jiang),冷卻塔風機(ji)(ji)都占(zhan)(zhan)有(you)很大比重(zhong)。風機(ji)(ji)臺數(shu)占(zhan)(zhan)車(che)間(jian)設(she)備(bei)(bei)總(zong)量(liang)的(de)(de)57%,維修(xiu)(xiu)工(gong)(gong)時占(zhan)(zhan)總(zong)量(liang)的(de)(de)60%,電耗(hao)(hao)占(zhan)(zhan)總(zong)量(liang)的(de)(de)22%。如何在節能降耗(hao)(hao)、減少勞(lao)動力(li)的(de)(de)情(qing)況(kuang)下來保(bao)證設(she)備(bei)(bei)的(de)(de)長周期運(yun)行,必然要(yao)應(ying)用先進的(de)(de)科(ke)學(xue)技術及管(guan)理(li)(li)方(fang)法(fa)[2]。自1993年(nian)開始,筆者單位與(yu)中科(ke)院工(gong)(gong)程熱物理(li)(li)所合(he)作,共同研制(zhi)開發了(le)(le)風機(ji)(ji)節能自控(kong)(kong)(kong)和安全自控(kong)(kong)(kong)2套監測系(xi)統(tong),即(ji)“KR-933型(xing)風機(ji)(ji)節能控(kong)(kong)(kong)制(zhi)器”、“KR-939型(xing)風機(ji)(ji)安全運(yun)行監控(kong)(kong)(kong)器”。目前該系(xi)統(tong)已經在循環水(shui)車(che)間(jian)得到了(le)(le)全面應(ying)用,并取得了(le)(le)理(li)(li)想的(de)(de)效(xiao)果。
1 風機節能(neng)控制(zhi)器的研究
提出風機節能控(kong)制(zhi)(zhi)管理的目(mu)的,是實(shi)(shi)現風機運行(xing)閉環自(zi)動控(kong)制(zhi)(zhi)。根(gen)據生產的需要預先設(she)定(ding)供水(shui)溫(wen)(wen)度(du),由(you)氣候氣象環境對水(shui)溫(wen)(wen)的影響(xiang)、系統換熱(re)條件的改變對水(shui)溫(wen)(wen)的影響(xiang),用溫(wen)(wen)感探頭的實(shi)(shi)測值及時反應(ying)出來,最終通過調(diao)控(kong)降溫(wen)(wen)設(she)備的能耗(hao)來穩(wen)定(ding)供水(shui)溫(wen)(wen)度(du),實(shi)(shi)現自(zi)控(kong)節能。
通常認為(wei),“變(bian)(bian)頻調速(su)技術”是完成上述過程(cheng)的(de)理想方法。但變(bian)(bian)頻調速(su)技術在循環(huan)水(shui)冷卻塔風(feng)機控制上的(de)運用存在如下局限性和缺陷:
①“變頻調速技術”可以做到很高的控溫精度,但這在循環冷卻水系統卻不很重要。
②變頻器自身的能量損耗(平均運行效率不足90%)影響節能效果。
③變速運行造成風扇葉片攻角改變(迎風角),風機脫離工作點運行使效率降低。
④電機脫離額定轉速的低速運行,以及轉速、扭矩、功耗之間的非線性關系,也使電機的運行效率大為降低。
⑤變頻調速系統價格較為昂貴(每千瓦1000元左右),新建工程和老設備改造都需較大投入。
⑥設計上還(huan)必需考慮(lv)變(bian)頻(pin)調速器運行在(zai)某些特定(ding)轉(zhuan)速時(shi)的破壞性(xing)共振問題,和變(bian)頻(pin)調速器產生(sheng)強電(dian)磁污染對其它儀表的干(gan)擾等問題。
我們根(gen)(gen)據冷卻塔風(feng)機往(wang)往(wang)是以多臺并聯(lian)的(de)機群形(xing)式工作,為此提出了根(gen)(gen)據測量供水(shui)溫(wen)度的(de)變(bian)化,自動調節(jie)風(feng)機的(de)開、停機數量達到控溫(wen)節(jie)能的(de)目的(de)。
這是(shi)一(yi)種簡單(dan)(dan)易行(xing)、費用低廉的控制方法,但(dan)它又(you)有(you)別于常規的PID模擬調節方式。它是(shi)一(yi)種單(dan)(dan)變量離散控制閉環(huan)調節系統,既(ji)要(yao)保證有(you)一(yi)定(ding)的控溫精(jing)度,又(you)不允(yun)許風(feng)機頻繁啟停;既(ji)要(yao)保證風(feng)機能單(dan)(dan)臺工作,又(you)要(yao)求多臺風(feng)機在時間和啟停次數(shu)上平衡運行(xing)。
針對冷卻塔風(feng)(feng)機控制(zhi)(zhi)(zhi)管理中實際遇到的問題,我們提出了“溫(wen)(wen)度測量范圍(wei)”、“測量精度”、“顯示分(fen)辯率”、“測量上下限”、‘測量校(xiao)準值(zhi)”、“執行周期”、“溫(wen)(wen)度允差”、“溫(wen)(wen)度速(su)率允差”等共18項基本設計要求進行研發制(zhi)(zhi)(zhi)作(zuo),并于1993年(nian)3月(yue)首次在(zai)第三循環水場(chang)風(feng)(feng)機現場(chang)試用,該系統(tong)命名(ming)為“KR-933風(feng)(feng)機智能控制(zhi)(zhi)(zhi)器”。
2 風(feng)機安全監控(kong)器研究
提出風(feng)(feng)機(ji)(ji)安全(quan)(quan)監控(kong)管(guan)理(li)的(de)(de)目的(de)(de),是為了(le)自動(dong)檢測(ce)出振動(dong)、油溫、油位的(de)(de)變化數(shu)值,并進(jin)行(xing)顯示和記錄,同時對檢測(ce)值超限的(de)(de)風(feng)(feng)機(ji)(ji)進(jin)行(xing)報警和停機(ji)(ji),以求達到風(feng)(feng)機(ji)(ji)安全(quan)(quan)平穩運(yun)行(xing)的(de)(de)目的(de)(de),減少甚至(zhi)杜絕風(feng)(feng)機(ji)(ji)損壞(huai)事故的(de)(de)發生(sheng)。根據現場管(guan)理(li)的(de)(de)實(shi)際情況,確定了(le)“風(feng)(feng)機(ji)(ji)振動(dong)”、“滑(hua)油油溫”、“減速箱油位”3個參數(shu)是保證(zheng)風(feng)(feng)機(ji)(ji)安全(quan)(quan)最重要的(de)(de)運(yun)行(xing)參數(shu)[3]。又確定了(le)“測(ce)量范(fan)圍”、“測(ce)量精度”、“巡檢時間”等共(gong)15項設(she)計參數(shu)進(jin)行(xing)研發制作(zuo)。該系統于1993年9月在循環水場得(de)到首次試用,命名為“KR-939風(feng)(feng)機(ji)(ji)安全(quan)(quan)監控(kong)器”。
該系統運(yun)用(yong)了(le)(le)多參(can)(can)數組(zu)合探(tan)頭(tou)技(ji)(ji)術(shu)、數字(zi)指令編碼技(ji)(ji)術(shu)和(he)計(ji)(ji)算機(ji)(ji)網絡管理(li)技(ji)(ji)術(shu)。三參(can)(can)數組(zu)合探(tan)頭(tou)安裝于風機(ji)(ji)減(jian)速(su)箱泊尺(chi)固定(ding)座上,其探(tan)桿直(zhi)接插入滑油(you)中,將減(jian)速(su)箱內(nei)的(de)(de)油(you)溫、泊位及設備(bei)振動值直(zhi)接轉換(huan)為電信(xin)號(hao),并(bing)遠傳至控(kong)制(zhi)室內(nei)的(de)(de)風機(ji)(ji)安全(quan)監控(kong)器。每臺安全(quan)監控(kong)器可以用(yong)一條四芯電纜掛接8只組(zu)合探(tan)頭(tou),對8臺風機(ji)(ji)的(de)(de)運(yun)行參(can)(can)數進行實時監控(kong),同時完成(cheng)數字(zi)顯示。超(chao)限(xian)報警、超(chao)限(xian)停(ting)機(ji)(ji)等(deng)多相功能。經(jing)過了(le)(le)多次的(de)(de)試驗和(he)改型設計(ji)(ji),目(mu)前(qian)已(yi)經(jing)成(cheng)功運(yun)用(yong)于設備(bei)生產(chan)現場,各項參(can)(can)數達到了(le)(le)預定(ding)的(de)(de)設計(ji)(ji)要求。
3 實現計算機聯網控(kong)制
上(shang)面介紹的(de)(de)兩種(zhong)測控(kong)(kong)系統,可以通過一條四(si)芯通訊電纜(RS-422標準串行接(jie)口)與1臺管理計算機(ji)(ji)(ji)連接(jie),計算機(ji)(ji)(ji)可以是通用型(xing)PC機(ji)(ji)(ji)或工(gong)控(kong)(kong)機(ji)(ji)(ji)。當配備相應(ying)的(de)(de)組態化監(jian)控(kong)(kong)管理軟件(jian)(DCS-900軟件(jian)),即可與多(duo)臺KR-933、KR-939監(jian)控(kong)(kong)器(qi)實現聯網控(kong)(kong)制(zhi)。與計算機(ji)(ji)(ji)聯網后的(de)(de)風機(ji)(ji)(ji)監(jian)控(kong)(kong)器(qi)增加了如(ru)下功能:
①同時監控網內所有控制器的測量參數,實現綜合管理。
②修改網內各控制器的設定參數。
③根據各控制器運行參數變化實現系統優化管理。
④進行(xing)歷史數(shu)據及圖形的記(ji)錄,幫助(zhu)分析,方便查詢(xun)。
4 風機(ji)管理研究(jiu)的(de)效果(guo)
自1993年開始北京(jing)燕化煉油廠進行風機(ji)自控管(guan)理試驗,取得(de)了良好的效果,主要成績反應在(zai)節能和安全(quan)運行兩個方面。
4.1 風(feng)機(ji)運行節電效果明顯
以安(an)裝了KR-933的第二循(xun)環水(shui)場為例,使用(yong)KR-933節能(neng)控(kong)制器的節能(neng)效果見表(biao)1。
如表1所示(shi),最初現場(chang)試用KR-933節(jie)能控制器的第三(san)循環水場(chang),在(zai)1993年風機負荷較重的6,7,8,9這4個(ge)月內(nei),耗電(dian)(dian)量與1991,1992年同(tong)期相比,節(jie)電(dian)(dian)量178533kW·h,若以(yi)0.45元(yuan)/(kW·h)計算,這4個(ge)月共節(jie)約用電(dian)(dian)費7.92萬(wan)元(yuan);而第三(san)循環水場(chang)安裝節(jie)能控制器的費用只(zhi)有4.36萬(wan)元(yuan),可見投入的費用只(zhi)需設備運(yun)行幾個(ge)月就能收回。
目(mu)前(qian)我廠已陸續在4個循環水場應(ying)用了(le)KR-933智能控(kong)制器13臺,受控(kong)風機(ji)92臺,取得(de)了(le)可(ke)觀的經濟效益。
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