冷却塔风机的节能及安全研究

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冷却塔风机是循环水系统的核心设备。北京燕山石化公司炼油厂目前拥有7套循环水装置，循环冷却水总设计处理量为4.665×104t/h；凉水塔风机105台（其中4.7m 98台，8.5m 7台），总装机功率为4060kW，同时开机情况下最大日耗电量达9.74×104kW·h。 就循环水设备管理情况看，无论是从设备的数量、维修工作量、耗电量等哪个方面来讲，冷却塔风机都占有很大比重。风机台数占车间设备总量的57％，维修工时占总量的60％，电耗占总量的22％。如何在节能降耗、减少劳动力的情况下来保证设备的长周期运行，必然要应用先进的科学技术及管理方法[2]。自1993年开始，笔者单位与中科院工程热物理所合作，共同研制开发了风机节能自控和安全自控2套监测系统，即“KR-933型风机节能控制器”、“KR-939型风机安全运行监控器”。目前该系统已经在循环水车间得到了全面应用，并取得了理想的效果。

    1 风机节能控制器的研究
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4 }6 d3 U2 }5 E& m/ j5 B7 k    提出风机节能控制管理的目的，是实现风机运行闭环自动控制。根据生产的需要预先设定供水温度，由气候气象环境对水温的影响、系统换热条件的改变对水温的影响，用温感探头的实测值及时反应出来，最终通过调控降温设备的能耗来稳定供水温度，实现自控节能。 通常认为，“变频调速技术”是完成上述过程的理想方法。但变频调速技术在循环水冷却塔风机控制上的运用存在如下局限性和缺陷： ①“变频调速技术”可以做到很高的控温精度，但这在循环冷却水系统却不很重要。 ②变频器自身的能量损耗（平均运行效率不足90％）影响节能效果。 ③变速运行造成风扇叶片攻角改变（迎风角），风机脱离工作点运行使效率降低。 ④电机脱离额定转速的低速运行，以及转速、扭矩、功耗之间的非线性关系，也使电机的运行效率大为降低。 ⑤变频调速系统价格较为昂贵（每千瓦1000元左右），新建工程和老设备改造都需较大投入。 ⑥设计上还必需考虑变频调速器运行在某些特定转速时的破坏性共振问题，和变频调速器产生强电磁污染对其它仪表的干扰等问题。 我们根据冷却塔风机往往是以多台并联的机群形式工作，为此提出了根据测量供水温度的变化，自动调节风机的开、停机数量达到控温节能的目的。 这是一种简单易行、费用低廉的控制方法，但它又有别于常规的PID模拟调节方式。它是一种单变量离散控制闭环调节系统，既要保证有一定的控温精度，又不允许风机频繁启停；既要保证风机能单台工作，又要求多台风机在时间和启停次数上平衡运行。 针对冷却塔风机控制管理中实际遇到的问题，我们提出了“温度测量范围”、“测量精度”、“显示分辩率”、“测量上下限”、‘测量校准值”、“执行周期”、“温度允差”、“温度速率允差”等共18项基本设计要求进行研发制作，并于1993年3月首次在第三循环水场风机现场试用，该系统命名为“KR-933风机智能控制器”。
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    2 风机安全监控器研究

    提出风机安全监控管理的目的，是为了自动检测出振动、油温、油位的变化数值，并进行显示和记录，同时对检测值超限的风机进行报警和停机，以求达到风机安全平稳运行的目的，减少甚至杜绝风机损坏事故的发生。根据现场管理的实际情况，确定了“风机振动”、“滑油油温”、“减速箱油位”3个参数是保证风机安全最重要的运行参数[3]。又确定了“测量范围”、“测量精度”、“巡检时间”等共15项设计参数进行研发制作。该系统于1993年9月在循环水场得到首次试用，命名为“KR-939风机安全监控器”。 该系统运用了多参数组合探头技术、数字指令编码技术和计算机网络管理技术。三参数组合探头安装于风机减速箱泊尺固定座上，其探杆直接插入滑油中，将减速箱内的油温、泊位及设备振动值直接转换为电信号，并远传至控制室内的风机安全监控器。每台安全监控器可以用一条四芯电缆挂接8只组合探头，对8台风机的运行参数进行实时监控，同时完成数字显示。超限报警、超限停机等多相功能。经过了多次的试验和改型设计，目前已经成功运用于设备生产现场，各项参数达到了预定的设计要求。
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  `. s6 s1 {! J; d    3 实现计算机联网控制

    上面介绍的两种测控系统，可以通过一条四芯通讯电缆（RS-422标准串行接口）与1台管理计算机连接，计算机可以是通用型PC机或工控机。当配备相应的组态化监控管理软件（DCS-900软件），即可与多台KR-933、KR-939监控器实现联网控制。与计算机联网后的风机监控器增加了如下功能： ①同时监控网内所有控制器的测量参数，实现综合管理。 ②修改网内各控制器的设定参数。 ③根据各控制器运行参数变化实现系统优化管理。 ④进行历史数据及图形的记录，帮助分析，方便查询。
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2 n& R- e1 }' p    4 风机管理研究的效果

) k1 F9 ^5 o0 W    自1993年开始北京燕化炼油厂进行风机自控管理试验，取得了良好的效果，主要成绩反应在节能和安全运行两个方面。4.1 风机运行节电效果明显 以安装了KR-933的第二循环水场为例，使用KR-933节能控制器的节能效果见表1。 如表1所示，最初现场试用KR-933节能控制器的第三循环水场，在1993年风机负荷较重的6，7，8，9这4个月内，耗电量与1991，1992年同期相比，节电量178533kW·h，若以0.45元/(kW·h)计算，这4个月共节约用电费7.92万元；而第三循环水场安装节能控制器的费用只有4.36万元，可见投入的费用只需设备运行几个月就能收回。 目前我厂已陆续在4个循环水场应用了KR-933智能控制器13台，受控风机92台，取得了可观的经济效益。
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" u! h  x" _7 `3 {    表1 KR-933节能效果比较项目运 行
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[1]月 份
( F& {; W& c4 y         6月份
, B! j2 `+ {9 ~2 K; y        7月份
        8月份
        9月份

[2]1991年运行时间/h
/ H: Z  u5 y) l- F        6750
        9326
$ L: v2 y5 {" }7 Q% C) i: R0 K        9156
        6124
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' W% K- V$ M& p[3]1992年运行时间/h
        6798
) B. V4 ~+ U! E# B        9288
        9300
7 A6 P6 m: y1 q- C  D        5420

$ ~* A) D5 ^4 g. t( o" r" h[4]使用KR933运行时间/h
- h) A' K1 }( b; ]        5649
! z8 D0 n/ C5 K6 z7 v  L$ z        7455
9 t' b4 F# _+ J" @6 X        6328
        4084

5 Z( e* b; S" h  O[5]平均运行时间差/h
. \/ D( V0 T6 n& l9 X7 ]        1125
        1852
$ y/ M3 k2 f+ \/ u8 v        2900
# e3 I2 y7 P* W4 K! B2 m        1688
% z; @4 X/ S6 [' A2 x7 @
3 \' D  i( X5 L- L" z- w& M2 q+ D# P6 p[6]节电量/(kW·h)
, s- P6 K  z2 E' R5 \        26550
        43707
8 O+ A* @  L8 W: g1 C# w! U3 G: S3 V8 k        68440
        39836
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[7]节电百分率/％
        17
        19
0 n. @) Y. @+ q* x1 D9 b, t        31
        29

* _8 p; _) X5 M* K0 x1 L1 u    4.2 保证风机安全运行 经过几年的不断改进，到1998，1999年度，安全监控器的准确率得到了大幅度的提高，其中1999年1月至1999年7月的统计数据表明，系统共报警17次，其中查出设备存在问题的有13台，报警准确率大于76.5％；并且在设备检查过程中，发现了2台具有严重设备隐患的问题，避免了设备的严重毁坏，收到了良好的经济效果。 根据现场经验，处于完好状态下的风机，其油温、油位、振动曲线的特征如下： ①油温曲线：从开、停机时刻起逐渐升、降，约1h左右变成一条近似直线的平滑曲线。 ②泊位曲线：无论是否开机，都应近似一条水平的直线。 ③振动曲线：开机状态下，围绕一条虚拟的直线作上下窄幅振荡的不规则曲线。 1994年以来，我厂先后在6个循环水场安装了13台KR-939型风机安全监控器，对86台不同类型的风机进行了长期在线监测。使我厂风机的检修维护由原来的主要依据风机累计运行时间安排大修，变为根据监控器的测量数据来安排检修，使风机的检修维护工作变得更加科学合理。安装安全监控器后的风机，检修工作量比原来降低了大约30％；同时，多次避免了风机严重毁坏性事故的发生，几年来，没有发生过任何意外损坏事故，取得了可观的效益。
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$ O" s, D% ]3 q    5 不足之处
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    5.1 大型风机不适合应用KR-933节能控制器 对于大功率少机组风机的循环水场，由于每开停1台风机，都会对水温产生很大的影响。因而，应用KR-933风机节能控制器无法正常稳定控制水温。如第六循环水场共有3台直径8.53m、功率160kW的风机，假设安装风机节能控制器，在设定温度速率允差。温度允差、执行周期等参数时，必然产生极大的矛盾，很难选择出适当的参数值，最终也达不到节能降耗的目的。这种情况下的风机管理，比较适合采用自动变频调速系统进行控制管理。目前也正在进行这方面的准备工作。5.2 KR-939安全控制系统的油位测量技术还有待改进 目前KR-939安全监控器仍存在不足，其主要问题是油位监测，由于受恶劣条件的影响，较容易出现热丝结垢、滑油含水造成断丝故障。若探头检修不及时，还需要进行人工上塔巡检实测。 加强风机的科学现代化管理，还应在现有的基础上不断改进。