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冷卻塔風(fēng)機的節能及安全控制研究



摘要: 對冷卻塔風(fēng)機節能及安全控制進(jìn)行研究,以實(shí)現風(fēng)機運行的節能、安全自動(dòng)化在線(xiàn)管理,通過(guò)對實(shí)際使用效果考察表明:該控制系統解決了風(fēng)機管理上存在的一些難題,實(shí)現了風(fēng)機節能、安全自動(dòng)化控制。提高了經(jīng)濟效益和設備可靠度,收到理想效果,也為加強設備的科學(xué)管理提供了新的思路。
關(guān)鍵詞: 冷卻塔 風(fēng)機 節能

冷卻塔風(fēng)機是循環(huán)水系統的核心設備[1]。北京燕山石化公司煉油廠(chǎng)目前擁有7套循環(huán)水裝置,循環(huán)冷卻水總設計處理量為4.665×104t/h;涼水塔風(fēng)機105臺(其中4.7m 98臺,8.5m 7臺),總裝機功率為4060kW,同時(shí)開(kāi)機情況下最大日耗電量達9.74×104kW·h。

就循環(huán)水設備管理情況看,無(wú)論是從設備的數量、維修工作量、耗電量等哪個(gè)方面來(lái)講,冷卻塔風(fēng)機都占有很大比重。風(fēng)機臺數占車(chē)間設備總量的57%,維修工時(shí)占總量的60%,電耗占總量的22%。如何在節能降耗、減少勞動(dòng)力的情況下來(lái)保證設備的長(cháng)周期運行,必然要應用先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)及管理方法[2]。自1993年開(kāi)始,筆者單位與中科院工程熱物理所合作,共同研制開(kāi)發(fā)了風(fēng)機節能自控和安全自控2套監測系統,即“KR-933型風(fēng)機節能控制器”、“KR-939型風(fēng)機安全運行監控器”。目前該系統已經(jīng)在循環(huán)水車(chē)間得到了全面應用,并取得了理想的效果。

1 風(fēng)機節能控制器的研究

提出風(fēng)機節能控制管理的目的,是實(shí)現風(fēng)機運行閉環(huán)自動(dòng)控制。根據生產(chǎn)的需要預先設定供水溫度,由氣候氣象環(huán)境對水溫的影響、系統換熱條件的改變對水溫的影響,用溫感探頭的實(shí)測值及時(shí)反應出來(lái),最終通過(guò)調控降溫設備的能耗來(lái)穩定供水溫度,實(shí)現自控節能。

通常認為,“變頻調速技術(shù)”是完成上述過(guò)程的理想方法。但變頻調速技術(shù)在循環(huán)水冷卻塔風(fēng)機控制上的運用存在如下局限性和缺陷:

①“變頻調速技術(shù)”可以做到很高的控溫精度,但這在循環(huán)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(fēng)扇葉片攻角改變(迎風(fēng)角),風(fēng)機脫離工作點(diǎn)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(xiàn)性關(guān)系,也使電機的運行效率大為降低。
⑤變頻調速系統價(jià)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設計上還必需考慮變頻調速器運行在某些特定轉速時(shí)的破壞性共振問(wèn)題,和變頻調速器產(chǎn)生強電磁污染對其它儀表的干擾等問(wèn)題。

我們根據冷卻塔風(fēng)機往往是以多臺并聯(lián)的機群形式工作,為此提出了根據測量供水溫度的變化,自動(dòng)調節風(fēng)機的開(kāi)、停機數量達到控溫節能的目的。

這是一種簡(jiǎn)單易行、費用低廉的控制方法,但它又有別于常規的PID模擬調節方式。它是一種單變量離散控制閉環(huán)調節系統,既要保證有一定的控溫精度,又不允許風(fēng)機頻繁啟停;既要保證風(fēng)機能單臺工作,又要求多臺風(fēng)機在時(shí)間和啟停次數上平衡運行。

針對冷卻塔風(fēng)機控制管理中實(shí)際遇到的問(wèn)題,我們提出了“溫度測量范圍”、“測量精度”、“顯示分辯率”、“測量上下限”、‘測量校準值”、“執行周期”、“溫度允差”、“溫度速率允差”等共18項基本設計要求進(jìn)行研發(fā)制作,并于1993年3月首次在第三循環(huán)水場(chǎng)風(fēng)機現場(chǎng)試用,該系統命名為“KR-933風(fēng)機智能控制器”。

2 風(fēng)機安全監控器研究

提出風(fēng)機安全監控管理的目的,是為了自動(dòng)檢測出振動(dòng)、油溫、油位的變化數值,并進(jìn)行顯示和記錄,同時(shí)對檢測值超限的風(fēng)機進(jìn)行報警和停機,以求達到風(fēng)機安全平穩運行的目的,減少甚至杜絕風(fēng)機損壞事故的發(fā)生。根據現場(chǎng)管理的實(shí)際情況,確定了“風(fēng)機振動(dòng)”、“滑油油溫”、“減速箱油位”3個(gè)參數是保證風(fēng)機安全最重要的運行參數[3]。又確定了“測量范圍”、“測量精度”、“巡檢時(shí)間”等共15項設計參數進(jìn)行研發(fā)制作。該系統于1993年9月在循環(huán)水場(chǎng)得到首次試用,命名為“KR-939風(fēng)機安全監控器”。

該系統運用了多參數組合探頭技術(shù)、數字指令編碼技術(shù)和計算機網(wǎng)絡(luò )管理技術(shù)。三參數組合探頭安裝于風(fēng)機減速箱泊尺固定座上,其探桿直接插入滑油中,將減速箱內的油溫、泊位及設備振動(dòng)值直接轉換為電信號,并遠傳至控制室內的風(fēng)機安全監控器。每臺安全監控器可以用一條四芯電纜掛接8只組合探頭,對8臺風(fēng)機的運行參數進(jìn)行實(shí)時(shí)監控,同時(shí)完成數字顯示。超限報警、超限停機等多相功能。經(jīng)過(guò)了多次的試驗和改型設計,目前已經(jīng)成功運用于設備生產(chǎn)現場(chǎng),各項參數達到了預定的設計要求。

3 實(shí)現計算機聯(lián)網(wǎng)控制

上面介紹的兩種測控系統,可以通過(guò)一條四芯通訊電纜(RS-422標準串行接口)與1臺管理計算機連接,計算機可以是通用型PC機或工控機。當配備相應的組態(tài)化監控管理軟件(DCS-900軟件),即可與多臺KR-933、KR-939監控器實(shí)現聯(lián)網(wǎng)控制。與計算機聯(lián)網(wǎng)后的風(fēng)機監控器增加了如下功能:

①同時(shí)監控網(wǎng)內所有控制器的測量參數,實(shí)現綜合管理。
②修改網(wǎng)內各控制器的設定參數。
③根據各控制器運行參數變化實(shí)現系統優(yōu)化管理。
④進(jìn)行歷史數據及圖形的記錄,幫助分析,方便查詢(xún)。

4 風(fēng)機管理研究的效果

自1993年開(kāi)始北京燕化煉油廠(chǎng)進(jìn)行風(fēng)機自控管理試驗,取得了良好的效果,主要成績(jì)反應在節能和安全運行兩個(gè)方面。

4.1 風(fēng)機運行節電效果明顯

以安裝了KR-933的第二循環(huán)水場(chǎng)為例,使用KR-933節能控制器的節能效果見(jiàn)表1。

如表1所示,最初現場(chǎng)試用KR-933節能控制器的第三循環(huán)水場(chǎng),在1993年風(fēng)機負荷較重的6,7,8,9這4個(gè)月內,耗電量與1991,1992年同期相比,節電量178533kW·h,若以0.45元/(kW·h)計算,這4個(gè)月共節約用電費7.92萬(wàn)元;而第三循環(huán)水場(chǎng)安裝節能控制器的費用只有4.36萬(wàn)元,可見(jiàn)投入的費用只需設備運行幾個(gè)月就能收回。

目前我廠(chǎng)已陸續在4個(gè)循環(huán)水場(chǎng)應用了KR-933智能控制器13臺,受控風(fēng)機92臺,取得了可觀(guān)的經(jīng)濟效益。

.2 保證風(fēng)機安全運行

經(jīng)過(guò)幾年的不斷改進(jìn),到1998,1999年度,安全監控器的準確率得到了大幅度的提高,其中1999年1月至1999年7月的統計數據表明,系統共報警17次,其中查出設備存在問(wèn)題的有13臺,報警準確率大于76.5%;并且在設備檢查過(guò)程中,發(fā)現了2臺具有嚴重設備隱患的問(wèn)題,避免了設備的嚴重毀壞,收到了良好的經(jīng)濟效果。

根據現場(chǎng)經(jīng)驗,處于完好狀態(tài)下的風(fēng)機,其油溫、油位、振動(dòng)曲線(xiàn)的特征如下:

①油溫曲線(xiàn):從開(kāi)、停機時(shí)刻起逐漸升、降,約1h左右變成一條近似直線(xiàn)的平滑曲線(xiàn)。
②泊位曲線(xiàn):無(wú)論是否開(kāi)機,都應近似一條水平的直線(xiàn)。
③振動(dòng)曲線(xiàn):開(kāi)機狀態(tài)下,圍繞一條虛擬的直線(xiàn)作上下窄幅振蕩的不規則曲線(xiàn)。

1994年以來(lái),我廠(chǎng)先后在6個(gè)循環(huán)水場(chǎng)安裝了13臺KR-939型風(fēng)機安全監控器,對86臺不同類(lèi)型的風(fēng)機進(jìn)行了長(cháng)期在線(xiàn)監測。使我廠(chǎng)風(fēng)機的檢修維護由原來(lái)的主要依據風(fēng)機累計運行時(shí)間安排大修,變?yōu)楦鶕O控器的測量數據來(lái)安排檢修,使風(fēng)機的檢修維護工作變得更加科學(xué)合理。安裝安全監控器后的風(fēng)機,檢修工作量比原來(lái)降低了大約30%;同時(shí),多次避免了風(fēng)機嚴重毀壞性事故的發(fā)
生,幾年來(lái),沒(méi)有發(fā)生過(guò)任何意外損壞事故,取得了可觀(guān)的效益。

5 不足之處

5.1 大型風(fēng)機不適合應用KR-933節能控制器

對于大功率少機組風(fēng)機的循環(huán)水場(chǎng),由于每開(kāi)停1臺風(fēng)機,都會(huì )對水溫產(chǎn)生很大的影響。因而,應用KR-933風(fēng)機節能控制器無(wú)法正常穩定控制水溫。如第六循環(huán)水場(chǎng)共有3臺直徑8.53m、功率160kW的風(fēng)機,假設安裝風(fēng)機節能控制器,在設定溫度速率允差。溫度允差、執行周期等參數時(shí),必然產(chǎn)生極大的矛盾,很難選擇出適當的參數值,最終也達不到節能降耗的目的。這種情況下的風(fēng)機管理,比較適合采用自動(dòng)變頻調速系統進(jìn)行控制管理。目前也正在進(jìn)行這方面的準備工作。

5.2 KR-939安全控制系統的油位測量技術(shù)還有待改進(jìn)

目前KR-939安全監控器仍存在不足,其主要問(wèn)題是油位監測,由于受惡劣條件的影響,較容易出現熱絲結垢、滑油含水造成斷絲故障。若探頭檢修不及時(shí),還需要進(jìn)行人工上塔巡檢實(shí)測。

加強風(fēng)機的科學(xué)現代化管理,還應在現有的基礎上不斷改進(jìn)。

參考文獻:
[1]楊欽,嚴煦世.給水工程[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,1987.
[2]胡安定.石油化工裝置周期運行指南[M].北京:中國石化出版社,2001.
[3]ISBN7-80043-499,石油化工設備維護檢修規程(第九冊)[S].

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