摘   要： 對(duì)冷卻塔風(fēng)機(jī)節(jié)能及安全控制進(jìn)行研究，以實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)運(yùn)行的節(jié)能、安全自動(dòng)化在線管理，通過(guò)對(duì)實(shí)際使用效果考察表明：該控制系統(tǒng)解決了風(fēng)機(jī)管理上存在的一些難題，實(shí)現(xiàn)了風(fēng)機(jī)節(jié)能、安全自動(dòng)化控制。提高了經(jīng)濟(jì)效益和設(shè)備可靠度，收到理想效果，也為加強(qiáng)設(shè)備的科學(xué)管理提供了新的思路。 
        關(guān)鍵詞： 冷卻塔 風(fēng)機(jī) 節(jié)能 
        冷卻塔風(fēng)機(jī)是循環(huán)水系統(tǒng)的核心設(shè)備[1]。北京燕山石化公司煉油廠目前擁有7套循環(huán)水裝置，循環(huán)冷卻水總設(shè)計(jì)處理量為4.665×104t/h；涼水塔風(fēng)機(jī)105臺(tái)（其中4.7m 98臺(tái)，8.5m 7臺(tái)），總裝機(jī)功率為4060kW，同時(shí)開(kāi)機(jī)情況下最大日耗電量達(dá)9.74×104kW·h。 
        就循環(huán)水設(shè)備管理情況看，無(wú)論是從設(shè)備的數(shù)量、維修工作量、耗電量等哪個(gè)方面來(lái)講，冷卻塔風(fēng)機(jī)都占有很大比重。風(fēng)機(jī)臺(tái)數(shù)占車間設(shè)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(jié)能降耗、減少勞動(dòng)力的情況下來(lái)保證設(shè)備的長(zhǎng)周期運(yùn)行，必然要應(yīng)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(jī)節(jié)能自控和安全自控2套監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，即“KR-933型風(fēng)機(jī)節(jié)能控制器”、“KR-939型風(fēng)機(jī)安全運(yùn)行監(jiān)控器”。目前該系統(tǒng)已經(jīng)在循環(huán)水車間得到了全面應(yīng)用，并取得了理想的效果。 
        1 風(fēng)機(jī)節(jié)能控制器的研究 
        提出風(fēng)機(jī)節(jié)能控制管理的目的，是實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)運(yùn)行閉環(huán)自動(dòng)控制。根據(jù)生產(chǎn)的需要預(yù)先設(shè)定供水溫度，由氣候氣象環(huán)境對(duì)水溫的影響、系統(tǒng)換熱條件的改變對(duì)水溫的影響，用溫感探頭的實(shí)測(cè)值及時(shí)反應(yīng)出來(lái)，最終通過(guò)調(diào)控降溫設(shè)備的能耗來(lái)穩(wěn)定供水溫度，實(shí)現(xiàn)自控節(jié)能。 
        通常認(rèn)為，“變頻調(diào)速技術(shù)”是完成上述過(guò)程的理想方法。但變頻調(diào)速技術(shù)在循環(huán)水冷卻塔風(fēng)機(jī)控制上的運(yùn)用存在如下局限性和缺陷： 
        ①“變頻調(diào)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(tǒng)卻不很重要。 
        ②變頻器自身的能量損耗（平均運(yùn)行效率不足90％）影響節(jié)能效果。 
        ③變速運(yùn)行造成風(fēng)扇葉片攻角改變（迎風(fēng)角），風(fēng)機(jī)脫離工作點(diǎn)運(yùn)行使效率降低。 
        ④電機(jī)脫離額定轉(zhuǎn)速的低速運(yùn)行，以及轉(zhuǎn)速、扭矩、功耗之間的非線性關(guān)系，也使電機(jī)的運(yùn)行效率大為降低。 
        ⑤變頻調(diào)速系統(tǒng)價(jià)格較為昂貴（每千瓦1000元左右），新建工程和老設(shè)備改造都需較大投入。 
        ⑥設(shè)計(jì)上還必需考慮變頻調(diào)速器運(yùn)行在某些特定轉(zhuǎn)速時(shí)的破壞性共振問(wèn)題，和變頻調(diào)速器產(chǎn)生強(qiáng)電磁污染對(duì)其它儀表的干擾等問(wèn)題。 
        我們根據(jù)冷卻塔風(fēng)機(jī)往往是以多臺(tái)并聯(lián)的機(jī)群形式工作，為此提出了根據(jù)測(cè)量供水溫度的變化，自動(dòng)調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)的開(kāi)、停機(jī)數(shù)量達(dá)到控溫節(jié)能的目的。 
        這是一種簡(jiǎn)單易行、費(fèi)用低廉的控制方法，但它又有別于常規(guī)的PID模擬調(diào)節(jié)方式。它是一種單變量離散控制閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，既要保證有一定的控溫精度，又不允許風(fēng)機(jī)頻繁啟停；既要保證風(fēng)機(jī)能單臺(tái)工作，又要求多臺(tái)風(fēng)機(jī)在時(shí)間和啟停次數(shù)上平衡運(yùn)行。 
        針對(duì)冷卻塔風(fēng)機(jī)控制管理中實(shí)際遇到的問(wèn)題，我們提出了“溫度測(cè)量范圍”、“測(cè)量精度”、“顯示分辯率”、“測(cè)量上下限”、‘測(cè)量校準(zhǔn)值”、“執(zhí)行周期”、“溫度允差”、“溫度速率允差”等共18項(xiàng)基本設(shè)計(jì)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(jī)現(xiàn)場(chǎng)試用，該系統(tǒng)命名為“KR-933風(fēng)機(jī)智能控制器”。 
        2  風(fēng)機(jī)安全監(jiān)控器研究 
        提出風(fēng)機(jī)安全監(jiān)控管理的目的，是為了自動(dòng)檢測(cè)出振動(dòng)、油溫、油位的變化數(shù)值，并進(jìn)行顯示和記錄，同時(shí)對(duì)檢測(cè)值超限的風(fēng)機(jī)進(jìn)行報(bào)警和停機(jī)，以求達(dá)到風(fēng)機(jī)安全平穩(wěn)運(yùn)行的目的，減少甚至杜絕風(fēng)機(jī)損壞事故的發(fā)生。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)管理的實(shí)際情況，確定了“風(fēng)機(jī)振動(dòng)”、“滑油油溫”、“減速箱油位”3個(gè)參數(shù)是保證風(fēng)機(jī)安全最重要的運(yùn)行參數(shù)[3]。又確定了“測(cè)量范圍”、“測(cè)量精度”、“巡檢時(shí)間”等共15項(xiàng)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行研發(fā)制作。該系統(tǒng)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(jī)安全監(jiān)控器”。
該系統(tǒng)運(yùn)用了多參數(shù)組合探頭技術(shù)、數(shù)字指令編碼技術(shù)和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)管理技術(shù)。三參數(shù)組合探頭安裝于風(fēng)機(jī)減速箱泊尺固定座上，其探桿直接插入滑油中，將減速箱內(nèi)的油溫、泊位及設(shè)備振動(dòng)值直接轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，并遠(yuǎn)傳至控制室內(nèi)的風(fēng)機(jī)安全監(jiān)控器。每臺(tái)安全監(jiān)控器可以用一條四芯電纜掛接8只組合探頭，對(duì)8臺(tái)風(fēng)機(jī)的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，同時(shí)完成數(shù)字顯示。超限報(bào)警、超限停機(jī)等多相功能。經(jīng)過(guò)了多次的試驗(yàn)和改型設(shè)計(jì)，目前已經(jīng)成功運(yùn)用于設(shè)備生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，各項(xiàng)參數(shù)達(dá)到了預(yù)定的設(shè)計(jì)要求。 
        3  實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)控制 
        上面介紹的兩種測(cè)控系統(tǒng)，可以通過(guò)一條四芯通訊電纜（RS-422標(biāo)準(zhǔn)串行接口）與1臺(tái)管理計(jì)算機(jī)連接，計(jì)算機(jī)可以是通用型PC機(jī)或工控機(jī)。當(dāng)配備相應(yīng)的組態(tài)化監(jiān)控管理軟件（DCS-900軟件），即可與多臺(tái)KR-933、KR-939監(jiān)控器實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)控制。與計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)后的風(fēng)機(jī)監(jiān)控器增加了如下功能： 
        ①同時(shí)監(jiān)控網(wǎng)內(nèi)所有控制器的測(cè)量參數(shù)，實(shí)現(xiàn)綜合管理。 
        ②修改網(wǎng)內(nèi)各控制器的設(shè)定參數(shù)。 
        ③根據(jù)各控制器運(yùn)行參數(shù)變化實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)優(yōu)化管理。 
        ④進(jìn)行歷史數(shù)據(jù)及圖形的記錄，幫助分析，方便查詢。 
        4 風(fēng)機(jī)管理研究的效果 
        自1993年開(kāi)始北京燕化煉油廠進(jìn)行風(fēng)機(jī)自控管理試驗(yàn)，取得了良好的效果，主要成績(jī)反應(yīng)在節(jié)能和安全運(yùn)行兩個(gè)方面。 
        4.1 風(fēng)機(jī)運(yùn)行節(jié)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(jié)能控制器的節(jié)能效果見(jiàn)表1。
如表1所示，最初現(xiàn)場(chǎng)試用KR-933節(jié)能控制器的第三循環(huán)水場(chǎng)，在1993年風(fēng)機(jī)負(fù)荷較重的6，7，8，9這4個(gè)月內(nèi)，耗電量與1991，1992年同期相比，節(jié)電量178533kW·h，若以0.45元/(kW·h)計(jì)算，這4個(gè)月共節(jié)約用電費(fèi)7.92萬(wàn)元；而第三循環(huán)水場(chǎng)安裝節(jié)能控制器的費(fèi)用只有4.36萬(wàn)元，可見(jiàn)投入的費(fèi)用只需設(shè)備運(yùn)行幾個(gè)月就能收回。 
        目前我廠已陸續(xù)在4個(gè)循環(huán)水場(chǎng)應(yīng)用了KR-933智能控制器13臺(tái)，受控風(fēng)機(jī)92臺(tái)，取得了可觀的經(jīng)濟(jì)效益。
        表1 KR-933節(jié)能效果 

        4.2 保證風(fēng)機(jī)安全運(yùn)行 
        經(jīng)過(guò)幾年的不斷改進(jìn)，到1998，1999年度，安全監(jiān)控器的準(zhǔn)確率得到了大幅度的提高，其中1999年1月至1999年7月的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，系統(tǒng)共報(bào)警17次，其中查出設(shè)備存在問(wèn)題的有13臺(tái)，報(bào)警準(zhǔn)確率大于76.5％；并且在設(shè)備檢查過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)了2臺(tái)具有嚴(yán)重設(shè)備隱患的問(wèn)題，避免了設(shè)備的嚴(yán)重毀壞，收到了良好的經(jīng)濟(jì)效果。
根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)，處于完好狀態(tài)下的風(fēng)機(jī)，其油溫、油位、振動(dòng)曲線的特征如下： 
        ①油溫曲線：從開(kāi)、停機(jī)時(shí)刻起逐漸升、降，約1h左右變成一條近似直線的平滑曲線。 
        ②泊位曲線：無(wú)論是否開(kāi)機(jī)，都應(yīng)近似一條水平的直線。 
        ③振動(dòng)曲線：開(kāi)機(jī)狀態(tài)下，圍繞一條虛擬的直線作上下窄幅振蕩的不規(guī)則曲線。
1994年以來(lái)，我廠先后在6個(gè)循環(huán)水場(chǎng)安裝了13臺(tái)KR-939型風(fēng)機(jī)安全監(jiān)控器，對(duì)86臺(tái)不同類型的風(fēng)機(jī)進(jìn)行了長(zhǎng)期在線監(jiān)測(cè)。使我廠風(fēng)機(jī)的檢修維護(hù)由原來(lái)的主要依據(jù)風(fēng)機(jī)累計(jì)運(yùn)行時(shí)間安排大修，變?yōu)楦鶕?jù)監(jiān)控器的測(cè)量數(shù)據(jù)來(lái)安排檢修，使風(fēng)機(jī)的檢修維護(hù)工作變得更加科學(xué)合理。安裝安全監(jiān)控器后的風(fēng)機(jī)，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(jī)嚴(yán)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，取得了可觀的效益。 
        5  不足之處 
        5.1 大型風(fēng)機(jī)不適合應(yīng)用KR-933節(jié)能控制器 
        對(duì)于大功率少機(jī)組風(fēng)機(jī)的循環(huán)水場(chǎng)，由于每開(kāi)停1臺(tái)風(fēng)機(jī)，都會(huì)對(duì)水溫產(chǎn)生很大的影響。因而，應(yīng)用KR-933風(fēng)機(jī)節(jié)能控制器無(wú)法正常穩(wěn)定控制水溫。如第六循環(huán)水場(chǎng)共有3臺(tái)直徑8.53m、功率160kW的風(fēng)機(jī)，假設(shè)安裝風(fēng)機(jī)節(jié)能控制器，在設(shè)定溫度速率允差。溫度允差、執(zhí)行周期等參數(shù)時(shí)，必然產(chǎn)生極大的矛盾，很難選擇出適當(dāng)?shù)膮?shù)值，最終也達(dá)不到節(jié)能降耗的目的。這種情況下的風(fēng)機(jī)管理，比較適合采用自動(dòng)變頻調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行控制管理。目前也正在進(jìn)行這方面的準(zhǔn)備工作。 
        5.2 KR-939安全控制系統(tǒng)的油位測(cè)量技術(shù)還有待改進(jìn)
目前KR-939安全監(jiān)控器仍存在不足，其主要問(wèn)題是油位監(jiān)測(cè)，由于受惡劣條件的影響，較容易出現(xiàn)熱絲結(jié)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(cè)。
加強(qiáng)風(fēng)機(jī)的科學(xué)現(xiàn)代化管理，還應(yīng)在現(xiàn)有的基礎(chǔ)上不斷改進(jìn)。