冷却塔半调节风机全年变频变角优化运行方案的确定方法与流程

本发明属于工业系统节能技术领域，涉及设置变频装置的冷却塔半调节风机全年变频变角优化运行方案，具体的说是根据冷却塔全年不同时期所需最小通风量、以满足对水的冷却要求为前提、以节省风机运行总费用为目标的冷却塔半调节风机全年变频变角优化运行方案的确定方法。

背景技术：

能源是国民经济发展的重要基础，由于能源浪费严重，能源短缺已成为我国经济发展的绊脚石，节能降耗是我国现在经济发展的重要任务之一。

循环冷却水系统遍及冶金、电力、钢铁、石化等工业部门，能耗高，其中，冷却塔通过风机强迫通风对循环水进行冷却处理，风机需要消耗大量的电能。目前，对循环冷却水系统中的水泵机组节能及冷却塔形式研究较多，忽略了冷却塔中的风机节能的研究。现在的做法是，按照全年最不利环境工况所需通风量设计选择冷却塔风机和叶片安装角，风机长年在此设计最大通风量工况下运行。而实际上，冷却塔在冬季及春秋过渡季节为满足冷量换热所需的最小通风量远低于设计最大通风量，这种冷却塔风机全年定叶片安装角、定转速运行的过度冷却通风运行方式造成了严重的能源浪费，冷却塔风机节能潜力巨大。

技术实现要素：

本发明的目的是为了克服由于冷却塔风机全年按设计全年最大所需通风量运行产生过度冷却、造成能源严重浪费的缺点，提出一种冷却塔半调节风机全年变频变角优化运行方案的确定方法，包括在每小时变频变速的前提下，风机全年运行的叶片安装角种数、各叶片安装角数值和变角时间点，适时优化改变冷却塔风机叶片安装角，节省全年风机的运行与维护费用。

为实现以上目的，本发明提供一种冷却塔半调节风机基于每小时变频的变角优化运行方案的精确确定方法，包括以下步骤：

a.计算冷却塔通风总阻力pz与总阻抗s。

以逆流式冷却塔为例，塔内各部分由进风口、导风装置、进入淋水装置前气流转弯、淋水填料、淋水装置支撑梁、配水装置、收水器、风筒圈梁进口、风筒出口扩散段组成。其中，淋水填料阻力计算如下

a＝(a1q²+a2q+a3)×9.81(2)

m＝m1q²+m2q+m3(3)

ptl＝a·ρv^m(4)

式中，ptl为淋水填料的阻力，pa；v为填料断面的空气平均速度，m/s；q为总水流量，m³/h；f为淋水填料区面积，m²；q为淋水密度，m³/(m²·h)；a、m为不同填料的阻力系数，由《冷却塔塑料淋水填料热力及阻力性能分析》中表3查得；a1、a2、a3、m1、m2、m3为系数，与塑料淋水填料型式和高度有关，可从相关资料中查得。

冷却塔通风总阻力pz与总阻抗s分别为

式中，pz为冷却塔通风总阻力，m气柱；s为总阻抗，h²/(10⁸·m⁵)；g为冷却塔通风量，万m³/h；i为冷却塔内各组成部分的编号；n为冷却塔内各组成部分的总数；ξi、vi、fi分别为冷却塔内各组成部分局部阻力系数、断面空气速度m/s、断面面积m²。

b.计算确定风机在冷却塔内工作时不同叶片安装角实际工作点参数：流量gj、风压pj、功率nj和效率ηj。

冷却塔风机的性能曲线由设备生产厂家提供，风机第j个叶片安装角时的风压性能曲线可用方程拟合为：

式中，j为风机叶片安装角的编号；m为设定的风机叶片安装角的个数；pj为风机第j个叶片安装角时的风压，m气柱；gj为风机第j个叶片安装角时的风量，万m³/h；aj、bj、cj、dj为常数。

冷却塔风机第j个叶片安装角时的功率性能曲线可用方程拟合为：

式中，nj为风机第j个叶片安装角时的功率，kw；aj’、bj’、cj’、dj’为常数。

根据冷却塔结构及填料类型，确定冷却塔需要压力性能曲线方程可表示为：

p＝sg²(10)

对风机第j个叶片安装角，联立方程(8)的第j式和式(10)，求解得到冷却塔风机第j个叶片安装角时风机运行风量gj和风压pj(j＝1，2，3，…，m)，共2m个量。

将求得的冷却塔内风机m个叶片安装角的风量gj分别代入风机对应叶片安装角的功率性能曲线方程(9)式，计算得到m个功率nj，根据式(11)计算出风机m个叶片安装角的效率ηfj

将式(11)计算出的m个效率ηfj拟合成风机风量～效率曲线及风量～叶片安装角曲线：

ηfj＝ηfj(g)(11’)

βj＝βj(g)(11’)

式中，ηfj为风机第j个叶片安装角βj、即风量为gj时的效率，图1为拟合成的冷却塔风机额定转速变角运行工作点的风机效率与叶片安装角关系曲线。

c.不同环境工况下冷却塔所需最小通风量计算确定。

被冷却设备所需移除热量和冷却水流量一定的情况下，环境温度越低、湿度越小，循环冷却水系统冷却塔所需最小通风量越小，减小通风量意味着冷却塔风机运行节能。冷却塔所需最小通风量用以下方法确定：

首先，分别计算空气饱和水蒸气压力p”、空气相对湿度湿空气的表观密度ρ、空气含湿量x、湿空气比焓h及饱和空气焓的值h”；

其次，对逆流式冷却塔进行热力计算，计算填料特性数：

ωn'＝bλ^k(12)

式中，ωn’为逆流式冷却塔工作填料特性数(无量纲)；b、k为淋水填料的实验常数，由《冷却塔塑料淋水填料热力及阻力性能分析》中表2查得；λ为进填料的空气(以干空气计)与进填料的水的质量比，kg(da)/kg。

采用焓差法，冷却塔的冷却数：

式中，ωn为逆流式冷却塔工作特性冷却数(无量纲)；k为蒸发水量带走热量系数(k<1.0，无量纲)；cw为水的比热，kj/(kg·℃)，取4.1868kj/(kg·℃)；h”为饱和空气比焓，即当空气温度为水蒸气分压达到饱和状态温度t时放热比焓，kj/kg(da)；h为湿空气比焓，kj/kg(da)；dt为微元填料进水与出水的水温差，℃；t1为进塔水温(℃)；t2为出塔水温(℃)；rt2为出填料水温时水的汽化热，kj/kg。

冷却数的计算宜采用多段辛普逊基分解法，如下：

δt＝t1-t2(18)

δt＝δt/n＝(t1-t2)/n(19)

δh＝δh/n＝(h1-h2)/n(20)

式中，n为分段数；分别为对应水温为t1-δt、t1-2δt、t1-(n-1)δt时的饱和空气焓，kj/kg(da)；h"1、h"2分别为进出塔水温时的饱和空气焓，kj/kg(da)；h1、h2分别为进出塔湿空气的比焓，kj/kg(da)；hm为塔内湿空气的平均比焓，kj/kg(da)；δt为进出塔水温差，℃；δt为等分段的水温差，℃；δh为进出塔空气焓差，kj/kg(da)；δh为等分段的焓差，kj/kg(da)。

当计算精度要求不高，δt<15℃时，可以用以下简化计算：

式中，h"m为对应水温度为tm时的饱和空气焓，kj/kg(da)。

如图2，冷却任务曲线代表当给定不同的气水比λ时，要完成冷却塔设计条件，需要冷却塔具有的冷却数；填料的性能曲线代表冷却塔所具有的冷却能力。当同一个气水比下，冷却塔的冷却任务与冷却能力相等，即ωn’＝ωn时，为冷却塔的工作点。

根据不同的环境工况，在满足冷量的前提下，控制进出水温度，通过试算可以得出冷却塔的工作点处所需对应的气水比λ。本专利采用一种不断逼近的方法进行试算，如图3所示。

给定冷却塔一个气水比λ1，取多个不同的出塔水温t2，根据上述公式(12)～(21)，计算出多个对应的冷却数ωn，拟合出如图3的二次曲线；根据此λ1求出冷却塔实际运行的淋水填料冷却特性数(ωn’)1，满足冷却塔冷却数(ωn)1等于淋水填料冷却特性数(ωn’)1的前提下，从曲线上得出对应平衡点的冷却塔出水温度(t2)1，根据规定的进、出塔水温差，求出进水温度(t1)1，而该(t1)1一般不是所需要的进塔水温，现在的问题成为：已知进塔水温t1*和进出塔水温差，要求出对应的气水比λ*，用如下方法求解。

如图4，对确定的冷却塔填料系统，有一气水比λ，就可用上述一系列的公式计算出一对应的进塔水温t1，t1是λ的函数，设其函数关系为图4曲线atb，设曲线atb上的点t即为所需要求解的坐标(λ*，t1*)，λ*不能直接由t1*求得，采用迭代计算逐点逼近的方法求解：已知曲线atb单调减，在曲线atb上取气水比较低和较高的两点a、b，气水比取值分别为λa、λb，设要求的进塔水温t1a>t1*>t1b，用气水比λa、λb分别计算进塔水温t1a、t1b，曲线atb上的两点a和b确定，求出过a、b两点的直线方程ab为：

将t1＝t1*代入式(22)，线性插值求出对应的c’点的气水比λc

用λc通过公式(12)～(21)计算出曲线atb上平衡点c的实际进塔水温t1c，比较进塔水温计算值t1c是否满足给定精度0.01的要求，若不满足精度要求，则用同样方法求出通过ac两点的直线方程，将t1＝t1*代入ac两点的直线方程，线性插值求出对应的d’点的气水比λd，再用λd计算求出曲线atb上平衡点d的实际进塔水温t1d，检查t1d是否满足精度要求，……，直至第n次迭代计算，曲线上的点n无限逼近点t，满足式(24)为止

|t1n－t1*|≤0.01(24)

此方法可以快速迭代逼近曲线atb上的解t1*对应的气水比λ*。

在定水量运行的循环水系统中，可以得出不同环境工况下对应的通风量：

gk＝λk·q·ρw/(ρk·10000)(k＝1，2，3，…，z)(25)

式中，gk为第k种环境工况下的通风量，万m³/h；ρk为第k种环境工况下的空气密度，kg/m³；ρw为循环水的密度，kg/m³；λk为第k种环境工况下进填料的空气(以干空气计)与进填料的水的质量比，kg(da)/kg；z为不同环境工况的种数。

d.冷却塔半调节风机全年不同叶片安装角种数每小时变频的变频变角优化运行方案计算确定。

由于按全年最不利环境工况条件—夏季的所需最大通风量选择风机型号、额定转速及叶片安装角，而由于全年绝大部分时间环境温度相对于夏季最热时期较低，冷却塔所需的最小通风量大幅度减小，并且一天中也有较大的环境温差。以一周中所有时刻冷却塔所需最小通风量的最大值作为该周冷却塔的需要通风量，某冷却塔典型年按周次的需要通风量如图5所示；对任一小时，以该小时所有时刻冷却塔所需最小通风量的最大值作为冷却塔该小时的需要通风量，典型一天需要通风量的变化规律如图6所示。因而，冷却塔风机按额定转速及叶片安装角运行易产生过冷现象，造成能源浪费。

考虑到目前冷却塔采用的风机叶片大多为半调节式，调节叶片需要一定的工作量和费用，并且调节叶片安装角会对冷却塔的正常应用有一定影响，因此，风机叶片不宜频繁调节，一年中仅能调节数次；而冷却塔风机采用变频调速运行，除了需要变频器设备的初投资，实现变频只需转动旋钮，容易实现多次和自动变频调节，不会增加费用，故采用每小时变频调节，即，冷却塔在一年中的不同时期——周次选择不同的风机叶片安装角，使该段时期风机额定转速风量等于该段时期冷却塔所需最小风量的最大值，在一天中的不同时段选择不同的转速，使该小时的风机风量等于该小时冷却塔所需风量，以每小时风机功率最小为目标，实现冷却塔风机变频变角优化运行，达到减小风机能耗的目的。

风机实施变频优化运行，考虑到安全性，只降速，不升速。图7为一典型冷却塔风机风量、效率与叶片安装角的关系，在不变速的情况下，冷却塔风机的实际运行工作点，一个叶片安装角对应一个风量和一个风机效率，曲线4个峰值分别标记为a、b、c、d，以4个峰值为界，分为5段，在左数第一段曲线中，随着叶片安装角的增加，风机效率越来越高至最高效率点a，此段在满足冷却塔所需最小风量的前提下，尽可能使风机在较大的叶片安装角运行，使风机效率达到最高，通过变频降速将风量降低到冷却塔所需要的最小风量，保持运行工况与最高效率点相似，运行效率最高；第二段ab曲线，随着叶片安装角的增加，风机效率先急剧变小后变大至第二个峰值b，过点b作水平线交第二段曲线于点b’，在曲线ab’段范围，由于是单调递减曲线，随着叶片安装角的增大，风机效率下降，故在满足冷却塔所需最小风量的前提下，风机叶片安装角应尽可能小；在曲线bb’段，点b、b’的风机效率最高，在满足冷却塔所需最小风量的前提下，选择b点的风机叶片安装角，再通过变频降速将风量降到冷却塔所需要的最小风量；第三至第五段曲线bc、cd及d点右边曲线，变化趋势与ab’段相同，都是随着叶片安装角的增加，风机效率下降，故在满足冷却塔所需最小风量的前提下，风机叶片安装角应尽可能的小。

综上所述，如果冷却塔所需最小风量位于图7曲线的a点左侧，应将风机叶片安装角调至a点，如果所需最小风量位于b’b段，应将风机叶片安装角调至b点，再分别通过变频降速将风机流量减小到冷却塔所需最小风量；如果冷却塔所需最小风量位于图7曲线的ab’段或b点右侧，则直接按所需最小风量在曲线上确定对应的叶片安装角实施运行，而不需要变频调速。

冷却塔风机变频调速运行变频器输入功率为

式中，nbj为变频器输入功率，kw；ρ为空气密度，kg/m³；g为重力加速度，m/s²；ηc为风机的传动效率；ηbpj为第j个叶片安装角运行时变频器效率。

变频器变频效率与变速比有关，可表示为：

ηbp＝aδ²+bδ+c(27)

式中，ηbp为变频器变频效率；δ为变速比；a、b、c为常数。

当冷却塔所需最小通风量处于图7中a点左侧和bb’段时，分别将风机叶片安装角调至a点和b点，使风机效率最高，然后采用变频降速达到所需要的风量。如图8所示，图中a点即为图7中的风机效率最高点a点，以所需最小通风量处于a点左侧为例，将风机叶片安装角调至a点的角度，采用变频降速，使风机工况点沿相似工况抛物线向左下移动，使风机新工况点风量等于冷却塔该小时需要通风量，新工况与原工况a相似，风机效率保持不变，在满足冷却塔需要通风量的前提下，减小了风机通风量，提高了运行效率，达到了节能的目的。

风机降速运行，一般限定变速比在0.6～1之间，可以认为降速后的相似工况点效率与降速前相等，设如图8中的a1点变速比为δa1＝0.6，风量为ga1，功率为na1，风机效率为ηfa1，ηfa1＝ηfa＝ηfmax；若冷却塔需要通风量为ga2，ga2<ga1，考虑风机变频调速在a2点运行，由于δa2<0.6，ηfa2<ηfa1，但ηfa2较ηfa1下降很小，另外，与a1点相比，a2点电动机效率ηema2、传动效率ηca2和变频器效率ηbpa2变化很小，而由于a2点风量明显小于a1点风量，风机相似工况点的轴功率与风量的三次方成正比，因而a2点的轴功率na2显著小于a1点的轴功率na1，由式(26)知，a2点的变频器输入功率nba2显著小于a1点的变频器输入功率nba1，应该变频调节风机转速在a2点运行。

全年以周为时间单位，假设在某段时长数周至数十周的时期内，风机以一种叶片安装角运行，要求该段时期内风机在额定转速下的运行风量等于该段时期冷却塔各周需要通风量的最大值，设定该周风机叶片安装角βtw、额定转速风量gtw及风机效率ηftw，在此基础上进行每小时变频，各小时的变频效率为

式中，ηbpth为第th小时风机运行的变频器效率；gth为第th小时风机运行风量，万m³/h，其值等于该小时冷却塔所需通风量；gtw为第tw周风机叶片安装角为βtw时额定转速时的风量，万m³/h。

一天中，各小时负载下的电动机效率为

式中，ηemth为第th小时风机运行配套电动机效率；ηn为电动机额定效率；βth为第th小时的电动机负载率；k为电动机固定损耗系数与可变损耗系数的比值。k的大小：2极异步电动机为2；4极和6极的异步电动机为1；8极及以上的为0.5。根据《异步电动机在任意负载下的效率及功率因数的计算》中表1查得b值。

第tw周风机系统一天能耗：

式中，atw为风机系统第tw周一天的能耗，kw·h；ρth为第th小时的空气密度，kg/m³；pth为第th小时的风机运行风压，m气柱；ηftw为第tw周风机运行效率。

设第tw周每一天冷却塔所需通风量按小时的变化规律相同，则冷却塔风机全年运行能耗与能源费用：

yz＝az·y(33)

式中，az为冷却塔风机全年运行电耗，kw·h；tw为全年运行的周次；t为全年运行周数，连续运行一年以52周计；yz为冷却塔风机全年能源费用，元；y为电费单价，元/(kw·h)。

大型风机叶片为半调节式，人工调节叶片安装角，需要一定的费用，在确定风机变角变频优化运行方案时，应该考虑叶片安装角调整的费用。

风机实施每小时变频运行，在全年风机运行叶片安装角数一定的情况下，变角的时间点不同，风机全年运行耗电量也不同，将全年风机变角的时间点作为变量，列出全年风机运行耗电量的计算式，通过优化迭代计算，求出全年风机该叶片安装角数的风机运行耗电量az最小值及其对应的最优叶片安装角和变角时间点。

编程进行优化迭代计算，先输入冷却塔风机额定转速变角运行工作点的风量、风压、功率及效率，再将全年环境工况下冷却塔各周每小时所需风量及对应的空气密度输入，以全年2种风机叶片安装角运行为例，从风机可调的最小叶片安装角起开始试代，设定0.1°角度步长，取一周中所有时刻冷却塔所需最小通风量的最大值作为该周冷却塔的需要通风量，比较试代的2种叶片安装角对应的风量是否满足各周需要的通风量，若满足，则该周在此种风机叶片安装角下运行，若不满足，则在另一种风机叶片安装角下运行，在确定全年每周运行的风机叶片安装角后，通过每小时变频，使风机运行风量等于冷却塔该小时需要的通风量。

风机每天每小时变频变速，虽然变速后风机能耗减小，由于变频后增加了变频器能耗，所以需比较变频前、后的变频器输入功率大小，若变频变速后变频器输入功率增大，说明风机减小的功率不足以补偿变频器的增加功率，该小时就不应该变频变速运行。

用此方法运行计算出全年风机运行能耗与能源费用；再重新按步长长度试代风机叶片安装角，用上述方法重新计算出全年风机运行能耗与能源费用，将风机所有叶片安装角全部试代结束后，比较得出最小的全年风机运行能耗与能源费用的方案，并得出风机2种叶片安装角运行的最优叶片安装角和变角时间点。

改变风机全年叶片安装角种数重新优化计算，得到全年各种叶片安装角种数的风机变频变角优化运行方案。

计算拟定对应图5的全年环境工况下冷却塔各周所需风量表达式

gr＝gr(tw)(34)

方案一全年1种叶片安装角每天每小时变频优化运行

一年中冷却塔各周需要通风量如图9柱状图所示，在满足全年冷却塔最大需要通风量gmax的前提下，设定风机全年运行的1种叶片安装角β1，额定转速风机效率为ηf1，风量为g1，能满足g1≥gr的要求，风机在此叶片安装角下每天每时变频变速运行，变频后风机风量等于冷却塔各小时需要通风量。参考图1风机效率与叶片安装角关系曲线，以全年风机运行总能耗最低为目标，确定风机全年1种叶片安装角运行的最优叶片安装角。

全年风机运行总能耗为

以风机全年运行总能耗最小为目标，对式(35)编程序试算，求解确定全年最优的额定转速运行风量、对应的叶片安装角，使运行总费用最小。

方案二全年2种叶片安装角每天每小时变频优化运行

如图10所示，本方案风机选用全年2种叶片安装角每小时变频运行，保证全年最不利环境工况的通风量，设定风机全年2种叶片安装角运行的最优叶片安装角分别为β1、β2，风机额定转速风量分别为g1、g2，设β1≥β2，g1≥g2，风机效率分别为ηf1、ηf2，将全年t周分为三段：在第1周至第t2小周和第t2大周至第t周，调小风机叶片安装角至β2，风量为g2能满足g2≥gr的要求，该二时间段风机以额定转速风量g2开始每小时变频运行；在第t2小+1周至第t2大－1周，调大风机叶片安装角至β1，风量为g1能满足g2≤gr≤g1的要求，该时间段风机以额定转速g1开始每小时变频运行。确定了风机每周运行的叶片安装角，对风机实施每天每小时变频变速运行，全年风机运行总能耗为

以风机全年总运行能耗最低为目标，以风机叶片变角时间分界点额定转速风量g1、g2为变量，对不同的风量g1、g2值，编程序计算式(36)能耗，选取能耗最小的g1、g2值，得出对应的叶片安装角β1、β2及变角时间点t2小、t2大，得到全年2种叶片安装角的风机变频变角优化运行方案。

方案三全年3种叶片安装角每天每小时变频优化运行

如图11所示，本方案考虑全年3种叶片安装角β1、β2、β3运行，分别对应风机额定转速的效率ηf1、ηf2、ηf3，风量g1、g2、g3，设β1≥β2≥β3，g1≥g2≥g3。将全年t周分为五段：第1周至第t3小周和第t3大周至第t周，风机以叶片安装角β3运行，对应额定转速的风量g3能满足g3≥gr的要求，该时间段风机从风量g3开始每小时变频运行；第t3小+1周至第t2小周和第t2大周至第t3大－1周，风机以叶片安装角β2运行，对应额定转速的风量g2能满足g3≤gr≤g2的要求，该时间段风机从风量g2开始每小时变频运行；第t2小+1周至第t2大－1周，风机以叶片安装角β1运行，对应额定转速的风量g1能满足g2≤gr≤g1的要求，该时间段风机从风量g1开始每小时变频运行。确定了风机每周运行的叶片安装角，实施每天每小时变频。全年风机运行总能耗为

以风机全年总运行能耗最低为目标，以风机叶片变角时间分界点额定转速风量g1、g2、g3为变量，对不同的风量g1、g2、g3值，编程序计算式(37)能耗，选取能耗最小的g1、g2、g3值，得出对应的叶片安装角β1、β2、β3及变角时间点t3小、t2小、t2大、t3大，得到全年3种叶片安装角的风机变频变角优化运行方案。

方案四全年4种叶片安装角每天每小时变频优化运行

如图12所示，本方案采用全年4种风机叶片安装角运行，按方案二和方案三的方法，列出风机全年运行总能耗计算式，以风机全年运行总能耗最小为目标，编程计算求解，确定最优的风机叶片安装角β1、β2、β3、β4，对应的额定转速风量g1、g2、g3、g4及对应变角时间点。用同样方法可以求出全年5种、6种……叶片安装角的冷却塔风机变频变角优化运行方案。

e.冷却塔半调节风机全年不同叶片安装角种数每小时变频的变频变角优化运行方案费用比较与全年最优变频变角运行方案确定。

冷却塔风机全年不同叶片安装角种数每小时变频的变频变角优化运行方案费用，包括运行能源费用、调角费用，与不变频相比，增加了变频器初始设备费用。

方案一全年基于一种叶片安装角每天每小时变频运行，没有调角费用，变频运行有变频器初始费用，变频器调节无需费用，故冷却塔风机运行全年总费用等于风机运行能源费用与变频器初始设备费用之和。

方案二至方案四均为全年基于不同叶片安装角种数每天每小时变频运行，根据运行方案的变角次数累加计算调角费用，变频运行有变频器设备费用，故冷却塔风机全年总费用等于风机运行能源费用、调角费用和变频器初始设备费用分摊之和。

最后，对风机原全年设计叶片安装角运行方案、全年冷却塔最大需要通风量叶片安装角运行方案和方案一至方案四共6种方案的设备运行能源费用和运行总费用进行比较，最终确定总费用最少的方案为最优变频变角优化运行方案。

附图说明

图1为冷却塔风机额定转速变角运行工作点的风机效率与叶片安装角关系图。

图2为冷却塔冷却任务曲线和填料性能曲线图。

图3为冷却塔冷却数与出塔水温关系图。

图4为冷却塔平衡点计算迭代逼近方法图。

图5为典型年冷却塔按周次的需要通风量图。

图6为冷却塔典型天每小时所需通风量图。

图7为冷却塔半调节风机不同叶片安装角时的变频变速优化运行方案确定方法图。

图8为冷却塔半调节风机变频变速优化运行变速比确定图。

图9为全年1种叶片安装角每天每小时变频优化运行方案的风机风量与叶片安装角图。

图10为全年2种叶片安装角每天每小时变频优化运行方案的风机风量与叶片安装角图。

图11为全年3种叶片安装角每天每小时变频优化运行方案的风机风量与叶片安装角图。

图12为全年4种叶片安装角每天每小时变频优化运行方案的风机风量与叶片安装角图。

图13为本发明实施例lf-42型风机的风量与风压、风量与功率性能曲线图。

图14为本发明实施例冷却塔风机变角运行叶片安装角与风量关系曲线图。

图15为本发明实施例冷却塔风机额定转速变角运行风压与风量关系曲线图。

图16为本发明实施例冷却塔风机额定转速变角运行效率与风量关系曲线图。

图17为本实施例典型年变频变角优化运行方案三的风机风量与叶片安装角图。

图18为本实施例变频变角优化运行方案三的典型天各小时变频运行的变速比图。

具体实施方式

下面采用本发明的技术方案，结合附图和实施例对本发明作进一步说明，但本实施例不应理解为对本发明的限制。

某化工厂一车间有1座ldcm-800sc型冷却塔，当地大气压754mmhg，密度1.13kg/m³，冷却水流量800m^3/h。风机型号lf-42，半调节，配三相异步电机y180l-4，额定功率22kw，额定电流43a，电机效率90％，转速1470r/min，配vfd220cp43b-21型风机水泵专用变频器。冷却塔配有lj3型减速机，其效率92％。当地电费单价0.6元/(kw·h)。

原运行方案为：风机全年以13°叶片安装角运行，运行风量为45.3769万m³/h，运行功率为18.4877kw，电动机输入功率21.88kw，全年运行总电耗191144kw·h，总能源费用114686元。

a.计算冷却塔通风总阻力pz与总阻抗s。

已知ldcm-800sc型冷却塔塔体结构：填料区面积46m²，进风口面积46m²，导风装置的长度3m；淋水装置净通风面积41m²，配水装置净通风面积43m²，收水器净通风面积43m²，风筒进口面积26m²，风筒喉部面积14.12m²，风筒出口面积25.53m²，淋水填料为斜梯波型，风筒进口渐缩角120°，出口渐扩角60°。

本实例选择1.0m斜梯波淋水填料，由式(1)得淋水密度q为17kg/(m²·h)；由《冷却塔塑料淋水填料热力及阻力性能分析》中表3可查得a1、a2、a3分别为0.00054、0.02372、0.38310，m1、m2、m3分别为0.00422、-0.12560、2.9710，代入式(2)、式(3)得a＝9.2449，m＝2.05538；由式(4)计算淋水填料阻力:

ptl＝a·ρv^m＝9.2449×1.13×2.86^2.05538＝90.57pa

根据冷却塔内各组成部分的截面面积及阻力系数，由公式(5)可得各断面的速度vi，代入式(6)得出冷却塔通风总阻力：

将冷却塔总阻力pz代入式(7)得总阻抗

b.计算确定风机在冷却塔内工作时不同叶片安装角实际工作点参数：流量gj、风压pj和效率ηj。

图13为本发明实施例冷却塔采用的lf-42型风机的风量与风压、风量与功率性能曲线，通过拟合得到，13°叶片安装角风量-风压性能曲线方程的系数a13、b13、c13、d13分别为-0.000069、0.0057、-0.4205、24.4712，将其代入式(8)，得到13°叶片安装角风量-风压性能曲线方程为

p13＝-0.000069g³+0.0057g²-0.4205g+24.4712

通过拟合得到，13°叶片安装角风量-功率性能曲线方程的系数a13’、b13’、c13’、d13’分别为0.0005、-0.0723、3.1266、-24.1831，将其代入式(9)，得到13°叶片安装角风量-功率性能曲线方程为

n13＝0.0005g³-0.0723g²+3.1266g-24.1831

将冷却塔总阻抗s代入式(10)，得冷却塔需要压力性能曲线方程：

p＝0.00514g²

需要压力性能曲线与风机风量-风压性能曲线的交点即为风机的工作点。联立方程求解得到13°叶片安装角的实际运行工作点流量g＝45.3769万m³/h，风压p＝10.6742m气柱，功率n＝18.4877kw。

用上述方法拟合风机其余各叶片安装角的性能曲线，从2°至22°，每间隔0.1°拟合一条曲线，共201个风量-风压性能曲线方程，分别联立需要压力性能曲线方程式(10)，求解得201个工作点参数，如图14、图15所示。

将求得的冷却塔内风机201个叶片安装角的风量gj分别代入风机对应叶片安装角的功率性能曲线方程(9)式，计算得到201个功率nj，根据式(11)计算出风机201个叶片安装角时的效率ηfj如图16所示。

c.不同环境工况下冷却塔所需最小通风量计算确定。

以一个环境工况为例计算如下：

环境工况：大气压100.56kpa，干球温度：27℃，湿球温度：25℃，根据设备冷却要求，控制进塔水温最大为45℃，进、出塔水温差为10℃。27℃和25℃对应的饱和水蒸气分压力分别为pd”＝3.5631kpa、ps”＝3.1655kpa，空气相对湿度为湿空气的表观密度为ρ＝1.1569kg/m³，空气含湿量为x＝0.0193kg/kg(da)。

如图2所示，当冷却塔的冷却任务曲线与填料性能曲线相交，即同一个气水比下ωn’＝ωn时，为冷却塔的工作点。为了得到冷却塔的平衡工作点，进行试算，先取3组数据：(1)t1＝46℃，t2＝36℃，tm＝41℃，λ＝0.39kg(da)/kg；(2)t1＝47℃，t2＝37℃，tm＝42℃，λ＝0.39kg(da)/kg；(3)t1＝48℃，t2＝38℃，tm＝43℃，λ＝0.39kg(da)/kg。以第一组数据为例计算如下：

计算得到进塔湿空气焓为h1＝76.362kj/kg(da)，将相关数据代入式(14)得到蒸发水量带走的热量系数为

由式(16)得到出塔湿空气焓为

由式(17)得到塔内湿空气的平均焓为

t1、t2、tm对应的饱和水蒸气分压力分别为pt1”＝10.0832kpa、pt2”＝5.939kpa、ptm”＝7.776kpa，对应的饱和空气比焓分别为h1”＝225.4689kj/kg(da)、h2”＝136.4071kj/kg(da)、hm”＝175.5128kj/kg(da)。

代入式(21)得到冷却塔的冷却数为

按照上述方法，计算另外两组数据，计算如表1所示：

表1λ＝0.39kg(da)/kg平衡点a的计算数据表

整理得到(1)t2＝36℃,ωn＝1.0503；(2)t2＝37℃,ωn＝0.8606；(3)t2＝38℃,ωn＝0.7258。通过此3组数据，如图3，拟合曲线：

选用1.0m斜梯波淋水填料，由《冷却塔塑料淋水填料热力及阻力性能分析》中表2查得b、k系数，代入式(12)得到填料特性数为

ωn'＝bλ^k＝1.60×0.39^0.64＝0.8758

为满足冷却数ωn等于特性数ωn’，令ωn＝ωn’，解平衡点t2＝36.9078℃。故得平衡点a点，坐标为(0.39，46.9078)。

再取λ＝0.49kg(da)/kg的3组数据，(1)t1＝43℃，t2＝33℃，tm＝38℃，λ＝0.49kg(da)/kg；(2)t1＝44℃，t2＝34℃，tm＝39℃，λ＝0.49kg(da)/kg；(3)t1＝45℃，t2＝35℃，tm＝40℃，λ＝0.49kg(da)/kg。按照上述过程重新计算，具体计算如表2所示：

表2λ＝0.49kg(da)/kg平衡点b的计算数据表

整理得到(1)t2＝33℃,ωn＝1.4689；(2)t2＝34℃,ωn＝1.1625；(3)t2＝35℃,ωn＝0.9566。通过此3组数据，如图3，拟合曲线：

代入式(12)得到填料特性数为ωn'＝bλ^k＝1.60×0.49^0.64＝1.0136。令ωn＝ωn’，解平衡点t2＝34.6691℃。故得出另一个平衡点b，坐标为(0.49，44.6691)。

如图4，线型连接平衡点a、b，直线方程为t1ab＝﹣22.387λ+55.63873。

控制进塔水温最大为45℃，最终逼近点的进塔水温度为t1*＝45℃，令t1*＝t1ab＝45℃，代入直线方程为式(22)，解得式(23)c’点λc’＝0.4752kg(da)/kg，c’点是按照a、b两点线性变化求得的，反过来按λc’＝0.4752kg(da)/kg用上述方法重新计算得到曲线上平衡点c点的出塔水温t2＝34.9708℃，则进塔水温t1＝44.9708℃，故c点坐标为(0.4752，44.9708)，代入式(24)，|t1c-t1*|＝0.0292>0.01，精度不满足要求，需继续迭代计算；比较曲线上各点的位置，所要求的平衡点t位于最近的点a、c之间，列出ac直线方程，并用t1*＝45℃代入，求得点d’的横坐标为λd’＝0.4739kg(da)/kg，再按λd＝0.4739kg(da)/kg用上述方法重新计算得到曲线上平衡点d点的出塔水温t2＝35.0037℃，d点坐标为(0.4739，45.0037)，代入式(24)，|t1d-t1*|＝0.0037<0.01，精度满足要求，代入式(25)得到计算工况的通风量：

gk＝λk·q·ρw/(ρk·10000)＝0.4739×800×1000/1.1569＝32.7634万m³/h

按照上述方法计算出全年不同时间的环境工况冷却塔所需最小通风量。

d.冷却塔半调节风机全年不同叶片安装角种数每小时变频的变频变角优化运行方案计算确定。

本实施例对风机采用全年每天每小时变频运行，求解确定全年采用不同叶片安装角种数的变频变角优化运行方案。

本实施例选用异步电动机，其变频器效率与变速比δ的关系根据公式(27)拟合方程为

ηbp＝-0.0266δ²+0.0992δ+0.9054

方案一全年1种叶片安装角每天每小时变频优化运行

如图9，在满足全年最大风量gmax＝41.2454万m³/h的前提下，以风机全年运行总能耗最小为目标，试算出风机全年最优叶片安装角为10.1°，即图7中的b点，风机额定转速风量为41.9791万m³/h，风机效率为80.73％，对风机进行每天每小时变频运行，使风机风量等于冷却塔每小时所需风量。在试算中，若变频后变频器输入功率增大，则该小时不变频运行。代入式(35)，全年风机运行总能耗为az＝48289kw·h。

方案二全年2种叶片安装角每天每小时变频优化运行

如图10所示，本方案风机选用全年2种叶片安装角下每小时变频运行，以风机全年运行总能耗最小为目标，试算出风机运行的2种最优叶片安装角分别为10.1°与6°。第1周至第22周和第38周至第52周，风机以6°叶片安装角运行，即图7中的a点，风机额定转速风量为35.9505万m³/h，风机效率为88.85％，满足该二时间段冷却塔的所需要风量，风机从35.9505万m³/h风量开始变频运行；第23周至第37周，风机以10.1°叶片安装角运行，风机额定转速风量为41.9791万m³/h，风机效率为80.73％，满足该时间段冷却塔的所需要风量，风机从41.9791万m³/h风量开始变频运行。代入式(36)，全年风机运行总能耗az＝46796kw·h。

方案三全年3种叶片安装角每天每小时变频优化运行

如图11，本方案风机选用全年3种叶片安装角每小时变频运行，以风机全年运行总能耗最小为目标，试算出风机运行的3种最优叶片安装角分别为10.1°、6.8°及6°。如图17所示，第1周至第22周和第38周至第52周，风机以6°叶片安装角运行，风机风量为35.9505万m³/h，风机效率为88.85％，风机由此风量开始变频运行；第23周和第37周，风机以6.8°叶片安装角运行，风机风量为37.0575万m³/h，风机效率为83.60％，风机由此风量开始变频运行；第24周至第36周运行，风机以10.1°叶片安装角运行，风机风量为41.9791万m³/h，风机效率为80.73％，风机由此风量开始变频运行。第27周一天中各小时的风机变频变速比如图18所示。代入式(37)，计算得全年风机运行总能耗为az＝46675kw·h。

方案四全年4种叶片安装角每天每小时变频优化运行

如图12，本方案风机采用全年4种叶片安装角每小时变频运行，以风机全年运行总能耗最小为目标，编程试算求解，确定风机4种最优叶片安装角为10.1°、7.5°、6.8°及6°，第1周至第22周和第38周至第52周，风机以6°叶片安装角运行，风机风量为35.9505万m³/h，风机效率为88.85％，风机由此风量开始变频运行；第23周和第37周，风机以6.8°叶片安装角运行，风机风量为37.0575万m³/h，风机效率为83.60％，风机由此风量开始变频运行；第24周和第36周，风机以7.5°叶片安装角运行，风机风量为38.0542万m³/h，风机效率为81.13％，风机由此风量开始变频运行；第25周至第35周，风机以10.1°叶片安装角运行，风机风量为41.9791万m³/h，风机效率为80.73％，风机由此风量开始变频运行。计算得全年风机运行总能耗为az＝44323kw·h。

e.冷却塔半调节风机全年不同叶片安装角种数每小时变频的变频变角优化运行方案费用比较与全年最优变频变角优化运行方案确定。

本实施例冷却塔选用的半调节风机，叶片安装角范围2°～22°，应用于本实施例冷却塔，最高效率点在6°，冷却塔风机全年采用的叶片安装角种数不同，变频变角优化运行方案的几方面费用也有所不同，对风机原运行方案、按冷却塔全年最大需要通风量确定风机叶片安装角方案、方案一至方案四每小时变频共6种方案的全年运行能耗、能耗费用、调角费用、变频器费用和总费用进行比较，其中，电费单价按0.6元/(kw·h)计算，半调节风机调角一次需费用1000元；选用的vfd220cp43b-21型风机水泵专用变频器初投资费用4500元，使用寿命10年，残值500元，分摊到每一年的变频器费用为400元，各方案费用比较如表3。

表3本实施例冷却塔风机6°叶片安装角效率最高时变频变角优化运行方案全年费用比较

如表3，对每一个每小时变频运行方案，根据运行能耗最低确定冷却塔风机优化运行叶片安装角的大小与运行时间；对所有运行方案，根据包括风机运行能源费用、调角费用与变频器费用分摊的总费用最低，确定最优变频变角运行方案。

相比于原方案，将叶片安装角调至冷却塔全年所需最大风量的9.6°，全年能源费用节省17.36％；方案一至方案四采用每小时变频优化运行，能源费用节省率达到75％左右，节能效果很好；随着全年采用的叶片安装角种数的增加，变频变角运行能源费用稍有减小，考虑到调角费用增加，总费用随调角次数的增加反而逐渐增大，所以，方案一：全年在一种最优叶片安装角10.1°、每小时变频的优化运行方案，是冷却塔风机全年最优变频变角运行方案，与原方案相比，总费用节省74.39％。

如果方案二至方案四调角费用分别降到800、1600、2400元，则其全年总费用分别为29261、30001、30784元，方案二—2种叶片安装角方案为最优变频变角优化运行方案，全年总费用节省74.49％。