基于优化运行的冷却塔风机及调节方式精确定量优化选择方法与流程

本发明属于工业系统节能领域，涉及一种冷却塔半调节风机优化选择方法，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，以节省风机运行能耗、调节及设备总费用为目标，针对风机不同效率特性，对多种可行方案实施全年变角、变频变速、变角变频优化运行，给出基于优化运行的冷却塔风机及调节方式精确定量优化选择方法。

背景技术：

由于不可再生能源的日益短缺，石油煤炭等能源价格的不断上涨，如何高效利用能源，如何节能减排已引起国家关注，《“十三五”节能环保产业发展规划》中提出我国节能环保产业发展还存在不少困难和问题，能量系统优化等难点技术有待突破。

循环冷却水系统广泛应用于冶金、电力、钢铁、石化等工业部门，能耗高。据统计，循环冷却水系统能耗占社会总能耗的15％左右，其中，冷却塔风机强迫通风对循环水进行冷却处理消耗大量的电能。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冷却塔风机设计选型不合理、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，提出一种基于优化运行的冷却塔风机及调节方式精确定量优化选择方法，对不同效率特性半调节风机，计算确定冷却塔风机全年变角、变频变速、变角变频优化运行方案；通过对各种方案优化运行能耗、调节和设备费用的比较，实现冷却塔风机效率特性和调节方式精确定量优化选择，可节省风机全年运行维护与设备费用。

为实现以上目的，本发明提供一种基于优化运行的冷却塔风机及调节方式精确定量优化选择方法，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

ptl＝a·ρv^m(1)

式中，ptl为淋水填料的阻力，pa；ρ为进塔空气密度，kg/m³；v为填料断面的空气平均速度，m/s；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。

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。

b.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(4)

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·℃)；h”为饱和空气比焓，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(℃)。

冷却数的计算采用多段辛普逊基分解法，当计算精度要求不高，δt<15℃时，用以下简化计算：

式中，h1”、h2”分别为进、出塔水温时的饱和空气焓，kj/kg(da)；hm”为对应水温度为tm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，℃。

对确定的冷却塔填料系统，当在同一个气水比λ下，冷却塔的冷却数与填料特性数相等，即ωn’＝ωn时，为冷却塔的工作点，可计算出此时对应的进塔水温t1，t1是λ的函数。但现在的问题是：在满足冷量的前提下，控制进水温度t1^*和进、出水温差，本专利采用迭代计算逐点逼近的方法求解得出冷却塔的工作点处所需对应的气水比λ^*。

在定水量运行的循环水系统中，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)(7)

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。

根据当地全年不同的环境工况，将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需要的通风量如图1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，典型一天各小时需要通风量的变化规律如图2所示。

c.初选可行风机并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。

由步骤a根据冷却塔结构及填料类型计算的冷却塔总阻抗s，确定冷却塔通风需要压力性能曲线方程，将年冷却塔各周所有需要通风量的最大值代入，得出最大通风量时的需要风压，在满足最大通风量及风压的前提下，初选4～6种风机可行方案，对每种风机在冷却塔内工作时不同叶片安装角实际工作点参数进行计算。

由设备生产厂家提供的冷却塔风机性能曲线，拟合得到风机第j个叶片安装角的风压性能曲线方程，将此方程与冷却塔需要压力性能曲线方程联立，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，得到风机在冷却塔内工作的风量～叶片安装角曲线：

αj＝αj(g)(8)

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，计算得到m个功率nj，根据式(9)计算出风机m个叶片安装角时的效率ηfj

将式(9)计算出的m个效率ηfj拟合成风机风量～效率曲线及叶片安装角～效率曲线：

ηfj＝ηfj(g)(10)

ηfj＝ηfj(α)(11)

式中，ηfj为风机第j个叶片安装角αj、即风量为gj时的效率。图3为拟合成的风机叶片安装角～效率曲线。

d.冷却塔数种初选可行风机不同调节方式的全年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或设计风机，确定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低得多，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，如图1、图2所示。因而，冷却塔风机如果始终按额定转速和设计叶片安装角运行会产生过冷现象，造成能源浪费。

每种风机都有不同的风机效率与叶片安装角特性，要对冷却塔数种初选可行方案风机进行精确定量比较，首先需要对每种方案实施优化运行。优化运行方案包括：方案一冷却塔半调节风机全年变角优化运行、方案二冷却塔半调节风机全年变频变速优化运行、方案三冷却塔半调节风机全年变角变频优化运行。

方案一冷却塔半调节风机全年变角优化运行

由于通常大型风机的叶片为半调节式，需要停机对叶片安装角进行人工调整，冷却塔正常工作受到短时间影响，并调整一次叶片安装角需要花费一定的费用，因此，全年风机叶片变角不宜太频繁，考虑叶片安装角调整的费用，经计算比较，风机以全年3种叶片安装角为宜，继续增加角度种数，节能效果不明显，线性增加调角费用，总费用反而增加。

电动机任意负载下效率：

式中，ηem为电动机效率；ηn为电动机额定效率；b可由《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。

冷却塔内风机第j个叶片安装角运行时配套电动机的输入功率：

式中，nej为第j个叶片安装角运行时配套电动机的输入功率，kw；ρ为空气密度，kg/m³；g为重力加速度，m/s²；ηc为风机与配套电动机的传动效率；ηemj为冷却塔风机第j个叶片安装角运行时的电动机效率。

如图4所示，本方案考虑到全年不同季节周次满足冷却塔需要通风量的风机变角运行所需配套电动机最小输入功率变化较大，采用3种叶片安装角运行，分别为α1、α2和α3，设α1>α2>α3，风机对应叶片安装角下的风量分别为g1、g2和g3。在第1周至第t3小周和第t3大周至第t周，风机以叶片安装角α3运行，实际环境工况下冷却塔所需通风量gr≤风机运行风量g3，运行风压p3，风机效率ηf3，电动机效率ηem3；在第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α2运行，满足g3<gr≤g2，运行风量g2，运行风压p2，风机效率ηf2，电动机效率ηem2；第t2小+1周至第t2大－1周，风机以叶片安装角α1运行，满足g2<gr≤g1，运行风量g1，运行风压p1，风机效率ηf1，电动机效率ηem1。全年总能耗为

式中，az为冷却塔风机全年运行电耗，kw·h；t为全年运行周数，连续运行一年以52周计。

利用软件编程进行优化计算，对全年任一周，取每周所有时刻冷却塔需要最小通风量的最大值作为该周冷却塔的需要通风量，根据风机额定转速风量满足全年每周冷却塔需要通风量的最大值确定风机3种叶片安装角中的最大叶片安装角α1；根据风机额定转速风量刚好满足全年每周冷却塔需要通风量的最小值，设定风机3种叶片安装角的最小叶片安装角α3的初值，α3初值对应的风量为全年需要风量最小周的需要风量，在叶片安装角α1和α3之间，选定α2，α2从全年倒数第二大需要通风量对应的叶片安装角为初值，以0.1°步长迭代选定α2逐步增加，对上述每一步，根据迭代选取的α1、α2和α3为区域分界点，将风机运行参数代入公式(14)计算风机全年耗电量，再以0.1°步长逐步增加叶片安装角α3，检查此时叶片安装角α3时风机能够满足通风量的周数，若叶片安装角α3每增加0.1°步长后，仍不能满足增加一周冷却塔需要通风量的条件，则不进行叶片安装角α2的迭代计算，以风机机组全年能耗最低为目标，最终确定最优方案的3种叶片安装角及每种叶片安装角的运行时间。

方案二冷却塔半调节风机全年变频变速优化运行

一年中，由于冷却塔每周每小时所需通风量变化比较大，如图1、图2所示，在全年风机不变角的情况下，冷却塔风机采用变频变速运行，除了需要变频器设备的初投资，实现变频变速很容易，不会增加费用，故采用每小时变频变速运行。

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增加的功率，该小时就不应该变频变速运行，这种情况出现在变速比接近1.0的时候。

本方案如图5所示，根据全年冷却塔风机所需最小风量的最大值gmax，确定风机全年运行的叶片安装角α1，额定转速风机效率ηf1，要求其额定转速风量g1满足g1≥gmax，并在此叶片安装角下根据需要通风量实施每小时变频变速运行，变频变速后风机风量等于冷却塔各小时需要通风量。

冷却塔风机变频变速运行变频器输入功率为

式中，nbj为变频器输入功率，kw；ηbpj为第j个叶片安装角运行时变频器效率。

每周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需要通风量。

全年风机运行总能耗为

式中，atw为冷却塔风机第tw周一天运行电耗，kw·h；ρth为第th小时空气密度，kg/m³；pth为第th小时的风机运行风压，m气柱；ηemth为第th小时的风机运行配套电动机效率。

利用软件编程进行优化计算，根据风机额定转速风量满足全年冷却塔风机所需最小风量的最大值确定风机叶片安装角初值，在此叶片安装角下根据需要通风量实施每小时变频变速运行，变频变速后风机风量等于冷却塔各小时需要通风量，代入公式(17)计算全年总能耗，以0.1°步长逐步增加叶片安装角，按上述方式循环计算全年总能耗，以风机机组全年能耗最低为目标，最终确定每天每小时变频变速运行的最优定叶片安装角角度。

如图3所示，当全年冷却塔风机所需最小风量的最大值gmax位于风机叶片安装角～效率曲线的下降段，则取g1＝gmax，将叶片安装角调整到风量gmax对应的角度，该工况点风机效率是能够满足冷却塔全年通风量的最高效率；当全年冷却塔风机所需最小风量的最大值gmax位于风机叶片安装角～效率曲线的上升段，则g1取gmax大风量侧附近具有效率极大值的点，即g1>gmax，设该工况点为图6中的a点，图6中，最上面一条下降曲线为风机额定转速下的风量～风压性能曲线，下面两条下降曲线是降速后的风机风量～风压性能曲线，图6中的上升曲线，既是冷却塔需要风压曲线，又是风机通过工况点a的相似工况抛物线，将风机叶片安装角调整到a点，风量为g1，gmax处于相似工况抛物线上a点的小风量侧，采用变频降速，使风机工况点沿相似工况抛物线向小风量的左下侧移动，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，减小了运行功率，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6中的a1点变速比为δa1＝0.6，风量为ga1，风机轴功率为na1，风机效率为ηfa1，ηfa1＝ηfa＝ηfmax；若冷却塔需要通风量为ga2，ga2<ga1，风机变频变速在a2点运行，由于变速比δa2<0.6，实际ηfa2<ηfa1，但ηfa2较ηfa1下降很小，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，此外，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，由式(15)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。

方案三冷却塔半调节风机全年变角变频优化运行

由于冷却塔采用的风机叶片大多为半调节式，叶片不宜频繁调角，一年中仅能调节数次；而冷却塔风机采用变频变速运行，除了需要变频器设备的初投资，变频很方便，容易实现多次和自动变频调节，不会增加费用，故采用每小时变频变速调节，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，使该小时的风机功率最小，以全年总能耗最小为目标，确定基于每小时变频变速的风机全年变角方案，包括全年变角次数、变角角度和变角时间点，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。

风机实施变频变速优化运行，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a点运行，使风机效率达到最高，通过变频降速将风量降低到该小时冷却塔的需要风量，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，即，就取冷却塔所需最小风量对应的叶片安装角，以保证风机风量小、效率高，达到节能的目的；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，即，取冷却塔所需最小风量对应的叶片安装角。

综上所述，某一段时期，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，而不需要变频变速。

随着全年运行角度种数的增加，风机运行能源费用逐渐降低，但考虑全年调角费用增加比较大，风机全年总费用反而逐渐增大，故根据大量计算比较，本方案选择1种和2种风机叶片安装角每小时变频最优运行方案进行比较。

全年1种风机叶片安装角下每小时变频运行最优方案如上述方案二。在方案二保证全年最大通风量的叶片安装角的前提下再调节1种叶片安装角，求解风机全年2种叶片安装角每小时变频最优运行方案。

本方案如图8所示，风机全年2种叶片安装角分别为α1、α2，风量为g1、g2，设α1≥α2，g1≥g2，额定转速风机效率为ηf1、ηf2，满足g1≥gmax的要求，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α2，风量为g2能满足g2≥gr要求，该二时间段风机以额定转速风量g2开始每小时变频变速运行；在第t2小+1周至第t2大－1周，调大风机叶片安装角至α1，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开始每小时变频变速运行。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

利用软件编程进行优化计算，对全年任一周，取每周所有时刻冷却塔需要最小通风量的最大值作为该周冷却塔的需要通风量，根据风机额定转速风量满足全年每周冷却塔需要通风量的最大值设定风机2种叶片安装角运行时的大角度α1的初值，以0.1°步长逐步增加叶片安装角α1，根据风机额定转速风量满足全年每周冷却塔需要通风量的最小值设定风机另一种叶片安装角α2的初值，以0.1°步长逐步增加叶片安装角α2，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，根据迭代选取的区域不同分界点叶片安装角代入公式(18)计算全年能耗，若每增加的叶片安装角α2不能满足增加一周冷却塔需要通风量的条件，则α2再次增加0.1°步长。以风机机组全年能耗最低为目标，得出对应的叶片安装角α1、α2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。

e.冷却塔数种初选可行风机全年不同优化运行方案设备运行能耗和运行总费用比较与最优风机及调节方式精确定量优化选择。

冷却塔风机全年不同优化运行方案费用，包括运行能源费用、调角费用和变频器初始设备费用。

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。

冷却塔风机能源费用

yz＝az·y(19)

式中，yz为冷却塔风机全年能源费用，元；y为电费单价，元/(kw·h)。

方案一为冷却塔半调节风机全年变角优化运行，根据风机全年运行为3种叶片安装角，累加计算全年调角费用，无变频器初始费用，故冷却塔风机运行全年总费用等于风机运行能源费用与调角费用之和。

方案二为冷却塔半调节风机全年变频变速优化运行，全年固定叶片安装角每天每小时变频变速运行，没有调角费用，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和变频器初始设备费用分摊之和。

方案三为冷却塔半调节风机全年变角变频优化运行，变频运行有变频器设备费用，根据运行方案的最优变角种数为2种，考虑2次调角费用，冷却塔风机全年总费用等于风机运行能源费用、2次调角费用和变频器初始设备费用分摊之和。

对初选的数种可行风机方案，由于风机叶片安装角～效率曲线不同，其全年优化运行的能耗也不同，计算原风机全年设计叶片安装角运行方案、多种效率特性可行风机的冷却塔全年最大需要通风量叶片安装角运行方案和方案一至方案三共5种方案的设备能耗和运行总费用，列表比较数种初选可行方案风机的全年能耗和总费用，最终确定总费用最低的风机与运行方案为最优风机及调节方式。

根据风机全年运行叶片安装角确定运行风量，风机额定转速效率最高点处于不同叶片安装角的风机效率特性直接影响风机电动机输入功率，根据全年52周需要通风量的分布，由公式(14)，确定方案一全年3种最优叶片安装角运行，在各运行时段工作点确定的情况下，风机运行风量、风压不变，故影响能耗的因素为风机效率、电动机效率、减速机效率，风机效率为主要因素，考虑数种可行风机最高效率点，若可行风机最高效率点叶片安装角处于3个最优运行工作点中时，全年变角运行节省能耗高，当风机效率增加0.1％，风机运行风量越大，相同时间内节省的能耗就越多，故当风机最高效率点向叶片安装角大的方向移动至风机全年3种最优叶片安装角中最大角度时，全年变角运行节省能耗最高。

考虑风机变频变速运行时，随着风机额定转速效率最高点右移到达冷却塔全年最大需要通风量叶片安装角时，对应的风机叶片安装角和风机风量越大，利用相似原理，通过变频降速调节风量后，风机保持高效率不变，降低了风机全年运行能耗。若初选不到这样的效率曲线的风机，可以根据上述原则，有针对性的设计风机，使风机在冷却塔内在额定转速工作时，其最高效率位于较大叶片安装角，并且风量等于冷却塔全年最大需要通风量。

实施例计算表明，通过优化运行方案计算，精确定量优化选择或设计的冷却塔风机及调节方式，较原风机方案及运行方式，全年运行能耗和总费用节省75％左右；同是实施优化运行，采用优化选择的风机，风机全年运行总费用节省17.4％。因此，本发明提出的基于优化运行的冷却塔风机及调节方式精确定量优化选择方法节能效果显著。

附图说明

图1为冷却塔典型年按周次的需要通风量图。

图2为冷却塔典型天各小时需要通风量图。

图3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4为冷却塔风机额定转速全年3种叶片安装角优化运行方案的风量与叶片安装角图。

图5为冷却塔风机全年定叶片安装角每天每小时变频变速优化运行方案的风量与叶片安装角图。

图6为冷却塔半调节风机变频变速优化运行变速比确定图。

图7为冷却塔半调节风机不同叶片安装角区段的变角变频优化运行方案确定方法图。

图8为冷却塔风机全年2种叶片安装角每天每小时变频变速优化运行方案的风量与叶片安装角图。

图9为本实施例lf-42型风机的风量与风压、风量与功率性能曲线图。

图10为本实施例冷却塔可行风机变角运行叶片安装角与风量关系曲线图。

图11为本实施例冷却塔可行风机额定转速变角运行效率与风量关系曲线图。

图12为本实施例冷却塔风机额定转速时效率最高点处于不同叶片安装角的效率与叶片安装角关系曲线图。

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。原选用风机型号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)。

风机原运行方案为：全年以额定转速200r/min、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《冷却塔塑料淋水填料热力及阻力性能分析》中表3可查得a＝9.2449，m＝2.05538；由式(1)计算淋水填料阻力为

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(2)可得出冷却塔通风总阻力：

将冷却塔总阻力pz代入式(3)得总阻抗为

b.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)。

当在同一个气水比下，ωn’＝ωn时，为冷却塔的工作点。为了得到冷却塔进塔水温t1＝45℃，出塔水温t2＝35℃时平衡工作点处对应的气水比λ，进行试代计算。

令气水比初始值λ＝0.49kg(da)/kg，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(4)得到填料特性数为

ωn'＝bλ^k＝1.60×0.4^0.64＝0.89

计算得到进塔湿空气焓为h1＝76.362kj/kg(da)，蒸发水量带走的热量系数k＝0.9394，出塔湿空气焓h2＝187.7842kj/kg(da)，塔内湿空气的平均焓hm＝132.0731kj/kg(da)，t1、t2、tm对应的饱和水蒸气分压力分别为pt1”＝9.5803kpa、pt2”＝5.6207kpa、ptm”＝7.3737kpa，对应的饱和空气比焓分别为h1”＝214.4617kj/kg(da)、h2”＝129.6436kj/kg(da)、hm”＝166.9191kj/kg(da)。

代入式(6)得到冷却塔的冷却数为

比较填料特性数与冷却塔冷却数，发现ωn’＝0.89<ωn＝1.2705，故增大气水比的值，再进行上述过程的试代计算，直到|ωn-ωn’|<0.001，得到对应的平衡工作点坐标为(0.4737，45)，代入式(7)得到计算工况的通风量：

按照上述方法计算出全年所有时间不同环境工况冷却塔所需最小通风量，得到全年最大通风量gmax为41.2454万m³/h。

c.初选可行风机并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。

在满足最大风量风压的前提下，以初选lf-42型可行风机为例，图9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-风压性能曲线方程为

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

通过拟合得到，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

冷却塔需要压力性能曲线方程：p＝0.00514g²

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，求解得201个工作点参数，叶片安装角～风量关系曲线如图10。

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，计算得到201个功率nj，根据式(9)计算出风机201个叶片安装角时的效率ηfj如图11所示。

d.冷却塔数种初选可行风机不同调节方式的全年优化运行方案计算确定。

不同风机都有不同的风机效率与叶片安装角特性，本实施例以lf-42型风机为例，风机分别采用变角、变频、变频变角的调节方式，求解优化运行方案，具体求解如下。

方案一冷却塔半调节风机全年变角优化运行

由工作点风机轴功率为18.4877kw，减速机传动，得出电动机的输出功率为20.0953kw，其负载率为91.3％，由《异步电动机在任意负载下的效率及功率因数的计算》表1得b＝1.004，代入式(12)得到电动机效率ηem为

将所求工作点各参数值代入式(13)，得风机13°叶片安装角配套电动机的输入功率为

如图4，本方案风机采用全年3种叶片安装角运行，以风机机组全年能源费用最低为目标，通过优化计算，确定最优运行的三种叶片安装角分别为9.6°、2.0°和-2.5°，全年最优运行方案如表1所示。

表1实施例冷却塔半调节风机全年3种叶片安装角变角优化运行方案

将全年最优运行方案代入式(14)，计算得到全年风机变角最优运行方案运行总能耗为az＝85988kw·h。

方案二冷却塔半调节风机全年变频变速优化运行

如图5，本方案在满足全年冷却塔最大需要通风量gmax＝41.2454万m³/h的前提下，设定风机全年运行的1种确定的叶片安装角α1＝10.1°，风机额定转速风量为41.9791万m³/h，额定转速效率为80.73％，对风机进行每天每小时变频运行，如图6，每小时变频效率由公式(16)求解，系数a、b、c分别为-0.0266、0.0992、0.9054。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(17)，全年风机运行总能耗为az＝48289kw·h。

方案三冷却塔半调节风机全年变角变频优化运行

如图8，本方案采用风机全年2种叶片安装角每小时变频优化运行，以风机全年运行总能耗最小为目标，试算出风机运行的2种最优叶片安放角分别为10.1°与6°。第1周至第22周和第38周至第52周，风机以6°叶片安放角运行，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风量开始变频变速运行；第23周至第37周，风机以10.1°叶片安放角运行，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％，满足该时间段冷却塔的所需要风量，风机从41.9791万m³/h风量开始变频变速运行。代入式(18)，全年风机运行总能耗az＝46796kw·h。

e.冷却塔数种初选可行风机全年不同优化运行方案设备运行能耗和运行总费用计算比较与最优风机及调节方式精确定量优化选择。

如图12所示，曲线1～5为5种风机安装在冷却塔内时在额定转速下的效率与叶片安装角关系，5种风机的最高效率点分别处于不同叶片安装角，其中，曲线4为原选用的lf-42型风机效率与叶片安装角关系曲线，最高效率点在6°叶片安装角，计算比较不同效率特性的风机全年不同调节方式的优化运行方案能耗情况。

如图12，5条曲线代表冷却塔不同特性的风机变角运行时风机效率与叶片安装角的关系，保持风机最高效率不变，不同效率特性的风机，风机效率最高点对应的叶片安装角和风量大小有所不同，5条曲线的风机效率最高点对应的叶片安装角分别为﹣6°、﹣2°、2°、6°、9.6°，曲线编号依次为1、2、3、4、5。冷却塔风机采用优化运行方式不同，其全年总费用也不同，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、方案一至方案三共5种方案的全年运行能耗、能源费用、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400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。

5种效率特性不同的可行风机各方案的优化运行计算结果如表2～6。以表5的6°叶片安装角效率最高的风机为例进行不同运行方案比较，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％；方案一风机全年3种叶片安装角变角优化运行，节能55.01％，总费用节省53.62％；方案二冷却塔半调节风机全年定叶片安装角每天每小时变频变速优化运行，节能74.74％，总费用节省74.39％；方案三，全年在2种最优叶片安装角下每小时变频节能效果最好，与原方案相比，节能75.53％，总费用节省74.49％。当全年采用的叶片安装角种数增加到2种，变频变角运行能耗稍有减小，但考虑到调角费用的增加，总费用节省率增加并不明显，表2、表4和表5可行风机总费用节省率增加仅为0.05、0.12、0.1个百分点，表3风机运行总费用节省率反而下降0.2个百分点，如果调角人工费用增加，则全年调角2次的风机变角变频优化运行方案总费用肯定超过变频变速优化运行方案。

表2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

表3冷却塔风机﹣2°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

表4冷却塔风机2°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

表5本实施例冷却塔风机6°叶片安装角效率最高时各优化运行方案全年费用比较

表6冷却塔风机9.6°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

对本实施例5种效率特性风机的各种运行方案的能耗和费用进行比较，5种效率特性的风机能源费用及总费用变化规律一致，与原风机方案相比，方案一节能率50％左右，方案二和方案三节能率超过70％，方案一全年3种叶片安装角变角优化运行，比较可行风机表2至表6，方案一确定的3种最优叶片安装角对应工作点的效率均处于风机效率的高峰点或次高峰点，该运行将全年52周分为三段且每段运行时间基本相当，比较表4至表6，3种最优运行叶片安装角均为-2.5°、2°、9.6°，运行时段相同，各时段风机运行风量风压不变，故影响能耗的因素为风机效率、电动机效率、减速机效率，风机效率为主要因素，当风机效率增加0.1％，风机运行风量越大，相同时间内节省的能耗就越多，当风机效率最高点处于风机9.6°叶片安装角下最大运行风量时，方案一全年风机能耗最低，最大节能达到57.80％，总费用节省率为56.40％；方案二与方案三全年均采用每小时变频运行，随风机最高效率点向大叶片安装角移动，风机全年能耗显著下降，最大节能达到76.56％，加上调角费用与变频器费用之后，总费用也大幅度降低。

如图12中5号线所示，当冷却塔风机最高效率位于9.6°叶片安装角时，冷却塔风机效率曲线在2°→9.6°叶片安装角范围内成单调递增趋势，由于全年冷却塔需要通风量均小于等于9.6°叶片安装角的风量，故当将叶片安装角设置在9.6°，再通过变频减小到冷却塔需要的风量，应能保证风机效率最高，全年总能耗最小，如表6所示。因此，全年只要9.6°一种叶片安装角变频运行，就能保证能源费用及总费用最省。

综上所述，选择表6中在冷却塔内9.6°叶片安装角效率最高的可行风机、采用9.6°叶片安装角一种角度的变频优化运行方案为最优风机及调节方式。

实施例计算表明，通过优化运行方案计算精确定量优化选择或设计的冷却塔风机及调节方式，较原风机方案及运行方式，全年能源费用和总费用节省75％左右；同是实施优化运行，采用优化选择的风机，风机全年运行总费用节省17.4％。因此，本发明提出的基于优化运行的冷却塔风机及调节方式精确定量优化选择方法节能效果显著。