冷却塔的能耗管理PPT课件.ppt

冷却塔能耗管理 王南2016年 冷却塔能效管理 一旦在安装现场塔的类型确定 如何来节能 水分布系统和水流量均定死了 正确的塔效率需要保证恒定的流量 除非生产工艺改变了流量 调节塔的容量不能采用改变塔水流量的方法 这种方法不但自我限制了水和热力性能 而且对塔的能效管理不好的 塔的水力和热力性能 首先看下水利和热力性能 一个给定大小的喷嘴需要的压力需求和通过喷嘴的水量平方成正比 如果水量增加10 需大约大于21 压头维持 流量下降10 压头下降19 先看增加 水利限制很快 很明显 通过逆流塔压力的升高 支管末端的喷嘴压力升高 喷嘴 喷嘴系统 逆流塔在小流量下运行 喷嘴效率 如果下降 塔的热力性能的衰退非常显著 水离开喷嘴呈现一个圆锥形的花样模式 喷嘴间隔排列使这些圆锥体重叠 保证水覆盖整个填料 如果压力掉下来 圆锥就垮下来 喷洒的覆盖效果就丢了 介于中间的填料面积就吃不到水了 这种衰减效应 塔的热能力由于部分填料是干的就跑了 喷嘴效率 又因为空气的本性是向小阻力处钻出去 他们就向这些干的填料间隙中拥挤过去 哪些剩余湿润表面本来就减少了 加上空气的减少 效率就更低了 认识了能效观点后 冷却塔风机的贡献的能耗是水泵压头贡献能耗的4到5倍 因此冷却塔通过风机来调节热能力比用水泵来调节要好很多 能耗管理 冷却塔通过控风来调节热能力是正确的做法 让我们再来看看这种控制的必要性 对冷却塔能力的过分的要求 降低风机的负荷 在能耗上以指数级别下降 有时候没有进行全局的研究净效率 而进行冷却塔的调速 但是这并不是说冷却塔的风机控制是没有根据的 能耗管理 毫无疑问 正确的应用后这是最有利的 然而 误用滥用的话 最终会影响整个制冷空调系统的能源消耗 物理限制一个冷却塔的水分配系统水侧热力控制 能耗管理 正常流量条件下 压缩机耗功和热负荷有关 也和冷却水温度有关 热负荷降低 压缩机功率降低 就当做线型关系 塔水温度降低 压缩机的功率也降低 塔水水温每降低1F压缩机功耗降低1 由于运行限制 特性曲线的最大值为20 85F的塔水温度设计值 期待最低值为65F 约克机组的实验性能 能耗管理 两个因素影响压缩机功率 塔水温度和热负荷热负荷是由系统决定的 那么就基本上不考虑冷却塔的运行了 当环境温度降到那个点 在这个点冷却塔的能力能够生产65F 而且此时系统热负荷降低到原来2 3 也管不到冷却塔什么事 能耗管理 负荷降低给400BHP的机器节约133BPH 400 1 3 133 3 那么塔水温度降低到65F贡献了多少 2 3 400 20 53 3BHP 在该案例中 一直开冷却塔的风机导致最大化的功率节约了53 20 33HP 能耗管理 事实上 实际能耗节约值是时间的函数 该能耗节约值是由于冷却塔水对压缩机功耗的影响 结果表明 压缩机功率的消耗的减少值 开始超出风机功率消耗 那个湿球温度大致在72F 22 能耗管理 风机定律当热负荷变化 环境温度变化 如何控制冷却塔的风量维持特定的出水温度 1 风量和转速成正比 2 功率和转速的3次方成正比 3 定转速下功率和空气密度成正比 能效管理 塔水水温 全流量 风机全速 湿球温度 风机转速 风机功率 塔能力 热负荷 风机转速 恒定流量恒定湿球恒定出水温度 热负荷 电机功率 风机功率 能耗管理 上面风机功率塔热量图上基本是线性关系 在30 转速以下出现分离点的原因是 当风机转速为0时 塔还存在10 15 的能力 这个能力来源于空气的自然对流 热负荷 湿球 转速图 环境湿球温度F 恒定水流量恒定出水温度85F 风机转速 变化的负荷 100负荷 67负荷 50负荷 虚线为预期负荷 热负荷 湿球 转速图 该图为维持某个出水温度 热负荷 随着湿球温度的变化 转速如何变化 也就能得出功率如何变化 举例 57F湿球 67 热负荷 控出水85F 得出风机转速27 查图4 的电机功率 节约了19 2HP 20 96 但是我在压缩机上本应该有53HP功率好省 现在亏了53 19 2 33 8HP 风机不应该减速 应该全速 冷却塔能效管理案例 地点 美国芝加哥 北纬41度52分55秒 接近中国沈阳 N41 48 11 75 大楼设计制冷量制冷量 400ton 1407kw 1210000kcal h 额定功率 0 745 400BHP 298KW 塔水流量 1200gpm 1200 0 227 272 4m3 hr 冷却塔进水 出水温度 95F 85F 35 29 44C 设计湿球78F 25 56C 负荷用 表示 能效案例 能效案例 每1F塔水温度降低 压缩机功耗大约降低1 冷却塔出水温度从85F 65F 29 44C 18 33C 最多20 降低 再往下主机不允许 气候变化 环境温度下降后 塔水水温降低到65F大楼热负荷下降到原来的2 3 由于负荷变化节约的功率是 1 3 400 133 3BHP 由于塔水水温的下降 得到的省功是 2 3 400 20 53 3BHP 持续不停风机 功率节约了53 20 33BHP 能效案例 实际节能值是塔水温度作用在压缩机功率上的时间函数 并且伴随着负荷的变化线 当湿球温度下降到72F 22 22C 压缩机功率的减少 风机功率消耗 在这段运行时间内 这个温度范围内 不采用任何方法 例如在芝加哥 5月到9月是典型的空调运行 这段时间大概600h在一些北方城市 湿球温度更低 夏季白天运行时间更短 能效管理 能效案例 图4下面的曲线是风机功率曲线 随着风量指数变化 马达曲线比风机曲线要稍高一点 这是因为机械损失 马达输出功率后通过皮带或齿轮箱传动的效率损失 马达负荷曲线是马达的输出功率 不是能耗 电机有电机效率和功率因素随着转速有变化 运行能耗曲线跟随这个曲线并且略高 图4上部曲线是在不同风量下塔的能力 条件是恒定的水流量 出水温度 和湿球 曲线在低风量下出现分离点 表明风机转速为0时仍旧有10 15 的性能 能效管理 原来的策略是风机全速让塔水冷到尽可能低温 改变策略变频控制塔水出水温度维持在85F 29 44C 的塔水温度 通过图5的分析 能耗情况如何 当湿球到57F 13 89C 建筑物热负荷为2 3 分析图5 得风量为27 查图4风机功率为4 设计值 表1中风机功率为20HP降低了19 2HP 由于限制了塔水水温 压缩机节约的53HP没有了 拿回风机的19 2 丢掉了压缩机的53 我们损失了33 8HP的功率 能效管理案例 显然 将水温降低到65F 18 33C 这个点随着设备的不同而变化 要根据实际的机器设备设定 有些冷水机组 比如恒星 约克 可以实现 但是顿汉布什实现不了 设定点偏低机器就跑油 运行不良 有些冷水机组对这个温度非常敏感 实际工作中药小心 这些敏感性的机器 一般我们将塔水水温控制在比设计值低5 6F比如顿布设计值85F 工作点不要低于80F 26 57C 为好 听说在武汉公司 精益发展部控制塔水温度不能超过25 结果导致了顿汉不生机器的成批损坏 一旦确定了控制点 有助于整个系统能耗下降 下面是一些有效的方法 能效管理案例 第一个方法是风机启停控制法 湿球温度72F 22 22C 控制器设定80F 26 67C 停风机 87F 30 56C 开风机 假定负荷系数90 360tons 冷却塔出水80F 系统水量6000gallons 计算得到停机时间4 3分 重新在87F开机 大约15分 满足电机启动次数 如果气候变冷湿球温度降低到65F 18 33C 热负荷下降到70 280tons 制冷机的负荷下降 而塔能力增长 冷却塔降温过程只有1分钟 风机停机时间5分钟 马达小时启动次数10次 电机是否有绝缘损坏的危险 实际上随着气温变低 湿球下降 风机的启停就更加频繁 因此风机启停 需要加入辅助的措施 这个辅助措施就是旁通水流量 能效管理案例 第二种方法是风机启停 温控旁通的做法 旁通阀的做法需要一个温控三通阀 和一个时间继电器 当温度到87F 31C 时开风机 到81F 27C 时 温控器发指令给时间继电器延时12分钟 风机不停继续降温 冷却塔回水三通阀收到温控器指令将热水混入到出水侧 控制塔水温度28C 12分钟结束后 风机停机 能效管理案例 三种方法是双速风机 在冷却塔上双速风机比单速风机控制更灵活 能耗更低 图6是组合塔的2个单元 每个单元配置双速风机的运行性能 上下曲线代表单个单元双速风机各自的半速和全速发生的情况 如所见 当环境温度降低时 水温达到80F 26 67C 单速风机从全速降为半速 水温开始爬到上曲线 塔在设计风量的一半运行 维持冷效 达到87F 29 44 的时间大大延长 避免了风机频繁启停 一般情况 环境温度降低后无法回到87F的水温 塔就一直运行在半速 半速运行时 轴功率只有15 的设计值 能效管理案例 图6证明多塔双速的控制灵活性 使用这种灵活性需要控制顺序逻辑推算做法 不需要旁通阀 通过控制的不同的马达 2座塔的启动次数或者速度变化次数是单座塔的2倍 能效管理案例 能效管理案例 第四种方法是风机变频 恒定转速变风量 为达到冷水机组运行要求和风机节能的和谐一致 定速风机控制 单速或双速将被限制在一系列的档次等级上 或超过目标值或达不到目标值 如果风量可变 那么控制更加简单 冷却塔会追随热负荷的轨迹保持出水温度恒定 有一些定速风机变风量运行的介绍 这里不再展开 我们主要是搞一下风机变频 理论上通过变频调节 冷却塔风机能精确跟踪冷却塔的负荷曲线 但是有一个风机自己的特性限制了风机的变频 很显然要限制风机超速运行 除此之外 大多数的风机都有超过1个临界转速 让风机产生共振损坏 变频器有选择逃避这些频率 能效管理案例 比较结果 为了确定不同容量控制方法在能耗方面的相对优点 芝加哥案例400ton空调系统每周运行5天 从早上7点到晚上6点 从5月1日到9月30日 负荷按照图变化 5月6月7月8月9月31 30 31 31 30 153天 153 7 21 857周 21 857 5 109 2875天 109 2857 11 1202 2hr 能效管理案例 风机不做任何控制 较低的塔水温度降低了冷水机组功耗 在芝加哥在这段时间 67F 19 44 湿球温度在气象条件中的中程数 也是加权平均值 同时产生75F塔水温度 83 负荷系数 压缩机功率的节约值 马达效率校正后为27kw 32459Kwhr 超过了风机的功率需求 约为 19475 1300kwhr 能效管理案例 表2剩余部分预见使用我们前面讨论的控制方法风机节能 这些数据随着负荷因子 夜晚使用 全年使用 控制器的设置 地理位置等等的变化而变化 他们是相对的不是绝对的 然而相对于彼此 他们的比例是现实的 能效管理案例 能效管理 冷却塔管理的变风量技术在国外70年代就已经成为普遍的技术相当的成熟 那时迫于变频器的昂贵 因此变了很多花招 有一些从机械上改造风机定速而变风量 目前这种限制已经不存在了 目前在ASHREA90 2013年的能源规范中明确冷却塔的全变系统 在国外一个机房系统是一个全变的系统 带来了巨大的能源节约 能源管理 目前的文献大部分还停留在1981年的技术水平其中已经做出的进步是在横流塔和逆流塔上采用变流量的技术 我在前面一再强调传统的冷却塔能效的发挥必须恒定流量来实现 但是通过冷却塔的改造 将变流量和变风量结合起来可以完成冷却塔更巨大的能耗的节约 全变的系统也同样应用在冷水机组变流量 冷却水泵变流量 都会带来更加巨大的节约 一道题目 有一个分公司屋面有8个JFT300冷却塔实际风机运行功率为8KW 配置电机11kw 湿球温度下降冷却塔