冷卻塔風機自動除冰控制系統的製作方法
2023-12-04 12:29:41 2
專利名稱：冷卻塔風機自動除冰控制系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及寒冷區冷卻塔風機自動除冰系統。
背景技術：
在鋼鐵冶金行業中，冷卻塔是循環水處理系統中必不可少的熱交換設備。然而在 寒冷地區，特別是在冬季，冷卻塔運行前其風機結冰現象嚴重，給安全生產和操作維護都帶 來許多困難。在我國寒冷地區，當地每年冰凍期可達到5個多月，最低溫度達到零下40°C。 進入冬季，在冷卻塔進風口百葉窗上結冰嚴重，使整個百葉窗形成冰簾，幾乎封閉了進出風 口 ，導致進出風進風面積減小，進出風量減小，影響塔的冷卻效果，另外冰簾在電機運行中 可能甩出，還存在嚴重的安全隱患。為了保證冷卻塔的正常運行及冷卻效果，通常的辦法是 讓操作工人進行鑿冰，但在鑿冰過程中有可能連同百葉窗一起損壞，造成了人力、物力的極 大浪費。在最冷的時候，甚至還會使填料結冰，填料結冰後，影響填料的效率，也影響了塔的 冷卻效果。更有甚者，結冰以後所增加的冰的荷重，可能會造成冷卻塔結構上變形、坍塌。目 前市場上常見的冷卻塔防冰方法有安裝防凍管、噴淋管等方法，但這都需要增加冷卻塔的 施工、運行和維護成本。
發明內容
本發明所要解決的技術問題是提供一種冷卻塔風機自動除冰控制系統，通過本 系統能在寒冷氣候下為冷卻塔自動除冰，且運行和維護成本低。 本發明所採用的技術方案是包括雙速電機M、MCC控制櫃和PLC ;三相動力電源接 至雙速電機M，其動力電路上還通過電流互感器接至MCC控制櫃，MCC控制柜上接有現場操 作箱，整個控制系統還接有PLC。 本發明的優點當使用本控制系統後，僅需在HMI上選定自動除冰工作模式(實際 效果可通過設定風機反轉時間來現場調整)，系統便可消除冰凍所造成的各種影響。本套系 統的應用既避免了人為鑿冰可能對設備造成的損壞，節省了人力物力，還能防止冰凍對設 備造成一系列影響。和市場上其他技術相比，本方案簡單易行，除冰效果較為明顯，有效解 決了冬季獨有冷卻塔嚴重結冰的情況，提高了冷卻塔自身運行的可靠性。
圖l是動力迴路電路圖。 圖2是運行控制電路圖。
圖3是狀態和指示電路圖。 圖4是PLC系統I/0(輸入輸出)點配置圖。當在HMI(人機界面)上進行操作時， 通過PLC的輸入輸出點來完成對電機狀態的監視和和啟停控制。 本系統實現了雙速電機的高速運行、低速運行、低速反轉運行三種運行方式，並可 在現場操作箱和HMI (人機界面)上進行啟停操作。圖中，M :雙速電機；Q :斷路器；K :接觸器及中間繼電器；F :熱繼電器；T :電流互感器；S :選擇開關及按鈕；H :指示燈；PA :電流表。
圖5是工作原理流程圖。通過計時程序，不管風機原來處於何種工作狀態，可定期 讓冷卻塔風機自動切換至低速反轉運行，除冰完成後自行返回至原運行狀態。
具體實施例方式
使用冷卻塔的目的是降低塔內水的溫度。平時使用時通過風機正轉抽取塔內溫度 較高的空氣，經過接觸傳熱和蒸發散熱，空氣中的熱量被帶走，水溫也隨之降低。而這些熱 量也正是我們除冰系統所需熱量的來源，當風機反轉時，塔內高溫的空氣不是被直接抽走， 而是被風力壓下向四周擴散，熱風會經過百葉窗排到塔外，類似採用電吹風對塔內冰柱進 行吹掃，從而達到良好的除冰效果，可去除冷卻塔內生成的冰簾。本自動除冰控制系統採用 雙速電機配合帶雙速及反轉功能的電氣控制迴路，通過相應的控制程序，使冷卻塔風機能 夠完成自動除冰的任務。 圖1 4為機旁不進機系統雙速電機動力迴路和控制迴路電路圖，可以滿足冷卻 塔風機3種運行方式a.高速運行b.低速運行c.低速反轉運行。高速運行和低速運行可 產生不同大小的風量來降低水溫，而低速反轉則是除冰專用。 冷卻塔自動除冰控制系統，主要由電氣控制迴路和自動控制程序兩部分組成
(1)電氣控制迴路是整個系統的硬體環境。如附圖所示，根據熱交換的要求，冷 卻塔風機一般採用雙速電機，分高速和低速。在此電機為雙速電機的基礎上，我們設計出帶 有高速運行、低速運行、低速反轉運行功能的電氣控制迴路，同時可滿足機旁、集中操作的 功能切換。 其包括雙速電機、MCC(Motor Control Center,電機控制中心)控制櫃、PLC(可編 程邏輯控制器)櫃、HMI (人機界面)、現場操作箱。 各部件的連接關係為MCC控制櫃中安裝了所有的電氣控制及保護元件，KOl 04 為運行接觸器，其各自功能如下K01閉合時，低速運行；K02和K03閉合時，高速運行； K04閉合時，低速反轉運行，各運行狀態間有電氣互鎖功能，避免了多個接觸器同時閉合而 損壞設備。現場的選擇開關、按鈕、指示燈等安裝於現場操作箱中，便於在現場對雙速電機 進行操作。選擇開關可對機旁、集中操作進行切換，在檢修或現場緊急狀況時，將選擇開關 旋至機旁操作，此時冷卻塔風機完全處於機旁手動的控制狀態，不受PLC設備和程序的任 何影響。當將選擇開關旋至集中操作，冷卻塔風機可在HMI上進行手動啟停、自動除冰等操 作。 (2)自動控制程序在寒冷的季節一般每隔24小時就需要進行一次除冰操作。為 了達到自動除冰的目的而不需要人為幹預，使用PLC的邏輯控制程序來完成自動控制任 務。當在HMI上選擇自動除冰模式後，程序流程圖如圖5所示。 通常情況下，雙速電機在反轉除冰前的狀態不外乎於高速運行、低速運行、停止三 種狀態。為避免對雙速電機造成損壞，我們在進行正反轉切換不能在電機運轉時直接切換， 而必須先停機並經過一定時間的延遲等電機完全靜止後才能再改變方向啟動。當程序計時 完成準備開始除冰時，會先檢測目前電機處於何種工作狀態(高速、低速或停止)並記錄下 此工作狀態，如電機在運行則停機並靜置到完全處於靜止狀態後(高速和低速的靜置時間 不同，可根據實際情況來設定)，開啟電機至低速反轉，開始除冰。大約30分鐘除冰完成後
5程序自動停機，並按要求將電機切換至原工作狀態。此程序為全自動控制程序，完全不需要 認為幹預。當使用本控制系統後，僅需在HMI上選定自動除冰工作模式(實際效果可通過 設定風機反轉時間來現場調整)，系統便可消除冰凍所造成的各種影響。本套系統的應用既 避免了人為鑿冰可能對設備造成的損壞，節省了人力物力，還能防止冰凍對設備造成一系 列影響。和市場上其他技術相比，本方案簡單易行，除冰效果較為明顯，有效解決了冬季獨 有冷卻塔風機葉片嚴重結冰的情況，提高了冷卻塔自身運行的效果和可靠性。
下面結合實施例進一步詳述本發明。 如圖1所示，冷卻塔風機自動除冰控制系統包括雙速電機M、MCC控制櫃和PLC ;三 相動力電源(交流電380V，相線L1、L2、L3)接至雙速電機M，其動力迴路安裝有電流互感器 Ta、 Tc和Tal、 Tcl， MCC柜上相應安裝有電流表，可在MCC柜上顯示運行電流。電機控制可 分為機旁和集中兩種控制方式，機旁操作箱安裝在設備現場，通過操作箱上的按鈕控制電 機運行；HMI放置在控制室，通過PLC控制電機運行。 三相動力電源的三根相線Ll、 L2、 L3通過斷路器Q01後分成三路，第一路為接觸 器K01常開主觸頭接至雙速電機M (接地線PE，三相1U、 IV、 1W)，控制低速運行；第二路為接 觸器K04常開主觸頭接至雙速電機M(接地線PE，三相1U、1V、1W)，控制低速反轉運行；第 三路通過K02和K03兩個接觸器控制來實現，接觸器K02常開主觸頭接至雙速電機M(接地 線PE，三相2U、2V、2W)，同時K03接觸器閉合實現電機內部接線由三角形接線變成雙星形接 線，從而實現電機的高速運行控制。 安裝在動力迴路上的電流互感器Ta、Tc和Tal、Tcl將變換後的電流分別送入熱繼 電器F01熱元件、電流表PA和熱繼電器F02熱元件、電流表PA1，達到過載保護和電流顯示 的目的。 如圖2和圖3所示，兩線控制電源(交流電220V，相線L，零線N)通過斷路器Qll
接至MCC控制櫃，MCC控制櫃內包括低速運行控制迴路、低速反轉運行控制迴路、高速運行
控制迴路、繞組切換控制迴路、低速準備狀態控制迴路、高速準備狀態控制迴路、故障控制
迴路、故障指示控制迴路、停止指示控制迴路、低速運行指示控制迴路、低速反轉運行指示
控制迴路和高速運行指示控制迴路。 兩線控制電源的兩線之間接有 依次串連的繼電器K10常閉觸頭、接觸器K03常閉輔助觸頭、繼電器K11常開觸 頭、K22常閉觸頭；然後接至現場操作箱，首先是通過帶常閉觸頭的按鈕S3，然後分成三路， 一路接有接觸器K01常開輔助觸頭，另一路接有萬能轉換開關S6的觸頭1、2和帶常開觸頭 的按鈕Sl，第三路接有萬能轉換開關S6的觸頭5、6和繼電器K20常開觸頭，這三路匯合後 再依次通過接觸器K04輔助常閉觸頭、接觸器K01線圈，此迴路作為低速運行控制迴路；
低速運行控制迴路中的帶常閉觸頭的按鈕S3和萬能轉換開關S6的觸頭5之間引 出一條支路接至接觸器K04常開輔助觸頭，萬能轉換開關S6的觸頭2和帶常開觸頭的按鈕 Sl之間引出一條支路接至帶常開觸頭的按鈕S2，萬能轉換開關S6的觸頭6和繼電器K20 常開觸頭之間引出一條支路接至繼電器K21常開觸頭，這三條支路匯合後再依次通過接觸 器K01常閉輔助觸頭、接觸器K04線圈，此迴路作為低速反轉運行控制迴路；
繼電器K10常閉觸頭、接觸器K03常閉輔助觸頭之間引出一條支路，再依次通過繼 電器K12常開觸頭、K24常閉觸頭、帶常閉觸頭的按鈕S5後分成三路， 一路接有接觸器K02
6常開輔助觸頭，另一路依次接有萬能轉換開關S6的觸頭7、8和帶常開觸頭的按鈕S4，第三 路依次接有萬能轉換開關S6的觸頭11、12和繼電器K23常開觸頭，這三路匯合後再依次通 過接觸器K01常閉輔助觸頭、接觸器K04常閉輔助觸頭、接觸器K02線圈，此迴路作為高速 運行控制迴路； 帶常開觸頭的按鈕Sl、帶常開觸頭的按鈕S2、帶常閉觸頭的按鈕S3、帶常開觸頭 的按鈕S4、帶常閉觸頭的按鈕S5、萬能轉換開關S6位於現場操作箱內；
高速運行控制迴路的接觸器K04常閉輔助觸頭和接觸器K02線圈之間引出一條支 路接至接觸器K03線圈，此迴路作為繞組切換控制迴路； 依次串聯的斷路器QOl輔助觸頭0F、熱繼電器F01常閉觸頭、繼電器K11線圈，此 迴路作為低速狀態控制迴路； 低速狀態控制迴路的斷路器QOl輔助觸頭OF和熱繼電器FOl常閉觸頭之間引出 一條支路，該支路依次接有熱繼電器F02常閉觸頭、繼電器K12線圈，此迴路作為高速狀態 控制迴路； 並聯的斷路器Q01報警觸頭SD、熱繼電器F01常開觸頭、熱繼電器F02常開觸頭，
這三條支路匯合後再接至繼電器K10線圈，此迴路作為故障控制迴路； 串聯的繼電器K10常開觸頭、指示燈H1，此迴路作為故障指示控制迴路； 串聯的接觸器K01常閉輔助觸頭、K02常閉輔助觸頭、K04常閉輔助觸頭，然後接至
並聯的指示燈Hl和H2，此迴路作為停止指示控制迴路； 接觸器K01常開輔助觸頭接至並聯的指示燈H2和H3，此迴路作為低速運行指示控 制迴路； 接觸器K04常開輔助觸頭接至並聯的指示燈H3和H4，此迴路作為低速反轉運行指 示控制迴路； 串聯的接觸器K02常開輔助觸頭、K03常開輔助觸頭，再接至並聯的指示燈H4和
H5，此迴路作為高速運行指示控制迴路； 指示燈Hl 、 H2、 H3和H4位於現場操作箱內。 如圖4所示，PLC包括兩模塊(西門子PLC輸入輸出模塊-ASI模塊)ASI1和ASI2。 圖中NCI 3表示常閉引腳，CI 3表示公共引腳，N01 3表示常開引腳，IN1 4表示 信號輸入引腳。模塊ASIl的引腳14和15接有繼電器K20線圈，引腳17和18接有繼電器K21線 圈，引腳19和20接有繼電器K22線圈，引腳2和8之間接有繼電器繼電器K10常開觸頭， 弓l展卩3禾P 9之間接有接觸器KOl常開輔助觸頭，引腳5和11之間接有接觸器K04常開輔助 觸頭，引腳6和12之間接有串聯的接觸器K02常開輔助觸頭、K03常開輔助觸頭；
模塊ASI2的引腳8和9接有繼電器K23線圈，引腳10和11接有繼電器K24線圈， 引腳5和2之間接有繼電器Kll常開觸頭，引腳6和3之間接有繼電器K12常開觸頭。
如圖5所示，冷卻塔風機自動除冰控制系統的使用方法包括以下步驟
l)PLC的計時器完成除冰的準備工作後，開始檢測風機工作狀態，分成高速運行、 低速運行和停止三種狀態； 2)若為高速運行，則停機並延時一段時間，然後進入下一步；若為低速運行，則停 機並延時一段時間，然後進入下一步；若為停止狀態，則直接進入下一步；
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3)所述控制系統進行低速反轉除冰，持續一段時間後進入下一步；
4)所述控制系統停機，延時一段時間後進入下一步；
5)將所述控制系統切換至原工作狀態，然後開始下一步；
6)PLC的計時器等待下一次除冰，返回步驟1)。
下面進一步詳述其使用方法。 首先將斷路器Q01、Q11主觸頭閉合，系統通電；然後進入步驟1);
步驟1)系統高速運行的方法分為集中操作和機旁操作；集中操作的方法為將萬 能轉換開關S6的觸頭11、12接通，將PLC模塊ASI2的繼電器K23線圈通電，若須停止則將 PLC模塊ASI2的繼電器K24線圈通電；機旁操作的方法為將萬能轉換開關S6的觸頭7、8 接通，然後將帶常開觸頭的按鈕S4閉合，若須停止則將按鈕S4斷開，高速運行的停機延時 時間為600s。 系統低速運行的方法分為集中操作和機旁操作；集中操作的方法為將萬能轉換 開關S6的觸頭5、6接通，將PLC模塊ASI1的繼電器K20線圈通電，若須停止則將PLC模塊 ASI1的繼電器K22線圈通電；機旁操作的方法為先將萬能轉換開關S6的觸頭1、3接通， 再將帶常開觸頭的按鈕S1閉合，若須停止則將按鈕S1斷開，低速運行的停機延時時間為 300s。
步驟2)低速反轉運行的方法分為集中操作和機旁操作；集中操作的方法為將萬 能轉換開關S6的觸頭5、6接通，將PLC模塊ASI1的繼電器K21通電，若須停止則將PLC模 塊ASIl的繼電器K22線圈通電；機旁操作的方法為將萬能轉換開關S6的觸頭1、2接通， 再將按鈕S2閉合，若須停止則將按鈕S2斷開。
步驟3)低速反轉除冰的持續時間為1800s。
步驟4)停機延時時間為300s。
權利要求
冷卻塔風機自動除冰控制系統，其特徵在於其包括雙速電機M、MCC控制櫃和PLC；三相動力電源接至雙速電機M，其動力電路上還通過電流互感器接至MCC控制櫃，MCC控制柜上接有現場操作箱，整個控制系統還接有PLC。
2. 根據權利要求1所述的控制系統，其特徵在於三相動力電源的三根相線L1、L2、L3通過斷路器Q01後分成兩路， 一路通過接觸器K01常開主觸頭接至雙速電機M，另一路通過接觸器K02常開主觸頭接至雙速電機M，這兩路動力電線上還分別接有電流互感器Ta、Tc和Tal、T。l，接觸器K01的兩端接有三相反向的接觸器K04常開主觸頭，接觸器KOI常開主觸頭和雙速電機M之間還接有三相接在一起的接觸器K03常開主觸頭。
3. 根據權利要求1或2所述的控制系統，其特徵在於電流互感器Ta、 T。和Tal、 L分別通過熱繼電器F01熱元件、電流表PA和熱繼電器F02熱元件、電流表PA1接至MCC控制櫃。
4. 根據權利要求1或2所述的控制系統，其特徵在於兩線控制電源通過斷路器Qll接至MCC控制櫃，MCC控制櫃內包括低速運行控制迴路、低速反轉運行控制迴路、高速運行控制迴路、繞組切換控制迴路、低速準備狀態控制迴路、高速準備狀態控制迴路、故障控制迴路、故障指示控制迴路、停止指示控制迴路、低速運行指示控制迴路、低速反轉運行指示控制迴路和高速運行指示控制迴路。
5. 根據權利要求4所述的控制系統，其特徵在於兩線控制電源的兩線之間接有依次串連的繼電器K10常閉觸頭、接觸器K03常閉輔助觸頭、繼電器K11常開觸頭、K22常閉觸頭；然後接至現場操作箱，首先是通過帶常閉觸頭的按鈕S3，然後分成三路，一路接有接觸器KOl常開輔助觸頭，另一路接有萬能轉換開關S6的觸頭1、2和帶常開觸頭的按鈕Sl，第三路接有萬能轉換開關S6的觸頭5、6和繼電器K20常開觸頭，這三路匯合後再依次通過接觸器K04輔助常閉觸頭、接觸器K01線圈，此迴路作為低速運行控制迴路；低速運行控制迴路中的帶常閉觸頭的按鈕S3和萬能轉換開關S6的觸頭5之間引出一條支路接至接觸器K04常開輔助觸頭，萬能轉換開關S6的觸頭2和帶常開觸頭的按鈕Sl之間引出一條支路接至帶常開觸頭的按鈕S2，萬能轉換開關S6的觸頭6和繼電器K20常開觸頭之間引出一條支路接至繼電器K21常開觸頭，這三條支路匯合後再依次通過接觸器K01常閉輔助觸頭、接觸器K04線圈，此迴路作為低速反轉運行控制迴路；繼電器K10常閉觸頭、接觸器K03常閉輔助觸頭之間引出一條支路，再依次通過繼電器K12常開觸頭、K24常閉觸頭、帶常閉觸頭的按鈕S5後分成三路，一路接有接觸器K02常開輔助觸頭，另一路依次接有萬能轉換開關S6的觸頭7、8和帶常開觸頭的按鈕S4，第三路依次接有萬能轉換開關S6的觸頭11、 12和繼電器K23常開觸頭，這三路匯合後再依次通過接觸器KO1常閉輔助觸頭、接觸器K04常閉輔助觸頭、接觸器K02線圈，此迴路作為高速運行控制迴路；帶常開觸頭的按鈕Sl、帶常開觸頭的按鈕S2、帶常閉觸頭的按鈕S3、帶常開觸頭的按鈕S4、帶常閉觸頭的按鈕S5、萬能轉換開關S6位於現場操作箱內；高速運行控制迴路的接觸器K04常閉輔助觸頭和接觸器K02線圈之間引出一條支路接至接觸器K03線圈，此迴路作為繞組切換控制迴路；依次串聯的斷路器Q01輔助觸頭OF、熱繼電器F01常閉觸頭、繼電器Kll線圈，此迴路作為低速狀態控制迴路；低速狀態控制迴路的斷路器Q01輔助觸頭OF和熱繼電器FOl常閉觸頭之間引出一條支路，該支路依次接有熱繼電器F02常閉觸頭、繼電器K12線圈，此迴路作為高速狀態控制迴路；並聯的斷路器Q01報警觸頭SD、熱繼電器F01常開觸頭、熱繼電器F02常開觸頭，這三條支路匯合後再接至繼電器KIO線圈，此迴路作為故障控制迴路；串聯的繼電器K10常開觸頭、指示燈Hl，此迴路作為故障指示控制迴路；串聯的接觸器K01常閉輔助觸頭、K02常閉輔助觸頭、K04常閉輔助觸頭，然後接至並聯的指示燈HI和H2，此迴路作為停止指示控制迴路；接觸器K01常開輔助觸頭接至並聯的指示燈H2和H3，此迴路作為低速運行指示控制迴路；接觸器K04常開輔助觸頭接至並聯的指示燈H3和H4，此迴路作為低速反轉運行指示控制迴路；串聯的接觸器K02常開輔助觸頭、K03常開輔助觸頭，再接至並聯的指示燈H4和H5，此迴路作為高速運行指示控制迴路；指示燈Hl、 H2、 H3和H4位於現場操作箱內。
6.根據權利要求1或2所述的控制系統，其特徵在於PLC包括PLC輸入/輸出模塊ASI1禾卩ASI2 ;模塊ASIl的引腳14和15接有繼電器K20線圈，引腳17和18接有繼電器K21線圈，引腳19和20接有繼電器K22線圈，引腳2和8之間接有繼電器繼電器K10常開觸頭，引腳3和9之間接有接觸器K01常開輔助觸頭，引腳5和11之間接有接觸器K04常開輔助觸頭，引腳6和12之間接有串聯的接觸器K02常開輔助觸頭、K03常開輔助觸頭；模塊ASI2的引腳8和9接有繼電器K23線圈，引腳10和11接有繼電器K24線圈，引腳5和2之間接有繼電器Kll常開觸頭，引腳6和3之間接有繼電器K12常開觸頭。
全文摘要
本發明提供了一種冷卻塔風機自動除冰控制系統，其包括雙速電機M、MCC控制櫃和PLC；三相動力電源接至雙速電機M，其動力電路上還通過電流互感器接至MCC控制櫃，MCC控制柜上接有現場操作箱，整個控制系統還接有PLC。通過本系統能在寒冷氣候下為冷卻塔自動除冰，且運行和維護成本低。
文檔編號F28F27/00GK101738134SQ20091026187
公開日2010年6月16日 申請日期2009年12月31日 優先權日2009年12月31日
發明者宋嵩, 陳紅明 申請人:中冶南方工程技術有限公司