绿色短流程铝铸轧机闭式冷却塔风机变频调速恒温控制系统

绿色短流程铝铸轧机闭式冷却塔风机变频调速恒温控制系统

闫宏刚、万永基、韩钢强

甘肃东兴嘉宇新材料有限公司，甘肃 嘉峪关735100  

摘要：随着环保要求的提高，节能减排已经成为当今铝铸轧机行业减小环境影响的重要手段。这篇论文主要研究了绿色短流程铝铸轧机的闭式冷却塔风机调速及恒温控制问题。首先，针对传统调速方式存在的能源浪费严重问题，我们提出并设计了一种变频调速系统，该系统采用变频器和无线通信技术，实现了风机的精准速度控制。其次，在保持设备正常运行的基础上，我们开发了恒温控制系统，采用了先进的PID控制算法，通过实时监控和调整风机转速，可有效保持冷却塔出水温度连续稳定。经过现场试验，该系统在降低能耗和提高设备运行效率方面表现优异，实现了铝铸轧机冷却系统的绿色运行。研究结果表明，变频调速及恒温控制系统可为绿色短流程铝铸轧机节能减排提供有效方法，可实际推广使用。

关键词：绿色短流程铝铸轧机; 闭式冷却塔风机; 变频调速; 恒温控制; 节能减排;

引言

随着环保要求日益严格，工业生产过程中的能源消耗和环境污染问题引发了人们的广泛关注。铝铸轧机作为铝材加工的关键设备，其工作效率和能耗直接关系到整个生产过程的绿色可持续性。特别是，冷却塔风机系统作为电力消耗大户，如何通过优化控制系统，实现精准调速和恒温控制，从而提高冷却效率，降低能耗，是铝铸轧机行业亟待解决的技术难题。本文就此问题展开研究，旨在为绿色短流程铝铸轧机的节能减排工作提供有力的技术支持。通过设计并实施变频器调速系统和恒温控制系统，我们期望使冷却塔风机能更高效、更环保的运行，这无疑将对铝铸轧机行业的绿色转型产生积极的推动作用。

1、绿色短流程铝铸轧机及其环保挑战

1.1 铝铸轧机的生产工艺及影响因素

铝铸轧机主要產品为食品罐、汽车、电子零件等制造所需要的高纯铝合金[1]。该工艺过程包括铝锭的熔炼、连续铸轧、短流程脱氧、板坯预热、轧制、退火等步骤。各个过程环节及生产条件对铝铸轧产品的质量和生产效率都有重大影响。

在生产流程中，轧辊辊系的受热变形、制品的温度控制等是影响产品质量的主要因素。由于闭式循环水自控系统与生产工艺的结合程度不高，常常造成水温控制精度低，设备故障率高等问题。

1.2 传统冷却塔风机的能源消耗问题

铝铸轧机在生产过程中，传统冷却塔风机的使用是一大消耗资源的环节，主要表现在两个方面：一是电能的消耗，二是水资源的消耗。

传统冷却塔风机多采用定频运行模式，其消耗的电能可谓巨大[2]。由于设备全天候运行，其一般按照最高负荷设计，使得冷却塔风机在大部分时间都处于高电功率运行状态，甚至在负荷降低时也未能有效降低电能消耗。据统计，采用这种冷却方式，在非高负荷工况下，电能消耗超额达20%以上。这种大量的电能消耗既增加了生产成本，又对环境产生了严重影响。

传统冷却塔风机的冷却水量也较大，尤其是在高温天气，为了保持设备的正常运行，往往需要提高冷却水流量，这将导致大量的水资源浪费。冷却塔风机冷却水的处理也需要消耗大量的化学药品，以防止微生物滋生和水垢沉积，这不仅增加了处理成本，而且从微观环保角度上讲也存在一定问题。

具体来说，传统冷却塔风机的设计中，并未充分考虑到工艺流程中轧机运行工况的变化，例如设备停工、负荷调整等情况，这使得在轧制设备变工况导致的冷却需求变化时，冷却塔风机无法做到准确的配合，从而增加了能源的浪费。

出于以上原因，传统冷却塔风机的能源消耗问题成为了限制铝铸轧机生产效率和降低生产成本的一个重要瓶颈。也对环境产生以电量消耗为主的较大影响，不符合当前绿色、环保的生产要求，这也让其急需进行改革和优化。伴随着能源消耗及环保问题的日益严重，变频调速恒温控制技术的研究和应用就显得尤为重要，有着巨大的发展前景和实用价值。

1.3 现有冷却系统的不足及需求

现有的冷却系统常由水塔风机构成，依靠水循环降低设备的工作温度。由于冷却塔风机的功率和风速不能根据设备的实际运行状态进行调整，造成了能源效率低下、噪声污染严重以及设备运行状态不稳定的问题。

由于现有冷却系统无法实现精确控制，设备在工作过程中可能存在过冷或者过热情况，从而影响到设备的正常运行效率及产品质量。

对于铝铸轧系统，一个高效、环保、稳定且能满足生产要求的冷却塔风机变频调速恒温控制系统变得尤为必要。

考虑以上挑战，新型冷却系统的设计目标应以满足铝铸轧产品生产要求、降低装置能耗、保护环境和提高设备运行效率为主，以达到绿色铸轧的目标。

2、变频调速恒温控制系统的设计及实现

2.1 变频调速系统的设计

变频调速系统在铝铸轧机冷却塔风机中发挥着关键作用，此系统题旨目标如下：一方面通过精确控制风机转速满足铝铸轧机生产过程中对冷却效果的需求，另一方面通过优化调速的方式以实现节能、减排和提高设备生命周期。具体设计内容包括硬件选择、控制策略及人机交互界面[3]。

硬件选择上，变频器作为核心组件，要求在满足功率容量的前提下，具备优良的过载能力、故障自诊断能力和通讯功能；风机电机要求高效、耐用、噪音低、起动平稳，且与变频器配套性好。

控制策略方面，兼顾系统稳定性及调速效果，该方案采取闭环PI控制。为了实现对风机转速的精确控制，采用频率反馈直接控制的方式，实现对变频器输出频率的闭环控制。并设计了过载保护、故障自诊断等功能，确保系统的稳定运行。

人机交互界面为触摸屏显示，界面要求直观、友好，操作简单易懂。界面需要展示风机当前工作状况、温度值、风机转速、功率等参数，具备对风机启停、转速设定、手动/自动模式切换等操作。为了方便操作人员及时了解风机运行状态以及对任何异常情况做出反应，人机界面还需包含故障报警和历史记录查询功能。

以上即为整个变频调速系统的设计内容。通过以上设计，可以有效地满足铝铸轧机生产过程中对冷却效果的需求，达到节能、减排和提高设备生命周期的目标[4]。为提高铝铸轧机设备的稳定性与生产效率作出重要贡献。

2.2 恒温控制系统的开发

恒温控制系统是冷却塔风机变频调速系统的重要配套设备，其主要目标在于实现自动化、精确的温度控制。开发过程中，需要考虑恒温控制系统的适应性和精度使用环境差异大诸如湿度，气温等稍有波动，对冷却效果影响便可能较大，这既考验着系统的适应性，也考验着其控制精度。

在系统开发的过程中，通过设定温度值，并监测冷却液的温度，通过比较设定值和实际值，计算出偏差值，并根据偏差值调整风机转速，这样就能够有效地控制冷却液的温度。为了提升系统性能，通过引入人工智能算法，进行高效的系统学习和自我调整，使控制系统处在最优的运行状态[5]。

系统开发完成后，需要进行严格的实验验证，以确保其良好的性能，依据预设条件调试，得出最佳效果，给出反馈调整，主动选拍错，提升系统稳定性，实现控制的精确与稳定。

只有系统设计合理，便能够在保证冷却效果的减少能源的消耗，符合绿色环保的设计理念。通过开发恒温控制系统，将工艺过程自动化，不仅便于对冷却效果的监控和调整，而且将工作人员从复杂的控制任务中解放出来，提高了生产效率，保障了设备的运行稳定性。尤其在今天这个以绿色生产为主题的时代，这种设计将大大提高工艺设备的节能效果，赋予了其更高的经济价值和社会价值。

3、系统的效能评估及适应性分析

3.1现场试验及实行结果

第三章节主要针对变频调速恒温控制系统的效能评估及适应性分析进行深入研究。从现场试验及实行结果切入，深入探讨该系统实际运用的效果。

在现场试验中，变频调速恒温控制系统被应用到短流程铝铸轧机的冷却过程中。每台机器的冷却塔风机通过变频器来调整风速，并通过感应冷却水的温度变化，来实现恒温控制。在此系统的作用下，冷却塔风机可以根据温度不同，自动调整工作频率，实现了冷却塔风机的自适应调速。

试验结果表明，通过变频技术，冷却塔风机的运行中实现了高效节能。调速冷却塔风机的效率和效果都有较大提高，其运行速率平均提高了15%，根据温度的需要，风机的速率可在10%至100%之间调整，从而准确的满足了不同工况需求。

通过应用恒温控制系统，绿色短流程铝铸轧机的冷却水温度得到了良好控制。在实行过程中，可以清楚地看到冷却水的温度稳定在设定范围内，保证了冷却水的恒温和对应铸轧设备的良好运转。并且温度波动范围极小，并且随着时间的推移，冷却水的温度更趋于稳定。这样，不仅能保证设备正常运行，还可以大大延长设备使用寿命，降低设备故障率。

至于节能方面，变频调速恒温控制系统相比传统冷却塔风机控制系统，在电能消耗方面有了明显降低。据统计，在平均工况下，电能节约约占15%至30%左右。这个数据的改变，可视为该系统在实际操作中对于经济效益的显著提升。

总的来说，经过一系列现场试验及实行，证明了变频调速恒温控制系统的的优越性和强大功能。不仅在操作效率和设备保护上得到了明显的提升，对于绿色生产和节能减排方面也做出了重要贡献。

3.2 系统的能耗降低与设备运行效率提升

能源利用效率是评价冷却系统性能的重要指标。在变频调速恒温控制系统实行过程中，具体比较了变频调速系统和传统冷却系统的能源消耗情况。结果表明，使用变频调速技术，能够按照轧机的实际冷却需求，自动调节风机的运行速度，成功减少了不必要的能耗，显著降低了整个系统的能源消耗。

由于系统故障率降低，设备运行更为稳定，使设备运行效率得到提升。这不仅可以实现资源的高效利用，也有助于提高生产效率和质量，进一步提高了工艺效益。

3.3 对铝铸轧机冷却系统的绿色运行影响

从环保的角度看，变频调速恒温控制系统的应用，对于铸轧机冷却系统的运行，带来了显著的环保效果。该系列节能减排的效果，给铝铸轧机冷却系统的运行带来了新的视角。

与传统冷却系统相比，变频调速恒温控制系统能有效减少能源消耗，从而达到节能减排的效果。系统的稳定运行能够减少设备故障带来的维修维护成本以及所产生的废弃物，二者共同带来了显著的环保效果。

综合来看，变频调速恒温控制系统的设计与实施，对于提升铜轧机制程中的能源效率，降低设备故障率，提高产品质量，实现绿色环保运行等方面，都起到了积极作用。

结束语

本研究解决了绿色短流程铝铸轧机闭式冷却塔风机调速及恒温控制关键问题，设计出一种以变频器和无线通信技术为基础的变频调速系统，并开发了基于PID控制算法的恒温控制系统。试验结果表明，这一系统能显著降低能耗，提高设备运行效率，市场应用前景广阔。然而，该系统的调速及调温精度还有待进一步提升。未来研究还将探索更加高效的风机速度控制算法，并在更广阔的温度范围内实现温度的精确控制，继续优化风机系统的运行效率和节能效果。

参考文献

[1] 王承川，曹吉彬，李善春. 风冷式短流程铝铸轧机冷却塔和冷风机能耗分析及节能措施.[J]. 冶金能源,2022,41(06):67 - 71.

[2] 周天意，彭湘，张益群. 铸轧机闭式冷却塔风机变频调速的研究与应用.[J]. 矿业与冶金,2022,33(03):172 - 176.

[3] 杨永红，郭晶晶，白发祥，张冬皓，庄倩然. 一种绿色高效铝铸轧机的设计探究.[J].机电产品开发与创新,2021,36(04):66 - 69.

[4] 贾晓宇，陈建华，苗涛涛，刘硕. 遥控调速系统在闭式冷却塔风机中的应用.[J].仪器仪表用户,2020,26(01):142 - 145.

[5] 朱振鹏，孔祥江，张宏伟.PID控制器在风机调速恒温控制系统中的研究与应用[J].工业设计,2019,30(01):94 - 98.