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工业现场工况与控制方案 · 第03讲：冷却塔风机——温湿度 / 冷凝压力双闭环

时间: 2025-12-26 12:18浏览量：27次

工业现场工况与控制方案 · 第03讲：冷却塔风机——温湿度/冷凝压力双闭环

冷却塔是工业现场最常见的循环冷却设备之一，广泛应用于化工、空压站、制冷机组、注塑机、冷冻站等场合。很多现场只做了“简单启停”或“水温单闭环”，导致：

冷却效果忽高忽低，夏天容易高温报警；
风机频繁启停，噪声大、寿命短；
压缩机、冷水机组冷凝压力偏高，动不动就跳保护；
风机长期 50Hz“干吹”，能耗居高不下。

本讲介绍一种更智能的控制思路：冷凝压力 + 温湿度（湿球温度）双闭环变频控制，在保证冷却能力的前提下尽量节能，并且便于在多个冷却塔项目中复制。

关键词：冷却塔、风机变频、冷凝压力闭环、湿球温度、双闭环控制、PID、节能改造

01 · 工况特点：为什么“单闭环”经常不够好？

现场常见控制方式：

定速风机 + 接触器启停：靠“高温开 → 低温停”继电器控制，温度波动大，启停频繁；
出水温度单闭环 + 风机变频：用出口水温做 PID，风机变频调速。

但冷却塔真正面对的工况，要复杂得多：

环境温度、湿度变化大：风大/风小，干球温度、湿球温度、季节变化都会影响冷却效率；
冷凝压力变化快：制冷压缩机加载/卸载、产线负载变化，都会使冷凝压力在短时间内快速变化；
水温滞后明显：单看出水温，响应慢，容易“调迟了”、“调过头”；
能耗问题明显：很多系统夏天长时间满速，春秋冬季仍然转速偏高。

因此，更合理的思路是：把“冷凝压力”当作主控目标，温湿度（或湿球温度）作为辅助优化目标，形成双闭环控制。

02 · 控制思路概览：双闭环如何协同？

1. 主环：冷凝压力闭环（主导安全）

目标：让冷凝压力稳定在一个合理区间内，比如 1.2～1.6 MPa（具体视制冷剂和系统设计而定）。

冷凝压力升高 → 风机提高频率，加大风量 → 增强冷却；
冷凝压力降低 → 风机降低频率，节省能耗。

特点：反应快、机理直接，是保护压缩机和冷水机组的核心闭环。

2. 副环：温湿度 / 湿球温度闭环（提升效率）

冷却塔的极限冷却能力受湿球温度（WB）限制。在现场通常通过温湿度一体探头，或使用环境温度 + 经验公式估算湿球温度，再结合出水温度做控制。

一个常见的控制思路是：

有效降温能力 = 冷却塔出水温度 - 环境湿球温度

有效降温能力不足（差值小） → 适当提高风机频率，提高冷却能力；
有效降温远大于实际需要 → 可适当降低风机频率，节能降噪。

3. 双闭环融合策略（工程上常见三种）

压力优先模式（最常用）：
冷凝压力达到上限 → 直接强制风机提速，甚至允许短时间满频；
冷凝压力在安全范围内 → 由温湿度回路控制，尽量节能。
择优控制模式：
把压力 PID 输出和温湿度 PID 输出同时算出来，取两者中较大的那个作为风机频率给定值，以保证：
- 既不会牺牲冷凝压力安全；
- 又不会因副环控制导致过度降频。
比例融合模式：
部分大型系统会做“加权平均”，根据工况权重动态调整两路闭环的比例。

03 · 典型控制结构：PLC + 变频器

下图为工程中常见的逻辑结构（文字示意）：

冷凝压力变送器 ──→ PID1（压力环）  ─┐
                                         ├─→ Max() → 风机变频器 → 冷却塔风机
温湿度传感器 ─────→ PID2（温湿度环）─┘

PID1（主环）：以冷凝压力为反馈，控制风机频率，负责“设备安全”和“快速响应”。
PID2（副环）：以“出水温 - 湿球温度”或类似指标为反馈，负责“节能”和“环境适应”。
Max 函数：选取两个 PID 输出中较大的一个，作为变频器的最终频率给定。
变频器：实现 0～50Hz（或 0～60Hz）调速，驱动冷却塔风机。

在 PLC 中，通常通过：

两个 PID 功能块（或两个温控/过程控制块）；
简单的MAX指令；
多段运行模式：本地 / 远程 / 手动 / 自动。

注意：
一定要保证“冷凝压力环输出”不会被副环“压低”。所以设计逻辑时，通常是“压力优先”，而不是“取两者的最小值”。

04 · 主要硬件与信号选型建议

1. 传感器选型

信号类型	推荐形式	说明
冷凝压力	4–20mA 压力变送器	量程依据制冷剂和设备设计，如 0～2.5MPa；安装在冷凝器出口或高压管路。
环境温湿度	温湿度一体变送器（4–20mA / Modbus）	安装在冷却塔附近、无遮挡通风处，注意防雨、防直晒。
冷却水出水温度（可选）	PT100/NTC 温度传感器 + 变送器	用于监视冷却效果，也可参与副环控制。

2. 变频器选型要点

具备风机专用/通用变频功能；
支持 PID 控制（如自带 PID，也可完全由 PLC 做 PID 给定）；
具有多段速、睡眠功能、风机节能模式更佳；
应有基础保护：过流、过压、欠压、过热、外部故障输入等。

3. PLC 选型要点

至少 2 路模拟量输入（压力 + 温湿度/温度）；
1 路模拟量输出（变频器频率给定）；
支持 PID 功能块（或易于扩展 PID 控制）；
具备少量数字量输入/输出，用于启停、报警、手自动切换。

05 · 双闭环 PID 调试步骤（简单实用版）

1. 调试准备

首先确认冷却塔本体、喷淋系统、填料、水泵等机械部分工作正常；
确认压力传感器、温湿度传感器、温度探头量程与接线正确，数值合理；
在 PLC 中实现 PID1（压力）、PID2（温湿度）两个回路，变频器模拟量接收正常。

2. 先调“压力环” PID（主环）

将温湿度环关闭（副环输出暂不参与 Max 运算，或直接置 0）；
只保留压力闭环：冷凝压力 → PID1 → 风机频率。

初始参数可参考：

P（比例）：约 1.0（可按项目调整）；
I（积分时间）：10～20 s；
D：通常为 0 或非常小。

调试目标：

当冷凝压力上升时，风机频率适当快速上升；
压力恢复后，频率能平稳回落，不产生严重“忽高忽低”。

3. 再调“温湿度环” PID（副环）

启用副环控制时，通常以“出水温与湿球温度之差”或“出水温与目标温度之差”为控制量。

P：比压力环更小（例如压力环的 30%～50%）；
I：积分时间更长（例如 30～60 s），防止频繁调节；
D：一般不用。

副环主要用于：在压力正常时，缓慢优化风机频率，以达到节能和温度稳定。

4. 双闭环联合测试

启用 Max（PID1 输出，PID2 输出）逻辑；
模拟高温、高负载情况：检查压力环是否能优先抢占控制权；
在常温、偏轻负载情况下：检查风机频率是否能降下来，温度是否仍在允许范围内。

06 · 常见现场问题与解决建议

现场现象	可能原因	对策建议
风机频率忽高忽低，噪声大	PID 参数过激，或者压力信号噪声大	减小 P、加大 I；对压力信号做适当滤波或限速；必要时加“输出死区”。
冷凝压力抑制不住，越控越高	主副环逻辑错误，取了 Min() 或副环限制了主环输出	检查逻辑，冷凝压力须“优先”，保证风机频率以压力环为上限约束。
风机长期高频运行，节能效果不明显	环境湿度高、填料结垢、喷淋不良，或设备容量不足	检查冷却塔本体效率（清洗填料、喷嘴），如仍不足则需考虑扩容而不是靠控制硬顶。
冬季水温过低，设备结露或效率过高	低负载季节未调整控制策略，风机转速过低但仍过冷	增加“冬季模式”，设置最小频率、最小温度，必要时直接停机间歇运转。