منافع VFD در برج‌های خنک کن

از: Joe Koepke

مأخذ: HPAC Engineering, Aug. 2009

ترجمه: دکتر سید علی‌اکبر طباطبایی

برج‌های خنک کن در پروژه‌های صنعتی بزرگ از قبیل نیروگاه‌های هسته‌ای و تعداد بیشماری از کاربردهای HVAC با دامنه ظرفیت از ۱۵ تا ۷۰۰۰۰۰gpm مورد استفاده قرار می‌گیرند. به علت محبوبیت فزاینده و تعداد قابل ملاحظه کاربردها برج‌های خنک کن در اندازه‌ها و طرح‌های بسیار متنوعی عرضه می‌شوند.این مخصوصا در صنعت HVAC صدق می‌کند که در آن تقاضای بالایی برای افزایش راندمان و کاهش هزینه های انرژی وجود دارد.یکی از مفیدترین راه‌ها برای ارتقای راندمان و پایین آوردن هزینه‌های انرژی در طرح یک برج خنک کن استفاده از  محرک فرکانس متغیر (VFD) است.

این مقاله جنبه های مختلف طرح‌هایی که در آن‌ها از VFDها جهت بهبود عملکرد استفاده می‌شود را مورد بحث قرار داده و تفاوت عملکرد این طرح‌ها با طرح‌های سنتی برج خنک کن را بررسی می کند.

انواع برج خنک کن

برج با جریان هوای اجباری یک نوع رایج از برج خنک کن مورد استفاده در کاربردهای HVAC است. برج‌های با جریان هوای اجباری را می‌توان به دو گروه اصلی تقسیم نمود : برج با جریان هوای دمشی و برج با جریان هوای مکشی. برج با جریان هوای دمشی دارای یک بادزن است که پهلوی برج نصب می‌شود و در مسیر هوای محیطی ورودی قرار می‌گیرد (شکل ۱). بادزن، هوای محیط را به داخل کشیده، با فشار درون برج حرکت داده و به سمت بالا و بیرون برج می راند. برج‌های با جریان دمشی عموماً دارای سرعت‌های بالای هوای ورودی و سرعت‌های پایین هوای خروجی می باشند.

در برج با جریان هوای مکشی، بادزن در بالای برج نصب شده و در مسیر هوای خروجی مستقر می‌شود (شکل ۲). بادزن هوای محیط را از جوانب برج به داخل کشیده و آن را از بالا به بیرون می‌راند. هر دو طرح از یک یا چند بادزن استفاده می‌کنند تا جریان هوای مورد نیاز برای استخراج گرما از آب خنک کننده فرآیند تأمین شود. VFDها ثابت کرده اند که بر روی این بادزن‌ها سودمند واقع می شوند.

منافع VFD

بادزن‌ها جریان هوا را تنظیم می کنند تا تغییرات در هوای محیط و شرایط بار را جبران نمایند. در گذشته این امر توسط روشن و خاموش شدن سیکلی بادزن‌ها، دستکاری ظرفیت بادزن با تغییر دادن گام تیغه های بادزن، یا استفاده از موتورهای دو سرعته محقق می شد. این روش‌ها می‌توانند نقاط ضعف قابل توجهی داشته باشند و جای زیادی را برای خطا باقی نمی‌گذارند. عملکرد موتور با سرعت ثابت در صورتی می تواند کارآمد باشد که سیستم برای بادزنی طراحی شده باشد که در ۱۰۰ درصد اوقات با سرعت کامل کار کند. اما این وضعیت ندرتاً اتفاق می‌افتد. وقتی شرایط تغییر می‌کنند؛ جریان نیز باید تغییر یابد. اگر بادزن به صورت سیکلی روشن و خاموش شود، سرعت آن به طور چشمگیری تغییر پیدا کرده و باعث می‌شود دمای آب خروجی نوسان کند که این به افت راندمان و دشواری کنترل منجر خواهد شد.

سرعت بادزن

VFDها قادرند سرعت بادزن را متناسب با تغییر شرایط تنظیم کنند ضمن اینکه مقدار دقیق جریان مورد نیاز را حفظ می‌کنند. آن‌ها همچنین قادرند سرعت بادزن را تا بالایHZ  ۶۰ افزایش دهند تا ظرفیت سرمایش اضافی را در صورت لزوم تأمین کنند. VFDها دارای قابلیت‌های کنترل تناسبی – انتگرال هستند که به طور خودکار سرعت بادزن را برای تثبیت یک نقطه تنظیم مشخص، تنظیم می کنند که این امر نیاز به یک کنترل کننده خارجی نقطه تنظیم یا بادزن گام متغیر را برطرف می سازد.

VFDها می توانند انرژی مصرفی بادزن را تنها با کند کردن سرعت موتور کاهش دهند. همانطور که در شکل ۳ مشاهده می‌شود، توان یک بادزن متناسب با مکعب سرعت آن تغییر می‌کند؛ بنابراین کاهش کوچکی در سرعت باعث کاهش بزرگی در توان خواهد شد. به عنوان مثال اگر موتور بادزن در سرعت ۸۰ درصد کار کند مصرف انرژی آن ۵۰ درصد کاهش می‌یابد.

موتورهای بادزن مقدار زیادی انرژی مصرف می‌کنند که علت آن جریان الکتریکی هجومی بالایی است که برای راه اندازی موتور هر بار که به طور سیکلی روشن می‌شود، مورد نیاز است.

VFDها این مشکل را با عمل کردن به عنوان ” راه اندازهای نرم ” بر طرف کرده و سرعت موتور را با یک نرخ قابل برنامه ریزی افزایش کاهش می‌دهند. این ویژگی استهلاک مکانیکی را با حذف تنش بر سیستم انتقال توان که در اثر راه اندازی موتورهای سرعت ثابت ایجاد می‌شود کاهش می‌دهد. این امر می‌تواند موجب افزایش عمر سیستم و صرفه جویی در هزینه‌های نگهداری شود.

چرخش بادزن

VFDها نه تنها موجب صرفه جویی انرژی و افزایش راندمان سیستم می‌شوند؛ بلکه عملکردهای متعدد دیگری نیز انجام می‌دهند که نیاز به تجهیزات اضافی را برطرف می‌کند. به عنوان مثال VFDها می‌توانند چرخش بادزن را حس کنند. اگر یک بادزن به علت آزادچرخی به صورت معکوس بچرخد؛ VFD می‌تواند این مسأله را درک کرده و سرعت بادزن را کم کند و سپس سرعت را در جهت چرخش صحیح بالا ببرد.

توانایی VFD در معکوس کردن چرخش بادزن در شرایط آب و هوایی سرد سودمند واقع می‌شود. معکوس شدن چرخش بادزن می‌تواند باعث شود که هوای گرم به داخل برج کشیده شود و یخ‌های تشکیل شده را ذوب کند. این عملکردهای VFD معمولاً با استفاده از ترمزهای مکانیکی یا کنتاکتورهای معکوس‌گر انجام می‌شوند که این امر هزینه‌ها و استهلاک را افزایش می‌دهد ضمن این که بر تعداد اجزاء مکانیکی قابل خراب شدن می‌افزاید.

اتوماسیون و حفاظت از موتور

استفاده از VFD در بادزن برج خنک کن از نظر اتوماسیون و حفاظت از موتور نیز ارزشمند است. VFDها دارای ورودی‌ها و خروجی‌های دیجیتال و آنالوگ، راه‌های قابل برنامه ریزی و گزینه‌های ارتباط زنجیره‌ای متعددی هستند که انعطاف پذیری در اتوماسیون و پایش عملکرد برج را امکان پذیر می‌سازند.

بهسازی

گرچه بهتر است که قابلیت‌های VFD طی طراحی اولیه برج مورد توجه قرار گیرد؛ اما VFDها را می‌توان در کاربردهای موجود و بهسازی‌ها نیز به طور مؤثری به کار گرفت. در این گونه موارد بسیاری از منافعی که قبلاً ذکر شدند را می‌توان بهره برداری نمود؛ اما پاره ای ملاحظات در کاربردهای بهسازی وجود دارند که باید به آن‌ها توجه نمود. به لحاظ اینکه بسیاری از پارامترها ثابت هستند؛ ممکن است لازم باشد بعضی مشخصه‌های طرح برج مورد بررسی قرار گیرند.

به عنوان مثال برج‌های خنک کن مکان‌های ثابتی دارند و موتورهای بادزن شاید واجد قابلیت معکوس‌گری نباشند. بسته به جایی که بتوان VFD را نصب نمود، طول‌های بلند سیم رابط ممکن است مشکل ساز باشد و به عایق موتور آسیب برساند. برای حفاظت از موتور، یک راکتور بار خروجی یا یک فیلتر dv/dt را می‌توان به خروجی VFD اضافه نمود. در هر حال، شاید مقرون به صرفه تر باشد که VFD در کنار برج خنک کن داخل یک محفظه بسته مناسب نصب شود. این امر مسأله طول بلند سیم رابط را حل کرده و استفاده از موتور موجود برای باقیمانده عمرش را امکان پذیر می‌سازد.

جعبه دنده ها نیز باید مورد توجه قرار گیرند. بسیاری از اوقات جعبه دنده به یک سرعت حداقل نیاز دارد تا به طور مؤثر روانکاری شده باقی بماند. در این گونه موارد VFD را می‌توان با یک سرعت حداقل برنامه ریزی نمود تا بدین ترتیب از جعبه دنده محافظت نماید.

با توجه به مسائلی که ممکن است در یک کاربرد بهسازی به‌وجود آیند بهتر است در این موارد با سازنده VED مشورت کرده و از کمک او بهره گرفت.

نتیجه گیری

VFDها نه تنها موجب صرفه جویی پول می‌شوند؛ بلکه می‌توانند پول ساز هم باشند. بعضی شرکت‌های برق تخفیف‌هایی را برای نصب VFD در پروژه های جدید یا بهسازی قائل می‌شوند. در بسیاری موارد یک VFD می‌تواند هزینه خودش را ظرف کمتر از یک سال مستهلک سازد. ارتقای کارایی با VFDها بخش مهمی از تلاش‌های سازمان حفاظت محیط زیست آمریکا جهت بهبود راندمان انرژی را تشکیل می‌دهد.

در ایالات متحده مشوق‌های ایالتی محلی و فدرال سبب ترغیب استفاده از انرژی تجدیدپذیر و نیز ارتقای راندمان انرژی می‌شوند. VFDها چه در یک طرح جدید و چه در یک کاربرد موجود مزایای فراوانی را هنگام استفاده در برج‌های خنک کن ارائه می‌دهند.

به نقل از مجله صنعت تاسیسات، شماره صد و نوزدهم