冷却循环水系统水泵节能改造技术方案设计.docx

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冷却循环水系统水泵节能改造技术方案设计

姜堰市化肥有限责任公司

循环水系统

低压水泵节能改造

技术方案

xxxx新能源科技有限公司

2011年9月5日

一、项目概况

姜堰市化肥有限责任公司是在原姜堰市化肥厂基础上于1999年5月重组投产的企业，由宜兴灵谷股份有限公司、姜堰市工业资产经营有限公司、省化肥公司三家合股投资兴建，为姜堰市重点工业企业。

下设氮肥、热电两个分厂，厂区占地14.48万平方米，具有13万吨尿素、8万吨合成氨、12万KW电力的生产能力。

公司组建后投入近亿元，对生产系统进行大规模技术改造，扩大化肥装置生产能力，优化化肥生产工艺，先后新建35t/h+1×3000kw和75t/h+1×12MW热电机组，综合利用资源，降低生产成本，实现滚动式发展。

1.1循环水系统概况

图1循环水工艺流程图

姜堰市化肥有限责任公司的循环水系统中低压能耗设备主要有：

合成氨冷水泵4台：

1台备用；冬季运行2台，其它季节运行3台。

热水泵5台：

2台备用；冬季运行2台，其它季节运行3台。

按照冬季125天其它季节240天计算，低压部分能耗为电费价格按0.3元计算，则低压能耗费用约为107万元。

而目前姜堰市化肥有限责任公司循环水系统的所有水泵仍然由人工控制，且全年24小时满负荷运行，无法根据生产所需的实际温度、压力及流量等要求进行实时调整其转速，因此存在着用电浪费现象。

1.2水泵参数

表一

参数

类型一：

类型二：

类型三：

类型四

1.

水泵类型：

合成氨冷水泵

4#合成氨冷水泵

1#~4#热水泵

5#热水泵

2.

水泵型号

16SAB-9JA

14SH-13A

350SP-16

500S-22A

3.

水泵厂家

长沙同大水泵厂

上海水泵厂

长沙同大水泵厂

江苏迎浪水泵厂

4.

电机额定功率：

160KW

155KW

75KW

132KW

5.

电机额定电流：

295A

275A

139.7A

240.7A

6.

电机实际运行电流：

285A

270A

129A

230A

7

电机额定电压：

380V

380V

380V

380V

7.

水泵额定流量：

1000m3/h

1116m3/h

977~1440m3/h

1746m3/h

8.

水泵额定扬程：

20~16m

17m

1.3系统组建原则

本方案所提出的水泵节能系统能够达到以下的技术要求原则：

实用性——符合生产、安全、管理、各项业务要求，简便易用。

成熟性——整体结构和技术上采用当前成熟的方案和技术。

标准化——在系统平台和开发平台选型时，遵循国际标准及工业标准，系统采用统一的数据及文件格式、网络通讯规格、通讯接口。

高性价比——充分利用现有资源，满足生产需求的前提下，合理增加设备，追求尽可能高的性价比。

二、水泵节能改造方案

2.1水泵调速节电原理

为了解决目前水泵系统中无流量调节，或者通过阀门调节流量而造成水泵一直保持在额定功率的情况下运行，从而导致电能大量的浪费、减少了设备的使用年限。

我们提供一种变频控制管理系统，该变频控制管理系统通过对水泵供电频率进行调节，冷水泵按照系统工艺温度温差及环境温度变化来调节供电频率，从而调节流量，达到在满足系统温度需求的前提下，实现低压冷水泵节电的目的；热水泵按照冷水池液位调节供电频率，从而达到调节流量，达到满足于冷水池恒定液位前提下实现水泵节电目的。

图2热负载年变化的曲线图3热负载日变化的曲线

生产设备冷却水系统采用最佳输出能量控制。

当环境温度、系统设备负荷发生变化时，各路冷却水供回水温度、温差、压差和流量亦随之变化，压力传感器、温度传感器、水池液位传感器、室外温度传感器将检测到的这些参数送至PLC，PLC依据所采集的实时数据，实时计算出末端负荷所需的冷却水流量，以及各路冷却水供回水温度、温差、压差和流量的最佳值，并以此调节各变频器输出频率，控制冷却水泵的转速，改变其流量使冷却水系统的供回水温度、温差、压差和流量运行在PLC给出的最优值。

由于冷水系统采用了输出能量的动态控制，实现水泵循环系统跟随末端负荷的需求供应，使水泵系统在各种负荷情况下，都能既保证末端设备的需求，又最大限度地节省了系统的水泵电机电能消耗。

众所周知，异步电动机运转速度是由定子电流频率f、磁极对数p及转差率s三个参数决定的，用公式表示如下：

由上式可看出，当p、s保持不变时，电机转速与电流的频率成正比。

频率越高，转速越快，频率越低，转速越慢。

由水泵特性可知，水泵流量与转速成正比，即频率越高，流量越大；频率越低，流量越小。

水泵的耗电量与机组转速的三次方成正比，用调速电机控制水量，随着水量的变化，若使管道某一参数保持恒定，就可以改变泵的转速。

水泵风机类负荷属于平方转矩负荷，即转矩M与转速N的平方成正比，

，而电动机轴的输出功率

即电动机轴上的输出功率与转速的三次方成正比，由此可见，当电动机转速稍有下降时，电动机功率损耗就好大幅度下降，耗电量也随之大为减少。

2.2水泵调速控制技术

现有循环水系统的低压水泵4台并联运行，1台备用；热水泵为5台并联运行，2台备用；所有水泵均为冬季运行2台，其他季节运行3台，在对水泵进行节能改造的同时为保证不影响循环水系统正常运行，故对其中一台水泵进行变频控制，其他2台工频运行，用由变频控制的水泵来调节总出水流量，从而达到调节水温度的目的。

在供水泵出口的总管道和凉水池各安装一台温度传感器，利用这两者之间的温差来控制供水泵的转速，在凉水池安装一台液位计，由凉水池的液位控制回水泵的转速，以实现供回水的平衡。

该水泵节能系统主要由触摸屏、PLC（CPU、模拟量输入/输出模块、开关量输入/输出模块），现场仪表、变频器等设备组成，如图4所示。

PLC为整个系统的核心，负责采集现场仪表数据和对数据分析后给出模拟信号来控制变频器，从而调节水泵的转速。

用户可根据生产的实际情况选择手动调速和自动调速。

触摸屏中可以显示现场仪表的实时数据以及变频器和水泵的运行参数。

图4水泵调速控制结构

手动调速：

由操作人员根据测量数据以及人为经验，设定一固定参考值，PLC系统根据整个参考值来调节水泵的转速。

自动调速：

PLC系统根据从现场仪表采集到的实时数据，根据生产装置的实际需求，动态调整参考值，实现水泵转速根据实际需求动态调整。

2.3节电率概算

根据泵转速与进出口温差成反比关系，即温差越高，泵转速越慢；温度越低，泵转速越快。

又因为当室外环境温度变化时冷却水水温及末端温也度随之变化，则设定温差可随环境温度变化而变化。

根据现场提供的生产工艺温度数据要求及年环境补偿平均系数可估算出水泵的节电率约为21%。

计算依据参考《三相异步电动机经济运行手册》GB12497-1995。

因热水泵是根据冷水池液位调节转速的，而冷水泵频率越低时，冷水池液位越高，则热水泵频率越低，因此冷水泵和热水泵流量保持一致，所以热水泵与冷水泵节电率基本一致。

（以上所得数据为理论值，可能与实际值存在偏差。

）

则年节省低压用电量=年耗低压用电量x节电率

mwhx21%=672.2mwh

节电量合计672.2mwh，节省费用合计约20.2万元，节省电费用占已知耗电费用96万元的21%。

折算为标准煤约为268.1吨,碳排放量约为152.4吨。

2.4循环水监控系统

现有循环水系统管路中无温度、流量等测量点，仅有少量的就地压力指示，水泵的开停以及运行数量完全依赖人为经验判断。

这就容易造成判断不精确，响应不及时和能源浪费等现象的发生。

为了能更准确、实时的掌握循环水系统的实际运行状况，建议在原循环水工艺管路的适当位置安装温度传感器和压力传感器，液位传感器、室外温度传感器同时也是对水泵进行变频节能改造的需要。

改造后的循环水工艺流程图，请见附录。

2.5水泵节能电气回路

图5变频改造主回路示意图

三台水泵同时运行时，其中任意一台可由变频控制，该设计的主要目的是：

在任何情况下都能保证循环水系统始终运行在节能模式下。

2.6水泵节能监控结构示意

图6节能控制结构

三、系统部件规格和功能

3.1PLC控制系统

根据系统控制要求，在该项目中我们采用SIEMENS自动化集团的S7-200系列控制器。

S7-200系列PLC适用于各种行业，各种场合中的检测、监测及控制的自动化。

强大功能使其无论在独立运行中，或相连成网络皆能实现复杂控制功能。

因此S7-200系列具有极高的性价比。

在以下几方面均有出色表现：

•极高的可靠性

•极丰富的指令集

•易于掌握

•便捷的操作

•丰富的内置集成功能

•实时特性

•强劲的通讯能力

•丰富的扩展模块

S7-200系列在集散自动化系统中发挥其强大功能，使用范围可覆盖从替代继电器的简单控制到更复杂的自动化控制。

应用领域极为广泛，覆盖所有与自动检测，自动化控制有关的工业及民用领域，包括各种机床、机械、电力设施、民用设施、环境保护设备等等。

3.1.1控制器

下表是有关CPU224的有关性能指标：

CPU224

6ES7214-2AD23-0XB8

物理特性

尺寸（W×H×D）

重量

功耗

140×80×62mm

390g

8W

存储器特性

·程序存储器

在线程序编辑时

非在线程序编辑时

·数据存储器

·装备

12288bytes

16384bytes

10240bytes

100小时/典型值

I/O特性

本机数字量输入

本机数字量输出

本机模拟量输入

本机模拟量输出

数字I/O映象区

模拟I/O映象区

允许最大的扩展I/O模块

14输入

10输出

2输入

1输出

256（128输入/128输出）

64（32输入/32输出）

7个模块

常规特性

·定时器总数

1ms

10ms

100ms

·计数器总数

256个

4个

16个

236个

256个

集成的通讯功能

接口

PPI,DP/T波特率

2个RS-485接口

9.6,19.2和187.5Kbaud

电源特性

输入电压

输入电流

冲击电流

20.4至28.8VDC

120mA（仅CPU,24VDC）

900mA（最大负载,24VDC）

12A,28.8VDC时

数字量输入特性

额定电压

最大持续允许电压

浪涌电压

逻辑1信号（最小）

逻辑0信号（最大）

30VDC

35VDC，0.5秒

15VDC,2.5mA

5VDC,1mA

1VDC,1mA

数字量输出特性

额定电压

电压范围

浪涌电流

逻辑1（最小）

逻辑0（最大）

每点额定电流

24VDC

20.4至28.8VDC

8A,100ms

L±0.4VDC，最大电流

0.1VDC,10KΩ负载

0.75A

3.1.2I/O输入输出模块

模块的主要功能

为了满足系统实际I/O点数的要求，就必须通过I/O扩展模块增加系统配置点数，以达到控制要求。

I/O模块通过U型连接器与中央控制器进行实时通讯，它主要功能是：

采集现场I/O信号，通过I/O信号接口模块将现场数字量或模拟量信号传送到中央控制站，同时将中央控制器发送来的控制信号送至现场。

高可靠的I/O模块

I/O站主要由以下几部分组成：

∙扩展电缆

∙DIN安装机架

∙I/O扩展模块

根据S7-200各个控制器的处理能力和系统需求配置I/O信号接口模块。

循环水水泵节能改造系统主要选用了如下2种I/O信号接口模块：

∙EM231模拟量输入模块：

4通道

∙EM232模拟量输出模块：

2通道

4通道的模拟量输入模块（6ES7231-0HC22-0XA8），其技术数据如下：

EM231

6ES7231-0HC22-0XA8

描述

EM231模拟量输入,4输入

尺寸（W×H×D）mm

71.2×80×62

重量

183g

功耗

2W

输入范围

-电压

-电流

0-±10V,0-±5V

0-20mA

DC输入阻抗

≥2MΩ电压输入

250Ω电流输入

精度

双极性

单极性

11位，加1符号位

12位

可拆卸连接

否

额定电压

24VDC

电压范围

20.4V-28.8VDC

2通道的模拟量输出模块（6ES7232-0HB22-0XA8），其技术数据如下：

EM231

6ES7232-0HB22-0XA8

描述

EM232模拟量输出,2输出

尺寸（W×H×D）mm

46×80×62

重量

92g

功耗

2W

信号范围

-电压

-电流

±10V

0-20mA

精度

最坏情况，0-55℃

-电压

-电流

满量程的±2%

满量程的±2%

可拆卸连接

否

额定电压

24VDC

电压范围

20.4V-28.8VDC

3.2监控系统

3.2.1硬件

TPC1062KS，是一套以嵌入式低功耗CPU为核心（ARMCPU，主频400MHz）的高性能嵌入式一体化触摸屏。

该产品设计采用了10.2英寸高亮度TFT液晶显示屏（分辨率800×480）。

 产品特性

尺寸（英寸）

10.2

液晶屏

TFT液晶显示，LED背光

显示颜色

真彩，65535色

分辨率

800×480

液晶屏亮度

200cd/㎡

触摸屏

电阻式

供电电源

24VDC

额定功率

5.5W

CPU主板

ARMCPU，400MHz

内存

64M

存储设备

128MFLASH

组态软件

MCGS嵌入式组态软件（运行版）

环境条件

工作温度

0℃~45℃

工作湿度

5%~90%

储存温度

-10℃~60℃

振动频率

10-57Hz57-150Hz

振动加速度

0.075mm9.8m/s2

振动扫频速率

Oct/min≤1

产品规格

结构

工业塑料结构

颜色

工业灰

面板尺寸

274mm×193mm

机柜开孔

261mm×180mm

外部接口

串口

1×RS232、1×RS485

USB

1主1从

以太网

无

认证防护

认证

CE/FCC

防护等级

IP65

抗干扰性

工业三级

3.2.2软件

MCGS全中文工业自动化控制组态软件（以下简称MCGS工控组态软件或MCGS）为用户建立全新的过程测控系统提供了一整套解决方案。

MCGS工控组态软件是一套32位工控组态软件，可稳定运行于Windows操作系统，集动画显示、流程控制、数据采集、设备控制与输出、网络数据传输、数据与曲线等诸多强大功能于一身，并支持国内外众多数据采集与输出设备，广泛应用于石油、电力、化工、钢铁、矿山、冶金、机械、纺织、航天、建筑、材料、制冷、交通、通讯、食品、制造与加工业、水处理、环保、智能楼宇、实验室等多种工程领域。

MCGS的主要特性和功能如下：

●简单灵活的可视化操作界面。

●实时性强、良好的并行处理性能。

●丰富、生动的多媒体画面。

●开放式结构，广泛的数据获取和强大的数据处理功能。

●完善的安全机制。

●强大的网络功能。

●多样化的报警功能。

●实时数据库为用户分部组态提供极大方便。

●支持多种硬件设备。

●方便控制复杂的运行流程。

●良好的可维护性和可扩充性。

●用数据库来管理数据存储，系统可靠性高。

●设立对象元件库，组态工作简单方便。

●实现对工控系统的分布式控制和管理。

三、项目实施步骤

四、设备清单

循环水系统水泵节能改造项目主要设备如下表所示：

序号

名称

型号

参数

厂家

数量

价格

1

PLC处理器

6ES7214-1AD23-0XB8

CPU224DC/DC/DC14输入/10输出

西门子

2

PLC模块

6ES7231-0HC22-0XA8

4AI,12位,无隔离,0～10V,0～5V,0～20MA等

西门子

3

PLC模块

6ES7235-0KD22-0XA8

4AI/1AO,12位,无隔离,0～10V,±5V,10V等

西门子

4

总线连接器

6ES7972-0BA12-0XA0

西门子

5

RS485/232转换器

485N

瑞赛特

6

触摸屏

TPC1062KS

昆仑通态

7

智能压力变送器

WT2000

4-20maHART协议数显

威尔泰

8

温度变送器

WSS

4-20ma

昆仑海岸

9

液位变送器

JDR-15D

4-20ma1.5M

昆仑海岸

10

室外温度变送器

YB-TA-01

4-20ma

海岸

11

低压变频器

FRN160F1S-4C

　160KW

富士

12

低压变频器

FRN75F1S-4C

　75KW

富士

13

低压交流接触器

LC1-D150M7C

施耐德

14

低压交流接触器

LC1-D300M7C

施耐德

15

辅助触点

LAD-N22C

施耐德

16

塑壳断路器

NSE400N400

施耐德

17

塑壳断路器

NSE250N200

施耐德

18

滤波器

ZYH-3XFEJ-200A

19

滤波器

ZYH-3XFET-400A

20

电抗器

SACL-0200-EISA-699D

21

电抗器

SACL-0400-EISA-350D

22

标准柜

23

柜内辅材

端子、继电器、线槽、保险丝、控制线、按钮、指示灯等

24

动力电缆

YJV-3*50MM2+1

380V

25

动力电缆

YJV-3*120MM2+1

380V

26

信号电缆

RVVP-2*1.0MM2

低压水泵改造成本费用约为：

￥181,124；

低压水泵改造成本费用约一年可收回；

备注：

以上不包括现场桥架管路及辅助材料

五、附录

改造后循环水工艺流程图