冷却循环水系统水泵节能改造技术方案

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1、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日目录一、项目概况1.1 循环水系统概况1.2 水泵参数1.3 系统组建原则二、水泵节能改造方案 2.1 水泵调速节电原理 2.2 水泵调速控制技术2.3 节电率概算2.4 循环水监控系统2.5 水泵节能电气回路2.6 水泵节能监控结构示意三、系统部件规格和功能 3.1 PLC控制系统3.1.1 控制器3.1.2 I/O输入输出模块 3.2 监控系统3.2.1 硬件3.2.2 软件三、项目实施步骤四、设备清单五、附录一、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

2、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 X 3000kw和75t/h+1 X12M濒电机组，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

3、：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-9JA14SH-13A350SP-16500S-22A3.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.

4、电机额定功率：160KW155KW75KW132KW5.电机额定电流：295A275A139.7A240.7A6.电机实际运行电流：285A270A129A230A7电机额定电压：380V380V380V380V7.水泵额定流量：1000m3/h1116m3/h9771440m3/h1746m3/h8.水泵额定扬程：2016m17m1.3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：实用性一一符合生产、安全、管理、各项业务要求，简便易用 成熟性一一整体结构和技术上采用当前成熟的方案和技术。标准化一一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

5、件格式、网络通讯规格、通讯接口。高性价比一一充分利用现有资源，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

6、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

7、 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。数决定的，用公式表示如下：60?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?= R1- ?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

8、，？8?2, 而电动机轴的输出功率？?8 ?* ?,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

9、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

10、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

11、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 二年耗低压用电量x节电率mwh x 21% = 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、

12、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3.1 PLC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

13、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CPU 224的有关性能指标：CPU 2246ES7 214-2AD23-0XB8物理特性尺寸（WX HX D）功耗140 X 80 x 62mm390g8W存储器特性.程序存储器在线程序

14、编辑时非在线程序编辑时数据存储器装备12288bytes16384bytes10240 bytes100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256个4个1ms16个10ms236个100ms256个计数器总数集成的通讯功能2 个 RS-485接口接口9.6,19.2 和 187.5KbaudPPI,DP/T波特率电源特性20.4 至28.8V DC输入电压120mA(仅 CPU,24V DC)输入电流900mA(最大负载,24V DC)冲击电流12A,28.8V DC 时数字量输入特性30V DC额定电压35V DC, 0.5 秒最大持续允许电压15V DC,2.5mA浪涌电压5V DC,1mA逻辑1信号（最小）1V DC,1mA逻辑0信号（最大）数字量输出特性24V DC额定电压20.4 至28.8V DC电压范围8A,100ms浪涌电流L0.4V DC,小电流逻辑1（最小）0.1V DC,10K 姨逻辑0（最大）0.75A每点额定电流3.1.2 I/O输入输出模块模块的主要