冷却循环水系统水泵节能改造技术方案设计

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 21.1循环水系统概况 21.2水泵参数 31.3系统组建原则 3二、水泵节能改造方案 42.1水泵调速节电原理 42.2水泵调速控制技术 52.3节电率概算 62.4循环水监控系统 72.5水泵节能电气回路 72.6水泵节能监控结构示意 8三、系统部件规格和功能 83.1 PLC控制系统 83.1.1 控制器 93.1.2 I/O 输入输岀模块 103.2监控系统 123.2.1 硬件 123.2.2 软件 13三、项目实施步骤 14四、设备清单 15五、附录 16'

2、、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 X 3000kw和75t/h+1 X 12MV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

3、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-

4、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.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：31000m/h31116m/h39771440m/h31746m/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

5、。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。1、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

6、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PLCPLC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PL

7、C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

8、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，

9、 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

10、。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，

11、 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

12、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nsw-: 皈£3 AU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、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

13、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。控制器F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)140 X 8

14、0 X 62mm重量390g功耗8W存储器特性程序存储器在线程序编辑时12288bytes非在线程序编辑时16384bytes数据存储器10240 bytes装备100小时/典型值I/O 特性本机数字量输入14输入本机数字量输出10输出本机模拟量输入2输入本机模拟量输出1输出数字I/O映象区256（128输入/128输出）模拟I/O映象区64（32输入/32输出）允许最大的扩展I/O模块7个模块常规特性定时器总数256个1ms4个10ms16个100ms236个计数器总数256个集成的通讯功能接口PPIQP/T波特率2 个 RS-485接口9.6,19.2 和 187.5Kbaud电源特性输入

15、电压20.4 至28.8V DC输入电流120mA(仅 CPU,24V DC)900mA(最大负载,24V DC)冲击电流12A,28.8V DC 时数字量输入特性额定电压30V DC最大持续允许电压35V DC，0.5 秒浪涌电压15V DC,2.5mA逻辑1信号（最小）5V DC,1mA逻辑0信号（最大）1V DC,1mA数字量输出特性额定电压24V DC电压范围20.4 至28.8V DC浪涌电流8A,100ms逻辑1（最小）L ± 0.4V DC，最大电流逻辑0（最大）0.1V DC,10K Q负载每点额定电流0.75A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

16、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 莫拟量输入模块：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（6ES7 231-0HC

17、22-0XA8,其技术数据如下:EM 2316ES7 231-0HC22-0XA8描述EM231模拟量输入,4输入尺寸(WX HX D)mm71.2 X 80 X 62重量183g功耗2W输入范围-电压0- ± 10V,0- ± 5V-电流0-20mADC俞入阻抗> 2MQ电压输入250 Q电流输入精度双极性11位，加1符号位单极性12位可拆卸连接否额定电压24V DC电压范围20.4V-28.8V DC2通道的模拟量输出模块（6ES7 232-0HB22-0XA8 ,其技术数据如下:EM 2316ES7 232-0HB22-0XA8描述EM232模拟量输出,2输出尺

18、寸(WX HX D)mm46 X 80 X 62EM 2316ES7 232-0HB22-0XA8重量92g功耗2W信号范围-电压± 10V-电流0-20mA精度最坏情况，0-55 C-电压满里程的土 2%-电流满里程的土 2%可拆卸连接否额定电压24V DC电压范围20.4V-28.8V DC3.2监控系统硬件TPC1062KS是一套以嵌入式低功耗 CPU为核心（ARM CPU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 X 480）。OTPC1062KS产品特性尺寸（英寸）10.2液晶屏TFT液晶显示，LED背光显

19、示颜色真彩，65535色分辨率800X 480液晶屏亮度200cd/ m2触摸屏电阻式'供电电源24VDC额定功率5.5WCPU主 板ARM CPU 400MHz内存64M存储设备128M FLASH组态软件MCG嵌入式组态软件（运行版）环境条件工作温度0C 45°C工作湿度5%90%储存温度-10 C 60C振动频率10-57HZ 57-150Hz振动加速度20.075mm 9.8 m/s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274mnX 193mm机柜开孔261mnX 180mm外部接口串口1X RS232 1X RS485US

20、B1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322软件MCG全中文工业自动化控制组态软件（以下简称MCG工控组态软件或MCG）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勺主

21、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、项目实施步骤系统调试工况修正投入运行设备安装四、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1PLC处理器6ES7 214-1AD23-0XB8CPU 224 DC/DC/DC 14 输入 /10输出西门子2PLC模块6ES7 231-0HC22-0XA84AI,12 位，无隔离，010V,0 5V,0 2