1、姜堰市化肥有限责任公司姜堰市化肥有限责任公司循环水系统循环水系统低压水泵节能改造低压水泵节能改造技术方案技术方案xxxx 新能源科技有限公司2011 年 9 月 5 日姜堰市化肥有限责任公司循环水系统水泵节能改造技术方案- 1 -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
2、 I/O 输入输出模块 .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姜堰市化肥有限责任公司循环水系统水泵节能改造技术方案- 2 -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
3、肥装置生产能力，优化化肥生产工艺，先后新建 35t/h+13000kw 和75t/h+112MW 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。姜堰市化肥有限责任公司循环水系统水泵节能改造技术方案- 3 -而目前姜堰市化肥有限
4、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-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： 160KW 155KW 75KW 132KW5. 电机额定电流： 295A 275A 139.7A 240.7A6.
5、电机实际运行电流： 285A 270A 129A 230A7 电机额定电压： 380V 380V 380V 380V7. 水泵额定流量： 1000m3/h 1116m3/h 9771440m3/h 1746m3/h8. 水泵额定扬程： 2016m 17m1.3 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
6、，追求尽可能高的性价比。姜堰市化肥有限责任公司循环水系统水泵节能改造技术方案- 4 -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
7、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
8、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。 姜堰市化肥有限责任公司循环水系统水泵节能改造技术方案- 5 -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：=60(1)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
9、 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2 3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
10、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。姜堰市化肥有限责任公司循环水系统水泵节能改造技术方案- 6 -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
11、 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
12、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。姜堰市化肥有限责任公司循环水系统水泵节能改造技术方案- 7 -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
13、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。姜堰市化肥有限责任公司循环水系统水泵节能改造技术方案- 8 -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
14、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 强劲的通讯能力姜堰市化肥有限责任公司循环水系统水泵节能改造技术方案- 9 - 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
15、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 224 6ES7 214-2AD23-0XB8物理特性尺寸(WHD)重量功耗1408062mm390g8W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
16、/32输出)7个模块常规特性定时器总数1ms10ms100ms计数器总数256个4个16个236个256个集成的通讯功能姜堰市化肥有限责任公司循环水系统水泵节能改造技术方案- 10 -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28.8V DC120mA(仅CPU,24V DC)900mA(最大负载,24V DC)12A,28.8V DC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)30V DC35V DC，0.5秒15V DC,2.5mA5V DC,1mA1V DC,1mA
17、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24V DC20.4至28.8V DC8A,100msL0.4V DC，最大电流0.1V DC,10K负载0.75A3.1.2 I/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：
18、扩展电缆 DIN 安装机架姜堰市化肥有限责任公司循环水系统水泵节能改造技术方案- 11 - 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（6ES7 231-0HC22-0XA8） ，其技术数据如下：EM 231 6ES7 231-0HC22-0XA8 描述 EM231 模拟量输入,4输入尺寸(W HD)mm 71.28062重量 183g功耗 2W输入范围-电压-电流0-10V
19、,0-5V0-20mADC输入阻抗 2M电压输入250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 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 231 6ES7 232-0HB22-0XA8 描述 EM232 模拟量输出,2输出姜堰市化肥有限责任公司循环水系统水泵节能改造技术方案- 12 -EM 231 6ES7 232-0HB22-0XA8 尺寸(W HD)mm 468062重量 92g功耗 2W信号范围-电压-电流10V0-20mA精度最坏情况，0-55-电压
20、-电流满量程的2%满量程的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3.2.1 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 800480）。姜堰市化肥有限责任公司循环水系统水泵节能改造技术方案- 13 -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 800480液晶屏亮度 200cd/触摸屏 电阻式供电电源 24VDC额定功率 5.
21、5WCPU 主板 ARM CPU，400MHz内存 64M 存储设备 128M FLASH组态软件 MCGS 嵌入式组态软件（运行版）环境条件 工作温度 045工作湿度 5%90%储存温度 -1060振动频率 10-57Hz 57-150Hz振动加速度 0.075mm 9.8 m/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 274mm193mm机柜开孔 261mm180mm外部接口 串口 1RS232、1RS485USB 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
22、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、姜堰市化肥有限责任公司循环水系统水泵节能改造技术方案- 14 -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
23、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。姜堰市化肥有限责任公司循环水系统水泵节能改造技术方案- 15 -三、项目实施步骤系统工况分析采集控制点位确认节能控制分析 设备安装系统调试 工况修正 投入运行四、设备清单循环水系统水泵节能改造项目主
24、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 6ES7 214-1AD23-0XB8 CPU 224 DC/DC/DC 14 输入/10 输出 西门子2 PLC 模块 6ES7 231-0HC22-0XA8 4AI,12 位,无隔离, 010V,05V,020MA 等 西门子3 PLC 模块 6ES7 235-0KD22-0XA8 4AI/1AO,12 位,无隔离, 010V,5V ,10V 等 西门子4 总线连接器 6ES7 972-0BA12-0XA0 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
25、送器 WT2000 4-20ma HART 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 4-20ma 1.5M 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 施耐德姜堰市化肥有限责任公司循环水系统水泵节能改造技术方案- 16 -
26、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姜堰市化肥有限责任公司循环水系统水泵节能改造技术方案- 17 -
