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1、xx市化肥有限責任公司循環水系統低壓水泵節能改造技術方案目錄一、項目概況21.1循環水系統概況21.2水泵參數31.3 系統組建原則3二、水泵節能改造方案42.1水泵調速節電原理42.2 水泵調速控制技術52.3 節電率概算62.4 循環水監控系統72.5 水泵節能電氣回路72.6水泵節能監控結構示意8三、系統部件規格和功能83.1 PLC控制系統83.1.1 控制器93.1.2 I/O輸入輸出模塊103.2 監控系統123.2.1 硬件123.2.2 軟件13三、項目實施步驟14四、設備清單15五、附錄16一、項目概況xx市化肥有限責任公司是在原xx市化肥廠基礎上于1999年5月重組投產的企2、業，由宜興靈谷股份有限公司、xx市工業資產經營有限公司、省化肥公司三家合股投資興建，為xx市重點工業企業。下設氮肥、熱電兩個分廠，廠區占地14.48萬平方米，具有13萬噸尿素、8萬噸合成氨、12萬KW電力的生產能力。公司組建后投入近億元，對生產系統進行大規模技術改造，擴大化肥裝置生產能力，優化化肥生產工藝，先后新建35t/h+13000kw和75t/h+112MW熱電機組，綜合利用資源，降低生產成本，實現滾動式發展。1.1循環水系統概況xx市化肥有限責任公司的循環水系統中低壓能耗設備主要有：合成氨冷水泵4臺：1臺備用；冬季運行2臺，其它季節運行3臺。熱水泵5臺：2臺備用；冬季運行2臺，其它季節3、運行3臺。按照冬季125天其它季節240天計算，低壓部分能耗為電費價格按0.3元計算，則低壓能耗費用約為107萬元。而目前xx市化肥有限責任公司循環水系統的所有水泵仍然由人工控制，且全年24小時滿負荷運行，無法根據生產所需的實際溫度、壓力及流量等要求進行實時調整其轉速，因此存在著用電浪費現象。1.2水泵參數 表一參數類型一：類型二：類型三：類型四1.水泵類型：合成氨冷水泵4#合成氨冷水泵1#4#熱水泵5#熱水泵2.水泵型號16SAB-9JA14SH-13A350SP-16500S-22A3.水泵廠家長沙同大水泵廠上海水泵廠長沙同大水泵廠江蘇迎浪水泵廠4.電機額定功率：160KW155KW75K4、W132KW5.電機額定電流：295A275A139.7A240.7A6.電機實際運行電流：285A270A129A230A7電機額定電壓：380V380V380V380V7.水泵額定流量：1000m3/h1116m3/h9771440m3/h1746m3/h8.水泵額定揚程：2016m17m1.3 系統組建原則本方案所提出的水泵節能系統能夠達到以下的技術要求原則：實用性符合生產、安全、管理、各項業務要求，簡便易用。成熟性整體結構和技術上采用當前成熟的方案和技術。標準化在系統平臺和開發平臺選型時，遵循國際標準及工業標準，系統采用統一的數據及文件格式、網絡通訊規格、通訊接口。高性價比充分利用現有5、資源，滿足生產需求的前提下，合理增加設備，追求盡可能高的性價比。二、水泵節能改造方案2.1水泵調速節電原理為了解決目前水泵系統中無流量調節，或者通過閥門調節流量而造成水泵一直保持在額定功率的情況下運行，從而導致電能大量的浪費、減少了設備的使用年限。我們提供一種變頻控制管理系統，該變頻控制管理系統通過對水泵供電頻率進行調節，冷水泵按照系統工藝溫度溫差及環境溫度變化來調節供電頻率，從而調節流量，達到在滿足系統溫度需求的前提下，實現低壓冷水泵節電的目的；熱水泵按照冷水池液位調節供電頻率，從而達到調節流量，達到滿足于冷水池恒定液位前提下實現水泵節電目的。圖2熱負載年變化的曲線圖3熱負載日變化的曲線生產6、設備冷卻水系統采用最佳輸出能量控制。當環境溫度、系統設備負荷發生變化時，各路冷卻水供回水溫度、溫差、壓差和流量亦隨之變化，壓力傳感器、溫度傳感器、水池液位傳感器、室外溫度傳感器將檢測到的這些參數送至PLC，PLC依據所采集的實時數據，實時計算出末端負荷所需的冷卻水流量，以及各路冷卻水供回水溫度、溫差、壓差和流量的最佳值，并以此調節各變頻器輸出頻率，控制冷卻水泵的轉速，改變其流量使冷卻水系統的供回水溫度、溫差、壓差和流量運行在PLC給出的最優值。 由于冷水系統采用了輸出能量的動態控制，實現水泵循環系統跟隨末端負荷的需求供應，使水泵系統在各種負荷情況下，都能既保證末端設備的需求，又最大限度地節省了7、系統的水泵電機電能消耗。 眾所周知，異步電動機運轉速度是由定子電流頻率f、磁極對數p及轉差率s三個參數決定的，用公式表示如下：由上式可看出，當p、s保持不變時，電機轉速與電流的頻率成正比。頻率越高，轉速越快，頻率越低，轉速越慢。由水泵特性可知，水泵流量與轉速成正比，即頻率越高，流量越大；頻率越低，流量越小。水泵的耗電量與機組轉速的三次方成正比，用調速電機控制水量，隨著水量的變化，若使管道某一參數保持恒定，就可以改變泵的轉速。水泵風機類負荷屬于平方轉矩負荷，即轉矩M與轉速N的平方成正比，而電動機軸的輸出功率,即電動機軸上的輸出功率與轉速的三次方成正比，由此可見，當電動機轉速稍有下降時，電動機功率8、損耗就好大幅度下降，耗電量也隨之大為減少。2.2 水泵調速控制技術現有循環水系統的低壓水泵4臺并聯運行，1臺備用；熱水泵為5臺并聯運行，2臺備用；所有水泵均為冬季運行2臺，其他季節運行3臺，在對水泵進行節能改造的同時為保證不影響循環水系統正常運行，故對其中一臺水泵進行變頻控制，其他2臺工頻運行，用由變頻控制的水泵來調節總出水流量，從而達到調節水溫度的目的。在供水泵出口的總管道和涼水池各安裝一臺溫度傳感器，利用這兩者之間的溫差來控制供水泵的轉速，在涼水池安裝一臺液位計，由涼水池的液位控制回水泵的轉速，以實現供回水的平衡。該水泵節能系統主要由觸摸屏、PLC(CPU、模擬量輸入/輸出模塊、開關量輸入9、/輸出模塊)，現場儀表、變頻器等設備組成，如圖4所示。PLC為整個系統的核心，負責采集現場儀表數據和對數據分析后給出模擬信號來控制變頻器，從而調節水泵的轉速。用戶可根據生產的實際情況選擇手動調速和自動調速。觸摸屏中可以顯示現場儀表的實時數據以及變頻器和水泵的運行參數。圖4水泵調速控制結構手動調速：由操作人員根據測量數據以及人為經驗，設定一固定參考值，PLC系統根據整個參考值來調節水泵的轉速。自動調速：PLC系統根據從現場儀表采集到的實時數據，根據生產裝置的實際需求，動態調整參考值，實現水泵轉速根據實際需求動態調整。2.3 節電率概算根據泵轉速與進出口溫差成反比關系，即溫差越高，泵轉速越慢；溫度10、越低，泵轉速越快。又因為當室外環境溫度變化時冷卻水水溫及末端溫也度隨之變化，則設定溫差可隨環境溫度變化而變化。根據現場提供的生產工藝溫度數據要求及年環境補償平均系數可估算出水泵的節電率約為21%。計算依據參考三相異步電動機經濟運行手冊GB12497-1995。因熱水泵是根據冷水池液位調節轉速的，而冷水泵頻率越低時，冷水池液位越高，則熱水泵頻率越低，因此冷水泵和熱水泵流量保持一致，所以熱水泵與冷水泵節電率基本一致。（以上所得數據為理論值，可能與實際值存在偏差。）則年節省低壓用電量 =年耗低壓用電量x節電率mwh x 21%=672.2mwh節電量合計672.2mwh，節省費用合計約20.2萬元，11、節省電費用占已知耗電費用96萬元的21%。折算為標準煤約為268.1噸,碳排放量約為152.4噸。2.4 循環水監控系統現有循環水系統管路中無溫度、流量等測量點，僅有少量的就地壓力指示，水泵的開停以及運行數量完全依賴人為經驗判斷。這就容易造成判斷不精確，響應不及時和能源浪費等現象的發生。為了能更準確、實時的掌握循環水系統的實際運行狀況，建議在原循環水工藝管路的適當位置安裝溫度傳感器和壓力傳感器，液位傳感器、室外溫度傳感器同時也是對水泵進行變頻節能改造的需要。改造后的循環水工藝流程圖，請見附錄。2.5 水泵節能電氣回路圖5變頻改造主回路示意圖三臺水泵同時運行時，其中任意一臺可由變頻控制，該設計的12、主要目的是：在任何情況下都能保證循環水系統始終運行在節能模式下。2.6水泵節能監控結構示意圖6節能控制結構三、系統部件規格和功能3.1 PLC控制系統根據系統控制要求，在該項目中我們采用SIEMENS 自動化集團的S7-200 系列控制器。S7-200 系列PLC 適用于各種行業，各種場合中的檢測、監測及控制的自動化。強大功能使其無論在獨立運行中，或相連成網絡皆能實現復雜控制功能。因此S7-200 系列具有極高的性價比。在以下幾方面均有出色表現：極高的可靠性極豐富的指令集易于掌握便捷的操作豐富的內置集成功能實時特性強勁的通訊能力豐富的擴展模塊S7-200 系列在集散自動化系統中發揮其強大功能，13、使用范圍可覆蓋從替代繼電器的簡單控制到更復雜的自動化控制。應用領域極為廣泛，覆蓋所有與自動檢測，自動化控制有關的工業及民用領域，包括各種機床、機械、電力設施、民用設施、環境保護設備等等。3.1.1 控制器下表是有關CPU 224的有關性能指標：CPU 2246ES7 214-2AD23-0XB8物理特性尺寸(WHD)重量功耗1408062mm390g8W存儲器特性程序存儲器 在線程序編輯時 非在線程序編輯時數據存儲器裝備12288bytes16384bytes10240 bytes100小時/典型值I/O特性本機數字量輸入本機數字量輸出本機模擬量輸入本機模擬量輸出數字I/O映象區模擬I/O映象14、區允許最大的擴展I/O模塊14輸入10輸出2輸入1輸出256(128輸入/128輸出)64(32輸入/32輸出)7個模塊常規特性定時器總數1ms10ms100ms計數器總數256個4個16個236個256個集成的通訊功能接口PPI,DP/T波特率2個RS-485接口9.6,19.2和187.5Kbaud電源特性輸入電壓輸入電流沖擊電流20.4至28.8V DC120mA(僅CPU,24V DC)900mA(最大負載,24V DC)12A,28.8V DC時數字量輸入特性額定電壓最大持續允許電壓浪涌電壓邏輯1信號(最小)邏輯0信號(最大)30V DC35V DC，0.5秒15V DC,2.5mA15、5V DC,1mA1V DC,1mA數字量輸出特性額定電壓電壓范圍浪涌電流邏輯1(最小)邏輯0(最大)每點額定電流24V DC20.4至28.8V DC8A,100msL0.4V DC，最大電流0.1V DC,10K負載0.75A3.1.2 I/O輸入輸出模塊模塊的主要功能為了滿足系統實際I/O點數的要求，就必須通過I/O擴展模塊增加系統配置點數，以達到控制要求。I/O模塊通過U型連接器與中央控制器進行實時通訊，它主要功能是：采集現場I/O信號，通過I/O信號接口模塊將現場數字量或模擬量信號傳送到中央控制站，同時將中央控制器發送來的控制信號送至現場。高可靠的I/O模塊I/O站主要由以下幾部分組16、成： 擴展電纜 DIN安裝機架 I/O擴展模塊根據S7-200各個控制器的處理能力和系統需求配置I/O信號接口模塊。 循環水水泵節能改造系統主要選用了如下2種I/O信號接口模塊： EM231模擬量輸入模塊：4通道 EM232模擬量輸出模塊：2通道4通道的模擬量輸入模塊（6ES7 231-0HC22-0XA8），其技術數據如下：EM 231 6ES7 231-0HC22-0XA8 描述EM231 模擬量輸入,4輸入尺寸(WHD)mm71.28062重量183g功耗2W輸入范圍-電壓-電流0-10V,0-5V0-20mADC輸入阻抗2M電壓輸入250電流輸入精度雙極性單極性11 位，加 1 符號位17、12 位可拆卸連接否額定電壓24V DC電壓范圍20.4V-28.8V DC2通道的模擬量輸出模塊（6ES7 232-0HB22-0XA8），其技術數據如下：EM 231 6ES7 232-0HB22-0XA8 描述EM232 模擬量輸出,2輸出尺寸(WHD)mm468062重量92g功耗2W信號范圍 -電壓 -電流10V0-20mA精度最壞情況，0-55-電壓-電流滿量程的2%滿量程的2%可拆卸連接否額定電壓24V DC電壓范圍20.4V-28.8V DC3.2 監控系統3.2.1 硬件TPC1062KS，是一套以嵌入式低功耗CPU為核心（ARM CPU，主頻400MHz）的高性能嵌入式一體18、化觸摸屏。該產品設計采用了10.2英寸高亮度TFT液晶顯示屏（分辨率800480）。產品特性尺寸(英寸)10.2液晶屏TFT液晶顯示，LED背光顯示顏色真彩，65535色分辨率800480液晶屏亮度200cd/觸摸屏電阻式供電電源24VDC額定功率5.5WCPU主板ARM CPU，400MHz內存64M 存儲設備128M FLASH組態軟件MCGS嵌入式組態軟件（運行版）環境條件工作溫度045工作濕度5%90%儲存溫度-1060振動頻率10-57Hz 57-150Hz振動加速度0.075mm 9.8 m/s2振動掃頻速率Oct/min 1產品規格結構工業塑料結構顏色工業灰面板尺寸274mm1919、3mm機柜開孔261mm180mm外部接口串口1RS232、1RS485USB1主1從以太網無認證防護認證CE/FCC防護等級IP65抗干擾性工業三級3.2.2 軟件MCGS全中文工業自動化控制組態軟件（以下簡稱MCGS工控組態軟件或MCGS）為用戶建立全新的過程測控系統提供了一整套解決方案。MCGS工控組態軟件是一套32位工控組態軟件，可穩定運行于Windows操作系統，集動畫顯示、流程控制、數據采集、設備控制與輸出、網絡數據傳輸、數據與曲線等諸多強大功能于一身，并支持國內外眾多數據采集與輸出設備，廣泛應用于石油、電力、化工、鋼鐵、礦山、冶金、機械、紡織、航天、建筑、材料、制冷、交通、通訊、20、食品、制造與加工業、水處理、環保、智能樓宇、實驗室等多種工程領域。MCGS的主要特性和功能如下： 簡單靈活的可視化操作界面。 實時性強、良好的并行處理性能。豐富、生動的多媒體畫面。開放式結構，廣泛的數據獲取和強大的數據處理功能。完善的安全機制。強大的網絡功能。多樣化的報警功能。實時數據庫為用戶分部組態提供極大方便。支持多種硬件設備。方便控制復雜的運行流程。良好的可維護性和可擴充性。用數據庫來管理數據存儲，系統可靠性高。設立對象元件庫，組態工作簡單方便。實現對工控系統的分布式控制和管理。三、項目實施步驟系統工況分析采集控制點位確認節能控制分析設備安裝系統調試工況修正投入運行四、設備清單循環水系統21、水泵節能改造項目主要設備如下表所示：序號名稱型號參數廠家數量價格1PLC處理器6ES7 214-1AD23-0XB8CPU 224 DC/DC/DC 14輸入/10輸出西門子2PLC模塊6ES7 231-0HC22-0XA84AI,12位,無隔離, 010V,05V,020MA等西門子3PLC模塊6ES7 235-0KD22-0XA84AI/1AO,12位,無隔離, 010V,5V ,10V等西門子4總線連接器6ES7 972-0BA12-0XA0西門子5RS485/232轉換器485N瑞賽特6觸摸屏TPC1062KS昆侖通態7智能壓力變送器WT20004-20ma HART協議 數顯威爾泰822、溫度變送器WSS4-20ma 昆侖海岸9液位變送器JDR-15D4-20ma 1.5M昆侖海岸10室外溫度變送器YB-TA-014-20ma海岸11低壓變頻器FRN160F1S-4C160KW富士12低壓變頻器FRN75F1S-4C75KW富士13低壓交流接觸器LC1-D150M7C施耐德14低壓交流接觸器LC1-D300M7C施耐德15輔助觸點LAD-N22C施耐德16塑殼斷路器NSE400N400施耐德17塑殼斷路器NSE250N200施耐德18濾波器ZYH-3XFEJ-200A19濾波器ZYH-3XFET-400A20電抗器SACL-0200-EISA-699D21電抗器SACL-0400-EISA-350D22標準柜23柜內輔材端子、繼電器、線槽、保險絲、控制線、按鈕、指示燈等24動力電纜YJV-3*50MM2 +1380V 25動力電纜YJV-3*120MM2 +1380V26信號電纜RVVP-2*1.0MM2低壓水泵改造成本費用約為：￥181,124；低壓水泵改造成本費用約一年可收回；備注：以上不包括現場橋架管路及輔助材料