給排水設(shè)計2010年第31卷第4期8月20日出版Pharmaceutical Engineering Design 2010, 31(4)醫(yī)藥工醒設(shè)計·53變頻節(jié)能在循環(huán)水系統(tǒng)中的應(yīng)用朱燕(上海亞新工程顧問有限公司,上海20042)以某鋼鐵廠循環(huán)水系統(tǒng)變頻節(jié)能設(shè)計為例,通過變頻調(diào)速器組成的工業(yè)智能化控制技術(shù)的應(yīng)用,對節(jié)電效果作了對比和論述鋼鐵廠;循環(huán)水;智能化控制;變頻調(diào)速;節(jié)能降耗中圖分類號:TF085文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號:1008-455X(2010)04-0053-05Application of Frequency Conversion Energy Saving Technique in WaterCycle SystemyanShanghai Maa Engineering Consultants(Shanghai)Co, Ltd Shanghai, 200042Abstract: Exampled with energy saving design for the water cycle system in one steel plant and the application of industrial intelligentcontrol technology composed with frequency converter, the effect of power saving was stated and co mParedKeywords: stecl plant; cycle water; intelligent control; frequency conversion; energy saving and consumption reduction1前言21.1循環(huán)冷卻水工藝流程(見圖1)進(jìn)入二十一世紀(jì)以來,全球能源資源日趨緊張循環(huán)冷卻水系統(tǒng)一般有用水設(shè)備、冷卻塔、集因此,節(jié)能降耗,降低生產(chǎn)成本已是企業(yè)管理的首水設(shè)施(集水池或塔盤)、循環(huán)水泵、循環(huán)水處理裝要工作,同時,也是件利國利民利企業(yè)的大好事置(旁濾加藥裝置等)、補(bǔ)充水管、循環(huán)水管等組成。工業(yè)自動化控制和管理技術(shù)在工礦企業(yè)節(jié)能降冷卻塔型采用GNZF-2500X4-01型逆流式非標(biāo)耗項目中的應(yīng)用越來越廣泛。它作為一種較為成熟準(zhǔn)型無底鋼結(jié)構(gòu)玻璃鋼中溫冷卻塔,四臺組合。每的高科技產(chǎn)品,具有性能穩(wěn)定,操作方便,節(jié)能效臺冷卻塔冷卻水量2500m·h,進(jìn)塔溫度t1-43℃,果明顯等優(yōu)點。因此,采用工業(yè)自動化監(jiān)控系統(tǒng)技出塔溫度t2=33℃,溫差Δt=10℃,配電機(jī)N=110術(shù)及計算機(jī)管理已成為現(xiàn)代企業(yè)最重要的管理手段。kW/臺在冷卻塔下面設(shè)置2000m3鋼筋混泥土水池它可以大量的節(jié)省人力、能源、降低設(shè)備故障率、一座。提高設(shè)備運行效率、延長設(shè)備使用壽命、減少維護(hù)設(shè)置五臺冷卻水循環(huán)水泵KOSW型雙吸離心泵及營運成本,提高企業(yè)總體運作管理水平。(四用一備),水泵參數(shù)為:Q=2500m/h、H=60m、2需求分析N=560kW、n=1480r/min、丌=87%。21項目概況設(shè)置二臺旁濾循環(huán)水泵,水泵參數(shù)為:Q=500m3某大型鋼鐵廠項目循環(huán)冷卻水量10000mh,h、H=17m、N=37kW、n=1450r/min、n=79%。(一需冷卻塔和循環(huán)水泵等一套,設(shè)備功率大,電耗很高,備一用)與過濾池配套使用。是該企業(yè)的用電大戶。為此對該系統(tǒng)進(jìn)行了分析。由于考慮緊急停電時電泵不能運轉(zhuǎn),故設(shè)置一臺柴油機(jī)泵收稿日期:2010-04-20作者簡介:朱燕(1963-),女,工程師。主要從事給排水專業(yè)審圖工作。柴油機(jī)泵參數(shù)為:Q=100m3/h、H=60mTel:021-61203100-4051E-mail:yan.zhu(ash.macconsultants.com二臺45kW排污泵和加藥系統(tǒng)等組成,對生產(chǎn)54·醫(yī)藥工醒設(shè)計010年第31卷第4期8月20日出版Pharmaceutical Engineering Design 2010, 31(4)①⑥①1⑥,⑥,⑥,倒流答上圖1工藝流程圖線提供工藝保證。拉小車”的現(xiàn)象,造成很大的電能浪費。因此,采21_,2根據(jù)生產(chǎn)情況常開、全年300天開機(jī),日工用合理的方式對其進(jìn)行節(jié)能設(shè)計很有必要作24h,峰、谷、平平均電費0.62元。22.3水泵的流量Q、揚程H、功率P與轉(zhuǎn)速n又22節(jié)能原理存在如下關(guān)系:221隨著工業(yè)自動化控制和管理技術(shù)日趨成熟P=Q×H采用人機(jī)界面、PLC可編程控制器、DDC現(xiàn)場控制所以:P∝n3,曲線關(guān)系如圖2所示:器和變頻調(diào)速器組成的工業(yè)智能化控制技術(shù)在各個從流體力學(xué)原理知道,風(fēng)機(jī)風(fēng)量、水泵流量(風(fēng)生產(chǎn)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用,其中,變頻調(diào)速器以節(jié)能、機(jī)與水泵負(fù)載同屬流體,因而其原理一致)與轉(zhuǎn)速安全、高品質(zhì)等優(yōu)點,在實際應(yīng)用中得到了很大發(fā)展,及電機(jī)功率的關(guān)系,即:風(fēng)量(流量)Q與轉(zhuǎn)速n隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展,變頻調(diào)速器的功能也越的一次方成正比;風(fēng)壓(揚程)H與轉(zhuǎn)速n的二次來越強(qiáng),尤其充分利用變頻調(diào)速器內(nèi)置的PD調(diào)節(jié)方成正比;軸功率PS與轉(zhuǎn)速n的三次方成正比;用功能,在合理設(shè)計變頻調(diào)速設(shè)備,保證正常生產(chǎn)等以下關(guān)系式表示:方面有著非常重要意義。Q∝nH∝n2Ps∝n3222由于企業(yè)的用水量隨生產(chǎn)狀況的變化而變化從圖3中可以看出,當(dāng)用水量為Q1時,與用水因此,循環(huán)水流量也非線性地變化。通常情況下,管路特性曲線1相交于A點,當(dāng)流量減少到Q2時水壓波動較大,即循環(huán)冷卻水系統(tǒng)當(dāng)車間用水量大如采用風(fēng)門或閥門的開度進(jìn)行控制,則與用水管路時管網(wǎng)壓力會迅速下降,而車間停止或減少用水量特性曲線2相交于B點;如采用轉(zhuǎn)速變頻控制,使時,管網(wǎng)壓力又會急速上升,間接的流量改變導(dǎo)致工作點由A點移到C點,泵的揚程由H1降為H3,管網(wǎng)壓力改變,造成了循環(huán)泵的輸出功率損失,從BC段即為節(jié)約的電能。而使循環(huán)泵組本身的效率降低,增加了電能的消耗當(dāng)所需流量減少,水泵轉(zhuǎn)速降低時,其功率按和設(shè)備的機(jī)械磨損。設(shè)計中一般以車間生產(chǎn)滿負(fù)荷轉(zhuǎn)速的三次方下降。如所需流量為額定流量的80%,為設(shè)計點,所以,在大部分的時間中就存在“大馬則轉(zhuǎn)速也下降為額定轉(zhuǎn)速的80%,而軸功率則下降2010年第31卷第4期8月20日出版Pharmaceutical Engineering Design 2010, 31(4)醫(yī)藥工程設(shè)計·55Q, H, P功率關(guān)系量關(guān)系判斷,采用最優(yōu)化的控制手段并結(jié)合現(xiàn)代計算機(jī)技術(shù)對各系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行全面有效的監(jiān)控和管理,使各子系統(tǒng)設(shè)備始終處于有條不紊、協(xié)同一致的高效壓力關(guān)有序狀態(tài)下運行,以確保企業(yè)內(nèi)舒適和安全的環(huán)境盡量節(jié)省能耗和日常管理的各項費用,保證系統(tǒng)充分運行,使投資能得到一個良好的回報。3.2系統(tǒng)監(jiān)控范圍對冷卻水泵監(jiān)控系統(tǒng)的運行工況進(jìn)行監(jiān)視、控制、測量與記錄。對加藥系統(tǒng)按時間定時加藥;對圖2n與Q、H、P間的關(guān)系排污泵、柴油機(jī)泵控制;并對水泵,風(fēng)機(jī)等機(jī)電設(shè)備進(jìn)行變頻控制使其省電并合理運行設(shè)備。確保設(shè)備節(jié)能及延長壽命。33冷卻水泵房監(jiān)控系統(tǒng)的配置及控制功能圖,見圖434控制方法(1)自動啟停:根據(jù)事先排定的工作及節(jié)假日作息時間表,啟停冷卻水泵、電動碟閥、通用控制器、冷卻塔風(fēng)機(jī)。(2)冷卻水泵臺數(shù)控制:根據(jù)冷卻水供/回水圖3風(fēng)機(jī)、水泵調(diào)速節(jié)電原理圖溫度和冷卻水泵的運行狀況,自動計算實際所需冷負(fù)荷量。根據(jù)實際所需冷負(fù)荷量,自動調(diào)整冷卻水為額定功率的512%;若所需流量為額定流量的50泵運行臺數(shù),達(dá)到最佳節(jié)能的目的%時,軸功率可以下降為額定功率的12.5%。可見(3)冷卻塔控制:根據(jù)冷卻水溫度,自動控制采用變頻調(diào)速的方式其節(jié)電效果是非?？捎^的根據(jù)理論和大量的實際應(yīng)用范例證明,風(fēng)機(jī)冷卻塔的運行臺數(shù)或旁通閥調(diào)節(jié)閥開度,冷卻塔風(fēng)水泵的節(jié)電率可達(dá)25%~65%。機(jī)數(shù)量控制,保證冷卻水溫度在設(shè)定范圍內(nèi)。(4)加藥量控制:根據(jù)時間間隔,自動控制加224本方案將針對冷卻循環(huán)由冷卻水泵房中設(shè)備的自動控制進(jìn)行設(shè)計,自動控制系統(tǒng)采用了藥量Honeywell(霍尼韋爾)公司的 Alerton(艾頓)系統(tǒng)(5)故障報警:自動監(jiān)測機(jī)組、水泵、冷卻塔的運行狀態(tài)。冷卻水,冷卻水溫度、壓差超限報警,來實現(xiàn)工業(yè)自動化控制。根據(jù)要求, Alerton(艾頓)系統(tǒng)將對冷卻循環(huán)機(jī)組組、水泵、冷卻塔故障過載報警。(6)VVF控制:系統(tǒng)監(jiān)測末端的供回水壓差系統(tǒng)的各種機(jī)電設(shè)備的運行及開關(guān)狀態(tài)實行全時間與設(shè)定值進(jìn)行比較,調(diào)整冷卻水泵的運轉(zhuǎn)頻率維持的自動監(jiān)測或控制,避免了人為的不及時。并同時壓差設(shè)定值,保證末端的充足水量。收集、記錄、保存及分析管理有關(guān)系統(tǒng)的重要信息(7)顯示/記錄:動態(tài)顯示機(jī)組、水泵、冷卻及數(shù)據(jù),達(dá)到提高設(shè)備運行效率,節(jié)能,節(jié)省人力,塔及相關(guān)設(shè)備的運行狀態(tài)和報警信息,自動記錄系安全延長設(shè)備壽命的目的。統(tǒng)數(shù)據(jù)。23系統(tǒng)特點(8)與BA通訊:監(jiān)控系統(tǒng)可通過 Alerton與可靠性、先進(jìn)性、擴(kuò)展及靈活性、開放及兼容性BA系統(tǒng)雙向傳遞數(shù)據(jù)。簡潔性和全球應(yīng)用。(9)保護(hù)控制:冷卻水泵啟動后,水流開關(guān)檢3系統(tǒng)設(shè)置總則測水流狀態(tài),如遇故障則自動停泵,冷卻水泵運行3.1冷卻水泵房監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計目標(biāo)時如發(fā)生故障,備用泵自動投入使用。設(shè)計冷卻水泵房監(jiān)控系統(tǒng)的主要目的在于將企4效益分析業(yè)內(nèi)各種機(jī)電設(shè)備的信息進(jìn)行分析、歸類、處理、41理論分析56·醫(yī)藥工程設(shè)計010年第31卷第4期8月20日出版Pharmaceutical Engineering Design 2010, 31(4)生產(chǎn)用水設(shè)備冷水池冷水⊙水壓果樣點水位呆樣點①!①水采群點降卻塔風(fēng)控制柜房就水泵控制卻水泉控制柜柴油機(jī)泵控制柜[加藥泉控制柜34[2345口2|34中中本本一《圖的中本本即通月控制器可廈解一和}一匚通月貼哥圖4冷卻水泵房監(jiān)控系統(tǒng)配置及控制功能圖表水泵、風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速后的節(jié)電效果S耗電=560kW×80%×24h×300d×0.62(元/度)流量Q(%)100908070605040×4臺=79948(元/年)(無變頻用電)轉(zhuǎn)速n(%)100908070(2)旁濾水泵頻率/Hz50454035302520S2=37kW×80%×24h×300d×378%×0.62(元軸功率P(%)10073513422136/度)×1臺=4994680(元/年)(變頻省電)節(jié)電率N(%)0274966798793.5S耗電=37kW×80%×24h×300d×0.62(元/度壓力H(%)1008164493621臺=1321344(元/年)(無變頻用電)(3)冷卻塔節(jié)電來源有二個方面組成:風(fēng)機(jī)的實際平均運行頻率在40Hz左右,就完全41.1智能變頻裝置的節(jié)能能滿足工況的需要。在此種狀態(tài)下運行,電機(jī)的節(jié)使用智能變頻裝置本身的節(jié)電(定頻43Hz)電效果約為512%。全年4臺開225天(去冬季自從測試的數(shù)據(jù)和電機(jī)實時運行情況來看,電機(jī)的負(fù)然冷卻)荷率小于80%,那么,電機(jī)的實際平均運行頻率在S3=110kW×0.8×24h×225×0.512×0.62×443Hz左右,就完全能滿足工況的需要。在此種狀態(tài)603390(元/年)(變頻省電)下運行,電機(jī)的節(jié)電效果約為378%,電費單價按110kW×80%×24h×225d×0.62(元/度)平均0.62元/度計×4臺=1178496(元/年)(無變頻用電)(1)循環(huán)水泵定頻節(jié)電S1=560kW×80%×24h×300d×37.8%3023806.46+49946.80+6033900.62(元/度)×4臺=367714326(元/年)302380646(元/年)(變頻省電)2010年第31卷第4期8月20日出版Pharmaceutical Engineering Design 2010, 31(4)醫(yī)藥工醒設(shè)計·57定頻節(jié)電不能接點最大化和不能滿足工況S’=△x0.2S=Sa+Sb+S+S41.2自動化控制裝置的節(jié)能70342696(元)自動控制裝置使不該投入設(shè)備自動地予以切除△X1S=414333480(元)所節(jié)約的電能。該項節(jié)能取一個系數(shù):設(shè)其為△X△X1S-△X0.2S=1439907.84(人工參與和自動△X在0-1之間變化,其大小取決于人工管理的參化之差)與程度。當(dāng)用人工切換一臺或二臺泵時,也總有總計全年總節(jié)電費(人工參與)個延遲時間,而這段時間就是用自動控制裝置達(dá)到S=S+S2+S3=2703426.96+49946.80+603390節(jié)能的部分。若ΔX取0.2時(如果人工完全不參335676376(元)與時,ΔⅩ=1),每天開機(jī)24h,全年工作300天如節(jié)能自動化后冷卻泵頻率小于43Hz,ΔX大電費單價按0.62元計。假設(shè)該系統(tǒng)有35%的時間于0.2等于1時,全年節(jié)電在500萬之上而且能夠開4臺泵、45%開3臺泵、15%開2臺、5%開1臺,匹配工況。則計算節(jié)能如下所示42投資費用(1)使用四臺泵時每年可節(jié)約電費:(1)自動化系統(tǒng):3565萬S=4臺43Hz變頻×35%(2)循環(huán)水泵高壓變頻:60萬×4套=240萬;=560kW×80%×24h×300×37.8%×0.62×35%×4(3)冷卻塔風(fēng)機(jī)變頻:30萬×4套=120萬;=264583.07×30%×4(4)旁濾水泵低壓變頻:19萬105833226(元)△X=1時1058332.26(元)5)合計:41465萬。(2)使用三臺泵時每年可節(jié)約電費注:以上價格不包括安裝調(diào)試費,技術(shù)服務(wù)費及部分電動閥門。節(jié)省人員:按四班三運轉(zhuǎn)計,每班節(jié)省二人,共八人S。=(3臺43Hz變頻+1臺停機(jī)△X)45%從以上數(shù)據(jù)可以看出,如果設(shè)備費加上安裝調(diào)試費,技術(shù)服務(wù)費等AⅩ=0.2最多一年半時間可以收回投資=(560kWx80%×24h×300d×37.8%×0.62×35總結(jié)+560kW×80%×24h×300d×0.62×0.2)45%=1200523.16(元)ΔX=1時1920477.08(元)綜上所述,冷卻循環(huán)水系統(tǒng)通過節(jié)能自控后(3)使用二臺泵時每年可節(jié)約電費節(jié)電效果顯著,水泵運行實現(xiàn)自動化更符合工藝需S=(2臺45Hz變頻+2臺停機(jī)×ΔX)15%要。本系統(tǒng)能夠根據(jù)系統(tǒng)壓力、溫度、流量的需要△X=0.2自動加減工頻泵的運行數(shù)量,同時,使設(shè)備的啟動運行得以改善,壓力控制在0.60~0.70MPa之間,(560×80%×24×300×378%×0.62×2減少對電網(wǎng)的沖擊,實現(xiàn)完全自動化按需所供的冷+560×80%×24×300×0.62×2×02)15%卻的工藝,從而延長了設(shè)備的使用壽命,減少人工=34677780(元)△Ⅹ=1時826747.08(元)(4)使用一臺泵時每年可節(jié)約電費:和設(shè)備維護(hù)費用。因此,該方案是切實可行的。S=(1臺45Hz變頻+3臺停機(jī)ⅹ△X)5%參考文獻(xiàn)AX=0.2(560×80%×24×300×37.8%×0.62[]張選正,張金遠(yuǎn)編著,變頻器應(yīng)用經(jīng)驗[M].北京:中國電力出版+560×80%×24×300×0.62×3×0.2)5%社,2006=9779374(元)△X=1時33777838(元)[2]<鋼鐵企業(yè)電力設(shè)計手冊>編委會,鋼鐵企業(yè)電力設(shè)計手冊[M560kW電機(jī)全年總節(jié)電費北京:北京冶金工業(yè)出版社,2008