變頻節能在循環(huán)水系統中的應用

給排水設計2010年第31卷第4期8月20日出版Pharmaeuteal Engine yingDe 2616,314醫藥工程設計 ，53 ，變頻節能在循環(huán)水系統中的應用朱燕(. 上海亞新工程顧問(wèn)有限公司，上海200042 )摘要以某鋼鐵廠(chǎng)循環(huán)水系統變頻節能設計為例，通過(guò)變頻調速器組成的工業(yè)智能化控制技術(shù)的應用，對節電效果作了對比和論述。(關(guān)鍵詞鋼鐵廠(chǎng);循環(huán)水;智能化控制;變頻調速;節能降耗中圖分類(lèi)號: TF085文獻標識碼: A文章編號: 1008-455X(2010) 04-0053-05Application of Frequency Conversion Energy Saving Technique in WaterCycle Systemzhu yanShanghai 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 MPared.Keywords: steel plant; cycle water; itelligent control; frequency conversion; energy saving and consumption reduction1前言2.1.1循環(huán)冷卻水工藝流程 (見(jiàn)圖1 )進(jìn)入二十一世紀以來(lái)，全球能源資源日趨緊張,循環(huán)冷卻水系統一般有用水設備、 冷卻塔、集因此，節能降耗，降低生產(chǎn)成本已是企業(yè)管理的首水設施(集水池或塔盤(pán))、循環(huán)水泵、循環(huán)水處理裝要工作，同時(shí)，也是件利國利民利企業(yè)的大好事。置(旁濾加藥裝置等)、補充水管、循環(huán)水管等組成。工業(yè)自動(dòng)化控制和管理技術(shù)在工礦企業(yè)節能降冷卻塔型采用GNZF-2500X4-01型逆流式非標耗項目中的應用越來(lái)越廣泛。它作為一種較為成熟準型無(wú)底鋼結構玻璃鋼中溫冷卻塔，四臺組合。每的高科技產(chǎn)品，具有性能穩定，操作方便，節能效臺冷卻塔冷卻水量2500 m/h,進(jìn)塔溫度t 1=43 C,果明顯等優(yōu)點(diǎn)。因此，采用工業(yè)自動(dòng)化監控系統技出塔溫度t2=33C,溫差△t=10C, 配電機N= 110術(shù)及計算機管理已成為現代企業(yè)最重要的管理手段。kW/臺在冷卻塔下面設置2000m3鋼筋混泥土水池它可以大量的節省人力、能源、降低設備故障率、座。提高設備運行效率、延長(cháng)設備使用壽命、減少維護設置五臺冷卻水循環(huán)水泵KOSW型雙吸離心泵及營(yíng)運成本，提高企業(yè)總體運作管理水平。(四用- -備)，水泵參數為: Q=2500 m3/h、 H=60 m、2需求分析.N=560 kW、n=1480 r/ min、I =87 %。2.1項目概況設置二臺旁濾循環(huán)水泵，水泵參數為: Q= -500 m3某大型鋼鐵廠(chǎng)項目循環(huán)冷卻水量10000m/h,/h、H=17m、N=37 kW、n=1450 r/min、JI =79 %。(一需冷卻塔和循環(huán)水泵等-套,設備功率大,電耗很高，備一用)與過(guò)濾池配套使用。是該企業(yè)的用電大戶(hù)。為此對該系統進(jìn)行了分析。由于考慮豎氣位中時(shí)中國煤化工轉、故設置一臺柴油機泵。收稿日期: 2010-04-20柴油機泵TYHCNMHG-60 m。作者簡(jiǎn)介:朱燕(1963-),女工程師。主要從事給排水專(zhuān)業(yè)審圖工作。Tel : 021-61203100-405 1 E-mail : yan.zhu@sh.macconsultants.com二臺45 kW排污泵和加藥系統等組成，對生產(chǎn)54.醫藥工程設i計t2010年第31卷第4期8月20日出版Pharmaceutical & Engineering Design 2010. 31(4)00000 nrh- 0-500 n/r43品中電中I-1工-2I-3T-4 .INPO環(huán)水2000m。38n/n管管qφφφ,0N350_DNI50_-2-5國51m10-2500 H-6 N-560F-7.P.e 421020-50500 H1s5nN-4計量環(huán)P-154-414幫21 140-40r/ H=15m5-1(-10--單味I 0-00圖1工 藝流程圖線(xiàn)提供工藝保證。拉小車(chē)”的現象，造成很大的電能浪費。因此，采2.1.2根據生產(chǎn)情況常開(kāi)、 全年300天開(kāi)機，日工用合理的方式對其進(jìn)行節能設計很有必要。作24h,峰、谷、平平均電費0.62元。2.2.3水泵的流量Q、 揚程H、功率P與轉速n又2.2 節能原理存在如下關(guān)系:2.2.1隨著(zhù)工業(yè)自動(dòng)化控制和管理技術(shù)日趨成熟,Q∞n H∞n2 P=QxH采用人機界面、PLC可編程控制器、DDC現場(chǎng)控制所以: P∞n',曲線(xiàn)關(guān)系如圖2所示:器和變頻調速器組成的工業(yè)智能化控制技術(shù)在各個(gè)從流體力學(xué)原理知道，風(fēng)機風(fēng)量、水泵流量(風(fēng)生產(chǎn)領(lǐng)域得到了廣泛應用，其中,變頻調速器以節能、機與水泵負載同屬流體，因而其原理一致) 與轉速安全、高品質(zhì)等優(yōu)點(diǎn),在實(shí)際應用中得到了很大發(fā)展，及電機功率的關(guān)系，即:風(fēng)量(流量)Q與轉速n隨著(zhù)電子技術(shù)的飛速發(fā)展，變頻調速器的功能也越的一次方成正比;風(fēng)壓(揚程)H與轉速n的二次.來(lái)越強，尤其充分利用變頻調速器內置的PID調節方成正比;軸功率PS與轉速n的三次方成正比;月功能，在合理設計變頻調速設備，保證正常生產(chǎn)等以下關(guān)系式表示:方面有著(zhù)非常重要意義。Q∞n Hσn2 Ps∞n°2.2.2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,當用水量為Q1時(shí)，與用水因此，循環(huán)水流量也非線(xiàn)性地變化。通常情況下，管路特性曲線(xiàn)1相交于A(yíng)點(diǎn)，當流量減少到Q2時(shí),水壓波動(dòng)較大，即循環(huán)冷卻水系統當車(chē)間用水量大如采用風(fēng)門(mén)門(mén)或閥門(mén)的開(kāi)度進(jìn)行控制，則與用水管路時(shí)管網(wǎng)壓力會(huì )迅速下降，而車(chē)間停止或減少用水量特性曲線(xiàn)2相交于B點(diǎn);如采用轉速變頻控制，使時(shí)，管網(wǎng)壓力又會(huì )急速上升，間接的流量改變導致工作點(diǎn)由A點(diǎn)移到C點(diǎn)，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段即為節而使循環(huán)泵組本身的效率降低，增加了電能的消耗當所需流中國煤化工其功率按HCNMHG和設備的機械磨損。設計中一般以車(chē)間生產(chǎn)滿(mǎn)負荷轉速的三次方1m中c1mI里刀壩定流量的80%，為設計點(diǎn)，所以，在大部分的時(shí)間中就存在“大馬則轉速也下降為額定轉速的80%,而軸功率則下降2010年第31卷第4期8月20日出版Pharmaentel Engnerngeig20,34醫藥 工程設計，55Q,H, P判斷，采用最優(yōu)化的控制手段并結合現代計算機技功率關(guān)系、!風(fēng)量關(guān)系術(shù)對各系統設備進(jìn)行全面有效的監控和管理，使各子系統設備始終處于有條不紊、協(xié)同一致的高效、壓力關(guān)系有序狀態(tài)下運行，以確保企業(yè)內舒適和安全的環(huán)境。盡量節省能耗和日常管理的各項費用，保證系統充分運行，使投資能得到一個(gè)良好的回報。3.2 系統監控范圍對冷卻水泵監控系統的運行工況進(jìn)行監視、控制、測量與記錄。對加藥系統按時(shí)間定時(shí)加藥;對圖2 n與Q、H、P間的關(guān)系排污泵、柴油機泵控制;并對水泵，風(fēng)機等機電設H，備進(jìn)行變頻控制使其省電并合理運行設備。確保設備節能及延長(cháng)壽命。tB3.3冷卻水泵房監控系統的配置及控制功能圖，見(jiàn)H圖43.4控制方法(1)自動(dòng)啟停:根據事先排定的工作及節假日H3\n作息時(shí)間表，啟停冷卻水泵、電動(dòng)碟閥、通用控制器、in冷卻塔風(fēng)機。Q2(2)冷卻水泵臺數控制:根據冷卻水供/回水]3 風(fēng)機、水泵調速節電原理圖溫度和冷卻水泵的運行狀況，自動(dòng)計算實(shí)際所需冷為額定功率的51.2%;若所需流量為額定流量的50負荷量。根據實(shí)際所需冷負荷量，自動(dòng)調整冷卻水.%時(shí)，軸功率可以下降為額定功率的12.5%?？梢?jiàn)，泵運行臺數，達到最佳節能的目的。(3)冷卻塔控制:根據冷卻水溫度，自動(dòng)控制采用變頻調速的方式其節電效果是非?？捎^(guān)的。冷卻塔的運行臺數或旁通閥調節閥開(kāi)度，冷卻塔風(fēng)根據理論和大量的實(shí)際應用范例證明，風(fēng)機、機數量控制，保證冷卻水溫度在設定范圍內。水泵的節電率可達25% ~ 65 %。(4)加藥量控制:根據時(shí)間間隔,自動(dòng)控制加2.2.4本方案將針對冷卻循環(huán)由冷卻水泵房中設藥量。備的自動(dòng)控制進(jìn)行設計，自動(dòng)控制系統采用了(5)故障報警:自動(dòng)監測機組、水泵、冷卻塔Honeywell (霍尼韋爾)公司的Alerton (艾頓)系統的運行狀態(tài)。冷卻水，冷卻水溫度、壓差超限報警，來(lái)實(shí)現工業(yè)自動(dòng)化控制。根據要求，Alerton(艾頓)系統將對冷卻循環(huán)機組、水泵、冷卻塔故障過(guò)載報警。(6)VVF控制:系統監測末端的供回水壓差,系統的各種機電設備的運行及開(kāi)關(guān)狀態(tài)實(shí)行全時(shí)間與設定值進(jìn)行比較，調整冷卻水泵的運轉頻率維持的自動(dòng)監測或控制，避免了人為的不及時(shí)。并同時(shí)壓差設定值，保證末端的充足水量。收集、記錄、保存及分析管理有關(guān)系統的重要信息(7)顯示/記錄:動(dòng)態(tài)顯示機組、水泵、冷卻.及數據，達到提高設備運行效率，節能，節省人力，塔及相關(guān)設備的運行狀態(tài)和報警信息，自動(dòng)記錄系安全延長(cháng)設備壽命的目的。統數據。2.3系統特點(diǎn)(8)與BA通訊:監控系統可通過(guò)Alerton與可靠性.先進(jìn)性、擴展及靈活性、開(kāi)放及兼容性、BA系統雙向傳遞數據。簡(jiǎn)潔性和全球應用。(9)保護控制:冷卻水泵啟動(dòng)后，水流開(kāi)關(guān)檢3系統設置總則測水流狀態(tài)，”中國煤化工冷卻水泵運行3.1冷卻水泵房監控系統的設計目標:時(shí)如發(fā)生故障|YHCNM HG設計冷卻水泵房監控系統的主要目的在于將企4效益分析業(yè)內各種機電設備的信息進(jìn)行分析、歸類(lèi)、處理、4.1 理論分析.56.醫藥工程設i計2010年第31卷第4期8月20日出版Pharmaceutical & Engineering Design 2010. 31(4)生產(chǎn)用水設備φ中Ba冷I水.池|o劃冷|水池⑥_回水壓采祥點(diǎn)水位采祥點(diǎn)冷卻塔風(fēng)扇控制柜16旁越水泵控制相冷卻水泵控制柜柴油機泵控制柜門(mén)加藥泵控制柜 .0234023451234EV一市布-NEY市布希本(確6中中中中國雄修，月控制茶起助IOIC發(fā)暑C些0CDE院圖4冷卻水泵房監控系統配置及控制功能圖表水泵、 風(fēng)機變頻調速后的節電效果S耗電= 560 kW x 80 %x24 hx300 dx0.62(元/度)流量Q( %)00 9(8070605040x4臺=7999488(元/年) (無(wú)變頻用電)轉速n(%)00 905((2)旁濾水泵頻率/Hz50 440S2=37 kWx80 %x 24 hx300 dx37.8 %x0.62 (元軸功率P( %)0073513422136.5/度) x1臺=49946.80 (元/年)(變頻省電)節電率N( %)0219 6679 87 93.5S耗電=37 kW x80 % x24 h x300dx0.62(元/度)壓力H( %)006436 25 16x1臺=132134.4 (元/年) (無(wú)變頻用電)(3)冷卻塔節電來(lái)源有二個(gè)方面組成:風(fēng)機的實(shí)際平均運行頻率在40Hz左右，就完全4.1.1智能變頻裝置的節能能滿(mǎn)足工況的需要。在此種狀態(tài)下運行，電機的節使用智能變頻裝置本身的節電(定頻43Hz)。電效果約為51.2%。全年4臺開(kāi)225天(去冬季自從測試的數據和電機實(shí)時(shí)運行情況來(lái)看，電機的負然冷卻)。荷率小于80 %,那么，電機的實(shí)際平均運行頻率在S;=110kW x0.8x 24 hx225x0.512x0.62x443Hz左右，就完全能滿(mǎn)足工況的需要。在此種狀態(tài)=603390 (元/年)(變頻省電)下運行，電機的節電效果約為37.8 %，電費單價(jià)按S電= 110 kWx80 %x24 hx225 dx0.62(元/度)平均0.62元/度計。x4臺=1178496 (元/年) (無(wú)變頻用電)(1)循環(huán)水泵s定頻節電中國煤化工S-=560kWx80%x24hx300dx37.8%HCNMHG3390x0.62(元/度)x4臺=3677143.26 (元/年)=3023806.46 (元/年)(變頻省電)2010年第31卷第4期8月20日出版Pharmaeuteal Engine yingDe 2616,314醫藥工程設計 .57.定頻節電不能接點(diǎn)最大化和不能滿(mǎn)足工況。S'= OX 0.2S=S.+Sp+ S.+S。4.1.2自 動(dòng)化控制裝置的節能=2703426.96 (元)自動(dòng)控制裝置使不該投人設備自動(dòng)地予以切除△X 1S=4143334.80 (元)所節約的電能。該項節能取一一個(gè)系數:設其為△X,△X 1S-OX 0.2S= 1439907.84(人工參與和自動(dòng)△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。當用人工切換- -臺或二臺泵時(shí)，也總有一總計全年總節電費(人工參與):個(gè)延遲時(shí)間，而這段時(shí)間就是用自動(dòng)控制裝置達到S= S'+S2+Sz =2703426.96 + 49946.80 + 603390節能的部分。若△X取0.2時(shí)(如果人工完全不參=3356763.76 (元)與時(shí)，△X=1)， 每天開(kāi)機24h，全年工作300天，如節能自動(dòng)化后冷卻泵頻率小于43 Hz，△X大電費單價(jià)按0.62元計。假設該系統有35%的時(shí)間于0.2等于1時(shí)，全年節電在500萬(wàn)之上而且能夠開(kāi)4臺泵、45%開(kāi)3臺泵、15%開(kāi)2臺、5%開(kāi)1臺,匹配工況。則計算節能如下所示:4.2 投資費用(1)使用四臺泵時(shí)每年可節約電費:(1)自動(dòng)化系統: 35.65萬(wàn);S_=4臺43Hz變頻x35%(2)循環(huán)水泵高壓變頻: 60萬(wàn)x4套= 240萬(wàn);=560 kW x80 %x 24 hx300x37.8 %x0.62x35 %x4(3)冷卻塔風(fēng)機變頻: 30萬(wàn)x4套= 120 萬(wàn);=264583.07 x30 %x4(4)旁濾水泵低壓變頻: 19萬(wàn);=1058332.26(元) OX=1 時(shí)1058332.26 (元)(5)合計: 414.65萬(wàn)。(2)使用三臺泵時(shí)每年可節約電費:注:以上價(jià)格不包括安裝調試費,技術(shù)服務(wù)費及部分電動(dòng)閥門(mén)。Sg=(3臺43Hz變頻+1臺停機x△X)45%節省人員:按四班三運轉計，每班節省二二從以上數據可以看出,如果設備費加上安裝調試費,技術(shù)服務(wù)費等，AX=0.2最多-年半時(shí)間可以收回投資。=( 560 kWx80 %x 24 hx 300 dx37.8 %x0.62x35總結+560 kWx 80 %x24 hx 300 dx 0.62 x0.2) 45 %綜上所述，冷卻循環(huán)水系統通過(guò)節能自控后,=1200523.16 (元) AX=1 時(shí)1920477.08 (元)節電效果顯著(zhù)，水泵運行實(shí)現自動(dòng)化更符合工藝需(3)使用二臺泵時(shí)每年可節約電費:S.=(2臺45Hz變頻+2臺停機x OX) 15 %要。本系統能夠根據系統壓力、溫度、流量的需要自動(dòng)加減工頻泵的運行數量，同時(shí)，使設備的啟動(dòng)運行得以改善，壓力控制在0.60~0.70 MPa之間,=(560x80%x24x300x37.8%x0.62x2減少對電網(wǎng)的沖擊，實(shí)現完全自動(dòng)化按需所供的冷+560x 80%x 24x 300x0.62x2x0.2) 15 %卻的工藝，從而延長(cháng)了設備的使用壽命，減少人工=346777.80 (元)△X=1時(shí)826747.08 (元)和設備維護費用。因此，該方案是切實(shí)可行的。(4)使用一臺泵時(shí)每年可節約電費:Sj=(1臺45Hz變頻+3臺停機x△X) 5%參考文獻: .△X=0.2=(560x80%x24x300x37.8%x0.62[1] 張選正，張金遠編著(zhù).變頻器應用經(jīng)驗[M].北京:中國電力出版+560x 80 %x 24x 300x 0.62x3x0.2) 5 %社，2006.[2] < 鋼鐵企業(yè)電力設計手冊>編委會(huì ).鋼鐵企業(yè)電力設計手冊[M].=97793.74 (元) AX=1時(shí)337778.38 (元)北京:北京冶金工業(yè)出版社, 2008.560 kW電機全年總節電費:中國煤化工MYHCNMHG