变频节能在循环水系统中的应用

给排水设计2010年第31卷第4期8月20日出版Pharmaceutical Engineering Design 2010, 31(4)医药工醒设计·53变频节能在循环水系统中的应用朱燕(上海亚新工程顾问有限公司,上海20042)以某钢铁厂循环水系统变频节能设计为例,通过变频调速器组成的工业智能化控制技术的应用,对节电效果作了对比和论述钢铁厂;循环水;智能化控制;变频调速;节能降耗中图分类号:TF085文献标识码:A文章编号: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循环冷却水工艺流程(见图1)进入二十一世纪以来,全球能源资源日趋紧张循环冷却水系统一般有用水设备、冷却塔、集因此,节能降耗,降低生产成本已是企业管理的首水设施(集水池或塔盘)、循环水泵、循环水处理裝要工作,同时,也是件利国利民利企业的大好事置(旁滤加药装置等)、补充水管、循环水管等组成。工业自动化控制和管理技术在工矿企业节能降冷却塔型采用GNZF-2500X4-01型逆流式非标耗项目中的应用越来越广泛。它作为一种较为成熟准型无底钢结构玻璃钢中温冷却塔,四台组合。每的高科技产品,具有性能稳定,操作方便,节能效台冷却塔冷却水量2500m·h,进塔温度t1-43℃,果明显等优点。因此,采用工业自动化监控系统技出塔温度t2=33℃,温差Δt=10℃,配电机N=110术及计算机管理已成为现代企业最重要的管理手段。kW/台在冷却塔下面设置2000m3钢筋混泥土水池它可以大量的节省人力、能源、降低设备故障率、一座。提高设备运行效率、延长设备使用寿命、减少维护设置五台冷却水循环水泵KOSW型双吸离心泵及营运成本,提高企业总体运作管理水平。(四用一备),水泵参数为:Q=2500m/h、H=60m、2需求分析N=560kW、n=1480r/min、丌=87%。21项目概况设置二台旁滤循环水泵,水泵参数为:Q=500m3某大型钢铁厂项目循环冷却水量10000mh,h、H=17m、N=37kW、n=1450r/min、n=79%。(一需冷却塔和循环水泵等一套,设备功率大,电耗很高,备一用)与过滤池配套使用。是该企业的用电大户。为此对该系统进行了分析。由于考虑紧急停电时电泵不能运转,故设置一台柴油机泵收稿日期:2010-04-20作者简介:朱燕(1963-),女,工程师。主要从事给排水专业审图工作。柴油机泵参数为:Q=100m3/h、H=60mTel:021-61203100-4051E-mail:yan.zhu(ash.macconsultants.com二台45kW排污泵和加药系统等组成,对生产54·医药工醒设计010年第31卷第4期8月20日出版Pharmaceutical Engineering Design 2010, 31(4)①⑥①1⑥,⑥,⑥,倒流答上图1工艺流程图线提供工艺保证。拉小车”的现象,造成很大的电能浪费。因此,采21_,2根据生产情况常开、全年300天开机,日工用合理的方式对其进行节能设计很有必要作24h,峰、谷、平平均电费0.62元。22.3水泵的流量Q、扬程H、功率P与转速n又22节能原理存在如下关系:221随着工业自动化控制和管理技术日趋成熟P=Q×H采用人机界面、PLC可编程控制器、DDC现场控制所以:P∝n3,曲线关系如图2所示:器和变频调速器组成的工业智能化控制技术在各个从流体力学原理知道,风机风量、水泵流量(风生产领域得到了广泛应用,其中,变频调速器以节能、机与水泵负载同属流体,因而其原理一致)与转速安全、高品质等优点,在实际应用中得到了很大发展,及电机功率的关系,即:风量(流量)Q与转速n随着电子技术的飞速发展,变频调速器的功能也越的一次方成正比;风压(扬程)H与转速n的二次来越强,尤其充分利用变频调速器内置的PD调节方成正比;轴功率PS与转速n的三次方成正比;用功能,在合理设计变频调速设备,保证正常生产等以下关系式表示:方面有着非常重要意义。Q∝nH∝n2Ps∝n3222由于企业的用水量随生产状况的变化而变化从图3中可以看出,当用水量为Q1时,与用水因此,循环水流量也非线性地变化。通常情况下,管路特性曲线1相交于A点,当流量减少到Q2时水压波动较大,即循环冷却水系统当车间用水量大如采用风门或阀门的开度进行控制,则与用水管路时管网压力会迅速下降,而车间停止或减少用水量特性曲线2相交于B点;如采用转速变频控制,使时,管网压力又会急速上升,间接的流量改变导致工作点由A点移到C点,泵的扬程由H1降为H3,管网压力改变,造成了循环泵的输出功率损失,从BC段即为节约的电能。而使循环泵组本身的效率降低,增加了电能的消耗当所需流量减少,水泵转速降低时,其功率按和设备的机械磨损。设计中一般以车间生产满负荷转速的三次方下降。如所需流量为额定流量的80%,为设计点,所以,在大部分的时间中就存在“大马则转速也下降为额定转速的80%,而轴功率则下降2010年第31卷第4期8月20日出版Pharmaceutical Engineering Design 2010, 31(4)医药工程设计·55Q, H, P功率关系量关系判断,采用最优化的控制手段并结合现代计算机技术对各系统设备进行全面有效的监控和管理,使各子系统设备始终处于有条不紊、协同一致的高效压力关有序状态下运行,以确保企业内舒适和安全的环境尽量节省能耗和日常管理的各项费用,保证系统充分运行,使投资能得到一个良好的回报。3.2系统监控范围对冷却水泵监控系统的运行工况进行监视、控制、测量与记录。对加药系统按时间定时加药;对图2n与Q、H、P间的关系排污泵、柴油机泵控制;并对水泵,风机等机电设备进行变频控制使其省电并合理运行设备。确保设备节能及延长寿命。33冷却水泵房监控系统的配置及控制功能图,见图434控制方法(1)自动启停:根据事先排定的工作及节假日作息时间表,启停冷却水泵、电动碟阀、通用控制器、冷却塔风机。(2)冷却水泵台数控制:根据冷却水供/回水图3风机、水泵调速节电原理图温度和冷却水泵的运行状况,自动计算实际所需冷负荷量。根据实际所需冷负荷量,自动调整冷却水为额定功率的512%;若所需流量为额定流量的50泵运行台数,达到最佳节能的目的%时,轴功率可以下降为额定功率的12.5%。可见(3)冷却塔控制:根据冷却水温度,自动控制采用变频调速的方式其节电效果是非常可观的根据理论和大量的实际应用范例证明,风机冷却塔的运行台数或旁通阀调节阀开度,冷却塔风水泵的节电率可达25%~65%。机数量控制,保证冷却水温度在设定范围内。(4)加药量控制:根据时间间隔,自动控制加224本方案将针对冷却循环由冷却水泵房中设备的自动控制进行设计,自动控制系统采用了药量Honeywell(霍尼韦尔)公司的 Alerton(艾顿)系统(5)故障报警:自动监测机组、水泵、冷却塔的运行状态。冷却水,冷却水温度、压差超限报警,来实现工业自动化控制。根据要求, Alerton(艾顿)系统将对冷却循环机組组、水泵、冷却塔故障过载报警。(6)VVF控制:系统监测末端的供回水压差系统的各种机电设备的运行及开关状态实行全时间与设定值进行比较,调整冷却水泵的运转频率维持的自动监测或控制,避免了人为的不及时。并同时压差设定值,保证末端的充足水量。收集、记录、保存及分析管理有关系统的重要信息(7)显示/记录:动态显示机组、水泵、冷却及数据,达到提高设备运行效率,节能,节省人力,塔及相关设备的运行状态和报警信息,自动记录系安全延长设备寿命的目的。统数据。23系统特点(8)与BA通讯:监控系统可通过 Alerton与可靠性、先进性、扩展及灵活性、开放及兼容性BA系统双向传递数据。简洁性和全球应用。(9)保护控制:冷却水泵启动后,水流开关检3系统设置总则测水流状态,如遇故障则自动停泵,冷却水泵运行3.1冷却水泵房监控系统的设计目标时如发生故障,备用泵自动投入使用。设计冷却水泵房监控系统的主要目的在于将企4效益分析业内各种机电设备的信息进行分析、归类、处理、41理论分析56·医药工程设计010年第31卷第4期8月20日出版Pharmaceutical Engineering Design 2010, 31(4)生产用水设备冷水池冷水⊙水压果样点水位呆样点①!①水采群点降却塔风控制柜房就水泵控制却水泉控制柜柴油机泵控制柜[加药泉控制柜34[2345口2|34中中本本一《图的中本本即通月控制器可厦解一和}一匚通月贴哥图4冷却水泵房监控系统配置及控制功能图表水泵、风机变频调速后的节电效果S耗电=560kW×80%×24h×300d×0.62(元/度)流量Q(%)100908070605040×4台=79948(元/年)(无变频用电)转速n(%)100908070(2)旁滤水泵频率/Hz50454035302520S2=37kW×80%×24h×300d×378%×0.62(元轴功率P(%)10073513422136/度)×1台=4994680(元/年)(变频省电)节电率N(%)0274966798793.5S耗电=37kW×80%×24h×300d×0.62(元/度压力H(%)1008164493621台=1321344(元/年)(无变频用电)(3)冷却塔节电来源有二个方面组成:风机的实际平均运行频率在40Hz左右,就完全41.1智能变频装置的节能能满足工况的需要。在此种状态下运行,电机的节使用智能变频装置本身的节电(定频43Hz)电效果约为512%。全年4台开225天(去冬季自从测试的数据和电机实时运行情况来看,电机的负然冷却)荷率小于80%,那么,电机的实际平均运行频率在S3=110kW×0.8×24h×225×0.512×0.62×443Hz左右,就完全能满足工况的需要。在此种状态603390(元/年)(变频省电)下运行,电机的节电效果约为378%,电费单价按110kW×80%×24h×225d×0.62(元/度)平均0.62元/度计×4台=1178496(元/年)(无变频用电)(1)循环水泵定频节电S1=560kW×80%×24h×300d×37.8%3023806.46+49946.80+6033900.62(元/度)×4台=367714326(元/年)302380646(元/年)(变频省电)2010年第31卷第4期8月20日出版Pharmaceutical Engineering Design 2010, 31(4)医药工醒设计·57定频节电不能接点最大化和不能满足工况S’=△x0.2S=Sa+Sb+S+S41.2自动化控制裝置的节能70342696(元)自动控制装置使不该投入设备自动地予以切除△X1S=414333480(元)所节约的电能。该项节能取一个系数:设其为△X△X1S-△X0.2S=1439907.84(人工参与和自动△X在0-1之间变化,其大小取决于人工管理的参化之差)与程度。当用人工切换一台或二台泵时,也总有总计全年总节电费(人工参与)个延迟时间,而这段时间就是用自动控制装置达到S=S+S2+S3=2703426.96+49946.80+603390节能的部分。若ΔX取0.2时(如果人工完全不参335676376(元)与时,ΔⅩ=1),每天开机24h,全年工作300天如节能自动化后冷却泵频率小于43Hz,ΔX大电费单价按0.62元计。假设该系统有35%的时间于0.2等于1时,全年节电在500万之上而且能够开4台泵、45%开3台泵、15%开2台、5%开1台,匹配工况。则计算节能如下所示42投资费用(1)使用四台泵时每年可节约电费:(1)自动化系统:3565万S=4台43Hz变频×35%(2)循环水泵高压变频:60万×4套=240万;=560kW×80%×24h×300×37.8%×0.62×35%×4(3)冷却塔风机变频:30万×4套=120万;=264583.07×30%×4(4)旁滤水泵低压变频:19万105833226(元)△X=1时1058332.26(元)5)合计:41465万。(2)使用三台泵时每年可节约电费注:以上价格不包括安装调试费,技术服务费及部分电动阀门。节省人员:按四班三运转计,每班节省二人,共八人S。=(3台43Hz变频+1台停机△X)45%从以上数据可以看出,如果设备费加上安装调试费,技术服务费等AⅩ=0.2最多一年半时间可以收回投资=(560kWx80%×24h×300d×37.8%×0.62×35总结+560kW×80%×24h×300d×0.62×0.2)45%=1200523.16(元)ΔX=1时1920477.08(元)综上所述,冷却循环水系统通过节能自控后(3)使用二台泵时每年可节约电费节电效果显著,水泵运行实现自动化更符合工艺需S=(2台45Hz变频+2台停机×ΔX)15%要。本系统能够根据系统压力、温度、流量的需要△X=0.2自动加减工频泵的运行数量,同时,使设备的启动运行得以改善,压力控制在0.60~0.70MPa之间,(560×80%×24×300×378%×0.62×2减少对电网的冲击,实现完全自动化按需所供的冷+560×80%×24×300×0.62×2×02)15%却的工艺,从而延长了设备的使用寿命,减少人工=34677780(元)△Ⅹ=1时826747.08(元)(4)使用一台泵时每年可节约电费:和设备维护费用。因此,该方案是切实可行的。S=(1台45Hz变频+3台停机ⅹ△X)5%参考文献AX=0.2(560×80%×24×300×37.8%×0.62[]张选正,张金远编著,变频器应用经验[M].北京:中国电力出版+560×80%×24×300×0.62×3×0.2)5%社,2006=9779374(元)△X=1时33777838(元)[2]<钢铁企业电力设计手册>编委会,钢铁企业电力设计手册[M560kW电机全年总节电费北京:北京冶金工业出版社,2008