中央冷卻水節(jié)能系統(tǒng)設(shè)計(jì)畢業(yè)論文

頁共24頁2系統(tǒng)構(gòu)成本章主要詳細(xì)描述中央冷卻水節(jié)能系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)組成、系統(tǒng)設(shè)備結(jié)構(gòu)說明及系統(tǒng)硬件設(shè)備方面的優(yōu)勢(shì)說明。變頻器轉(zhuǎn)速控制是本系統(tǒng)的核心部分，變頻器和離心泵的資料、性能分析將會(huì)在本章深入介紹。2.1系統(tǒng)架構(gòu)中央冷卻水節(jié)能系統(tǒng)是基于SIEMENS1214CPLC控制的信息化應(yīng)用系統(tǒng)；操作員站由FATEKHMI——FT104NT-T51R（10.4寸）來完成報(bào)警監(jiān)控、參數(shù)修改、報(bào)警歷史閱覽等功能，同時(shí)可以實(shí)時(shí)監(jiān)控整個(gè)系統(tǒng)的工作狀態(tài)；ABBACS510-01(50KW)作為驅(qū)動(dòng)海水泵電機(jī)的變頻器，其架構(gòu)如下圖示：圖2-1中央冷卻水節(jié)能系統(tǒng)架構(gòu)圖2.2系統(tǒng)組成2.2.1上位機(jī)相對(duì)SIEMENS的觸摸屏該款FATEKHMI——FT104NT-T51R（10.4寸）的人機(jī)界面有著靈敏度高、色彩豐富、背光時(shí)間長(zhǎng)、價(jià)格便宜等優(yōu)勢(shì)，參數(shù)表如下：表2-1FT104NT-T51R參數(shù)表項(xiàng)目規(guī)格顯示屏種類高彩TFT（65536色）背光模塊LED背光（50,000小時(shí)以上/常溫下）亮度(cd/㎡)400分辨率(像素)800×600顯示尺寸10.4"操作方式觸控式、4線電阻式、表面硬度4H輸入電源DC20V～DC28V消耗功率15WCE符合EN55022，EN61000-4-2，EN61000-4-3，EN61000-4-8前面板防水設(shè)計(jì)符合NEMA4,IP65F冷卻方式自然冷卻外觀尺寸(寬×高×深)標(biāo)準(zhǔn)型:270x212x42.5mm開孔尺寸(寬×高)標(biāo)準(zhǔn)型:259×201mm通信方式以太網(wǎng)使用人機(jī)界面建立操作員站能完成系統(tǒng)的報(bào)警監(jiān)控、參數(shù)修改、報(bào)警歷史閱覽等功能，同時(shí)可以實(shí)時(shí)監(jiān)控整個(gè)系統(tǒng)的工作狀態(tài)，其意義在于：便捷、高效地監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行；提高操作員的工作環(huán)境質(zhì)量。2.2.2控制器本系統(tǒng)使用了SIEMENS1214CCPU以及1個(gè)SM1221DIX8數(shù)字量輸入模塊、2個(gè)SM1231AIX8模擬量輸入模塊、1個(gè)SM1231AIX4模擬量輸入模塊、1個(gè)SM1231AOX4模擬量輸出模塊。完成系統(tǒng)的信號(hào)采集、計(jì)算處理、命令發(fā)出，是本系統(tǒng)的信息處理及信息交換中心。2.2.3變頻器圖2-2ACS510-01變頻器變頻器是系統(tǒng)節(jié)能的關(guān)鍵所在，也是系統(tǒng)中唯一有特別證書要求的設(shè)備。ABB是全球知名的大品牌，其質(zhì)量也得到了船舶以及各個(gè)行業(yè)的認(rèn)可，ABB在世界各地都有服務(wù)公司提供專業(yè)的保修服務(wù)。型號(hào)ACS510-01-09A4-4是ABB的一款低壓交流傳動(dòng)裝置：圖2-2ACS510-01變頻器InputU13——380…480VI1N9.4AF148…63HZOutputU23——0…U1VI2N9.4AF20…500HZMotorPN4KWIP2040ACS510-01-09A4-4支持MODBUS協(xié)議通信，同時(shí)支持以太網(wǎng)通信，通信廣泛便捷。本系統(tǒng)不使用MODBUS協(xié)議通信或Ethernet通信的方式控制，只需使用變頻器自帶的模擬量端子及繼電器輸入輸出端子控制。相對(duì)MODBUS協(xié)議通信或Ethernet通信端子控制方式有簡(jiǎn)單、穩(wěn)定、精確等優(yōu)點(diǎn)，ACS510端子圖如下：圖2-3ACS510-01變頻器端子接線圖1圖2-4ACS510-01變頻器端子接線圖22.2.4海水泵MAINCOOLINGS.W.PUMP是日本兵神的一款離心泵，泵體是銅鑄造的，可以長(zhǎng)時(shí)間的防止被海水侵蝕，交替使用、平衡磨損泵的壽命可達(dá)二十年以上。其示意圖及泵參數(shù)如下：ShipNO.MessrsPumpNameMAINCOOLINGS.W.PUMP圖2-5離心泵PumpTypeSCD-450E圖2-5離心泵Capacity450m3/hTotalPress0.25MPaSuc.Press-0.05MPaMotor45KWPumpSpeed1760min-1ExpectedDateSheetQ(m3/h)H(MPa)L(KW)EFF(%)0.00.35926.120.00147.00.34131.0344081311.00.30235.5673.26466.00.25339.4083.00642.00.17840.5978.08777.00.08337.7647.37H-Q曲線表示泵的流量Q和壓頭H的關(guān)系。離心泵的壓頭在交大流量范圍內(nèi)是隨流量增大而減小的。不同型號(hào)的離心泵，H-Q曲線形狀有所不同。N-Q曲線表示泵的流量Q與軸功率N的關(guān)系，N隨Q的增大而增大。當(dāng)Q=0時(shí)，泵軸消耗的功率最小。η-Q曲線表示泵的流量Q與效率η的關(guān)系，開始η隨Q的增大而增大，達(dá)到最大點(diǎn)后隨Q的增大而減小。該曲線的最大值相當(dāng)于效率的最高點(diǎn)。泵在該點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的壓頭和流量下操作，其效率最高稱為離心泵的設(shè)計(jì)點(diǎn)。當(dāng)轉(zhuǎn)速由n1改變?yōu)閚2時(shí)其流量Q、壓頭H、功率N的近似關(guān)系為：Centrifugalpumpcurve圖2-6離心泵特性曲線圖中的三條曲線由上而下分別是H-Q（壓頭與流量關(guān)系）曲線、N-Q（軸功率與流量關(guān)系）曲線和η-Q（泵效率與流量關(guān)系）曲線。H-Q（壓頭與流量關(guān)系）曲線中壓頭壓力H是隨流量Q增大而減小的，在一定流量范圍內(nèi)近似直線下降趨勢(shì)；N-Q（軸功率與流量關(guān)系）曲線中軸功率N隨流量Q增大而增大，當(dāng)流量達(dá)到560m3/h以上時(shí)，流量Q增大軸功率N減??；η-Q（泵效率與流量關(guān)系）曲線中開始泵功率η隨流量Q的增大而增大，達(dá)到最大點(diǎn)（近似460m3/h）后隨流量Q的增大而減小，所以當(dāng)流量Q=460m3/h時(shí)泵的運(yùn)行效率最高。綜合三條曲線可發(fā)現(xiàn)，當(dāng)流量Q在300m3/h——700m3/h區(qū)間時(shí)泵功率η都超過了70%，在這個(gè)區(qū)間泵的軸功率N在35KW——41KW區(qū)間內(nèi)，此流量段是離心泵高效運(yùn)行區(qū)間。為了節(jié)省能量、保證離心泵高效運(yùn)行，本系統(tǒng)會(huì)將泵優(yōu)先選擇在此流量區(qū)間段運(yùn)行。3系統(tǒng)原理船上主機(jī)、輔機(jī)、制冷空調(diào)等設(shè)備發(fā)熱量過大無法通過風(fēng)機(jī)來完成降溫效果，需要使用淡水冷卻的方式來達(dá)到降溫的效果。淡水是封閉并且循環(huán)使用的，經(jīng)過與設(shè)備熱交換后的淡水溫度往往很高，無法再一次循環(huán)進(jìn)行冷卻工作。那么要怎樣如何冷卻循環(huán)后的高溫淡水呢？3.1制冷方式中央冷卻水節(jié)能系統(tǒng)就是使海水與循環(huán)后的高溫淡水進(jìn)行熱交換，完成二次冷卻的工作，從而達(dá)到降低淡水溫度的效果。淡水冷卻器示意圖如下：圖3-1淡水冷卻器示意圖1淡水管是曲折分布在板冷內(nèi)部，目的在于增加淡水與海水的熱交換面積提升冷卻效率。海水從板冷的底端、海水側(cè)抽入，與淡水進(jìn)行充分的熱交換后，從板冷的頂端、海水側(cè)流出。示意圖如下：圖3-2淡水冷卻器原理圖經(jīng)過與海水進(jìn)行熱交換后的淡水稱為低溫淡水，為達(dá)到主機(jī)冷卻的標(biāo)準(zhǔn)，淡水的溫度不能過高也不能過低。從板冷出來的淡水經(jīng)過三通閥測(cè)溫，若溫度過低三通閥會(huì)自動(dòng)調(diào)節(jié)高溫淡水側(cè)閥開度，使高溫淡水與低溫淡水相融合直至達(dá)到主機(jī)冷卻的溫限范圍內(nèi)。海水的溫度不會(huì)突變，一般海域最高水溫不超過32°C。當(dāng)設(shè)備的冷卻量變化、淡水循環(huán)溫度改變時(shí)，為了適應(yīng)淡水溫度的變化，我們需要通過改變海水的流量來制造出適宜的淡水冷卻量。如果長(zhǎng)時(shí)間以保持同一流量運(yùn)行，會(huì)因?yàn)槔鋮s量過大而導(dǎo)致能源浪費(fèi)。中央冷卻水節(jié)能系統(tǒng)是采集了各方面的信息在PLC中計(jì)算出系統(tǒng)最適宜的冷卻量，然后通過變頻器調(diào)整海水泵的轉(zhuǎn)速以滿足該冷卻量的海水流量需求，保證主機(jī)正常運(yùn)行同時(shí)也是本系統(tǒng)節(jié)能的核心點(diǎn)。3.2熱交換量系統(tǒng)的熱交換過程是主機(jī)、輔機(jī)運(yùn)行過程中散發(fā)的熱量，經(jīng)過淡水冷卻（一次熱傳遞）將部分熱量帶到板冷，再通過海水冷卻（二次熱傳遞）傳到大海。熱交換量就是指熱傳遞過程中淡水（或海水）所帶走的熱能量大小。海水在單位時(shí)間內(nèi)所帶走的熱量（本文簡(jiǎn)稱冷卻率）符號(hào)為p，單位為W。其計(jì)算公式如下：p=C△tQλ/3600式中：p為冷卻率單位為W；C為水的比熱容單位為J/（Kg·K）；△t為冷卻水經(jīng)過設(shè)備后的溫升單位為K；Q為經(jīng)過被冷卻設(shè)備的冷卻水流量單位為m3/hλ為冷卻淡水密度單位為Kg/m3參考主機(jī)運(yùn)行的負(fù)荷量以此類比出主機(jī)、輔機(jī)的發(fā)熱量，計(jì)算出主輔機(jī)的熱交換量需求后，通過冷卻率公式推算出淡水的熱交換量以及適應(yīng)的海水的流量。4功能描述本系統(tǒng)針對(duì)不同的地域、季節(jié)、主機(jī)輔機(jī)工況自動(dòng)調(diào)整管路流量，采集海水泵實(shí)時(shí)工況，建立數(shù)據(jù)比對(duì)系統(tǒng)，在滿足全船海水冷卻需求基礎(chǔ)上提供最優(yōu)運(yùn)行模式，最大范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)能源節(jié)約。系統(tǒng)控制示意圖如下：圖4-1系統(tǒng)控制示意圖1控制部分信號(hào)輸入作用：a.主、輔機(jī)功率反饋用于判斷系統(tǒng)冷卻量的需要。b.海水進(jìn)口溫度傳感器用來計(jì)算海水流量，控制變頻器轉(zhuǎn)速。c.海水出口溫度傳感器影響淡水冷卻量。d.淡水溫度傳感器用于變頻器反饋調(diào)節(jié)。e.壓力開關(guān)用于海水泵自動(dòng)啟動(dòng)，最小啟動(dòng)壓力為0.12mpa。f.海水進(jìn)口壓力傳感器用于變頻器反饋調(diào)節(jié)。g.主機(jī)高溫水三通閥開度顯示用于變頻器反饋調(diào)節(jié)。圖4-2系統(tǒng)控制示意圖2表4-1系統(tǒng)示意圖要點(diǎn)標(biāo)示1：控制單元2：上位機(jī)監(jiān)控臺(tái)3：變頻器（3臺(tái)）4：海水入口溫度5：海水出口溫度6：海水泵吸口壓力（3個(gè)）7：板冷海水側(cè)入口壓力8：板冷海水側(cè)出口壓力9：海水泵（3臺(tái)）10：淡水循環(huán)泵11：淡水入口溫度12：淡水出口溫度13：三通閥（溫控閥）14：淡水溫度控制單元15：板冷(熱交換器)圖4-3系統(tǒng)流程圖變頻器轉(zhuǎn)速控制是本系統(tǒng)的核心部分，采用變頻控制方法，針對(duì)離心海水泵的管路特性曲線，在滿足最小壓力，冷卻量的基礎(chǔ)上，結(jié)合主機(jī)發(fā)電機(jī)運(yùn)行工況，采用模糊控制法，設(shè)定最小流量需求，適時(shí)調(diào)整海水泵轉(zhuǎn)速。系統(tǒng)功能：a.結(jié)合海水、淡水進(jìn)出口溫度，主機(jī)、輔機(jī)運(yùn)行工況，控制海水泵運(yùn)行狀態(tài)。b.采集管路壓力，三通閥開度，海水、淡水進(jìn)出口溫度。適時(shí)自動(dòng)調(diào)整變頻器轉(zhuǎn)速。c.根據(jù)海水泵的運(yùn)行時(shí)間對(duì)比，自動(dòng)切換運(yùn)行時(shí)間較長(zhǎng)的泵，平衡泵的磨損。HMI監(jiān)控臺(tái)功能：a.實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)海水泵功率，建立功率比對(duì)表。b.主機(jī)、輔機(jī)功率監(jiān)視，實(shí)時(shí)監(jiān)控主、輔機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。c.海水進(jìn)出口溫度監(jiān)視，海水出口溫度不高于45℃。e.淡水進(jìn)出口溫度監(jiān)視，淡水出口溫度不高于36℃。f.變頻器及海水泵的運(yùn)行、故障、轉(zhuǎn)速、功率及運(yùn)行時(shí)間累計(jì)等信息顯示。手動(dòng)運(yùn)行模式下能實(shí)現(xiàn)選擇性啟動(dòng)海水泵、轉(zhuǎn)速控制等。g.報(bào)警日志，歷史報(bào)警記錄瀏覽。若PLC及觸摸屏發(fā)生故障時(shí)，在“自動(dòng)/手動(dòng)”運(yùn)行按鈕上選擇手動(dòng)運(yùn)行模式，能夠通過變頻器以衡功率直接啟動(dòng)或停止海水泵。變頻器發(fā)生故障時(shí)，PLC能自動(dòng)排除切換故障變頻器，啟動(dòng)備用海水泵，不影響整船海水冷卻系統(tǒng)。5方案應(yīng)用比較5.1硬件比較序號(hào)設(shè)備DESMI本項(xiàng)目比較1變頻器宜控（EMOTRON)ABBABB在變頻器領(lǐng)域一直處在領(lǐng)先地位，質(zhì)量、保修等都很有優(yōu)勢(shì)。通用性較強(qiáng)。今后產(chǎn)品的更新升級(jí)技術(shù)更新較快。2PLC歐姆龍SIEMENS西門子市場(chǎng)占有率第一，設(shè)備更新快，通用性好，技術(shù)支持較全面。3HMIFATEKFATEK是國(guó)內(nèi)比較有市場(chǎng)的觸摸屏品牌，價(jià)格實(shí)惠、靈敏度高、反應(yīng)快，并且其使用壽命及穩(wěn)定性都很好。5.2方案比較序號(hào)DESMI研究方案1主要以海水、淡水側(cè)進(jìn)出口溫度作為基準(zhǔn)，由于設(shè)計(jì)海水進(jìn)口溫度為32℃，不同海域海水溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于此設(shè)計(jì)值，依靠此富余溫差來實(shí)現(xiàn)節(jié)能效果。方案中除了考慮海水進(jìn)出口溫度因素，增加主機(jī)、輔機(jī)等設(shè)備的實(shí)際功率，并以實(shí)際功率對(duì)應(yīng)的冷卻量為控制基準(zhǔn)，對(duì)海水泵進(jìn)行預(yù)變頻調(diào)速，適應(yīng)性較好且系統(tǒng)安全、穩(wěn)定，更能達(dá)到系統(tǒng)節(jié)能效果，控制方式為首創(chuàng)。2無反沖洗功能在沒有裝反沖洗裝置的情況下，通過PLC數(shù)據(jù)積累計(jì)算，自動(dòng)調(diào)整變頻器轉(zhuǎn)速，達(dá)到反沖洗功能。3設(shè)備調(diào)試及設(shè)備保修需要編程人員親自解決，靈活性較差。程序模塊化、通過界面直接手動(dòng)輸入相關(guān)設(shè)備參數(shù)，任何調(diào)試人員都能完成設(shè)備的調(diào)試、保修等。4直接控制溫控閥開度，采集溫控閥之后海水溫度，控制精度出現(xiàn)偏差時(shí)會(huì)影響淡水側(cè)設(shè)備使用功能。采集淡水溫控閥之前海水溫度及其溫控閥開度信號(hào)，作為海水泵變頻調(diào)速要素之一，保留原有溫控閥功能獨(dú)立性，確保淡水側(cè)設(shè)備使用穩(wěn)定性與安全性。5傳統(tǒng)工業(yè)控制界面圖形界面由專業(yè)美工人員進(jìn)行制作，配色。6根據(jù)泵的運(yùn)行時(shí)間，自動(dòng)切換海水泵的啟動(dòng)順序，確保泵的均衡運(yùn)行，及早發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)備潛在問題，提早維護(hù)。7系統(tǒng)擴(kuò)展性能良好，如：增加機(jī)艙風(fēng)機(jī)能耗控制系統(tǒng)，拓展成本遠(yuǎn)低于增加系統(tǒng)，市場(chǎng)空間較大。6節(jié)能計(jì)算系統(tǒng)組成設(shè)備成本計(jì)算表6-1系統(tǒng)設(shè)備采購(gòu)清單設(shè)備名稱規(guī)格型號(hào)數(shù)量品牌價(jià)格（元）觸摸屏FT104NT-T51R1FATEK1,800控制單元1214C+模塊1SIEMENS9,300變頻器ACS510-01-09A4-43ABB75,000離心泵SCD-450E3兵神設(shè)備68,000傳感器壓力開關(guān)、壓力傳感器、溫度傳感器98,600控制柜電纜、接觸器、繼電器、開關(guān)、指示燈等若干06,800系統(tǒng)硬件成本不超過20萬人民幣，加上系統(tǒng)的組裝、調(diào)試等費(fèi)用預(yù)計(jì)不超過28萬人民幣。DESMI的系統(tǒng)報(bào)價(jià)是58,000美金，相對(duì)本方案而言DESMI成本較低。常規(guī)設(shè)計(jì)下，冷卻海水進(jìn)口溫度通常以32℃為準(zhǔn)，配合額定轉(zhuǎn)速，恒流量的海水泵提供全船供水量。但在不同地域及季節(jié)，海水溫度相差很多，甚至可以低至0℃。導(dǎo)致海水流量的過度，資源浪費(fèi)。以（海水泵流量450m3/h，功率45kw，總裝機(jī)功率130000kw）海水進(jìn)口溫度25℃、海水出口溫度45℃為例：根據(jù)冷卻率公式p=C△tQλ/3600△t海水冷卻后的溫升（海水進(jìn)出口溫差）△t（1）=（45-32）℃△t（2）=（45-25）℃Q經(jīng)過被冷卻設(shè)備的冷卻水流量（海水流量）Q（1）=450m3/hQ（2）=xλ冷卻淡水密度λ（1）=λ（2）C水的比熱容C（1）=C（2）當(dāng)冷卻率相等時(shí)可計(jì)算出x=292.5m3/h（292.5/450）x100%=65%以變頻控制方式進(jìn)行海水流量調(diào)節(jié)可以節(jié)約35%的水泵耗電量。通常主機(jī)、發(fā)電機(jī)在不同工況下熱交換差異較大。以主機(jī)為例，功率為50%時(shí)，低溫淡水冷卻量為額定狀態(tài)下的50.2%。常規(guī)設(shè)計(jì)采用額定轉(zhuǎn)速，恒流量的海水泵提供全船供水。導(dǎo)致海水流量過度，資源浪費(fèi)。以主機(jī)（額定功率130000Kw）、輔機(jī)（3臺(tái)1850Kw）按實(shí)際功率85%計(jì)算，以變頻控制方式進(jìn)行海水流量調(diào)節(jié)。每天節(jié)能約5%。7結(jié)論本系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究的為實(shí)現(xiàn)：在滿足最小壓力、冷卻量等使用要求基礎(chǔ)上，達(dá)到最佳節(jié)能效果；在滿足傳統(tǒng)控制要求基礎(chǔ)上增加自動(dòng)啟動(dòng)、自動(dòng)調(diào)速及節(jié)能數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)等功能；自動(dòng)啟動(dòng)功能根據(jù)船舶負(fù)荷情況（包括主機(jī)功耗、輔機(jī)功耗、空調(diào)運(yùn)行狀態(tài)）自動(dòng)判斷海水泵啟動(dòng)數(shù)目，并根據(jù)海水出口壓力開關(guān)判斷海水泵運(yùn)行狀況是否良好；自動(dòng)調(diào)速功能根據(jù)板冷側(cè)海水及淡水進(jìn)出口溫度，自動(dòng)調(diào)節(jié)海水泵轉(zhuǎn)速；節(jié)能數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)功能通過PLC實(shí)時(shí)接收變頻器反饋信號(hào)，對(duì)功率、電流、排壓、溫度等信息進(jìn)行綜合整理，數(shù)據(jù)積累，為今后系統(tǒng)的升級(jí)提供數(shù)據(jù)保障。中央冷卻水節(jié)能系統(tǒng)為成為新時(shí)代節(jié)能的典范，引領(lǐng)船舶行業(yè)向能源高效化方向發(fā)展而不斷改進(jìn)、優(yōu)化。本系統(tǒng)處于研究開發(fā)階段，尚未在實(shí)船上使用。系統(tǒng)沒有發(fā)展到完美階段，在使用過程中可能會(huì)出現(xiàn)：主機(jī)熱交換量變化較大，海水冷卻具有一定的延時(shí)性；離心泵的功率和流量曲線無法繪制，存在一定的偶然性等問題。為此本項(xiàng)目沒有終止實(shí)驗(yàn)，為開發(fā)出一套完整、高效、穩(wěn)定的節(jié)能系統(tǒng)繼續(xù)努力。

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