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

1、<p><b>　　畢 業(yè) 論 文</b></p><p>　　題目： 中央冷卻水節(jié)能系統(tǒng)設(shè)計 </p><p>　　系 別： 船舶工程學院 </p><p>　　專 業(yè)： 船舶電氣工程技術(shù) </p><p>　　2014年 5月 20日</p>

2、<p><b>　　摘要</b></p><p>　　受全球能源緊張和全球溫度上升影響，節(jié)能技術(shù)越來越受世界各地的關(guān)注，現(xiàn)今的中央冷卻水系統(tǒng)幾乎都存在海水泵功率較大，運行時間長，海水泵控制技術(shù)一直停留在人工控制階段等問題，造成較嚴重的“大馬拉小車”現(xiàn)象。為此，如何高效利用海水泵成為關(guān)鍵問題之一。通過調(diào)查，越來越多的船東在造船過程中傾向于海水泵變頻調(diào)速控制中央冷卻系統(tǒng)。</p

3、><p>　　中央冷卻水節(jié)能系統(tǒng)是針對以往的海水冷卻系統(tǒng)進行優(yōu)化升級的設(shè)計，以FATEK HMI——FT104NT-T51R作為上位機監(jiān)控臺、SIEMENS 1214C作為下位機控制器、ABB ACS510-01 (50KW)作為驅(qū)動海水泵電機的變頻器，綜合了主機輔機運行功率、海水溫度、淡水溫度、溫控閥開度等多方面因素來計算變頻控制法自動調(diào)節(jié)海水的最低適應(yīng)流量，實現(xiàn)能源高效利用。</p><p&g

4、t;　　關(guān)鍵詞：節(jié)能、變頻調(diào)速、模糊控制</p><p><b>　　ABSTRACT</b></p><p>　　Affected by the global energy crisis and the global temperature rise, energy-saving technology attract increasingly attention a

5、ll over the world. Nowadays, Central cooling water system almost all exist some problems, such as power seawater pump is too large, long operation time, water pump control technology still bog down in the artificial cont

6、rol phase causing seriously phenomenon " Waste one's talent on a petty job". So, how to use seawater pump efficiently has become one of the crux of it</p><p>　　Energy saving system of centra

7、l cooling water, designed for seawater cooling system optimization and upgrading of the past, is mainly in the FATEK HMI——FT104NT-T51R as upper computer monitoring platform, SIEMENS 1214C as controller, and ABB ACS510-01

8、 (50KW) as inverter to drive water pump motor, which calculate the frequency control method to adjust the minimum flow of so as to achieve the efficient use of energy, automatically by combining many factors such as the

9、host power、the auxiliary power</p><p>　　ANTISTOP: Energy Saving、Variable-Frequency Drive、Fuzzy Control</p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　1 緒論1</b></p>&

10、lt;p><b>　　1.1背景介紹1</b></p><p><b>　　1.2研究目的1</b></p><p><b>　　2 系統(tǒng)構(gòu)成2</b></p><p><b>　　2.1系統(tǒng)架構(gòu)2</b></p><p><b>

11、　　2.2系統(tǒng)組成4</b></p><p>　　2.2.1上位機4</p><p>　　2.2.2控制器4</p><p>　　2.2.3變頻器5</p><p>　　2.2.4海水泵8</p><p><b>　　3 系統(tǒng)原理12</b></p><

12、p>　　3.1制冷方式12</p><p>　　3.2熱交換量14</p><p><b>　　4 功能描述15</b></p><p>　　5 方案應(yīng)用比較19</p><p>　　5.1硬件比較19</p><p>　　5.2方案比較19</p><p&g

13、t;<b>　　6 節(jié)能計算21</b></p><p><b>　　7 結(jié)論23</b></p><p><b>　　1 緒論</b></p><p><b>　　1.1背景介紹</b></p><p>　　受全球能源緊張和全球溫度上升影響，節(jié)能技術(shù)

14、越來越受船東的關(guān)注，然而海水泵功率較大，運行時間長，海水泵控制技術(shù)一直停留在人工控制階段，存在著較嚴重的“大馬拉小車”現(xiàn)象。常規(guī)設(shè)計下，冷卻海水進口溫度最高為32℃，主機、輔機等按額定功率下的熱交換量進行計算，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，不同工況下，主機、輔機的熱交換量各不相同，導致海水流量過度，資源浪費。通過調(diào)查，越來越多的船東在造船過程中傾向于海水泵變頻調(diào)速控制中央冷卻系統(tǒng)，而國

15、內(nèi)暫無廠家有相關(guān)方面的技術(shù)能力，國外廠家報價偏高，控制過于單一，很難滿足船舶事業(yè)發(fā)展的需求。</p><p><b>　　1.2研究目的</b></p><p>　　由于油耗問題，在船舶升級改造過程中，節(jié)能型的冷卻系統(tǒng)是所有商家都關(guān)注的，對于降低能耗、提高能源利用效率的關(guān)鍵在于如何高效利用海水泵。</p><p>　　自動變頻控制海水泵轉(zhuǎn)速就是

16、針對傳統(tǒng)的高能耗、底效率的海水冷卻系統(tǒng)進行優(yōu)化升級，綜合了主機輔機運行功率、海水溫度、淡水溫度、溫控閥開度等多方面因素來計算變頻控制法自動調(diào)節(jié)海水的最低適應(yīng)流量，實現(xiàn)能源高效利用，最大程度的減少多余的能源消耗。</p><p>　　通過與CCS、CL、DNV等船級社溝通，海水泵變頻節(jié)能系統(tǒng)只對變頻器有證書要求，其他系統(tǒng)設(shè)備并無特別要求，所以船東并不用考慮成本過高的問題。中央冷卻水節(jié)能系統(tǒng)為在各類大型船舶上都能適用

17、會不斷改進、更新、提高節(jié)能效率，為推進國內(nèi)船舶事業(yè)的發(fā)展貢獻微薄之力。</p><p><b>　　2 系統(tǒng)構(gòu)成</b></p><p>　　本章主要詳細描述中央冷卻水節(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、性能分析將會在本章深入介紹。</p><p><b

18、>　　2.1系統(tǒng)架構(gòu)</b></p><p>　　中央冷卻水節(jié)能系統(tǒng)是基于SIEMENS 1214C PLC控制的信息化應(yīng)用系統(tǒng)；操作員站由FATEK HMI——FT104NT-T51R（10.4寸）來完成報警監(jiān)控、參數(shù)修改、報警歷史閱覽等功能，同時可以實時監(jiān)控整個系統(tǒng)的工作狀態(tài)；ABB ACS510-01 (50KW)作為驅(qū)動海水泵電機的變頻器，其架構(gòu)如下圖示：</p><

19、p>　　圖2-1 中央冷卻水節(jié)能系統(tǒng)架構(gòu)圖</p><p><b>　　2.2系統(tǒng)組成</b></p><p><b>　　2.2.1上位機</b></p><p>　　相對SIEMENS的觸摸屏該款FATEK HMI——FT104NT-T51R（10.4寸）的人機界面有著靈敏度高、色彩豐富、背光時間長、價格便宜

20、等優(yōu)勢，參數(shù)表如下：</p><p>　　表2-1 FT104NT-T51R參數(shù)表</p><p>　　使用人機界面建立操作員站能完成系統(tǒng)的報警監(jiān)控、參數(shù)修改、報警歷史閱覽等功能，同時可以實時監(jiān)控整個系統(tǒng)的工作狀態(tài)，其意義在于：便捷、高效地監(jiān)控系統(tǒng)運行；提高操作員的工作環(huán)境質(zhì)量。</p><p><b>　　2.2.2控制器</b></

21、p><p>　　本系統(tǒng)使用了SIEMENS 1214C CPU以及1個SM1221 DIX8數(shù)字量輸入模塊、2個SM1231 AIX8模擬量輸入模塊、1個SM1231 AIX4模擬量輸入模塊、1個SM1231 AOX4模擬量輸出模塊。完成系統(tǒng)的信號采集、計算處理、命令發(fā)出，是本系統(tǒng)的信息處理及信息交換中心。</p><p><b>　　2.2.3變頻器</b></p

22、><p>　　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行業(yè)的認可，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ACS510-01-09A4-4是ABB的一款低壓交流傳動裝置：</p><p>　　Input U1 3——380…480V</p><p><b>　

23、　I1N 9.4A</b></p><p>　　F1 48…63HZ</p><p>　　Output U2 3——0…U1V</p><p><b>　　I2N 9.4A</b></p><p>　　F2 0…500HZ</p><p>　　Motor P

24、N 4 KW</p><p>　　IP 2040</p><p>　　ACS510-01-09A4-4支持MODBUS協(xié)議通信，同時支持以太網(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MODBUS協(xié)議通信或Ethernet通信端子控制方式有簡單、穩(wěn)定、精確等優(yōu)點，ACS5

25、10端子圖如下：</p><p>　　圖2-3 ACS510-01變頻器端子接線圖1</p><p>　　圖2-4 ACS510-01變頻器端子接線圖2</p><p><b>　　2.2.4海水泵</b></p><p>　　MAIN COOLING S.W.PUMP是日本兵神的一款離心泵，泵體是銅鑄造的，可以長時間的

26、防止被海水侵蝕，交替使用、平衡磨損泵的壽命可達二十年以上。其示意圖及泵參數(shù)如下：</p><p><b>　　Ship NO.</b></p><p><b>　　Messrs</b></p><p>　　Pump Name MAIN COOLING S.W.PUMP</p><p&

27、gt;　　Pump Type SCD-450E</p><p>　　Capacity 450m³/h</p><p>　　Total Press 0.25MPa</p><p>　　Suc. Press -0.05MPa</p><p>　　Motor 45KW</p><

28、p>　　Pump Speed 1760min-1</p><p>　　Expected Date Sheet</p><p>　　H-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。不同型號的離心泵，H-Q曲線形狀有所不同。</p><p>　　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Q=0時，泵

29、軸消耗的功率最小。</p><p>　　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，達到最大點后隨Q的增大而減小。該曲線的最大值相當于效率的最高點。泵在該點所對應(yīng)的壓頭和流量下操作，其效率最高稱為離心泵的設(shè)計點。</p><p>　　當轉(zhuǎn)速由n1改變?yōu)閚2時其流量Q、壓頭H、功率N的近似關(guān)系為：</p><p>　　Centrifugal pum

30、p curve</p><p>　　圖2-6 離心泵特性曲線</p><p>　　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。</p><p>　　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；</p><p>　

31、　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，當流量達到560 m³/h 以上時，流量Q增大軸功率N減??；</p><p>　　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，達到最大點（近似460 m³/h ）后隨流量Q的增大而減小，所以當流量 Q = 460 m³/h 時泵的運行效率最高。</p><

32、p>　　綜合三條曲線可發(fā)現(xiàn)，當流量Q在300m³/h —— 700m³/h 區(qū)間時泵功率η都超過了70% ，在這個區(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行區(qū)間。為了節(jié)省能量、保證離心泵高效運行，本系統(tǒng)會將泵優(yōu)先選擇在此流量區(qū)間段運行。</p><p><b>　　3 系統(tǒng)原理</b></p><p>　　船

33、上主機、輔機、制冷空調(diào)等設(shè)備發(fā)熱量過大無法通過風機來完成降溫效果，需要使用淡水冷卻的方式來達到降溫的效果。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)進行冷卻工作。那么要怎樣如何冷卻循環(huán)后的高溫淡水呢？</p><p><b>　　3.1制冷方式</b></p><p>　　中央冷卻水節(jié)能系統(tǒng)就是使海水與循環(huán)后的高溫淡水進行熱交換，完

34、成二次冷卻的工作，從而達到降低淡水溫度的效果。淡水冷卻器示意圖如下：</p><p>　　圖3-1 淡水冷卻器示意圖1</p><p>　　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：</p><p>　　圖3-2 淡水冷卻器原理圖<

35、;/p><p>　　經(jīng)過與海水進行熱交換后的淡水稱為低溫淡水，為達到主機冷卻的標準，淡水的溫度不能過高也不能過低。從板冷出來的淡水經(jīng)過三通閥測溫，若溫度過低三通閥會自動調(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到主機冷卻的溫限范圍內(nèi)。</p><p>　　海水的溫度不會突變，一般海域最高水溫不超過32°C。當設(shè)備的冷卻量變化、淡水循環(huán)溫度改變時，為了適應(yīng)淡水溫度的變化，我

36、們需要通過改變海水的流量來制造出適宜的淡水冷卻量。如果長時間以保持同一流量運行，會因為冷卻量過大而導致能源浪費。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，保證主機正常運行同時也是本系統(tǒng)節(jié)能的核心點。</p><p><b>　　3.2熱交換量</b></p><p>　　系統(tǒng)的

37、熱交換過程是主機、輔機運行過程中散發(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。</p><p>　　海水在單位時間內(nèi)所帶走的熱量（本文簡稱冷卻率）符號為p ，單位為W 。其計算公式如下：</p><p>　　p=C △t Q λ /3600</p><p>

38、　　式中：p為冷卻率 單位為W；</p><p>　　C為水的比熱容 單位為J/（Kg·K）；</p><p>　　△t為冷卻水經(jīng)過設(shè)備后的溫升 單位為K；</p><p>　　Q為經(jīng)過被冷卻設(shè)備的冷卻水流量 單位為m³/h</p>

39、<p>　　λ為冷卻淡水密度 單位為Kg/m³</p><p>　　參考主機運行的負荷量以此類比出主機、輔機的發(fā)熱量，計算出主輔機的熱交換量需求后，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。</p><p><b>　　4 功能描述</b></p><p>　　本系統(tǒng)針對不同的地

40、域、季節(jié)、主機輔機工況自動調(diào)整管路流量，采集海水泵實時工況，建立數(shù)據(jù)比對系統(tǒng)，在滿足全船海水冷卻需求基礎(chǔ)上提供最優(yōu)運行模式，最大范圍內(nèi)實現(xiàn)能源節(jié)約。系統(tǒng)控制示意圖如下：</p><p>　　圖4-1 系統(tǒng)控制示意圖1</p><p>　　控制部分信號輸入作用：</p><p>　　a.主、輔機功率反饋用于判斷系統(tǒng)冷卻量的需要。</p><p&g

41、t;　　b.海水進口溫度傳感器用來計算海水流量，控制變頻器轉(zhuǎn)速。</p><p>　　c.海水出口溫度傳感器影響淡水冷卻量。</p><p>　　d.淡水溫度傳感器用于變頻器反饋調(diào)節(jié)。</p><p>　　e.壓力開關(guān)用于海水泵自動啟動，最小啟動壓力為0.12mpa。</p><p>　　f.海水進口壓力傳感器用于變頻器反饋調(diào)節(jié)。</p

42、><p>　　g.主機高溫水三通閥開度顯示用于變頻器反饋調(diào)節(jié)。</p><p>　　圖4-2 系統(tǒng)控制示意圖2</p><p>　　表4-1 系統(tǒng)示意圖要點標示</p><p>　　圖4-3 系統(tǒng)流程圖</p><p>　　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，針對離心海水泵的管路特性曲線，在滿足最小壓力

43、，冷卻量的基礎(chǔ)上，結(jié)合主機發(fā)電機運行工況，采用模糊控制法，設(shè)定最小流量需求，適時調(diào)整海水泵轉(zhuǎn)速。系統(tǒng)功能：</p><p>　　a.結(jié)合海水、淡水進出口溫度，主機、輔機運行工況，控制海水泵運行狀態(tài)。</p><p>　　b.采集管路壓力，三通閥開度，海水、淡水進出口溫度。適時自動調(diào)整變頻器轉(zhuǎn)速。</p><p>　　c.根據(jù)海水泵的運行時間對比，自動切換運行時間較長

44、的泵，平衡泵的磨損。</p><p><b>　　HMI監(jiān)控臺功能：</b></p><p>　　a.實時監(jiān)測海水泵功率，建立功率比對表。</p><p>　　b.主機、輔機功率監(jiān)視，實時監(jiān)控主、輔機的運行狀態(tài)。</p><p>　　c.海水進出口溫度監(jiān)視，海水出口溫度不高于45℃。</p><p&g

45、t;　　e.淡水進出口溫度監(jiān)視，淡水出口溫度不高于36℃。</p><p>　　f.變頻器及海水泵的運行、故障、轉(zhuǎn)速、功率及運行時間累計等信息顯示。手動運行模式下能實現(xiàn)選擇性啟動海水泵、轉(zhuǎn)速控制等。</p><p>　　g.報警日志，歷史報警記錄瀏覽。</p><p>　　若PLC及觸摸屏發(fā)生故障時，在“自動/手動”運行按鈕上選擇手動運行模式，能夠通過變頻器以衡功率

46、直接啟動或停止海水泵。變頻器發(fā)生故障時，PLC能自動排除切換故障變頻器，啟動備用海水泵，不影響整船海水冷卻系統(tǒng)。</p><p><b>　　5 方案應(yīng)用比較</b></p><p><b>　　5.1硬件比較</b></p><p><b>　　5.2方案比較</b></p><

47、p><b>　　6 節(jié)能計算</b></p><p>　　系統(tǒng)組成設(shè)備成本計算</p><p>　　表6-1 系統(tǒng)設(shè)備采購清單</p><p>　　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)試等費用預計不超過28萬人民幣。DESMI的系統(tǒng)報價是58,000美金，相對本方案而言DESMI成本較低。</p><

48、p>　　常規(guī)設(shè)計下，冷卻海水進口溫度通常以32℃為準，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℃。導致海水流量的過度，資源浪費。以（海水泵流量450m³/h，功率45kw，總裝機功率130000kw）海水進口溫度25℃、海水出口溫度45℃為例：</p><p>　　根據(jù)冷卻率公式 p=C △t Q λ /3600 </p>

49、;<p>　　△t海水冷卻后的溫升（海水進出口溫差）△t（1）=（45-32）℃</p><p>　　△t（2）=（45-25）℃</p><p>　　Q經(jīng)過被冷卻設(shè)備的冷卻水流量（海水流量）Q（1）= 450m³/h</p><p><b>　　Q（2）= x</b></p><p>　　λ冷卻

50、淡水密度 λ（1）= λ（2）</p><p>　　C水的比熱容 C（1）= C（2）</p><p>　　當冷卻率相等時可計算出x = 292.5 m³/h</p><p>　?。?92.5/450）x 100% = 65% 以變頻控制方式進行海水流量調(diào)節(jié)可以節(jié)約35% 的水泵耗電量。</p><p>　　通常主機、發(fā)電機在不

51、同工況下熱交換差異較大。以主機為例，功率為50%時，低溫淡水冷卻量為額定狀態(tài)下的50.2%。常規(guī)設(shè)計采用額定轉(zhuǎn)速，恒流量的海水泵提供全船供水。導致海水流量過度，資源浪費。以主機（額定功率130000Kw）、輔機（3臺1850Kw）按實際功率85%計算，以變頻控制方式進行海水流量調(diào)節(jié)。每天節(jié)能約5%。</p><p><b>　　7 結(jié)論</b></p><p>　　本

52、系統(tǒng)設(shè)計研究的為實現(xiàn)：</p><p>　　在滿足最小壓力、冷卻量等使用要求基礎(chǔ)上，達到最佳節(jié)能效果；在滿足傳統(tǒng)控制要求基礎(chǔ)上增加自動啟動、自動調(diào)速及節(jié)能數(shù)據(jù)統(tǒng)計等功能；自動啟動功能根據(jù)船舶負荷情況（包括主機功耗、輔機功耗、空調(diào)運行狀態(tài)）自動判斷海水泵啟動數(shù)目，并根據(jù)海水出口壓力開關(guān)判斷海水泵運行狀況是否良好；自動調(diào)速功能根據(jù)板冷側(cè)海水及淡水進出口溫度，自動調(diào)節(jié)海水泵轉(zhuǎn)速；節(jié)能數(shù)據(jù)統(tǒng)計功能通過PLC實時接收變頻器

53、反饋信號，對功率、電流、排壓、溫度等信息進行綜合整理，數(shù)據(jù)積累，為今后系統(tǒng)的升級提供數(shù)據(jù)保障。中央冷卻水節(jié)能系統(tǒng)為成為新時代節(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、優(yōu)化。</p><p>　　本系統(tǒng)處于研究開發(fā)階段，尚未在實船上使用。系統(tǒng)沒有發(fā)展到完美階段，在使用過程中可能會出現(xiàn)：主機熱交換量變化較大，海水冷卻具有一定的延時性；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。為此本項目沒有

54、終止實驗，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。參 考 文 獻</p><p>　　[1] FATEK HMI《FT104NT-T51R》使用說明書，第3頁。</p><p>　　[2] ABB《ACS510-01-09A4-4用戶手冊》，第15-17頁。</p><p>　　[3] 兵神設(shè)備《WBSCD離心泵產(chǎn)品手冊》，第8-12頁SCD-450E