本科毕业论文---中央冷却水节能系统设计.doc

广 州 航 海 学 院毕 业 论 文题目： 中央冷却水节能系统设计 系 别： 船舶工程学院 专 业： 船舶电气工程技术 班 级: 船电111 姓 名: 梅岳燚 学 号: 20111316121 指导教师: 白 明 2014年 5月 20日广州航海学院毕业论文摘要受全球能源紧张和全球温度上升影响，节能技术越来越受世界各地的关注，现今的中央冷却水系统几乎都存在海水泵功率较大，运行时间长，海水泵控制技术一直停留在人工控制阶段等问题，造成较严重的“大马拉小车”现象。为此，如何高效利用海水泵成为关键问题之一。通过调查，越来越多的船东在造船过程中倾向于海水泵变频调速控制中央冷却系统。中央冷却水节能系统是针对以往的海水冷却系统进行优化升级的设计，以FATEK HMIFT104NT-T51R作为上位机监控台、SIEMENS 1214C作为下位机控制器、ABB ACS510-01 (50KW)作为驱动海水泵电机的变频器，综合了主机辅机运行功率、海水温度、淡水温度、温控阀开度等多方面因素来计算变频控制法自动调节海水的最低适应流量，实现能源高效利用。关键词：节能、变频调速、模糊控制ABSTRACTAffected by the global energy crisis and the global temperature rise, energy-saving technology attract increasingly attention all 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 control phase causing seriously phenomenon Waste ones talent on a petty job. So, how to use seawater pump efficiently has become one of the crux of it. Through the investigation, more and more SHIPOWNERS tend to choose seawater pump variable frequency speed to control the central cooling system in shipbuilding process.Energy saving system of central cooling water, designed for seawater cooling system optimization and upgrading of the past, is mainly in the FATEK HMIFT104NT-T51R as upper computer monitoring platform, SIEMENS 1214C as controller, and ABB ACS510-01 (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 host power、the auxiliary power、seawater and fresh water temperature、temperature control valve opening and so on. ANTISTOP: Energy Saving、Variable-Frequency Drive、Fuzzy Control广州航海学院毕业论文目录1 绪论1 1.1背景介绍1 1.2研究目的12 系统构成2 2.1系统架构2 2.2系统组成42.2.1上位机42.2.2控制器42.2.3变频器52.2.4海水泵83 系统原理12 3.1制冷方式12 3.2热交换量144 功能描述155 方案应用比较19 5.1硬件比较19 5.2方案比较196 节能计算217 结论231 绪论1.1背景介绍受全球能源紧张和全球温度上升影响，节能技术越来越受船东的关注，然而海水泵功率较大，运行时间长，海水泵控制技术一直停留在人工控制阶段，存在着较严重的“大马拉小车”现象。常规设计下，冷却海水进口温度最高为32，主机、辅机等按额定功率下的热交换量进行计算，配合额定转速，恒流量的海水泵提供全船供水量。但在不同地域及季节，海水温度相差很多，不同工况下，主机、辅机的热交换量各不相同，导致海水流量过度，资源浪费。通过调查，越来越多的船东在造船过程中倾向于海水泵变频调速控制中央冷却系统，而国内暂无厂家有相关方面的技术能力，国外厂家报价偏高，控制过于单一，很难满足船舶事业发展的需求。1.2研究目的由于油耗问题，在船舶升级改造过程中，节能型的冷却系统是所有商家都关注的，对于降低能耗、提高能源利用效率的关键在于如何高效利用海水泵。 自动变频控制海水泵转速就是针对传统的高能耗、底效率的海水冷却系统进行优化升级，综合了主机辅机运行功率、海水温度、淡水温度、温控阀开度等多方面因素来计算变频控制法自动调节海水的最低适应流量，实现能源高效利用，最大程度的减少多余的能源消耗。通过与CCS、CL、DNV等船级社沟通，海水泵变频节能系统只对变频器有证书要求，其他系统设备并无特别要求，所以船东并不用考虑成本过高的问题。中央冷却水节能系统为在各类大型船舶上都能适用会不断改进、更新、提高节能效率，为推进国内船舶事业的发展贡献微薄之力。第 1 页 共 28 页2 系统构成本章主要详细描述中央冷却水节能系统的网络组成、系统设备结构说明及系统硬件设备方面的优势说明。变频器转速控制是本系统的核心部分，变频器和离心泵的资料、性能分析将会在本章深入介绍。2.1系统架构中央冷却水节能系统是基于SIEMENS 1214C PLC控制的信息化应用系统；操作员站由FATEK HMIFT104NT-T51R（10.4寸）来完成报警监控、参数修改、报警历史阅览等功能，同时可以实时监控整个系统的工作状态；ABB ACS510-01 (50KW)作为驱动海水泵电机的变频器，其架构如下图示：图2-1 中央冷却水节能系统架构图2.2系统组成2.2.1上位机相对SIEMENS的触摸屏该款FATEK HMIFT104NT-T51R（10.4寸）的人机界面有着灵敏度高、色彩丰富、背光时间长、价格便宜等优势，参数表如下：表2-1 FT104NT-T51R参数表项目规格显示屏种类高彩TFT（65536色）背光模块LED背光（50,000小时以上/常温下）亮度(cd/)400分辨率(像素)800600显示尺寸10.4 操作方式触控式、4线电阻式、表面硬度4H输入电源DC20VDC28V消耗功率15WCE符合EN55022，EN61000-4-2，EN61000-4-3，EN61000-4-8前面板防水设计符合NEMA4, IP65F冷却方式自然冷却外观尺寸(宽高深)标准型:270x212x42.5mm开孔尺寸(宽高)标准型:259201mm通信方式以太网使用人机界面建立操作员站能完成系统的报警监控、参数修改、报警历史阅览等功能，同时可以实时监控整个系统的工作状态，其意义在于：便捷、高效地监控系统运行；提高操作员的工作环境质量。2.2.2控制器本系统使用了SIEMENS 1214C CPU以及1个SM1221 DIX8数字量输入模块、2个SM1231 AIX8模拟量输入模块、1个SM1231 AIX4模拟量输入模块、1个SM1231 AOX4模拟量输出模块。完成系统的信号采集、计算处理、命令发出，是本系统的信息处理及信息交换中心。2.2.3变频器图2-2 ACS510-01变频器变频器是系统节能的关键所在，也是系统中唯一有特别证书要求的设备。ABB是全球知名的大品牌，其质量也得到了船舶以及各个行业的认可，ABB在世界各地都有服务公司提供专业的保修服务。 型号ACS510-01-09A4-4是ABB的一款低压交流传动装置：Input U1 3380480V I1N 9.4A F1 4863HZOutput U2 30U1V I2N 9.4A F2 0500HZMotor PN 4 KWIP 2040ACS510-01-09A4-4支持MODBUS协议通信，同时支持以太网通信，通信广泛便捷。本系统不使用MODBUS协议通信或Ethernet通信的方式控制，只需使用变频器自带的模拟量端子及继电器输入输出端子控制。相对MODBUS协议通信或Ethernet通信端子控制方式有简单、稳定、精确等优点，ACS510端子图如下：图2-3 ACS510-01变频器端子接线图1图2-4 ACS510-01变频器端子接线图22.2.4海水泵MAIN COOLING S.W.PUMP是日本兵神的一款离心泵，泵体是铜铸造的，可以长时间的防止被海水侵蚀，交替使用、平衡磨损泵的寿命可达二十年以上。其示意图及泵参数如下：Ship NO.MessrsPump Name MAIN COOLING S.W.PUMP图2-5 离心泵Pump Type SCD-450ECapacity 450m/hTotal Press 0.25MPaSuc. Press -0.05MPaMotor 45KWPump Speed 1760min-1Expected Date SheetQ(m/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曲线表示泵的流量Q和压头H的关系。离心泵的压头在交大流量范围内是随流量增大而减小的。不同型号的离心泵，H-Q曲线形状有所不同。N-Q曲线表示泵的流量Q与轴功率N的关系，N随Q的增大而增大。当Q=0时，泵轴消耗的功率最小。-Q曲线表示泵的流量Q与效率的关系，开始随Q的增大而增大，达到最大点后随Q的增大而减小。该曲线的最大值相当于效率的最高点。泵在该点所对应的压头和流量下操作，其效率最高称为离心泵的设计点。当转速由n1改变为n2时其流量Q、压头H、功率N的近似关系为：Centrifugal pump curve图2-6 离心泵特性曲线图中的三条曲线由上而下分别是H-Q（压头与流量关系）曲线、N-Q（轴功率与流量关系）曲线和-Q（泵效率与流量关系）曲线。H-Q（压头与流量关系）曲线中压头压力H是随流量Q增大而减小的，在一定流量范围内近似直线下降趋势；N-Q（轴功率与流量关系）曲线中轴功率N随流量Q增大而增大，当流量达到560 m/h 以上时，流量Q增大轴功率N减小；-Q（泵效率与流量关系）曲线中开始泵功率随流量Q的增大而增大，达到最大点（近似460 m/h ）后随流量Q的增大而减小，所以当流量 Q = 460 m/h 时泵的运行效率最高。综合三条曲线可发现，当流量Q在300m/h 700m/h 区间时泵功率都超过了70% ，在这个区间泵的轴功率N在35KW 41KW 区间内，此流量段是离心泵高效运行区间。为了节省能量、保证离心泵高效运行，本系统会将泵优先选择在此流量区间段运行。3 系统原理 船上主机、辅机、制冷空调等设备发热量过大无法通过风机来完成降温效果，需要使用淡水冷却的方式来达到降温的效果。淡水是封闭并且循环使用的，经过与设备热交换后的淡水温度往往很高，无法再一次循环进行冷却工作。那么要怎样如何冷却循环后的高温淡水呢？3.1制冷方式 中央冷却水节能系统就是使海水与循环后的高温淡水进行热交换，完成二次冷却的工作，从而达到降低淡水温度的效果。淡水冷却器示意图如下： 图3-1 淡水冷却器示意图1 淡水管是曲折分布在板冷内部，目的在于增加淡水与海水的热交换面积提升冷却效率。海水从板冷的底端、海水侧抽入，与淡水进行充分的热交换后，从板冷的顶端、海水侧流出。示意图如下：图3-2 淡水冷却器原理图 经过与海水进行热交换后的淡水称为低温淡水，为达到主机冷却的标准，淡水的温度不能过高也不能过低。从板冷出来的淡水经过三通阀测温，若温度过低三通阀会自动调节高温淡水侧阀开度，使高温淡水与低温淡水相融合直至达到主机冷却的温限范围内。海水的温度不会突变，一般海域最高水温不超过32C。当设备的冷却量变化、淡水循环温度改变时，为了适应淡水温度的变化，我们需要通过改变海水的流量来制造出适宜的淡水冷却量。如果长时间以保持同一流量运行，会因为冷却量过大而导致能源浪费。中央冷却水节能系统是采集了各方面的信息在PLC中计算出系统最适宜的冷却量，然后通过变频器调整海水泵的转速以满足该冷却量的海水流量需求，保证主机正常运行同时也是本系统节能的核心点。3.2热交换量 系统的热交换过程是主机、辅机运行过程中散发的热量，经过淡水冷却（一次热传递）将部分热量带到板冷，再通过海水冷却（二次热传递）传到大海。热交换量就是指热传递过程中淡水（或海水）所带走的热能量大小。海水在单位时间内所带走的热量（本文简称冷却率）符号为p ，单位为W 。其计算公式如下：p=C t Q /3600式中：p为冷却率 单位为W；C为水的比热容 单位为J/（KgK）；t为冷却水经过设备后的温升 单位为K；Q为经过被冷却设备的冷却水流量 单位为m/h 为冷却淡水密度 单位为Kg/m参考主机运行的负荷量以此类比出主机、辅机的发热量，计算出主辅机的热交换量需求后，通过冷却率公式推算出淡水的热交换量以及适应的海水的流量。4 功能描述本系统针对不同的地域、季节、主机辅机工况自动调整管路流量，采集海水泵实时工况，建立数据比对系统，在满足全船海水冷却需求基础上提供最优运行模式，最大范围内实现能源节约。系统控制示意图如下：图4-1 系统控制示意图1控制部分信号输入作用：a.主、辅机功率反馈用于判断系统冷却量的需要。b.海水进口温度传感器用来计算海水流量，控制变频器转速。c.海水出口温度传感器影响淡水冷却量。d.淡水温度传感器用于变频器反馈调节。e.压力开关用于海水泵自动启动，最小启动压力为0.12mpa。f.海水进口压力传感器用于变频器反馈调节。g.主机高温水三通阀开度显示用于变频器反馈调节。图4-2 系统控制示意图2表4-1 系统示意图要点标示1：控制单元2：上位机监控台3：变频器（3台）4：海水入口温度5：海水出口温度6：海水泵吸口压力（3个）7：板冷海水侧入口压力8：板冷海水侧出口压力9：海水泵（3台）10：淡水循环泵11：淡水入口温度12：淡水出口温度13：三通阀（温控阀）14：淡水温度控制单元15：板冷(热交换器)图4-3 系统流程图变频器转速控制是本系统的核心部分，采用变频控制方法，针对离心海水泵的管路特性曲线，在满足最小压力，冷却量的基础上，结合主机发电机运行工况，采用模糊控制法，设定最小流量需求，适时调整海水泵转速。系统功能：a.结合海水、淡水进出口温度，主机、辅机运行工况，控制海水泵运行状态。b.采集管路压力，三通阀开度，海水、淡水进出口温度。适时自动调整变频器转速。c.根据海水泵的运行时间对比，自动切换运行时间较长的泵，平衡泵的磨损。HMI监控台功能：a.实时监测海水泵功率，建立功率比对表。b.主机、辅机功率监视，实时监控主、辅机的运行状态。c.海水进出口温度监视，海水出口温度不高于45。e.淡水进出口温度监视，淡水出口温度不高于36。f.变频器及海水泵的运行、故障、转速、功率及运行时间累计等信息显示。手动运行模式下能实现选择性启动海水泵、转速控制等。g.报警日志，历史报警记录浏览。若PLC及触摸屏发生故障时，在“自动/手动”运行按钮上选择手动运行模式，能够通过变频器以衡功率直接启动或停止海水泵。变频器发生故障时，PLC能自动排除切换故障变频器，启动备用海水泵，不影响整船海水冷却系统。5 方案应用比较5.1硬件比较序号设备DESMI本项目比较1变频器宜控（EMOTRON)ABBABB在变频器领域一直处在领先地位，质量、保修等都很有优势。通用性较强。今后产品的更新升级技术更新较快。2PLC欧姆龙SIEMENS西门子市场占有率第一，设备更新快，通用性好，技术支持较全面。3HMIFATEKFATEK是国内比较有市场的触摸屏品牌，价格实惠、灵敏度高、反应快，并且其使用寿命及稳定性都很好。5.2方案比较序号DESMI研究方案1主要以海水、淡水侧进出口温度作为基准，由于设计海水进口温度为32，不同海域海水温度远远低于此设计值，依靠此富余温差来实现节能效果。方案中除了考虑海水进出口温度因素，增加主机、辅机等设备的实际功率，并以实际功率对应的冷却量为控制基准，对海水泵进行预变频调速，适应性较好且系统安全、稳定，更能达到系统节能效果，控制方式为首创。2无反冲洗功能在没有装反冲洗装置的情况下，通过PLC数据积累计算，自动调整变频器转速，达到反冲洗功能。3设备调试及设备保修需要编程人员亲自解决，灵活性较差。程序模块化、通过界面直接手动输入相关设备参数，任何调试人员都能完成设备的调试、保修等。4直接控制温控阀开度，采集温控阀之后海水温度，控制精度出现偏差时会影响淡水侧设备使用功能。采集淡水温控阀之前海水温度及其温控阀开度信号，作为海水泵变频调速要素之一，保留原有温控阀功能独立性，确保淡水侧设备使用稳定性与安全性。5传统工业控制界面图形界面由专业美工人员进行制作，配色。6根据泵的运行时间，自动切换海水泵的启动顺序，确保泵的均衡运行，及早发现系统设备潜在问题，提早维护。7系统扩展性能良好，如：增加机舱风机能耗控制系统，拓展成本远低于增加系统，市场空间较大。6 节能计算系统组成设备成本计算表6-1 系统设备采购清单设备名称规格型号数量品牌价格（元）触摸屏FT104NT-T51R1FATEK1,800控制单元1214C+模块1SIEMENS9,300变频器ACS510-01-09A4-43ABB75,000离心泵SCD-450E3兵神设备68,000传感器压力开关、压力传感器、温度传感器98,600控制柜电缆、接触器、继电器、开关、指示灯等若干06,800 系统硬件成本不超过20万人民币 ，加上系统的组装、调试等费用预计不超过28万人民币。DESMI的系统报价是58,000美金，相对本方案而言DESMI成本较低。常规设计下，冷却海水进口温度通常以32为准，配合额定转速，恒流量的海水泵提供全船供水量。但在不同地域及季节，海水温度相差很多，甚至可以低至0。导致海水流量的过度，资源浪费。以（海水泵流量450m/h，功率45kw，总装机功率130000kw）海水进口温度25、海水出口温度45为例：根据冷却率公式 p=C t Q /3600 t海水冷却后的温升（海水进出口温差）t（1）=（45-32） t（2）=（45-25）Q经过被冷却设备的冷却水流量（海水流量）Q（1）= 450m/h Q（2）= x 冷却淡水密度 （1）= （2）C水的比热容 C（1）= C（2）当冷却率相等时可计算出x = 292.5 m/h（292.5/450）x 100% = 65% 以变频控制方式进行海水流量调节可以节约35% 的水泵耗电量。通常主机、发电机在不同工况下热交换差异较大。以主机为例，功率为50%时，低温淡水冷却量为额定状态下的50.2%。常规设计采用额定转速，恒流量的海水泵提供全船供水。导致海水流量过度，资源浪费。以主机（额定功率130000Kw）、辅机（3台1850Kw）按实际功率85%计算，以变频控制方式进行海水流量调节。每天节能约5%。7 结论本系统设计研究的为实现：在满足最小压力、冷却量等使用要求基础上，达到最佳节能效果；在满足传统控制要求基础上增加自动启动、自动调速及节能数据统计等功能；自动启动功能根据船舶负荷情况（包括主机功耗、辅机功耗、空调运行状态）自动判断海水泵启动数目，并根据海水出口压力开关判断海水泵运行状况是否良好；自动调速功能根据板冷侧海水及淡水进出口温度，自动调节海水泵转速；节能数据统计功能通过PLC实时接收变频器反馈信号，对功率、电流、排压、温度等信息进行综合整理，数据积累，为今后系统的升级提供数据保障。中央冷却水节能系统为成为新时代节能的典范，引领船舶行业向能源高效化方向发展而不断改进、优化。 本系统处于研究开发阶段，尚未在实船上使用。系统没有发展到完美阶段，在使用过程中可能会出现：主机热交换量变化较大，海水冷却具有一定的延时性；离心泵的功率和流量曲线无法绘制，存在一定的偶然性等问题。为此本项目没有终止实验，为开发出一套完整、高效、稳定的节能系统继续努力。参 考 文 献1 FATEK HMIFT104NT-T51R使用说明书，第3页。2 ABBACS510-01-09A4-4用户手册，第15-17页。3 兵神设备WBSCD离心泵产品手册，第8-12页SCD-450E选型。4 西南石油大学热交换量，第26-31页。5 DESMI中央冷却系统产品手册，第1-3页。第 24 页 共 24 页