大功率风机电机变频改造的技术经济分析与实践

2014年8月第4期大功率风机电机变频改造的技术经济分析与实践黄善云栗晋杰41大功率风机电机变频改造的技术经济分析与实践黄善云栗晋杰1赤峰中色锌业有限公司，内蒙古赤峰024000；2江苏力普科技有限公司，江苏南通226100摘要企业大功率风机电机“大马拉小车”现象比较普遍。通过对锌冶炼企业焙烧鼓风机电机、S0鼓风机电机变频改造的技术经济分析及实践证明，企业对大功率风机电机进行变频改造，将节约大量的电能，给企业带来可观的经济效益。关键词大功率风机电机；变频改造；节能中图分类号TM92151文献标志码A文章编号10085122201404004106TECHNOECONOMICANALYSISANDPRACTICEOFVARIABLEFREQUENCYTRANSFORMATIONINHIGHPOWERFANMOTORSHUANGSHANYUN，LIJINJIEABSTRACTELECTRICALIDLINGISARELATIVELYCOMMONPHENOMENONINHIGHPOWERFANMOTORSOFENTERPRISETHROUGHTECHNOECONOMICANALYSISANDPRACTICEINZINCSMELTINGENTERPRISESROASTINGBLOWERMOTORANDSO2BLOWERMOTOR，ITPROVESTHATVARIABLEEQUENCYTRANSFORMATIONINHIGHPOWERFANMOTORSWILLSAVEALOTOFENERGYANDBRINGCONSIDERABLEECONOMICBENEFITSTOTHEENTERPRISEKEYWORDSHIGHPOWERFANMOTOR；VARIABLEEQUENCYTRANSFORMATION；ENERGYSAVING1风机电机变频改造的必要性11风机节能简介风机采用变频调速是我国重点推广的一项节能技术。中华人民共和国节约能源法已将变频调速列入通用节能技术加以推广。高压交流变频调速技术是90年代迅速发展起来的一种新型电力传动调速技术，主要用于交流电动机的变频调速，其技术和性能胜过其它任何一种调速方式如降压调速、变极调速、滑差调速、内反馈串级调速和液力耦合调速。变频调速以其节能效益显著、调速精度高、调速范围宽、电力电子保护功能完善，以及自动通信功能易于实现的优点，得到了广大用户和市场的认可。在运行的安全可靠、安装使用、维修维护等方面，也给使用者带来了极大的收稿日期20131215作者简介黄善云1961一，男，内蒙古赤峰人，大学本科，高级工程师，主要从事企业技术及管理工作。便利和快捷的服务，使之成为企业采用电机节能方式的首选。12调速方式的选择目前，大功率高压异步电动机的主要调速方式有串级调速、液力耦合器调速和高压变频调速等。121串级调速优点是可以回收转差功率，所以调速效率比较高。但也存在诸多问题它不适合于鼠笼型异步电机，必须更换电机；不能实现软启动，启动过程非常复杂，启动电流大；调速范围有限，响应慢，不易实现闭环控制；功率因数和效率低，并随转速的调低急剧下降，很难实现同PLC、DCS等控制系统的配合，对提高装置的整体自动化水平和实现优化控制无益。同时因控制装置比较复杂、谐波污染大对电网干扰较大，进一步限制了它的使用，属落后技术。122液力耦合器调速属低效调速方式，调速范围有限，高速丢转约510，低速转差损耗大，最高可达额定功率的15。因效率与速度成正比，低速时效率极低，精度42有色冶金节能口电力节能低、线性度差、响应慢、启动电流大、装置大，必须加装在设备与电机之间，不适合改造，无法软启动，维护复杂。耦合器故障时，无法切换运行，只能停车检修，且检修周期长、费用高，不能满足提高装置整体自动化水平的需要。另外，由于设备本身的缺欠或维修安装不当，经常漏油，现场环境很差。123高压变频器调速由于应用了先进的电力电子技术、计算机控制技术、现代通信技术和高压电气、电机拖动等综合性领域的学科技术，具有其它调速方式无法比拟的技术优势。2企业大功率风机电机基本情况及存在的问题21基本情况赤峰中色锌业有限公司是年产21万T锌产品，副产硫酸40万T的锌冶炼企业，目前有3套焙烧制酸系统运行。锌冶炼焙烧制酸系统中焙烧鼓风机、SO风机电机功率较大，原设计这3套焙烧制酸系统的焙烧风机和SO，风机都是工频启动和运行，风量靠风门或者耦合进行调节。该运行状态下，很多电能浪费在风门上，很不经济。设备在选型时，为保证其满足最大运行工况的需要，电机容量均按最大需求选取，风机工作在最大工作需求状态下，使得电机运行在大马拉小车的状态。为满足工况变化的需要，风机采用调整送风挡板和风门的开启来调节风量的方法，以及用电动机启停等手段来调节风压、风量。电气控制采用直接启动，频繁的起停产生58倍的启动电流，会冲击电网的稳定和使电动机发热，增加了电机维修成本，缩短了电机的使用寿命。同时，调节挡板的频繁开关调节，也增加了风机和管道的振动，产生噪音，供风质量变差，致使设备加速老化，大量电能在调节环节中白白浪费。因此很有必要对现在的设备进行变频节能改造。22系统工频运行存在的问题1采用风机电机定速运行，风门调整节流损失大、出口压力高、风道磨损严重、系统效率低，造成能源的浪费。2当风量降低风门开度减小时，风门前后压差增加，工作安全特性变坏，压力损失严重，能耗增加。3长期的风门调节加速了风门自身磨损，导致风门控制特性变差。4风道压力过高威胁系统设备密封性能，严重时导致风门泄漏，不能关严。5设备使用寿命短，FT常维护量大，维修成本高，造成各种资源的极大浪费。3节能计算和改造方案31计算依据311能耗一流量曲线利用理论计算结合长期现场经验得到的离心式风机各种调节方式的能耗一流量曲线在不考虑压力的情况下来指导节能计算，见图1。图1中的流量是风机运行时的流量与额定流量的比值，功率是风机运行时的功率与额定功率的比值。_；L蕾图1离心式风机各种调节方式的能耗一流量曲线312离心式风机流量、压力、轴功率与其转速的关系对于同一台风机，当输送的流体密度P不变而仅转速改变时，其性能参数的变化遵循比例定律流量与转速的一次方成正比；扬程压力与转速的二次方成正比；轴功率则与转速的三次方成正比。即QQNNIHHNN2PPNN3PPNN4313设备名称改造的主要设备见表1。2014年8月第4期大功率风机电机变频改造的技术经济分析与实践黄善云栗晋杰43表1改造的主要设备高压功率数量变频器变频功、选择10KVKW台数量台率KW功率KW32改造方案321二期焙烧风机1设备参数2台，1用1备。电机型号JK2902，功率290KW，额定电压10KV，额定电流201A，转速2981RMIN，功率因数088，实际电流为14A。阀门开度70，额定流量为24000MH，额定出口压力274KPA。实际流量为15000MH，实际出口压力144KPA。2节能分析工频运行时消耗的有功功率PPL173211U1COSA17321410088085181KW5其中A为功率因数下降系数，根据额定电流同实际运行电流的差值有所变化，一般为08095，差值越大系数越小，下文同此。变频运行时消耗的有功功率尸，安装变频器后，将人口风门开度调整为100，通过变频调速控制风量。以压力为准计算，风机压力比为1442745255。P2PEH2H1290144274110KW6式中P为风门全开时的功率，最大为290KW。变频时合计消耗电能PP2ALA21109695121KW7A。为变频效率；A为传动效率。理论节电率叩理论为叩理论P1一P3P1181121181338考虑到现场实际运行工况，生产工艺对出口风压的要求，实际节电率可能略低实际叩理论083308263年节约电量和电费设备运行时间为8000H，电价按055元KWH计，节约电量181KW268000H376480KWH节约电费376480055207万元4改造后的一次回路改造后的一次回路见图2。图2二期焙烧风机变频调速一拖二系统自动旁路，手动切换图中两段高压母线可为同一路或双路供电，变频器可任意拖动其一的电机，同时保留原工频系统。5变频器的选型和控制方式根据现场电机参数，负载特性及环境因素综合考虑，选用通用型高压变频器，外形尺寸为变频器宽高深2150240O1600MM，自动旁路柜宽X高深16OO240016O0MM，手动切换柜宽高深800240O1600MM。变频改造后，可采用原有的远程控制方式手动设置变频器调速，也可以根据现场的生产工艺，通过压力或流量要求进行变频器的闭环控制变频器自身具备PID调节功能，自动调节风机转速。当变频器故障时，可以自动切换到工频系统。322二期SO，风机1设备参数2台，1用1备。电机型号JK一500，功率500KW，额定电压10KV，额定电流365A，输入转速2975RRAIN，功率因数087，实际电流为26A。额定流量为36000MH，额定压力35KPA，阀门开度50。2节能分析工频运行时消耗的有功功率P在额定转速下运行，根据运行电流求出电机工44有色冶金节能口电力节能频运行时消耗的有功功率P117321LULEOS41732X26X10087X085333KW9变频运行时消耗的有功功率P安装变频器后，将入口风门开度调整为100，通过变频调速控制风量。现风门开度值为50，根据风机特性，风机实际风量为额定风量的82左右。P2PEXN2N1333075X082245KW10式中P为风门全开时的功率，为333075KW。变频时合计消耗电能PP2ALA22459695269KW11A为变频效率；A为传动效率。理论节电率叩理论叩理论PLP3PL3332693331912考虑到现场实际运行工况及生产工艺对出口风压的要求，实际节电率可能略低77寅际77理论X0819081523年节约电量和电费节约电量333KW152X8000H404928KWH节约电费404928X055223万元4改造后的一次回路同321二期焙烧风机中4。5变频器的选型和控制方式同321二期焙烧风机中5。323三期焙烧风机1设备参数2台，1用L备。电机型号YK6302，功率630KW，额定电压10KV，额定电流42A，转速2980RRAIN，功率因数087，实际电流为278A，阀门开度30。额定流量为48000MH，额定出口压力294KPA。实际流量为21100MH，实际出口压力186KPA。2节能分析工频运行时消耗的有功功率P在额定转速下运行，根据运行电流求出电机工频运行时消耗的有功功率P117321LULCOS41732X27810X087085356KW13变频运行时消耗的有功功率P，安装变频器后，将入口风门开度调整为100，通过变频调速控制风量。以压力为准计算，风机压力比为18629463。P，PEXH2H1”35607X186294”256KW14式中P为风门全开时的功率，为35607KW。变频时合计消耗电能PPA，A22459695281KW15A，为变频效率；A为传动效率理论节电率理论RL理论P1一P3P13562813562116考虑到现场实际运行工况，生产工艺对出口风压的要求，实际节电率可能略低77实际R理论0821X081683年节约电量和电费节约电量356KWX168X8000H478464KWH节约电费478464X055263万元4改造后的一次回路同321二期焙烧风机中4。5变频器的选型和控制方式同321二期焙烧风机中5。324三期SO，风机1设备参数2台，1用1备。电机型号JK12502，功率1250KW，额定电压L0KV，额定电流85A，输入转速2986RRAIN，功率因数089，实际电流为76A。额定流量为84000MH，额定压力129KPA，实际压力34KPA。液耦调速，额定转速3000RMIN，实际转速1650RRAIN。2节能分析在额定转速下运行，根据运行电流求出电机工频运行时消耗的有功功率PPL173211U1COS41732X7610X089X091054KW17计算节电率的方法同上，流量比16503000055，据此，在图1中找到液耦调速功率比与变频调速的功率比的差值为21，此值即为拆除液耦情况下变频改造后系统的节电率，如果要保留液耦，节电率约为16。3年节约电量和电费保留液耦时节约电量1054KW16X8000H1349】20KWH2014年8月第4期大功率风机电机变频改造的技术经济分析与实践黄善云栗晋杰45节约电费1349120055742万元可根据现场情况决定是否拆除液耦，如果液耦工作状态良好，变频改造后可保留液耦，将其设为满开度，作为备用。若液耦频发故障，拆除液耦加装联轴器也是较好的选择，节省了液耦维护费用的同时提高了系统的稳定性。4改造后的一次回路改造后的一次回路同321中的4。5变频器的选型和控制方式根据现场电机参数，负载特性及环境因素综合考虑可选用通用型高压变频器，外形尺寸为变频器宽高深250021001585MM，自动旁路柜宽高深16OO21001585MM，手动切换柜宽高深80021001585MM。变频改造后，可采用原有的远程控制方式手动设置变频器调速，也可以根据现场的生产工艺，通过压力或流量要求进行变频器的闭环控制变频器自身具备PID调节功能，自动调节风机转速。当变频器故障时，可以自动切换到工频系统。325四期焙烧风机1设备参数2台，1用1备。电机型号YKS50032，功率900KW，额定电压10KV，额定电流622A，转速2985RMIN，功率因数088，实际电流为35A。液力耦合器调速，额定转速3000RMIN，实际转速2270RMIN，额定流量为84000MH，额定压力2700PA。2节能分析在额定转速下运行，根据运行电流求出电机工频运行时消耗的有功功率PPL17321LULCOS17323510X088533KW18图1中横轴处的流量即为现场液耦输出转速与额定转速的比值。根据液耦输出转速得到对应的流量，然后在图中对应找到液耦调速和变频调速消耗的功率，相减后即为变频改造后的节电率。该节电率是拆除液耦后的节电率，如果保留液耦，节电率会下降6左右。通过上述方法，首先得到风机运行时的转速比NN流量比2270300076，据此在图1中找到液耦调速功率比与变频调速的功率比的差值为24，此值即为拆除液耦情况下变频改造后系统的节电率，如果要保留液耦，节电率约为18。3年节约电量和电费保留液耦时节约电量533KW188000H767520KWH节约电费7675200554221万元可根据现场情况决定是否拆除液力耦合器，如果液耦工作状态良好，变频改造后可保留液耦，将其设为满开度，作为备用。若液耦频发故障，拆除液耦加装联轴器也是一个较好的选择，在节省了液耦维护费用的同时提高了系统的稳定性。4改造后的一次回路改造后的一次回路见图3。图3四期焙烧风机变频调速一拖二系统自动旁路，手动切换图中两段高压母线可为同一路或双路供电，变频器可任意拖动其一的电机，同时保留原工频系统。5变频器的选型和控制方式根据现场电机参数，负载特性及环境因素综合考虑可选用通用型高压变频器，外形尺寸为变频器宽高深250021001585MM，自动旁路柜宽高深16OOX23001585MM，手动切换柜宽高X深80023001585MM，变频改造后，可采用原有的远程控制方式手动设置变频器调速，也可以根据现场的生产工艺，通过压力或流量要求做变频器的闭环控制变频器自身具备PID调节功能，自动调节风机转速。当变频器故障时，可以自动切换到工频系统。326四期SO，风机1设备参数2台，1用1备。电机型号YKS71022，功率46有色冶金节能口电力节能2800KW，额定电压10KV，额定电流1888A，输入转速2895RMIN，功率因数089，实际电流为7OA。液力耦合器调速，额定转速3000RMIN，实际转速2400RMIN。有增速器，风机主轴转速4450RMIN，额定流量为135000MH，额定压力5000PA。2节能分析在额定转速下运行，根据运行电流求出电机工频运行时消耗的有功功率PP1173211ULCOSB173270X100891079KW19计算节电率的方法同上，流量比2400300008据此，在图1中找到液耦调速功率比与变频调速的功率比的差值为22，此值即为拆除液耦情况下变频改造后系统的节电率，如果要保留液耦，节电率约为16。3年节约电量和电费保留液耦时节约电量1079KWX168000H1381L20KWH节约电费13811200557596万元可根据现场情况决定是否拆除液耦，如果液耦