昆钢草铺新区新区烧结厂1#、2#烧结主抽风机高压同步电机变频改造方案.doc

昆钢草铺新区烧结厂1#、2#烧结主抽风机高压同步电机变频节能改造技术方案昆钢草铺新区烧结厂1#、2#烧结主抽风机同步电机高压变频改造 技术方案目 录1.概述12.项目概况32.1.工程概况32.2.烧结厂现场数据调研32.2.1.草铺新区烧结厂主要技术参数32.2.2.主抽风机技术参数43.系统节能改造分析63.1.变频改造节能原理73.2.烧结厂主抽风机能耗分析83.3.1#烧结风机节电分析93.4.2#烧结风机节电分析103.5.变频改造后经济效益104.改造工程设计方案114.1.改造目的114.2.电气技术方案114.3.变频器散热冷却方案124.3.1.空水冷却器功率确定124.3.2.空水冷却系统控制方式124.3.3.循环水参数134.4.变频励磁装置技术要求134.5.上位机DCS自动控制改造方案134.5.1.上位机DCS自控系统改造要求134.5.2.DCS自控系统改造设备清单145.ES9000S高压变频技术规格166.改造工程施工建筑安装方案176.1.高压变频器安装176.2.高压变频室建设施工设计186.2.1.高压变频室施工186.2.2.配套电缆沟的建设186.3.空水冷系统施工方案186.3.1.水冷柜与风道系统施工196.3.2.冷却循环水塔196.4.励磁柜的安装207.供货范围217.1.设备供货清单217.2.备品备件及专用工具清单217.3.空水冷却循环系统供货清单217.4.电缆及电缆附件清单217.5.自控系统设备清单218.深圳市库马克新技术股份有限公司优势简介228.1.公司简介228.2.资质优势：228.3.ES9000系列高压变频器产品技术优势238.4.ES9000系列高压变频器产品研发、生产、检测、工程实施及售后服务优势248.5.ES9000系列高压变频器技术特点：268.6.深圳库马克公司在该项目的优势：31 第32页1. 概述钢铁生产企业是国民经济生产中的能源消耗大户，钢铁行业已被列为国家节约资源的重点领域之一。在国务院提出加快建设节约型社会的政策环境下，提高钢铁行业的节约型制造和应用水平，建立节约型钢铁工业体系意义重大。在当前国内外能源供需矛盾突出的情况下，钢铁生产企业必须通过各种途径降低能耗，以获得最佳的经济效益和最高的劳动生产率。在烧结矿的生产中，电动机负载电耗就占能源总成本的20以上，而拖动风机用的高压电动机在电机中占有很大的比重，对于一条烧结生产线其中有25%30%的电能是用于拖动各种类型风机上，因此做好风机电动机的降耗增效工作就显得极为重要。在钢铁冶金行业中，烧结主抽风机往往采用大功率同步电机来驱动。同步机启动方式为工频水电阻起动，但这种启动和调节方式存在诸多问题，例如启动电流大、重载下容易产生失步、电能浪费严重等；同时，由于烧结系统在设计时处于安全稳定性考虑，对风机设备设计欲量过大，导致目前很多烧结厂风机大马拉小车现象严重；同时由于工况、产量的变化，系统所需求的风量也随之变化，大部分风机采用传统做法，即调节进、出风口阀门的开度来实现，而该方法是以增加风阻、牺牲风机的效率来达到要求的，损耗严重。因此对高压大功率同步电机进行变频改造势在必行。如果利用变频调速技术改变设备的运行速度，以调节风量的大小，可以既满足生产要求，又达到节约电能，同时减少因调节挡板而造成挡板和管道的磨损及经常停机检修所造成的经济损失。随着电力电子技术及电子技术的发展，变频技术日趋成熟，国际上对于风机的风量、风压调节已普遍摒弃靠调整配套的风门开度的手段，改而采用变速的电气传动调节，变频调速已成为风机节能降耗的最佳、首选的电气传动方案。我公司针对草铺新区烧结厂现场1#、2#主抽风机的数据分析，认为该风机系统具备较大节电潜力，可对当前主抽风机同步电机进行变频节能改造。 在贵公司各部门配合下，我公司技术人员对贵公司1#、2#主抽风机系统进行了现场勘查调研，针对2套同步电机设备的运行特点做了一一分析，综合考虑了能耗设备运行规律、工艺要求以及草铺新区烧结厂风机现场的场地条件等因素，按照客户对改造设备的技术要求，根据以下设计原则，为各系统量身定做了一套完整的节能方案： 以充分满足设备的工艺需求为前提； 以设备运行可靠性为中心的优化设计理念； 为每套能耗设备量身定做最佳节能方案； 对2套主抽风机高压同步电机设备采用高压变频调速方案 ；烧结厂主抽风机风机采用变频改造后，将节约大量能源，提高生产效率，为烧结厂在创造较大的经济效益的同时，带来良好的社会效益。同时风机设备实现了软起，将彻底解决了启动电流大、重载失步、维护费用高等问题。根据大量烧结生产线风机高压变频调速节能改造的具体经验，采用变频调速后，风机的电耗降低8%40%，电费以0.50元/kWh计算，通常在1.55年可收回变频器的设备和其它安装等附加费用等总投资。2. 项目概况2.1. 工程概况本项目单位昆钢新区分公司,位于云南省安宁市草铺镇西北部的重化工区内，东北侧紧靠龙山；西南侧与安楚高速公路和云南磷肥工业公司磷肥厂(大黄磷厂)毗邻；西北面靠近螳螂川，与成昆铁路青龙镇火车站相邻；东南距草铺镇较近。交通发达。本技改工程位于昆钢新区分公司烧结厂内部，该厂建有一台300m2烧结机，设计年产300.6万吨烧结矿；厂区现状地形平坦，占地长350m，宽250m，面积为8.75hm2。全年主导风向为西南风。2.2. 烧结厂现场数据调研2.2.1. 草铺新区烧结厂主要技术参数设计年产量300万吨实际年产量2344325.41吨设计月产量25万吨实际月产量195360.45吨设计总耗电量12800104实际总耗电量17011104设计作业率93%实际作业率93.49%设计单位电耗42.58KW/t实际单位电耗72.56 KW/t设计进口风温140实际进口风温150设计进口压力-16.5KPa实际进口压力-12.1KPa设计主抽电机功率61002 KW实际主抽电机功率63002 KW主抽电机计算功率因数0.95主抽电机实际功率因素0.9主抽电机计算负荷11590KW主抽电机实际负荷11340KW主抽电机设计年耗电量9457.44104KWh主抽电机实际年耗电量9253.4104 KWh主抽电机耗电占总耗电%73%主抽电机实际耗电占总耗电%54%设计百叶风门调节开度0901#实际百叶风门调节开度2#实际百叶风门调节开度2-80278额定电流417.3A1#134小时风门80开度均电流(两小时记录一次)338.56A2#134小时风门78开度均电流(两小时记录一次)351.31A1#11小时风门5开度均电流261.62A2#11小时风门5开度均电流258A1#180小时综合均电流(两小时记录一次)329A2#180小时综合均电流(两小时记录一次)345A额定电压10000V实际电压10000V2.2.2. 主抽风机技术参数序号风机参数一、风机名牌或随机样本参数二、风机实际运行参数1风机型号与类型SJ17000风机入口风压 Psr1#-13.22#-13.3KPa2*风机进口压力0.0645MPa风机出口风压 Psc1#0.4 2#0.4KPa3风机出口压力0.0815MPa1#烧结烟道压力2#烧结烟道压力1#-12.1 2#-12KPa4额定流量 Qe17000m3/min实际流量 Qs1#135802#12960m3/min5风机轴功率 Nz5424kW风机实际功率 NskW6风机额定转速 n1500r/min风机实际转速1500r/min7功率因数 cos0.8风门实际开度 k1#2-80 2#2-78%8风机调节方式 口挡板 入口挡板 入口导流器 对应的电动机参数一、电机名牌参数二、电机实际运行参数1电动机型号TSK6300-41600实际电压 US10kV2*额定功率 Pe6300kW实际输出功率 Ps1# 48432# 5079kW3*额定电压 Ue10000V实际电流 Is1# 3292# 345A4*额定电流 Ie417.3A5*功率因数 cos0.9实际运行功率因数 cos1# 0.852# 0.856电机额定转速 n1500r/min实际电机转速n1500 r/min其它信息1单位电价：元/kWh0.5联系人：2年平均运行时间（小时）8160联系电话：3. 系统节能改造分析本项目改造工程为昆钢草铺新区烧结厂300m2烧结主抽风机电机变频改造。该烧结机配置两台主抽风机，主抽风机主电机为两台10kV /6300kW同步电机。通过现场勘查调研，主抽风机原启动方式为液阻启动方式，此方式启动电流大，对电网冲击大。主抽风机采用百叶风门调节开度来控制现场工艺所需风量，风门开度及主抽风机监控信号如图所示。1#实际角行程电动执行调节开度1#实际百叶风门调节开度2#实际角行程电动执行调节开度2#实际百叶风门调节开度1、2#主抽反馈信号3.1. 变频改造节能原理从流体力学的原理得知，使用感应电动机驱动的风机负载，轴功率P与流量Q，扬程H的关系为：当电动机的转速由n1变化到n2时,Q、H、P与转速的关系如下:(1)(2)=(3)可见流量Q和电机的转速n是成正比关系的，而所需的轴功率P与转速的立方成正比关系。所以当需要80的额定流量时，通过调节电机的转速至额定转速的80，即调节频率到40Hz即可，这时所需功率将仅为原来的51.2。如图2所示，从风机的运行曲线图来分析采用变频调速后的节能效果。图2 风机的运行曲线图当所需风量、流量从Q1减小到Q2时，如果采用调节挡板的办法，管网阻力将会增加，管网特性曲线上移，系统的运行工况点从A点变到新的运行工况点B点运行，所需轴功率P2与面积H2Q2成正比；如果采用调速控制方式，风机转速由n1下降到n2，其管网特性并不发生改变，但风机的特性曲线将下移，因此其运行工况点由A点移至C点。此时所需轴功率P3与面积HBQ2成正比。从理论上分析，所节约的轴功率Delt(P)与（H2-HB）（C-B）的面积成正比。考虑减速后效率下降和调速装置的附加损耗，通过实践的统计，风机通过调速控制可节能1040，有些风机负载节能比例达50%以上。3.2. 烧结厂主抽风机能耗分析（1）新区烧结原设计选型的6100KW电机的实际功率不能满足生产需求，故实际装备的电机为6300KW,大马拉小车现象突出。（2）新区烧结在实际生产中由于工况的波动，烧结矿生产并不需要额定的参数流量，而主抽风机设计采用的百叶窗式挡板阀门调节流量的传统方式，增大了供风系统的节流损失，导致了大量的能量损耗在挡板阀门的截流过程中。（对风机而言，最有效的节能措施是采用调速来调节流量。由于风机大都为平方转矩负载，轴功率则与转速大致成立方关系，所以当风机转速下降时，消耗的功率大大下降。）（3）新区烧结由于采取增加风阻、电机能耗及牺牲风机效率的传统挡板调节方式来达到流量的调节，所以烟气对挡板阀门和管道冲击较大，风机等相关设备运行及维护稍不小心，损坏设备严重。（4）新区烧结的挡板阀门执行机构为RD-14000/F105H角行程电动执行机构，故障较多，不能适应长期频繁调节，调节线性度差，构成闭环自动控制较难，且动态性能不理想，即使在控制系统反馈信号显示为100%时，百叶窗实际调节角度也只有78，从而加大了风阻，增加电机能耗及设备损耗。（即有一部份的能量浪费在了风门的压头损失上。把浪费的这部分能量节省下来，就是节电了。）（5）新区烧结主抽风机选配的电机为同步电动机，在保证风机功率稳定的情况下，避免了异步电动机在直接起动时（起动电流一般达到电机额定电流的68倍）对电网造成的较大冲击，但如前所述，新区烧结在实际生产中由于工况的波动，烧结矿生产并不需要额定的参数流量，因此，同步电机消耗电能所提供的稳定的风机功率及压力的一部分浪费在了调节挡板上。（6） 在383个小时191次有记录时间里，1#机最大开度-80作业时间268小时，80作业时间98小时，停机时间17个小时，80作业时间占有效作业时间的27%；2#机最大开度-78作业时间266小时，78作业时间100小时，停机时间17个小时，78作业时间占有效作业时间的27%。从上述统计时间中不难看出，在366个小时的有效作业时间里，双机小于最大开度的作业时间占总作业时间的27%，而在这段时间里，电机消耗的电能和所提供的功率是满负荷时的工作状态，如在考虑加上调节挡板实际开度为7890的设计开度的能耗，新区烧结两台主抽风机电机的节能空间可观。3.3. 1#烧结风机节电分析1）改造前工频运行功率： P工=1.732UICOS=1.732103290.85=4843.5KW；其中：P工工频实际运行功率，KW.2）改造后变频运行估算功率: 根据现场数据，可知工频运行时，出口入口压差为P实=（0.4-（-13.2）=13.6KPa,实际流量为Q实=13.58103m3/min，由此可得出变频运行的输入功率：P变=(P实Q实)/（3600*1000）/ 机械/风机=（13.610313.5810360）/（3600*1000）/0.95/0.8=4050KW其中：P变变频运行功率，KW.节电率：（P工-P变）/P工100%=（4843.5-4050）/4843.5100%=16.4%按年运行8160小时计算，可计算出年节电量：（4843.5*16.4%）8160h=648.18万度3.4. 2#烧结风机节电分析1）改造前工频运行功率： P工=1.732UICOS=1.732103450.85=5079KW；其中：P工工频实际运行功率，KW.2）改造后变频运行估算功率: 根据现场数据，可知工频运行时，出口入口压差为P实=（0.4-（-13.3）=13.7KPa,实际流量为Q实=12.96103m3/min，由此可得出变频运行的输入功率：P变=(P实Q实)/（3600*1000）/ 机械/风机=（13.710312.9610360）/（3600*1000）/0.95/0.8=3894KW其中：P变变频运行功率，KW.节电率：（P工-P变）/P工100%=（5079-3854）/5079100%=23.3%按年运行8160小时计算，可计算出年节电量：（5079*23.3%）8160h=965.66万度3.5. 变频改造后经济效益序号机组年节电（万度）节电率(%)年经济效益（万元）11#烧结主抽风机648.1816.4%324.122#烧结主抽风机965.6623.3%482.8注：昆钢草铺新区烧结厂厂用电费为0.5元/度。4. 改造工程设计方案4.1. 改造目的昆钢草铺新区烧结厂300m2烧结机配置两台主抽风机，主抽风机主电机为两台10kV /6300kW同步电机，原启动方式为水电阻软启动，工频运行，通过调节主抽风机入口百叶风门开度满足工艺对风箱负压、风量的需求，达到稳定生产的目的。风机正常运行风门开度1#主抽风机在5080之间，2#主抽风机在5078之间。由于原系统运行方式存在着比较大的电量浪费，因此本次改造工程拟将两台主抽电机改一拖一手动旁路方式变频调速运行，以达到节能降耗目的及改善工艺控制。4.2. 电气技术方案根据现场的生产工艺要求，改造工程项目两台10kV /6300kW主抽风机主电机按一拖一手动旁路控制方式各配置一台高压变频装置。根据现场负载情况，所需高压变频装置选配我公司生产的高压变频器ES9000S-8000-10K,该产品具有设计余量大、过载能力强，操作方便，质量可靠等优点，配置2套一拖一手动旁路柜（用于变频/工频切换）。 一拖一手动旁路工作方式如图4.1：图4.1 同步机一拖一手动旁路系统图控制方案描述如下:1）QF为用户侧高压开关柜，其中QS1为单刀单掷隔离开关、QS2为单刀双掷隔离开关；变频励磁柜与变频器配套提供，与用户原有励磁柜具备切换功能。原水阻星点启动柜退出作为热备用，在变频运行出故障的情况下切换至原星点水阻柜工频启动。2）变频运行时，高压隔离开关QS1合闸，QS2将投至变频档，励磁系统切换至变频配套专用同步励磁控制系统，变频器上电时，用户高压侧断路器QF闭合，ES9000S高压变频器启动时，以电励磁同步机矢量控制方式拖动同步电机启动。3）工频运行时，高压隔离开关QS1断开、QS2投至工频档，将励磁系统切换到原工频励磁系统；水阻软起装置投入工频回路，同步电机的启动、运行、停机过程按照原有逻辑进行。4）变频停机时，从现场向变频器下达“停机”命令，变频器驱动同步电机减速至完全停机，然后停止输出电压电流。最后在现场分断断路器QF，由其辅助触点通知励磁装置灭磁，灭磁完成后关闭励磁装置电源。5）当变频运行故障时，变频器在停止电压电流输出的同时，立即分断上级断路器QF，由变频器主控通知励磁装置灭磁，待停机后手动切换至工频运行，以便工作人员在风机不停机的情况下对变频装置进行检修。6）控制回路：在风机机旁操作箱及上位机DCS监控系统实施远程调速、远程监控运行频率和输出电流等。4.3. 变频器散热冷却方案根据招标方提出的技术要求，变频器冷却采用空-水冷却方式，闭式冷却塔。变频器房不能出现负压。改造工程冷却系统满足所配功率冷却变频器等设备散发的热量，保证变频器良好的运行环境。冷却设备安装于室内，不与变频器同室，水电分离。水冷系统安装后，变频室正常运行状态下，变频室需保持密闭状态。4.3.1. 空水冷却器功率确定根据设备的最大发热量而定，最大发热量为变频器额定功率的4，为保证高压变频设备冷却均匀，长期稳定可靠运行，2套ES9000S高压变频各采用2台散热功率为130KW的水冷柜进行冷却，具体布置方式详见施工方案。4.3.2. 空水冷却系统控制方式就地启停和自动启停（自动启停可通过变频器提供一个常开无源触点信号，闭合有效）；空水冷系统漏水报警（常开无源触点信号，闭合有效）；空水冷系统风机故障报警（常开无源触点信号，闭合有效）；4.3.3. 循环水参数总循环水量135T/h,供水水压0.10.4MPa，PH值接近7。4.4. 变频励磁装置技术要求原工频励磁柜系统不变，改造工程新配两台性能稳定，质量可靠，各种保护功能齐全，符合国家有关标准、品牌优良的励磁装置，配套变频系统对主抽风机进行控制。为保障励磁装置散热良好，励磁装置的变压器与励磁控制器不装配在一个柜内，分开安装。励磁装置具备420mA的AI信号，输出电压可在额定值的10%125%范围内平滑可调，励磁系统在额定输出电压40%100%范围内，能输出额定电流并连续运行。励磁装置须满足机组变频至工频、工频至变频间切换时的无扰自动转换。励磁装置具有完备的故障自诊断、报警、保护和显示功能，并且有友好的人机界面。励磁柜产品型号规格如下表：名称型号数量备注微机励磁装置WKLF-112B2进口空开及双路电源切换接触器、7寸触摸屏、无冗余双调节器、标准机柜、不含励磁变，具备420mA模拟输入接口励磁变压器SG-80280KVA纯铜变压器4.5. 上位机DCS自动控制改造方案4.5.1. 上位机DCS自控系统改造要求1、新建一PLC站，用S7-300系列，CPU配置6ES7 315-2EH13-0AB0，配置内存卡。I/O点备用15%。2、变频器自配上位机操作站，与PLC工程师站共用，进行远方变频监控和操作。上位机操作站电脑安装在现主抽操作室，作为风机正常起机、停机、监控用。操作站电脑配置：西门子工控机，因特尔双核2.0以上，2G 内存，500G 硬盘 可读写光驱 配22#显示器、键盘和鼠标。3、操作站电脑与PLC以太网通讯方式4、新PLC站与现有PLC站通讯为光纤以太网方式，提供西门子2光4口光电交换机1台和2光12口光电交换机1台。5、组态软件用西门子WINCC V6.2，编程软件用step7 V5.4。6、上位机画面配合招标方与现有系统整合。7、两PLC之间联锁信号以硬接线方式。8、电机定子电压、电流、频率、功率，励磁电压、电流，变频器温度、变频器故障信息、变频器累计运行时间须在操作站监控电脑画面实时显示，同时要有趋势、报警、历史数据查询、操作事件记录功能。冷却系统运行状态及水压、流量、温度等数据也应在操作站电脑主控画面上监控。9、变频器主要信号通过端子输出，硬接线进PLC，同时具备DP通讯接口，变频器运行状态、故障信息、报警信息等需通过硬接线或DP通讯方式在操作站显示记录并可供查询。4.5.2. DCS自控系统改造设备清单序号设备名称规格型号品牌数量单位PLC柜1电源模块（5A）6ES7 307-1EA00-0AA0SIEMENS1块2CPU模块CPU 3156ES7 315-2EH13-0AB0SIEMENS1块3MMC 512K微存储卡6ES7 953-8LJ20-0AA0SIEMENS1块4导轨530mm6ES7 390-1AF30-0AA0SIEMENS1块5数字量输入模块（16DI/16DO）6ES73231BL000AA0SIEMENS1块6模拟量输入模块（8AI/8AO）6ES73271BH000AB0SIEMENS1块7开关电源S-250明纬1个8断路器S202-C10ABB1个9断路器S201-C6ABB4个10继电器MYJ4 24DCOMRON16个11门限开关XZ7-310国产1个12熔断保险2A正泰5个13端子瑞联150个14日光灯30W国产1个15冷却风扇195*195mm国产1个16柜内配件CMK1项17PLC柜体(前开门）2200800600（H*W*D)国产1个18人工及辅材、运费库马克1项 上位机系统1监控电脑DELL OptiPlex 3010 DELL1台2组态软件开发+运行版512点V6.55组态王1套3光电转换器2光口6电口IES608-2F三旺1台4网线超五类屏蔽双绞线国产1卷5现有PLC增加模块6ES7 422-1BH11-0AA0西门子1块6操作台、座椅国产1套7安装辅材插座、断路器、端子等CMK1个5. ES9000S高压变频技术规格ES9000S系列10kV同步机专用高压变频节能宝是直接高压输入输出型变频节能控制装置，可以直接驱动10kV高压电动机；它采用了先进的功率单元串联叠波技术和多电平PWM技术等，消除了绝大部分谐波电流，具有完美的输入输出波形。其输入输出谐波完全满足IEEE519-1992和GB/T14549-2002 电能质量、公用电网谐波对谐波含量的严格要求，无需安装输入输出滤波器便能使电网和周边用电设备免受谐波干扰。主要性能指标如下表：高压输入电压范围10kV(-20%+15%)频率范围50/60Hz10%高压输出输出电压010kV输出频率及精度050/60Hz, 0.01Hz输出波形多电平PWM正弦波,总谐波畸变率THD 98.5%，含变压器的整机效率97%功率因数整个调速范围内0.95， 额定负载时0.97输出过载能力110%可长期稳定运行，120%/1min,150%/2s,200%立即保护电源允许掉电时间200ms，轻载时时间更长。平均无故障运行时间100000h 控制控制方式空间矢量控制正弦波PWM控制加减速时间1-3600S开关量输入/输出11路/10路模拟量输入4路(0-5V,420mA)模拟量输出3路(可选010V，420mA)通讯RS485接口，遵循Modbus协议，可选PROFIBUS-DP和以太网等接口控制电源单相220V AC环境使用场所室内，无爆炸性或腐蚀性气体，无导电粉尘，无油雾运行环境温度0+40储运温度-40+70环境湿度90%(无凝露)海拔高度1000米，高于1000米需降额使用其他保护功能过电流，过载，短路，三相电流不平衡，瞬时掉电，输入、输出缺相，过压，欠压，本体过热，变压器过热，外部故障停机，