大型固定机械及拖动电动机变频调速改造可行性研究报告(WORD版本).doc

某集团有限责任公司某分公司大型固定机械及拖动电动机变频调速改造可行性研究 1 目目 录录 1 总论总论.1 1.1 项目概况1 1.2 可行性研究报告编制依据、编制原则、编制范围内容1 1.3 项目建设单位概况3 1.4 项目建设背景4 1.5 项目建设有利条件5 1.6 主要原材料、燃料及动力供应6 1.7 项目主要建设内容6 1.8 节能效果及主要技术经济指标7 2.电动机变频调速改造电动机变频调速改造.8 2.1 设计依据8 2.2 概述 .8 2.3 改造的必要性10 2.4 电力负荷11 2.5 变频调速方案12 2.6 软起动19 2.7 总投资21 3 设备改造设备改造.22 3.1 项目概况22 某集团有限责任公司某分公司大型固定机械及拖动电动机变频调速改造可行性研究 2 3.2 改造内容23 4 节能节能.29 4.1 设计依据:.29 4.2 节能措施：29 4.3 变频器节能效果分析 .30 4.4 设备改造节能36 4.5 总节能量37 4.6 建立能源管理机构38 5.环境保护环境保护.39 5.1 设计依据和标准39 5.2 概述 .39 5.3 环境影响分析和治理40 6.劳动安全与工业卫生劳动安全与工业卫生.42 6.1 设计依据和标准42 6.2 主要职业危害及因素 .42 6.3 劳动安全与工业卫生的主要防范措施42 7 投资估算投资估算.46 7.1 概况 .46 7.2 编制依据46 7.3 投资分析47 7.4 投资估算47 某集团有限责任公司某分公司大型固定机械及拖动电动机变频调速改造可行性研究 3 8 技术经济技术经济.49 8.1 资金来源50 8.2 项目实施进度50 8.3 流动资金50 8.4 成本预测50 8.5 计算说明50 8.6 利润分配51 8.7 评价指标计算51 8.8 盈亏平衡分析51 8.9 敏感性分析52 8.10 评价结论52 某集团有限责任公司某分公司大型固定机械及拖动电动机变频调速改造可行性研究 1 1 总总论论 1.1 项目概况 项目名称：大型固定机械及拖动电动机变频调速改造项目 建设单位：某集团某分公司 建设地点：某集团某分公司下属各煤矿 项目负责人：张赛庚； 可行性研究编制单位： 单位资质： 项目负责人： 生产规模：节约标准煤 38300t/a 1.2 可行性研究报告编制依据、编制原则、编制范围内容 1.2.1 可行性研究报告编制依据 （1）国家有关法律、法规； （2）某集团某分公司提出的工程设计委托书 ； （3）某集团某分公司提供的有关设计基础资料。 1.2.2 可行性研究报告编制范围与内容 某分公司现有井上、井下各类提升机 65 台，某分公司于 2000 年开始对提升系统的电控装置进行改造，至 2008 年 3 月， 相继改造绞车及电控拖动装置 5 台套， 。其中有交流老式 tkd 系 统改造为可编程控制器控制的电控系统，拖动方式由交流电动机 某集团有限责任公司某分公司大型固定机械及拖动电动机变频调速改造可行性研究 2 改造为直流电动机拖动系统。 某分公司绞车电控系统没有改造的电控装置还有 60 台套， 某分公司现有主排水泵 131 台，均属老旧杂水泵，运行时间 长、效率低、能耗高，吨水百米电耗达 0.6kwh，超出能耗标准吨 水百米电耗达 0.1kwh。主排水泵控制方式为直接启动，在启动时 对电网冲击大、电能损失大。 某分公司现有压风机 66 台，其中 60 台老式活塞压风机，使 用时间较长，气量调节采用机械调节方式，效率低、能耗大。电 机起动方式采用直接起动方式；6 台螺杆压风机，采用 6kv 高压 交流电动机拖动，气量调节采用机械调节方式。 某分公司现有主扇风机 36 台，其中对旋主扇 12 台，老式轴 流风机 24 台，对旋主扇采用高压 6kv 交流电动机拖动，起动方 式为直接起动，老式轴流风机采用同步电动机拖动，直接起动方 式。两种风机的风量调节均采用调节叶片角度的方法来进行，即 不经济又不节能。 将上述主要设备进行电动机变频调述改造,以达到节能的目的. 1.2.3 可行性研究报告编制原则 （1）满足生产要求； （2）在设计中采用先进、适用的工艺技术 （3）贯彻治理“三废”、防止污染的原则，满足国家有关环境 保护法规的要求； （4）在工艺流程和设备选择方面，采用先进的节能降耗技 某集团有限责任公司某分公司大型固定机械及拖动电动机变频调速改造可行性研究 3 术，加强对能源的回收利用，以达到国家有关节能规定的要求。 （5）充分利用现有设施，减少工程投资，缩短建设周期， 提高项目效益。 1.3 项目建设单位概况 某矿区 1917 年开发，1945 年建企，2002 年改制为国有独资 公司，2004 年重组为某集团所属分（子）公司。矿区面积 252 平 方公里，现有煤炭地质储量 15.7 亿吨，可采储量 8.8 亿吨，按现 有产量规模计算服务年限 40 年。煤种以 1/3 焦煤和气煤为主，兼 有部分主焦煤。煤质低硫(0.09-0.22%)、低磷(0.003-0.012%)、中 灰(20%左右)、高发热量(4430-6590 千卡/千克)，是符合环保要求 的优质化工煤和动力煤。产品有 3 大类、12 个品种，主要销往东 北三省的冶金、电力、化工、建材等行业，并有部分精煤出口。 现有 9 个煤矿，核定年生产能力 1670 万吨；6 个洗煤厂，设计年 入洗能力 885 万吨；25 个非煤生产和费用补贴单位。企业总资产 84.4 亿元，注册资本 27.9 亿元，全部为国有。在册职工 8.4 万人 在岗职工 7.4 万人，离退休人员 4.7 万人。建企 63 年累计生产原 煤 6.3 亿吨，上缴税金 45 亿元。 在发展煤炭主业的同时，配套形成热电联产、机械修造、建 筑建材、地质勘探、铁路运输、水电通讯、农林牧业等多元产业 格局。热电厂总装机容量 15 万千瓦，年发电能力 9.7 亿千瓦时， 供热能力 420 万平方米；斯达机电修造公司年产值 1.5 亿元；鑫 某集团有限责任公司某分公司大型固定机械及拖动电动机变频调速改造可行性研究 4 塔水泥公司水泥年生产能力 40 万吨；煤层气储量丰富，建有日 供气能力 4 万立方米民用燃气供应系统，供燃气 3.74 万户；有 7.8 万亩可耕地和 22 万亩宜林地。 1.4 项目建设背景 资源开发与节约并举，把节约放在首位。对保证我国经济快 速发展提高经济效益，推进合理利用资源，减少环境污染，提高 人民生活水平起着重要作用。也是改变我国经济增长方式的主要 途径和实施“可持续发展战略”的必要措施。 本次可行性研究的目的，是采用节能高效，环保效果好的变 频调速控制装置，降耗增效。节约能源，合理利用资源，提高经 济效益。 目前，全世界正在为能源紧缺而困扰，我国的能源形势尤其 严峻。拒统计，我国电网的总负荷中动力负荷约占 60%，其中 85%左 右为异步电动机消耗。因此，使异步电动机有效地利用，对于节 能具有非常重要的意义。随着中国经济的快速发展，能源成为制 约经济增长的瓶颈，节能降耗也就成为国家和企业严重关切的焦 点。节约电能已成为科研、设计制造、生产运行等各条战线上的 一个重大研究课题。 随着国民经济的不断发展，电力能源供应紧张的局面越来越 严重，国家也随之对电价作出相应调整。随着电价的不断上涨， 电费支出在企业生产成本中占的比例越来越大，节约用电可以有 某集团有限责任公司某分公司大型固定机械及拖动电动机变频调速改造可行性研究 5 效降低企业生产过程中可控成本。从 2006 年开始，我国在钢铁、 有色、煤炭、电力、石油石化、化工、建材、纺织、造纸 9 个重 点耗能行业组织开展千家企业节能行动。 “十一五”期间有望实现 节能 1 亿吨左右标准煤。国家在“十一五”规划中明确要求，到 2010 年单位 gdp 能耗比“十五”期末降低 20%左右，这意味着在 “十一五”期间每年单位 gdp 能耗下降 4%左右。为此，国家出台 相关文件，决心抓好重点耗能行业和企业节能，做好高耗能行业 和企业的节能工作。 应用现代科学技术和方法，查找、分析和预测节能工程，提 出合理可行的对策措施，指导、监控节能工作，以达到最佳节能 效率。 要节能降耗，降低提升机、风机、排水泵、压风机等用电率， 改善提升机、风机、排水泵、压风机调节性能。必需对提升机、 主扇风机、排水泵、空压机进行控制系统的改造。 本项目不仅具有显著的节能效益，同时也具有良好的环保效 益，可做到节约能源与环保并举，实现真正的节能减排。 1.5 项目建设有利条件 本项目建设地点在某集团某分公司下属各煤矿厂区内，不用 新增建设用地；主要工程仅需对某分公司大型固定机械拖动电动 机控制系统进行改造，根据各传动系统的实际工况和使用环境的 特点选用高压变频调速控制装置对提升机、压风机、矿井主扇进 某集团有限责任公司某分公司大型固定机械及拖动电动机变频调速改造可行性研究 6 行控制，采用软启动器对排水泵进行控制是最佳改造方案。 本项目可以充分利用厂区内现有的生产辅助设施和生活福利 设施，减少建设投资，提高项目经济效益；某集团某分公司拥有 一批高素质的生产工人和技术人人员。 以上都是本项目建设的有利条件。 1.6 主要原材料、燃料及动力供应 根据某分公司所提大型固定机械设备报表：提升机用交流电 动机的有 60 台，主排水泵 131 台，压风机 66 台，主扇风机 36 台，共计大型固定机械设备 293 台。提升机用交流电动机安装容 量 32735kw，主排水泵 73590kw，压风机 23293kw，主扇风机 23935kw，总安装容量 153553kw，总计算负荷 122800kw。年 耗电量 51593.8*104kwh 1.7 项目主要建设内容 本项目厂址在某集团某分公司下属各煤矿现有厂区内，本项 目采暖、热力、供排水及生活福利设施均利用公司现有设施，可 以满足本项目要求，因此本项目主要建设内容为对某分公司大型 固定机械拖动电动机控制系统进行改造，根据各传动系统的实际 工况和使用环境的特点选用高压变频调速控制装置对提升机、压 风机、矿井主扇进行控制，采用软启动器对排水泵进行控制是最 佳改造方案,以达到节能的目的。 某集团有限责任公司某分公司大型固定机械及拖动电动机变频调速改造可行性研究 7 1.8 节能效果及主要技术经济指标 本项目主要对某分公司下属九个煤矿的主提升系统.主排水系 统.压风系统.主通风系统进行改造, 改造后年节约电量 10930 万度,折 合标准煤 38300t/a. 项目总投资为 1907.00 万元，全部为建设投资，不新增加流 动资金，年均节约标准煤为 27123t.年均新增销售税金及附加 16.43 万元，年均新增增值税 205.39 万元，新增利润总额 1011.57 万元，新增所得税 252.89 万元，新增净利润 758.68 万元，税前 投资回收期 2.70 年，税后投资回收期 3.18 年。 某集团有限责任公司某分公司大型固定机械及拖动电动机变频调速改造可行性研究 8 2.电电动动机机变变频频调调速速改改造造 2.1 设计依据 1） 某分公司大型固定机械及拖动电动机变频调速改造项目 可行性研究报告委托书。 2）机械专业提供的设计委托资料。 3）本设计执行的节能法律法规 （1） 中华人民共和国节约能源法 （2） 国务院关于加强节能工作的决定 （国务院令 28 号） 国家鼓励发展的资源节约综合利用和环境保护技术 （国 家发改委【2005】65 号令） （3）中国节能技术政策大纲（计交能【1996】905 号） （4） 企业节能量计算方法gb/t 13234-91 2.2 概述 企业的电能节约，就是在电能的变换、传输、使用过程中， 最大限度地降低电能损耗，提高用电效率，降低生产成本，获得 最大效益。由于异步电动机调速困难，以往很多传动设备都是以 固定的速度运转，其输出往往过大，控制方式效率很低，其中以 鼓风机、泵类等风水力机械最为突出。 某分公司现有井上、井下各类提升机 65 台，某分公司于 2000 年开始对提升系统的电控装置进行改造，至 2008 年 3 月， 某集团有限责任公司某分公司大型固定机械及拖动电动机变频调速改造可行性研究 9 相继改造绞车及电控拖动装置 5 台套， 。其中有交流老式 tkd 系 统改造为可编程控制器控制的电控系统，拖动方式由交流电动机 改造为直流电动机拖动系统。 某分公司绞车电控系统没有改造的电控装置还有 60 台套， 某分公司现有主排水泵 131 台，均属老旧杂水泵，运行时间 长、效率低、能耗高，吨水百米电耗达 0.6kwh，超出能耗标准吨 水百米电耗达 0.1kwh。主排水泵控制方式为直接启动，在启动时 对电网冲击大、电能损失大。 某分公司现有压风机 66 台，其中 60 台老式活塞压风机，使 用时间较长，气量调节采用机械调节方式，效率低、能耗大。电 机起动方式采用直接起动方式；6 台螺杆压风机，采用 6kv 高压 交流电动机拖动，气量调节采用机械调节方式。 某分公司现有主扇风机 36 台，其中对旋主扇 12 台，老式轴 流风机 24 台，对旋主扇采用高压 6kv 交流电动机拖动，起动方 式为直接起动，老式轴流风机采用同步电动机拖动，直接起动方 式。两种风机的风量调节均采用调节叶片角度的方法来进行，即 不经济又不节能。 某集团有限责任公司某分公司大型固定机械及拖动电动机变频调速改造可行性研究 10 2.3 改造的必要性 资源开发与节约并举，把节约放在首位。对保证我国经济快 速发展提高经济效益，推进合理利用资源，减少环境污染，提高 人民生活水平起着重要作用。也是改变我国经济增长方式的主要 途径和实施“可持续发展战略”的必要措施。 本次可行性研究的目的，是采用节能高效，环保效果好的变 频调速控制装置，降耗增效。节约能源，合理利用资源，提高经 济效益。 目前，全世界正在为能源紧缺而困扰，我国的能源形势尤其 严峻。拒统计，我国电网的总负荷中动力负荷约占 60%，其中 85%左右为异步电动机消耗。因此，使异步电动机有效地利用， 对于节能具有非常重要的意义。随着中国经济的快速发展，能源 成为制约经济增长的瓶颈，节能降耗也就成为国家和企业严重关 切的焦点。节约电能已成为科研、设计制造、生产运行等各条战 某集团有限责任公司某分公司大型固定机械及拖动电动机变频调速改造可行性研究 11 线上的一个重大研究课题。 随着国民经济的不断发展，电力能源供应紧张的局面越来越 严重，国家也随之对电价作出相应调整。随着电价的不断上涨， 电费支出在企业生产成本中占的比例越来越大，节约用电可以有 效降低企业生产过程中可控成本。从 2006 年开始，我国在钢铁、 有色、煤炭、电力、石油石化、化工、建材、纺织、造纸 9 个重 点耗能行业组织开展千家企业节能行动。 “十一五”期间有望实现 节能 1 亿吨左右标准煤。国家在“十一五”规划中明确要求，到 2010 年单位 gdp 能耗比“十五”期末降低 20%左右，这意味着在 “十一五”期间每年单位 gdp 能耗下降 4%左右。为此，国家出台 相关文件，决心抓好重点耗能行业和企业节能，做好高耗能行业 和企业的节能工作。 应用现代科学技术和方法，查找、分析和预测节能工程，提 出合理可行的对策措施，指导、监控节能工作，以达到最佳节能 效率。 要节能降耗，降低提升机、风机、排水泵、压风机等用电率， 改善提升机、风机、排水泵、压风机调节性能。必需对提升机、 主扇风机、排水泵、空压机进行控制系统的改造。 2.4 电力负荷 根据某分公司所提大型固定机械设备报表：提升机用交流电 动机的有 60 台，主排水泵 131 台，压风机 66 台，主扇风机 36 某集团有限责任公司某分公司大型固定机械及拖动电动机变频调速改造可行性研究 12 台，共计大型固定机械设备 293 台。提升机用交流电动机安装容 量 32735kw，主排水泵 73590kw，压风机 23293kw，主扇风机 23935kw，总安装容量 153553kw，总计算负荷 122800kw。年 耗电量 51593.8*104kwh 本次对某分公司大型固定机械拖动电动机控制系统进行改造， 根据各传动系统的实际工况和使用环境的特点选用高压变频调速 控制装置对提升机、压风机、矿井主扇进行控制，采用软启动器 对排水泵进行控制是最佳改造方案。 2.5 变频调速方案 2.5.1 异步电动机 1）异步电动机的用处 在企业的生产过程中，为了适应不同设备的用电要求，需要 利用不同的设备将电能转换成光能、热能、机械能、势能、动能 等，在企业生产的各个环节中利用这些能量进行正常的生产活动。 而电动机就是将电能转换成机械能的电气设备，应用非常广泛， 各种工业设备上到处可以看到异步电动机，如在矿山采矿采煤上 它被用来拖动卷扬机、鼓风机、排水泵、压风机等。 2）异步电动机的优缺点 异步电动机所以用得广泛，主要原因是它的结构简单、造价 低廉，而且坚固耐用，维修方便。异步电动机具有的一系列优点， 成了工业驱动方面的主要动力。但是，异步电动机也存在着不足， 某集团有限责任公司某分公司大型固定机械及拖动电动机变频调速改造可行性研究 13 最主要的不足是它的功率因数比较低，调速性能不够好，浪费电 能。同时，启动电流大，加快绝缘老化，对机械设备冲击大，缩 短机械及电动机使用寿命。 3）异步电动机的工作原理 三相异步电动机它是利用电磁感应原理设计制造而成。也就 是由一个固定不动的叫做定子的部分和另一个可以旋转的叫做转 子的部分组成的。定子上装有三相对称绕组，通入三相交流电流 后，在电机起隙中产生一个旋转磁场。这个旋转磁场的转速 n1和 定子电流的频率 f1以及电动机的极对数 p 有关，即 n1=60f1/p 由 异步电动机的转速公式可知，电动机的旋转近似地决定于电动机 的极数和频率。由于电动机的工作原理决定电动机的极数是固定 不变的，频率是电动机供电电源的电信号，若设法连续改变供电 电源的频率 f,则电动机的转速随之连续变化。所以，频率能够在 电动机的外面调节后再供给电动机，这样电动机的旋转速度就可 以被自由的控制。 4）电动机的损耗： 电动机的损耗包括恒定损耗、负载损耗及杂散损耗。 恒定损耗是指电动机运行时的固有损耗，它与电动机材料、 制造工艺、结构、转速等因素有关。一般约占总损耗的 20%25%。 负载损耗是指电动机运行时，定子绕组、转子绕组通过电流 引起的电阻损耗，即称为铜损，它与绕组的电阻和负载电流有关。 某集团有限责任公司某分公司大型固定机械及拖动电动机变频调速改造可行性研究 14 铜耗约占总损耗的 20%70%。 杂散损耗主要由定子漏磁通和定、转子的高次谐波在导线、 铁芯及其它金属部件内引起的损耗。一般约占总损耗的 10%15% 对于长时间运行、负载变化比较大的连续运转电动机，象排 水泵、风机的设计容量要比实际需要高出许多，出现人们常说的 “大马拉小车”的现象，造成电能的大量浪费。 2.5.2 变频器 2.5.2.1 变频器-首选节能产品 节能改造有各种不同的方法，如加强废物利用、利用可再生 能源、禁用耗能设备等。但是，某分公司各矿采选设备中如：拖 动风机、水泵、空气压缩机、矿井提升机等负载，80%的耗电集 中在高压大功率电动机上，功率大多在 1001000kw 之间，个别 电机的功率高达 3000kw、3500kw。利用高电压大功率电动机 变频调速方式来实现节能，无疑是潜力最大的节能方式。因此， 具有理想节能效果和调速性能的高压变频器引起政府主管部门和 各高耗能企业的高度关注，成为其首选的节能产品。 2.5.2.2 变频器技术 随着大功率电力电子技术、变流控制技术以及微电子技术的 进步，大规模集成电路和微机控制技术的突飞猛进，交流电动机 变频技术已日趋完善，变频调速以其优异的调速范围宽和软起动 性能，高效率、高精度、高功率因数和节电效果，广泛的适用范 围及其它许多优点而被国内外公认为最有发展前途的调速方式。 某集团有限责任公司某分公司大型固定机械及拖动电动机变频调速改造可行性研究 15 近 10 年交流变频技术在国内也得到了迅速发展，利用变频器对 电动机进行调速将成为电气调速传动的主流。变频技术日新月异， 知识含量高，pwm 抑制谐波能力很强，优化 pwm 可以实现电 流谐波畸变率最小，电压利用率最高，效率最优。脉宽调制技术 一直是变频的核心技术之一，从模拟技术发展到全数字化方案完 成优化的实时在线的 pwm 信号输出，实现变压变频。随机 pwm 可以有效消除机械和电磁噪音，控制原理为随机改变开关 频率使电机电磁噪音近似为白造音，有效消弱以固定开关频率为 特征的有色噪音。 2.5.2.3 变频调速的系统原理 高压变频调速系统采用单元串联多电平技术，属高-高电压源型 变频器，直接 3、6、10kv 高压输入，直接 3、6、10kv 高压输 出。 输入侧由移相变压器给每个功率模块供电，移相变压器的副 边绕组分为三组，根据电压等级和模块串联级数，一般由 24 脉 冲系列、42 脉冲系列等构成移相叠加的整流方式，可以大大改善 网侧的电流波形，使其负载下的网侧功率因数接近 1，无须任何 功率因数补偿、谐波抑制装置。 输出侧由每个单元的 u、v 输出端子相互串接而成星型接法 给电动机供电。通过对每个单元的 pwm 波形进行重组，可以得 到阶梯正弦 pwm 波形，这种波形正弦度好，dv/dt 小，对电缆和 电动机的绝缘无损坏，无须输出滤波器，就可以延长输出电缆长 某集团有限责任公司某分公司大型固定机械及拖动电动机变频调速改造可行性研究 16 度，可直接用于普通电动机。同时，电动机的谐波损失大大减少， 消除负载机械轴承和叶片的振动。当某一单元出现故障时，通过 控制可将此单元退出系统，变频器可降额继续运行，由此可避免 很多场合下停机造成的损失。 功率模块为基本的交-直-交单相逆变电路。整流侧为二极管 三极管三相全桥，通过对逆变桥进行正弦 pwm 控制，可得到单 相交流输出。 控制器由高速单片机、工控 pc 和 plc 共同构成。单片机实现 pwm 控制，工控 pc 提供友好的全中文 windows 监控和操作界面，内置 plc 则用于柜体内开关信号 的逻辑处理，控制器与功率单元之间采用光纤通讯技术，高低压 完全可靠隔离，系统具有极高的安全性，同时具有很好的抗干扰 性能，可靠性大大提高。 变频器在开环运行于设定频率，在闭环运行模式下，可以设 定并调节被控量的期望值，变频器将根据被控量的实际值，自动 调节变频器的输出频率，控制电动机的转速，使被控量的实际值 自动逼近期望值。 某集团有限责任公司某分公司大型固定机械及拖动电动机变频调速改造可行性研究 17 2.5.2.4 变频器的优越性： 高压电动机节能效果显著，人们想了各种各样的办法来实现电 动机的调速，来达到节能的目的。从目前来看，变频调速是电动 机调速的最佳解决方案。 1）与定速泵、风机相比，变频调速普遍节能在 25%以上。 节能效果显著。 2）运行稳定，安全可靠，免维护。只须定期清洗通风滤网， 不用停机，保证生产的连续性。能使风机轴承磨损减少，延长电 动机、风机的使用寿命和维修周期，提高风机的利用效率。 采用变频器可以使水泵电动机实现真正的软起/软停，从而使 急扭及水锤现象得到解决。而且变频器能够在合适的情况下降低 泵的转速，一方面可以避免水泵长期工作在满负荷状态下，另一 方面变频的软起动大大的减小水泵起动时对机械的冲击。 3）变频器效率高，没有因调速带来的附加转差损耗。调速 范围大，精度高，可实现无级调速，而且容易实现协调控制和闭 环控制 4）变频器提供给电动机的无谐波干扰的正弦波电流，能降 低电动机的故障次数。由于电平数和等效开关频率的增加有利于 改善输出波形，降低输出谐波，电动机发热得到改善。在设备加 速期间能大大减小噪声，削弱噪声污染，能极大的改善现场工作 某集团有限责任公司某分公司大型固定机械及拖动电动机变频调速改造可行性研究 18 环境。免去了许多繁琐的人工操作和不安全隐患因素，并使系统 始终处于节能状态下运行，延长了设备的使用寿命，更好的适应 了生产需要。 5）变频器自身保护功能完善。同原来继电器保护相比较， 保护功能更多，更灵敏，保护 动态响应快，能大大加强对电动 机的保护。同有的主扇风机风量调节采用机械调整叶片角度的方 法相比较，主扇调风方式用机械调整叶片角度存在着局限性，电 动机始终运行在 100%额定转速状态下，造成能源浪费。 6）适应电网电压波动能力强。 某集团有限责任公司某分公司大型固定机械及拖动电动机变频调速改造可行性研究 19 2.5.3 电动机变频调速改造设备投资 提升机用交流电动机安装容量 32735kw，压风机 23293kw， 主扇风机 23935kw，总安装容量 79963kw 某分公司现大型设备改造老式电控为变频调速控制设备共计 162 台套。暂按变频器设备平均价格 900 元/kw 计算： 79963kw x 900 元/kw=7196.67 万元。 其中主扇风机：23935kw x 900 元/kw=2154.15 万元 压风机：23293kw x 900 元/kw=2096.37 万元 提升机：32735kw x 900 元/kw=2946.15 万元 变频调速优越的调速性能和显著的节能效果已被国内外各个 领域应用实践得到验证和认可。可以广泛应用于矿山提升机、主 扇风机、压风机等设备节能改造。 某分公司现大型设备改造老式电控为变频调速控制设备总投 资 7196.67 万元。 2.6 软起动 2.6.1 概述 某集团有限责任公司某分公司大型固定机械及拖动电动机变频调速改造可行性研究 20 应用最广泛的交流电动机大多数以反电势为主的负载，起动 电流非常大，严重影响电动机的使用寿命，并危害电网的安全运 行。 某分公司各矿现有排水泵 131 台，控制方式为直接起动，起 动电流大，对电网造成很大冲击，电能损失大。老式水泵，效率 低，能耗高。吨水百米电耗达 0.6kwh。 2.6.2 改造主要内容 为提高水泵运行效率降低电耗，某分公司决定采用高效节 能水泵，吨水百米电耗降到 0.5kwh。并对控制系统进行改造， 达到降低起动电流，提高设备运行效率。 2.6.3 电气控制系统改造措施 2.6.3.1 软起动器 随着大功率电力电子技术、变流控制技术以及微电子技 术的进步，一种新型起动设备-异步电动机软起动器几年间迅速 发展起来。它即能改变电动机的起动特性，保护拖动系统，更 能保证电动机可靠平滑软起动。而软起动器主要由定子回路的 具有限流作用的电力器件-晶闸 实现限流起动。通过改变晶闸 管的导通角，来改变加到定子绕组的三相电压，实现软起动。 当电动机起动时，在电动机电流不超过额定值 400%的范 围内，软起动器的输出电压迅速上升至起动时的初始电压值， 然后输出电压按所设定的起动参数逐渐上升，电动机随着电 压的上升不断平稳加速，当电压达到额定电压时，电动机达 某集团有限责任公司某分公司大型固定机械及拖动电动机变频调速改造可行性研究 21 到额定转速，旁路接触器吸合，起动过程完成。 2.6.3.2 软起动器的优越性 软起动器起动性能好，软起软停过程平稳、不抖动。保 护功能强，性能稳定可靠，通用性能好，微功耗：由于采用 无触点控制运行功耗近乎于零，抗干扰能力强。 2.6.3.3 改造措施 通过异步电动机软起动器与传统的起动设备相比较，软 起动器以其优越的起动性能而广泛应用在矿山、冶金、化工、 电力、煤炭、水利、轻工等各个行业。所以在本次公司大型 设备改造中，对矿井排水泵电动机电控系统的改造，采用软 起动器作为首选设备。对电动机实行软起动。改善工艺，提 高自动化控制水平，降低起动电流，提高设备运行效率，降 低成本，提高企业经济效益。 2.6.4 排水泵电动机软起动改造设备投资 矿井主排水泵安装容量 73590kw， 暂按软起动器设备平均价格 300 元/kw 计算： 软起动设备投资：73590kw x 300 元/kw=2207.7 万元 2.7 总投资 公司大型固定机械采用变频调速控制装置和软启动器控制装 置总投资： 变频调速控制设备总投资 7196.67 万元。 某集团有限责任公司某分公司大型固定机械及拖动电动机变频调速改造可行性研究 22 软起动设备投资：2207.7 万元 投资合计：7196067-2207.7=9404.37 万元 某集团有限责任公司某分公司大型固定机械及拖动电动机变频调速改造可行性研究 23 3 设设备备改改造造 3.1 项目概况 3.1.1 主提升系统 某分公司共有井上、井下各类提升机 65 台。采用直流电动 机拖动系统的有 12 台，交流电动机拖动系统的有 50 台（其中电 控系统采用变频调速的 1 台，其余均为转子回路串电阻的调速系 统） ，防爆电动机拖动的液压绞车 3 台。 某分公司于 2000 年开始对提升系统的电控装置进行技术改 造，至 2008 年 3 月，相继改造了提升机及电控拖动装置 5 台套。 其中电控装置由老式的交流 tkd 系统改造为可编程控制器控制 的电控系统，拖动方式由交流电动机拖动系统改造为直流电动机 拖动系统。经过改造后，明显提高了设备的运行效率，降低了能 耗，提高了设备的运行安全性能和可靠性。 3.1.2 主排水系统 某分公司现有主排水泵 131 台，均属老、旧、杂牌水泵。其 运行的时间长、效率低、能耗高，排水的电耗达 0.6 kw h/百 米吨，超出标准 0.1 kw h/百米吨。主排水泵的控制方式为直接 起动，方式落后，在启动时对电网的冲击大，电能损失明显。 3.1.3 压缩空气系统 某分公司现有空气压缩机 66 台，其中 60 台为老式的活塞式 空气压缩机，服务的时间较长（7080 年代） ，效率低（65%） 、 某集团有限责任公司某分公司大型固定机械及拖动电动机变频调速改造可行性研究 24 能耗大，且气量的调节方式为机械调节方式，无法做到按需供气。 电动机的启动方式方式为直接启动，方式落后，在启动时对电网 的冲击大，电能损失明显。6 台螺杆式空气压缩机的服务年限不 长，采用 6 kv 高压交流电动机拖动，但气量的调节方式为机械 调节方式。 3.1.4 主通风系统 某分公司现有主扇风机 36 台，其中对旋主扇 12 台，老式轴 流风机 24 台。对旋主扇采用 6 kv 高压交流电动机拖动，启动方 式为直接起动；老式轴流风机采用同步电动机拖动，启动方式为 直接启动。以上两种风机的风量调节均采用调节风机叶片角度的 方法来进行风量调节，方式落后，耗能大。 3.2 改造内容 3.2.1 主提升系统的改造 随着科学技术的进步，大功率电力电子技术及大规模集成电 路和微机控制技术的发展突飞猛进，交流电动机变频调速技术已 经日趋完善。近 10 年来，变频调速以其高效率、高功率因数、 节电效果好、适用范围广泛及调速和起动制动性能优异等优点， 在国内得到了迅猛的发展和广泛的应用。 目前某分公司提升机电控系统中没有改造的电控装置还有 60 台套。如果及交流电动机部分的电控装置改造成为变频调速系统， 节能的空间将是十分巨大的。 某集团有限责任公司某分公司大型固定机械及拖动电动机变频调速改造可行性研究 25 3.2.1.1 提升机的拖动电动机的改造 某分公司的提升机采用交流电动机拖动的 50 台提升机中， 大部分为 jr 系列的高耗能电动机，是国家明令禁止的淘汰产品。 由于前些年煤炭行业的经济效益不佳，公司没有能力及时进行大 规模的技术改造，改造的力度很小。 对于 jr 系列的高耗能电动机，由于其耗能高的原因，采用 其替代产品即 yr 系列新型节能电动机进行替换，可以提高提升 系统的效率 2%。年节约电量 220 万度,折合标准煤 770t. 3.2.1.2 电控系统的改造 目前某分公司交流电动机拖动的提升机的电控系统采用电动 机转子回路串电阻的控制方式。虽然这种控制方式能限制启动电 流和提高起到转矩，并能在一定的范围内调速，但其缺点是确定 阶段的电能损耗较大，尤其当用于要求频繁启动或不同运行速度 的多水平提升机时，问题就尤为突出，此外由于靠切除电动机转 子回路电阻进行调速，系统的调速性能不好，且调速过程中的转 差能量均消耗在转子电阻中。 针对电动机转子回路串电阻的控制方式的缺点，结合变频调 速的高效率、高功率因数、调速和起动制动性能优异的优点，采 用变频调速技术对某分公司提升系统交流电动机的电控系统进行 改造。改造后的系统效率可提高 20%。 3.2.2 主排水系统的改造 3.2.2.1 排水泵的改造 某集团有限责任公司某分公司大型固定机械及拖动电动机变频调速改造可行性研究 26 某分公司主排水系统的排水电耗达 0.6 kw h/百米吨，超出 标准 0.1 kw h/百米吨。 针对主排水系统运行的时间长、效率低、能耗高的现状，为 达到排水系统高效、节能的目标，用高效节能排水泵替代现有的 排水泵。经过改造后，主排水系统的排水电耗可降低至 0.5 kw h/ 百米吨，节能效果和经济效益的提高均十分显著。年节约电量 4945 万度,折合标准煤 17308t. 3.2.2.2 电控系统的改造 目前主排水泵的控制方式为直接启动，其缺点是启动电流大， 对电网的冲击较大，能耗损失明显增加。 针对主排水泵的控制方式的缺点，结合电气软启动启动性能 优异的优点，采用电气软启动起动技术对主排水泵的电控系统进 行改造，即主排水泵的电控系统用电气软启动系统替代直接启动 系统。 3.2.3 压风机系统的改造 3.2.3.1 压风机的改造 现有的 60 台为老式的活塞式空气压缩机，服务的时间较长 （7080 年代） ，效率低（65%） 、能耗大，且气量的调节方式为 机械调节方式，无法做到按需供气。 根据某分公司空气压缩系统的现状，应以新型的空气压缩机 对其进行替换。 下面对国内空气压缩机的能耗进行简单的对比。 某集团有限责任公司某分公司大型固定机械及拖动电动机变频调速改造可行性研究 27 1）目前矿山用空气压缩机仍以活塞式压缩机为主，当表压 为 0.70.8mpa 时，其比功率为 4.746.1 kw/m3min。 2）螺杆式空气压缩机以小容量为主，其效率低，当表压为 0.70.8mpa 时，其比功率为 5.357.1 kw/m3min，耗电量大。 3)离心式空气压缩机适合大容量使用，可以考虑，但其效率 相对较大，最高效率时其比功率为 5.25 kw/m3min。 4）由于压气是矿山主要动力源之一，其效率的大小直接影 响矿山的节能工作，故应综合考虑。 经过以上的对比，考虑到公司的具体情况，以新型的活塞式 空气压缩机对 60 台老式的活塞式空气压缩机进行替换。 3.2.3.2 压风机电气改造 1）将已有的 6 台螺杆式压风机的的电控系统应用变频调速 技术进行改造，气量调节方式改造成自动调节方式。 2）60 台新型的活塞式压风机采用交流电动机拖动的变频调 速系统控制，气量调节方式为自动调节方式。 3）以上 66 台空气压缩机采用计算机集中控制系统。 经过以上技术改造，公司压风机系统的效率将大幅度提高,新 设备节能可提高效率 10%，新电机节能可提高效率 5%,系统的效 率可达 80%以上。年节约电量 391 万度,折合标准煤 1370t. 3.2.4 主通风系统的改造 目前某分公司现有主扇风机中，对旋主扇采用 6 kv 高压交 流电动机拖动，启动方式为直接起动；老式轴流风机采用同步电 某集团有限责任公司某分公司大型固定机械及拖动电动机变频调速改造可行性研究 28 动机拖动，启动方式为直接启动。其缺点是启动电流大，对电网 的冲击较大，能耗损失明显增加。 现有的主扇风机的风量调节是通过调节叶片角度的方式进行 的，系统不能根据风量的变化进行自动调节，显然能耗大，也不 易管理。 针对主通风机控制方式的缺点，结合变频调速的高效率、高 功率因数、调速性能优异的优点，采用变频调速技术对通风机交 流电动机的电控系统进行改造。通风系统可根据风量的变化进行 自动调节，既有效地降低了能耗损失，也降低了管理上的难度。 某集团有限责任公司某分公司大型固定机械及拖动电动机变频调速改造可行性研究 29 某集团有限责任公司某分公司大型固定机械及拖动电动机变频调速改造可行性研究 30 4 节节能能 4.1 设计依据: 1） 中华人民共和国节约能源法 2） 国务院关于加强节能工作的决定 （国务院令 28 号） 3） 国家鼓励发展的资源节约综合利用和环境保护技术 （国家发改委【2005】65 号令） 4） 中国节能技术政策大纲（计交能【1996】905 号） 5） 企业节能量计算方法gb/t 13234-91 4.2 节能措施： 鹤分公司各矿所用设备大多为 7080 年代的产品，设备陈旧， 很大一部分电动机属于国家命令淘汰的产品。有些还是 50 年代 的产品，控制方式落后。象主排水泵采用直接启动，启动电流大， 对电网的冲击很大。提升机用交流电动机采用转子串电阻调速， 在调速过程中转差能量全部消耗在转子电阻中。风机系统，大多 为 7080 年代生产的活塞式压风机，能耗高，效率低，维修量大。 矿井主扇属长期工作制，其主扇调风方式用机械调整叶片角度， 运行状态的好坏将直接影响能耗的高低。 随着大功率电力电子技术、变流控制技术以及微电子技术的 进步，通过改变供电频率的调速已成为现实。采用变频器应用在 矿山提升机控制系统，风机、排水泵、主风扇等电动机控制系统 某集团有限责任公司某分公司大型固定机械及拖动电动机变频调速改造可行性研究 31 中。使电动机在经济节能的状态下安全运行，达到节能的目的。 鉴于变频调速效率高、功率因数高、调速性能好、节能效果显著、 运行稳定、安全可靠、免维护的优点，选用变频调速节能控制装 置是风机、排水泵、主风扇、矿井提升机实现交流调速节能最理 想的方法。 4.3 变频器节能效果分析 4.3.1 节能原理 当采用变频调速时，可以按需要升降电动机转速，改变风机、 压风机等的性能曲线，使风机、压风机等的额定参数满足工艺要 求。根据实际工况，使频率的分段区间最实际，最优化，促使电 能节约的最大化。 采用变频调速方法节能的原理，是基于流体力学原理知道风 某集团有限责任公司某分公司大型固定机械及拖动电动机变频调速改造可行性研究 32 机流量、压力与电动机转速及电动机功率之间的关系为： q1/q2=n1/n2 h1/h2=(n1/n2)2 p1/p2=(n1/n2)3 q1、h1、p1-风机在 n1转速时的流量、压力、功率； q2、h2、p2-风机在 n2转速时相似工况条件下的流量、 压力、功率； 假如转速降低一半，即 n2/n1=1/2,则 p2/p1=1/8，可见降低 转速能大大降低轴功率达到节能的目的。从理论上讲，当流量需 求为 80%时，通过变频调速，仅需额定轴功率的 51.2%，即可节 约 48.8%的能源。 4.3.2 变频器节能计算 以南山井南风井 1000kw 6kv 113a 风机为例，说明节能原 理。 1）节能计算: （1）挡板控制时的电力消耗（电动机在额定速度以下运转） 挡板控制的风扇、排风机的风量从 100%至 70%变化时 设 h=1 额定扬程，q=1 额定风量 q=1 时的必要轴动力 p1为风扇、排风机的额定轴动力 （kw） q=0.7 时的必要轴动力 p0.7为 p0.7=p1*q0.7*h0.7(在不考虑风 某集团有限责任公司某分公司大型固定机械及拖动电动机变频调速改造可行性研究 33 扇、排风机自身效率的情况下)电动机的效率设定为 m 时，q=1 时所需的动力为 p11，q=0.7 时的所需动力为 p10.7 p11=p1/m（kw） p10.7=p0.7/m（kw） （不包括由于负载下降所造成的电动机效率下降） （2）变频器可变速控制时的电力消耗 使用变频器进行可变速控制，使风扇、排风机的风量从 100%至 70%变化时 q=1 时的所需动力为 p11与挡板控制时相同 p11=p1/m（kw） 风量为 70%时，q0.7时的工作点 p0.7，这时所需的轴动 力 p0.7=（利用相似定理）q0.7* h0.7=p1*0.73 设定变频器的效率为 1nv 时，所需动力为 p10.7= p0.7/m/1nv=p1*0.73/m/1nv 2）计算示例: 以南山井的南风井风机为例： 电动机的效率=95% 变频器的效率96% （含变压器） 额定风量时的风机轴动力：1000kw. 风机特性 ：q 风量为 0 时.h 扬程为 1.4p.u 年运行时间为 ：8600 小时 长期工作制 某集团有限责任公司某分公司大型固定机械及拖动电动机变频调速改造可行性研究 34 风机的运行模式：风量 100% 年运行时间的 20% 风量 70% 年运行时间的 70% 风量 50% 年运行时间的 10% （1）挡板控制风量时 p100=风量 100% ；p70=风量 70% ；p50=风量 50% 。 p100=1000*0.75/0.95=789kw p70=1000*0.75*0.7*（1.4-0.4*0.7*0.7）/0.95=665kw p50=1000*0.75*0.5*（1.4-0.4*0.5*0.5）/0.95=513kw 注：p=h*q h=a-（a-1）q2 假设电费以 0.55 元/kwh 计算 789*8600*0.2*055+665*8600*0.7*055+513*8600*0.1*055=319.0 858 万元 （2）变频器可变速控制风量时 p100=风量 100% ；p70=风量 70% ；p50=风量 50% 。 p100=1000*0.75/0.96=789kw p70=1000*0.75*0.73/0.95/0.96=282kw p50=1000*0.75*0.53/0.95/0.96=102kw 注：p=h*q h=a-（a-1）q2 假设电费以 0.55 元/kwh 计算 789*8600*0.2*0.55+282*8600*0.7*0.55+102*8600*0.1*0.55 =172.8342 万元 风机电动机运行一年所节省的电费： 某集团有限责任公司某分公司大型固定机械及拖动电动机变频调速改造可行性研究 35 3190858-1728342=146.2516 万元 节能效益非常可观。 当采用变频调速时，50hz 满载时功率因数为 0.96，工作电 流比电动机额定电流值要低许多，由于变频装置的内滤波电容产 生的改善功率因数的作用，可以为电网节约容量 20%左右。 3）某分公司各矿主扇总负荷节能计算 某分公司现有主风扇 36 台安装总容量 23935kw 有功 功率 p=15558kw。 （1）挡板控制风量时 p100=风量 100% ；p70=风量 70% ；p50=风量 50% 。 p100=15558/0.95=16377kw p70=15558*0.7*（1.4-0.4*0.7*0.7）/0.95=13802kw p50=15558*0.5*（1