曲寨热电厂高压变频调速节能改造分析报告.doc

哈尔滨九洲电气股份有限公司曲寨热电厂高压变频调速节能分析报告哈尔滨九洲电气股份有限公司2010年3月一、 概述曲寨热电厂位于河北省鹿泉市曲寨村，发电厂50MW机组火力发电变频节能改造项目正在筹备中。发电厂希望采用EMC（合同能源管理）方式，我公司已对现场工艺、工况进行了解，对锅炉辅机的实际运行数据进行采集，该数据由发电厂现场工作人员提供，仅代表当前工况下的运行情况。我公司建议采用PowerSmart TM系列高压变频器作为辅机调速设备，不仅可以实现节能降耗，还可以降低厂用电率和发电成本，对增加电厂的经济效益意义重大。本次数据采集包括一次风机、二次风机、1#引风机、2#引风机和给水泵及配套电机的铭牌参数和实际运行参数。一般情况下，风机变频调速之后的流量和转速成正比，压力和转速平方成正比，其内功率则和转速立方成正比，节能效果与风机调速后的转速成立方关系变化。这时风机的工况点基本上符合相似定律。但是,实际中却没有这样的节能效果。由于相似定律是研究、设计风机本身的规律，它是就风机而论风机的定律。对于工作在管道系统中的风机必须视具体工况进行分析计算，由于风机的入口和出口风压是否为大气压，直接关系到风机的轴功率变化。因此，风机的节能计算不能照搬照抄相似定律，风机的节能计算必须根据具体实际工况进行分析计算。也应当考虑变频调速之后风机的效率、电动机的效率、变频器的效率等因素的影响。离心式风机与离心泵均属于平方转矩类负载，水泵要克服管网阻力，尤其是克服节流孔板和电动调节门的阻力。其服务扬程比较大，这时水泵的工况点已经不符合相似定律。对于工作在管网系统中的泵必须视具体工况分析计算。二、 风机的运行特性1、工频运行特性1.1工频运行特性曲线p Rapa A Re pe E Rb pb B F1nQa Qe Qb Q图1-风机工频运行特性曲线1.2风机工频运行具有的特点图1中，F1为工频运行时的（Q-p）性能曲线，也是变频风机在50Hz下满负荷运行时的性能曲线。E点为工频运行时的额定工作点，即挡风板在某一固定位置时的工作点。A点为流量小于额定流量时的工作点，即通过关小挡风板沿着（Q-p）特性曲线向左上方滑动的一系列的工作点；B点为流量大于额定流量的工作点，即挡风板开大直至全开，并且沿着（Q-p）特性曲线向左下方滑动的一系列工作点。请注意挡风板全开之后，应当防止电动机过载。pa为流量小于额定流量时的风机出口全压；pe为额定流量时的风机出口全风压；pb为流量大于额定流量时风机的出口全风压。Re为额定流量时，即挡风板在某一固定位置时的管网阻力曲线；Ra为小于额定流量时，即关小挡风板之后的管网阻力曲线；Rb为大于额定流量时，即挡风板开大直至全开之后的管网阻力曲线。挡风板在不同的位置时，Re，Ra，Rb实际是一系列曲线族。1为效率曲线。从图1中我们可以看出，papepb；QaQeQb；ab。在额定工作点运行时，风机的效率最高，等于定效率。在额定工作点以外的任何工作点的效率都小于额定效率。2、变频运行特性2.1变频运行特性曲p Rapa A Re pe E Rb pb D B 1 F G C 2 F1 H F3 F2Qa Qe Qb Q图2-风机变频运行特性曲线2.2变频运行时的特点F2、F3不仅仅是二条曲线，而是F1性能曲线下方偏左的一系列曲线族，即工作频率不同，（Q-p）曲线就沿着管网阻力曲线向左下方滑动形成不同的（Q-p）曲线族。Fn变化时，工作点A、E、B、也分别沿着管网阻力曲线Rb，Re，Ra变为C、D、F。效率曲线1也随着向左推移，并且形成高效扇形区。因此，风机变频运行时，pb降为pc，pe 降为pd或pg；pa降为pf。流量Qb减小到Qe；Qe减小到Qa；Qa变得更小。如果Fn变化时，把挡风板打开到某个固定位置，使管网阻力为Re，保持流量Qa不变，即Qa恒定。工作点A即压力pa降为pg。如果Fn变化时，把挡风板打开到最大位置，使管网阻力为Rb，分别保持流量不变，即Qa、Qe、Qb恒定。工作点A、E即压力pa 、pe也分别降为ph 、pc。Pb恒定不变。随着频率Fn的降低，当管网阻力一定时（假设为Re），变频运行风机的出口压力逐渐降低为pd或pg，变频后流量从Qe快速减少为Qa，工作点G的所需要的扬程也随着降低。而频率增加时，风机的出口压力也上升，使流量Qa反而增加，直至到Qe。如果要继续增加流量，此时必须把挡风板全部打开，流量最大可以达到Qb，此时要防止工频泵过载。变频运行时，频率不能调的过低，因为过低的频率运行，将满足不了工艺要求。3、变频泵与工频泵并联运行时的特性3.1变频泵与工频泵并联运行特性曲线图3-变频泵与工频泵并联运行特性曲线(1) F1为工频泵的性能曲线，也是变频泵在50Hz下满负荷运行时的性能曲线(假定变频泵与工频泵性能相同)，工频泵单泵运行时的工作点A1。(2) F2为变频泵在频率F2时的性能曲线，变频泵在频率F2单独运行时的工作点B1。(3) F3为变频和工频水泵并联运行的总的性能曲线，工作点C，扬程HC，流量QC=QA2+QB2。3.2变频泵与工频泵并联运行时的特点（1）F2不仅仅是一条曲线，而是F1性能曲线下方偏左的一系列曲线族。F3也不仅仅是一条曲线，而是在F1性能曲线右方偏上的一系列曲线族。（2）F2变化时，F3也随着变化。工作点C也跟着变化。因此变频泵的扬程HB2，流量QB2，工频泵扬程HA2，流量QA2，以及总的扬程HC=HB2=HA2，和总流量QC= QA2+QB2都会随着频率F2的变化而变化。（3）随着变频泵频率F2的降低，变频泵的扬程逐渐降低，变频泵流量QB2快速减少;工作点C的扬程也随着降低，使总的流量QC减少；因此工频泵的扬程也降低，使工频泵流量QA2反而略有增加，此时要警惕工频泵过载。4、水泵变频调速运行特性图4-水泵变频运行特性曲线（1）图4中，额定工作点仍然为A，理想管网阻力曲线R1与流量成正比。变频后的特性曲线F2，工作点B。流量为零时的净扬程H0，变频运行实际工作点HB与净扬程的差H=HB-H0，为克服管网阻力达到所需流量QB时的附加扬程。（2）图4中的工作点A为水泵额定工作点，满足水泵的额定扬程和额定流量。因此R1成为理想的管网阻力曲线，但是由于实际管网阻力曲线不可能为理想曲线，因此实际的最大工作点一定要偏离A点。如果实际最大工作点向A点右下方偏移，则由于流量增加较大，容易造成过载。三、 设备参数工程项目全称：曲寨热电厂风机名称： 一次风机序号风机参数一、风机名牌或随机样本参数二、风机实际运行参数工况1工况2工况3工况4工况51风机型号与类型VR58IIIS1G0KK22001风机入口风压 PsrPa2风机全压PePa154902风机出口风压 PscPa109003额定流量Qem3/h1660003实际流量Qsm3/h4风机轴功率NzkW4实际风速Vsm/s5风机（内）效率 %5允许最小风压 PmPa6风机额定转速nr/m14806允许最小流量 Qmm3/h7介质的设计密度t/m37介质的实际密度t/m38介质的设计温度t1208介质的实际温度 t299风门实际开度k%或03810传动方式联轴器（ ）直联（ ）液力耦合器（ ）液力耦合器实际转速r/m11风机调节方式a轴向（ ）；b单吸径向（ ）； c双吸径向（ ）; d混流（ ）；e入口挡板（）;f出口挡板（ ）请在（ ）中划确认。 电动机参数一、电动机名牌或随机样本参数二、电动机实际运行参数1电动机型号YKK650-41实际输出功率 NskW2额定功率NekW11202实际电压 USkV10.33额定电压UekV103实际电流 IsA59.84额定电流IeA76.94实际功率因数cos5额定功率因数 cos5单位电价： 元/kWh0.41联系电话：139304591396电机额定转速 nr/m14806年平均运行时间h/y8000联系人：谷工工程项目全称：曲寨热电厂变频节能改造项目风机名称：二次风机序号风机参数一、风机名牌或随机样本参数二、风机实际运行参数工况1工况2工况3工况4工况51风机型号与类型VR65IIN1BORK17301风机入口风压 PsrPa2风机全压 PePa114102风机出口风压 PscPa80003额定流量 Qem3/h1332003实际流量 Qsm3/h4风机轴功率 NzkW4实际风速 Vsm/s5风机（内）效率 %5允许最小风压 PmPa6风机额定转速 nr/m14806允许最小流量 Qmm3/h7介质的设计密度 t/m37介质的实际密度t/m38介质的设计温度 t1208介质的实际温度 t299风门实际开度 k%或02610传动方式联轴器（ ）直联（ ）液力耦合器（ ）液力耦合器实际转速r/m11风机调节方式a轴向（ ）；b单吸径向（）； c双吸径向（ ）; d混流（ ）；e入口挡板（）;f出口挡板（ ）请在（ ）中划确认。 电动机参数一、电动机名牌或随机样本参数二、电动机实际运行参数1电动机型号YKK500-41实际输出功率 NskW2额定功率 NekW6302实际电压 USkV103额定电压 UekV103实际电流 IsA23.84额定电流 IeA44.84实际功率因数cos5额定功率因数 cos5单位电价： 元/kWh0.41联系电话：139304591396电机额定转速 nr/m14906年平均运行时间h/y8000联系人：谷工工程项目全称：曲寨热电厂变频节能改造项目风机名称： 1#引风机序号风机参数一、风机名牌或随机样本参数二、风机实际运行参数工况1工况2工况3工况4工况51风机型号与类型Y6-40No23.5F1风机入口风压 PsrPa-2.7k2风机全压 PePa54842风机出口风压 PscPa3额定流量 Qem3/h2800003实际流量 Qsm3/h4风机轴功率 NzkW4实际风速 Vsm/s5风机（内）效率 %5允许最小风压PmPa6风机额定转速 nr/m9606允许最小流量Qmm3/h7介质的设计密度 t/m37介质的实际密度t/m38介质的设计温度 t11408介质的实际温度 t215699风门实际开度k%或04610传动方式联轴器（ ）直联（ ）液力耦合器（ ）液力耦合器实际转速r/m11风机调节方式a轴向（ ）；b单吸径向（ ）； c双吸径向（ ）; d混流（ ）；e入口挡板（）;f出口挡板（ ）请在（ ）中划确认。 电动机参数一、电动机名牌或随机样本参数二、电动机实际运行参数1电动机型号YKK500-61实际输出功率 NskW2额定功率NekW6302实际电压 USkV103额定电压UekV103实际电流 IsA28.24额定电流IeA45.94实际功率因数cos5额定功率因数 cos5单位电价： 元/kWh联系电话：139304591396电机额定转速nr/m9936年平均运行时间h/y8000联系人：谷工工程项目全称：曲寨热电厂变频节能改造项目风机名称： 2#引风机序号风机参数一、风机名牌或随机样本参数二、风机实际运行参数工况1工况2工况3工况4工况51风机型号与类型Y6-40No23.5F1风机入口风压 PsrPa-2.3k2风机全压 PePa54842风机出口风压 PscPa3额定流量 Qem3/h2800003实际流量 Qsm3/h4风机轴功率 NzkW4实际风速 Vsm/s5风机（内）效率 %5允许最小风压PmPa6风机额定转速 nr/m9606允许最小流量Qmm3/h7介质的设计密度 t/m37介质的实际密度t/m38介质的设计温度 t11408介质的实际温度 t215699风门实际开度k%或01610传动方式联轴器（ ）直联（ ）液力耦合器（ ）液力耦合器实际转速r/m11风机调节方式a轴向（ ）；b单吸径向（ ）； c双吸径向（ ）; d混流（ ）；e入口挡板（）;f出口挡板（ ）请在（ ）中划确认。 电动机参数一、电动机名牌或随机样本参数二、电动机实际运行参数1电动机型号YKK500-61实际输出功率 NskW2额定功率NekW6302实际电压 USkV103额定电压UekV103实际电流 IsA28.14额定电流IeA45.94实际功率因数cos5额定功率因数 cos5单位电价： 元/kWh0.41联系电话：139304591396电机额定转速nr/m9936年平均运行时间h/y8000联系人：谷工工程项目名称：设备名称：1#给水泵（两用一备）水泵参数工况状态 工况1工况2工况3工况4工况5工况6序号一、水泵名牌或随机样本参数二、水泵实际运行参数t/ht/ht/ht/ht/ht/h1*水泵型号与类型100SB-P1*静扬程/压力H0/p0m2*额定扬程/压He/pem/Mpa14952*实际出口扬程/压力 Hs/psm3*额定流量 Qem3/h2723*实际流量 Qsm3/h2324*水泵轴功率 NzkW4水泵实际功率NszkW5*水泵额定效率 e%5允许最小扬程/压力 Hmm6水泵内效率 n%6允许最小流量Qmm3/h7水泵额定转速 nr/m29857阀门实际开度k%468介质的额定密度t/m38最高水位/ 压力 Hg/pgm9介质的额定温度 t19最低水位/ 压力 Hd/pdm10传动方式联轴器（ ）直联（ ） 液力耦合器（ ）液力耦合器实际转速 r/m电动机参数一、电机名牌或随机样本参数二、电机实际运行参数 1电动机型号YKS1600-2/9901实际电压kV102*额定功率 NekW16002实际输入功率 NskW3额定电压 UekV103*实际电流 IsA99.54*额定电流 IeA1104*实际功率因数 cos5*额定功率因数cos5单位电价： 元/kWh0.41联系话为必须填写的数据参数。6电机额定转速 nr/m29886年平均运行时间 h/y8000联系人：丁工四、 节能分析计算一次风机节能计算：一次风机电动机的实际输入功率为：Ps=937.5kW;电动机的输出功率即一次风机的输入功率, 则一次风机的实际输入功率为：Pr= Ps*1*2757kW；（1为连轴器效率，2为电机效率）转速比为：K=Q1/QE=0.839； 根据GB12497-1995三相异步电动机经济运行中电动机经济运行的规定公式计算单位节电量。即采用挡板调节流量时对应 节电率为：20.6%节电量为：=0.206*757156kW式中Nze为额定轴功率；Nzs为电动机的输入功率，即Nzs和上面计算出来的Pr相对应，一次风机按每年运行8000小时，单位电价按0.41元/kWh计算：=156*8000*0.41=512351元。二次风机节能计算：Ps=526kW;Pr= Ps*1*2425kW； K=Q1/QE=0.837； 20.8%=0.208*42588.5kW=88.5*8000*0.41=290296元。1#引风机节能计算：Ps=459kW;Pr= Ps*1*2371kW； K=Q1/QE=0. 713； 35.3%=0.353*371131kW=131*8000*0.41=429257元。2#引风机节能计算：Ps=484.7kW;Pr= Ps*1*2391.4kW； K=Q1/QE=0. 762； 29.7%=0.297*391.4116.4kW=116.4*8000*0.41=381865元。给水泵节能计算：Ps=1360kW;Pr= Ps*1*21098kW； K=Q1/QE=0.853； 18.9%=0.189*1098207kW=207*8000*0.41=861115元。QQ2Q3节电率电机输入轴功率实际功率节电量电费负载0.8390.7040.59020.6%937.57571565123511次风机0.8370.7010.58720.8%52642588.52902962次风机0.7130.5080.36235.3%4593711314292571引风机0.7620.5810.44229.7%484.7391.4116.43818652引风机0.8530.7280.62118.9%13601098207861115给水泵五、 技术方案建议采用PowerSmartTM10000系列高压变频器（手动旁路一拖一方案）。图5 一拖一变频系统方案图1. QS1,QS2,QS3均采用单刀单掷隔离刀闸；2. QS1,QS2,QS3之间机械互锁。六、 总结语通过对曲寨热电厂机组的相关数据采集和分析计算，采用PowerSmartTM10000系列高压变频器调速改造后，不仅节约了大量电能，由于对电机实现真正的软启动，对电机、风机、水泵、风门、阀门、高压开关等设备以及电网的启动冲击大大减少，它们的使用寿命得以延长，可以大幅度节省这些设备的维护费用。安装高压变频器后风道挡板处于全开位置，在风道挡板上的能量损耗消失，对风量控制可以更加方便快捷，延长了电机和风道的检修周期。另外，变频器高精度、宽范围的无级调速功能，不仅可以全面满足动态调节需要，而且变频器属于高度智能化的新型设备，科技含量高、运行安全可靠，完全可以实现提高生产效率和机组自动化水平。目前，PowerSmartTM10000系列高压变频器已在发电、水泥、冶金、石油石化、水司等各行业应用，运行状况良好，节电效果显著。附件一九洲POWERSMART系列变频器简介1、POWERSMART系列变频器的基本原理1.1、POWERSMART系列高压变频装置为多重化串联方式，属于电压型交直交，高高结构， 10kV输入，010kV直接输出。变频装置与电机之间没有任何形式的升压变压器，也不用改变电机Y-接线方式，输出侧不加电抗器，电机可直接使用。1.2、由于POWERSMART系列高压变频装置为多重化串联方式， 10kV每相9个功率单元，理论上相当于54脉冲输入整流。变频器输入电流中谐波含量大为减少，远低于标准规定（4%）的限值，即使在供电电网的容量较小时也能满足谐波要求。符合并优于IEEE519-1992及GB/T1451-93标准对电压失真和电流失真最严格的要求。1.3、 在20100%的负载变化情况内功率因数数达0.95以上，因此不需要附加电源滤波器或功率因数补偿装置，也不会与原有的补偿电容装置发生谐振，变频器工作时不会对同一电网上运行的电气设备发生干扰，因而被人们誉为“无电网污染的高压变频器”。2、POWERSMART系列变频器主要功能2.1、人机界面友好，彩色液晶屏的全中文操作界面，图形显示；2.2、实现本地、远程操作自由选择；2.3、内置PID调节器，可以实现闭环控制。2.4、具有完善的保护功能，电机、变压器发生短路、接地、过流、过载、过压、欠压、过热等故障时，系统均能及时告警或保护；2.5、可以实现触摸屏、数字键盘、模拟电位器、远程DCS等多种频率设定方式，适应各种用户需求；2.6、具有开关量、模拟量输入输出接口，确保与用户现有设备的可靠连接； 2.7、具有参数与故障的设定和查询功能；2.8、通过预留的上位机接口，具有显示波形的功能。2.9、具有冷却风机缺相保护功能。2.10、具有变压器过热告警、保护功能；2.11、可实现旁路功能。2.12、具有中心点偏移式的单元旁路功能。2.13、具有防止风机喘振/水泵共振的频率跳跃功能。2个频率跳跃设定点。2.14、具有轴流风机失速保护功能（电流振荡保护）。3 、POWERSMART系列变频器的特点3.1、全系列模块化设计，外形美观，结构紧凑。使得MTTF小于30分钟。3.2、采用优化空间矢量PWM控制，输出波形接近正弦波，谐波成份很小，运行平稳，对电机不会产生谐波影响。3.3、功率因数高，无需功率因数补偿装置。3.4、输入谐波小，对供电系统不产生明显的谐波畸变。3.5、输出电平数达到37阶梯波，dv/dt很小，对电机的绝缘无影响。3.6、 采用最新一代IGBT功率模块，低压差，损耗小，效率高。3.7、瞬时输出电压自动调整，即使电网存在较大的波动，输出电压也基本保持不变。3.8、适应电压范围宽，60%115%。3.9、采用双片高速DSP为控制核心，指令在纳秒级完成。无硬盘、无风扇。没有工控机控制方式响应速度慢（微秒级）、易出现“死机”的问题。3.10、采用先进的反擎住技术，使IGBT更加可靠运行。3.11、选用具有内部软恢复特性二极管的IGBT，降低了系统的EMI。3.12、故障的自诊断及保护功能相当完备。3.13、完整的参数化功能，对于用户的各种应用可全面支持。3.14、采用软启动技术，减小了对系统和电动机的冲击。功率单元模块内设置通电缓冲电路，使得整流二极管更加可靠运行，同时减少通电瞬间电流对模块的冲击。4、POWERSMART系列变频器采用的主要进口器件1电解电容：日本佳美工2IGBT：德国西门子3光纤光电转换器：惠普4DSP芯片：美国TI公司5整流桥：德国IXYS6可控硅：德国IXYS7PLC：德国西门子8CPLD：ALTERA9变压器用料：美国杜邦公司NOMEX(俄罗斯3408-0.27硅钢片)5、POWERSMART系列变频器控制系统与通信接口5.1 POWERSMART系列高压变频器控制核心POWERSMART系列高压变频器控制核心采用双片数字信号处理器（DSP）TMS320F206。它有6条总线，包括3条程序/数据总线和3条地址总线。控制系统无硬盘、无风扇，不死机。图6-主控制器的正面图5.2 POWERSMART系列高压变频器操作平台本系统采用了MCGS组态软件作为应用平台，高压变频器的显示和操作都由该平台下组态的工程来完成。界面为10.4英寸彩色液晶触摸屏。该屏操作系统采用微软公司的嵌入式操作系统WindowsCE.NET，全中文操作界面，当前版本为4.2。该屏实现的功能包括：变频器数据显示、曲线显示、触摸按钮操作启动、停止、升速、减速、P参数设定、故障报警、查询等。5.3 参数设置POWERSMART系列高压变频装置可以在彩色液晶触摸屏上，进行各种参数设置（如控制方式、给定频率、加减速时间等）、各种控制操作（如起动、停止、加速、减速、急停、复位、手动/自动/联动转换等信号），以及各种显示功能（如给定频率、实际频率、电流、电压、功率、功率因数、故障、故障记录以及各种状态显示等），操作简单方便。5.4 通讯接口POWERSMART变频装置内置PLC控制器，具有与现有控制系统DCS或其它控制系统的通讯接口。可以接受自动控制系统提供的420mA模拟量指令信号，构成闭环系统。同时还可以提供420mA模拟量输出信号，开关量输入信号共8路，开关量输出信号8路，模拟量输入信号共4路，模拟量输出信号共4路。以上信号还可根据用户需要扩展。图7-主控制器的背面接口图5.5 POWERSMART系列变频器的保护功能5.5.1 JZEPOWERSMART系列高压变频设备提供的控制和电动机保护功能有：过电压、过电流、短路、缺相、超频、电机过载、电机过热。并且这些报警信号与变频器本身的报警信号分开。当变频器负载发生故障时能跳开高压电源，当变频器本身发生故障时，能自动断开变频器的进出线高压断路器，并且切换到旁路运行状态。5.5.2 POWERSMART变频装置采用断线保护功能，当现场4-20mA给定信号故障时，变频器可以保持原运行工况不变，当给定信号恢复时，可以自动跟踪给定信号，实现无扰动。5.6 POWERSMART系列变频器的结构尺寸装置的外形图、技术参数详见POWERSMART系列高压变频技术样本。5.7POWERSMART系列变频器的优势所在5.7.1九洲具有长期从事“高压电机调速”技术研究的专家团队。九洲有自主研发体系，有企业自己的研究院和博士后科研工作站；5.7.2九洲与罗克韦尔自动化的强强联合、优势互补。5.7.3九洲具有国内一流的电气产品试验、检测及老化手段。九洲先进的现代化实验装备与检测手段，确保了产品品质及产品在复杂工况现场下安全可靠运行。1）九洲具有先进的电气性能试验室对产品的功能和性能等进行综合测试；2）九洲具有环境模拟试验室在高温、低温、潮湿、振动等环境下对产品进行考核；3）九洲具有电磁兼容试验室对现有产品进行快速脉冲群、静电、浪涌、电磁静电干扰等项目试验；4）九洲具有元件和整机（模块）老化试验室对所有电子元器件进行老化筛