电机采用变频调速技术的节能效果分析.doc

焦炉煤气鼓风机采用变频调速技术的节能效果分析Energy Saving Analysis on Coalgas Blower of Cokeoven with Variable FrequencySpeed Control Technology金立明杨生桥王莉武汉钢铁集轩团能源动力公司(武汉430083杜强丁宁北京经资风机水泵节能技术中心(北京100037摘要:介绍了变频调速技术在焦炉煤气鼓风机上的首次应用,根据武钢煤气管网的工况,提出了改造方案,进行了系统设计和现场测试,并作了节能效果及效益分析。叙词:煤气系统鼓风机变频调速技术节能献承Ahsthact:This paper introduces first application offrequency control technology on coal-gas blower.Based Oil practical situation ofWngang gas pipdine net,put forwards improvement sdution and system d8ign.FurLhe,make energy saving effect and benefit analysis according tositeM目目H枷resultsKeywor凼:Coal-gas system Blower Variable frequency删contcol technology Energy savingl刖置武汉钢铁集团能源动力公司燃气厂担负着整个武钢厂区的生产用气和生活用气。为保证系统用量和管网压力,设有三个煤气加压站,要求管网压力保持在23kPa左右,因加压站分布远,煤气管线长.用户多.用量不平衡,日供气量波动大,在保证用量的情况下,管网压力只能由运行人员调节挡风门来控制。为稳定中压焦炉煤气主干线压力.降低焦炉煤气鼓风机电耗,对第三煤气加压站焦炉煤气鼓风机(4+、5进行了变频改造,取得了显著的技术经济效果。1.1鼓风机主要工艺参数焦炉煤气鼓风机型号:c7501.286/1.061进口介质:焦炉煤气进13流量:7鼬一/面n进口压力:0.104MPo(绝出口压力:O.1261MPo(绝升压能力:22kP.进121介质密度:O.4284吲矗主轴转速:2980r/iron所需功率:351kW配用电机型号:JB0710SI电机容量:500kW转速:2980r/min额定电压:6000V额定电流:59.5A负载类型:平方转矩负载额定出气量:45000矗,J、时/台实际出气量:30000o,J、时/台总管网用气量:120(】00-150000ms主管网工作压力:2326kP,电机功率因数:0.852鼓风机调速节能原理焦炉煤气鼓风机都采用离心鼓风机调节流量和系统管网压力,由于考虑生产过程中工况的不断变化、用户用量的增减和其他多种因素的影响。设计选型时,离心鼓风机必须按所需的最大风量设计,通常预留较大富裕量。为此,原设计选配的鼓风机的额定风量为45000矗/h。为满足系统流量和管网压力变化的要求,在煤气管道中设有电动阀门、调节翻板和大、小循环管等装置。电机的转速不可调,只能通过调节调节翻板的开度(090。来控制风量和平衡系统压力。鼓风机正常运行时,有时调节翻板的角度只有30柏%,风量比设计的最大风量小得多,很多情况下风机都是在低负荷下运行。这种通过增加系统阻力来改变风量和平衡系统压力的办法,在翻板上产生很大的能量损耗,造成大量的电能消耗。风机的能耗与机组的转速有关,风机的风量O正比于转速n;风压H正比于n2;轴功率N正比于n3,当转速n减少时,其实际功率按转速n3的比例降低。让调节翻板全开,采用电机变频调速的方式,风机的转速随系统流量或压力的变化而改变,节电效果十分明显。3改造方案的确定第三煤气加压站一般情况下运行二台焦炉煤气鼓风机,管-849网压力24kPa左右。风机的电动机不作改动,将其中一台改为变频控制运行。改造后的变频风机和工频风机能并列运行,在保证正常流量的情况下,管网压力要求控制在22kPa左右。根据工艺要求,对系统管网和运行工况进行了认真分析,反复论证,并作了理论计算。3.1变频风机节电理论计算风机升压能力为:P=01261Mpa一0.104Mpa=0.0221MPa一22kPa 风机人口压力:4.5kPa改造后风机应升压:P1=22kPa一4.5kPa=17.5kPh压力比值:PUP=17.5/22=079S0.8变频器输出频率:根据公式H/P=(Nl,N2=(Fl/V208=(R/502Fl=4472(1-k速度下调:(50447250100%一1056%-变频风机节能能耗比为W1/W=(N,/N3=(E/F3=(44.72/503=0.70节能为30%风机用电量计算:风机改造前工频运转情况哀序号电压KV电流A压力MPa 16542l626542l8365021.94650220根据上表改造前风机年用电量:O前=1.732uXlX C0曲X24330=17326X52X0.8524小时X330工作日一364万度改造后理论节能30%时风机年用电量:Q节=Q前X30%=3640.3109万度3.2变频风机实际节电计算改造后风机变频调速运行情况裹频率电压电流压力流量大瓦小瓦(地(kv(A“-Pa温度温度41492022l31科2023 414.9202I.3314862426850频率电压电流压力大瓦小瓦(kv(A(kin流量温度温度43.15052222449454333444153028228401263734422503202223J92l212344349626220329922529根据上表计算变频改造后年实际用电量:Q后=1.732UIc024330=1.732x6X22x0.9524x330172万度变频改造后年实际节电量:Q(实际节电量=Q前一Q后=364万度一172万度=192万度3.3变频调速可行的技术方案33.1采用一台变频器驱动两台焦炉煤气鼓风机的一拖二控制方案。33.2两台焦炉煤气鼓风机分别带有工频旁路,提高风机运行的安全性。3.3.3风机的拖动电机容量为500kw,对于这种大惯量负荷的风机,不可避免发生风机喘振现象,采用跳频技术跳过风机共振点。3.3.4减小风机电机起动对电网的冲击电流,实现电机的软起动。3.3.5控制方式有手动和自动控制,自动控制操作由上位机s5155U实现。4系统设计根据确定的改造方案和工艺要求,选用了美国罗宾康公司(ROBICON生产的完美无谐波型高压变频器。其主要技术特点:采用多重化脉宽调制技术,输出谐波小,消除了谐波引起的转矩脉动,使电动机的发热及噪声大大减小,可使用普通电动机。焦炉煤气鼓风机采用变频调速,将原来的调节翻板全开,通过变频实现风机电动机转速的改变以调节风量大小,而保证系统管网压力。煤气管网压力控制系统示意图(图1。控制系统采用闭环控制,系统要求控制的压力值由手操器给定(420mA电流信号,压力反馈信号经压力变送器检测后.再由DCS供给。压力比较和PID运算均由变频器内部完成,比例增益0.1;积分增益0.1;微分增益0。其结果作为变频器给定信号,以控制电动机转速,使管网的压力稳定在压力设定值上.碉到自动跟踪管网压力的目的。同时,通过变频器的模拟量输出接口将管网压力、实际电压、电流、频率反馈到操作台上的一次仪表。相应的电气联锁由eLC(SS-USU完成。5变频器主要参数设置及保护5.1按照变频器的参数和电机参数正确设置各项菜单参数6000V图1煤气管网压力控制系统示意图5.1.1高压变频器铭牌参数如下:NxG Harmony Drive P/N:300(】006;S/O:918693t.额定功率500kw,额定输入电压60GOVAC、50也、67.3A。输出频率050Hz,输出电压06000VAC,额定输出电流70A。控制电源380V,50m,20A。512电机铭牌参数为:额定功率500kw,额定电压6000VAC,额定转速2980rpm,额定电流59.5A.5.2变频器及电机保护主要参数整定:5.2.1过负荷保护:反时限,1.2xIn(In为电机额定电流,60秒。5.2.2过流保护:1.5k。5.2.3过压保护:7200V。5.2.4超速保护:105%Ne(Ne为电机额定转速。5.2.5接地保护:5%Un(Ur.-额定输出电压。52.6加速时间:(60秒,调试时决定。5.2.7减速时间:(60秒,调试时决定。5.28速度给定丢失时保持原速度。变频器的自身定义、硬件故障、软件故障和其它报警条件(具体见说明书。另将变频器控制类型设置为开环矢量控制(OLVC。风机负载,起动时间60s、停止时间90s,最小钳位嘶%,最大钳位100%,反向最大速度限值0.对一台工频风机与一台变频风机并列运行时,关键是变频风机下限频率的设置,要防止回流和风机喘振,可利用变频器的谐振频率菜单,通过定义跳跃频率和跳跃带宽来回避机械共振。经反复调试后,最后将下限频率设置为43lk。6系统测试6.1变频器测试(1就地启动变频器,使变频器处于OLTM(开环测试方式运行状态,测试电网电压波形正常。i:.p八簿!甏氧1。-。l一虹U飞蜓0i电网A相(Chl,B馆(Ch2电压波形图2电网A相(Chl,B相(Ch2电压波形(2测量变频器的输出电压波形和有效值。冬:一翩LL_l V0一V0鬃000vOc栏甾器“2Freq280mV 25%速度时输出A相(Chl,B相(Ch2电骶波形图3表1五号焦炉煤气加压机变频运行。空载运行情况翻板管网压力电机电阿一次二次系统序号开度压力给定频率电压电流电流状况%Ida%Hz kV A Al0225805025966178正常20226805025.96618正常3023.0805025.976183正常4023.58049.85.86122l7正常50227805025.976177正常(3将变频器控制方式设置为开环矢量模式(OLVC。变频器带电机调试。适当改变变频器的有关参数。测试相关点波形正常。851厂￥、i烈瓜:r /舡:恁弦1.￥f:/k、,.,上妁l、l y I X ;y:y,!Y 。;,陟图450%速度时输出A相(chl,B相(ch2电压波形图650%速度时电机A相电压(chl电流(cll2波形.0絮。了jX ;.1|爹1,、_r渊,黟o o li图5100%速度时输出A相(011,B相(ch2电压波形6.2实际运行情况(1表1是二号机工频运行,调节翻板开度为20%,五号机变频运行,调节翻板开度为O%,变频器空载运行情况。人工调节二号机调节翻板开度来保证系统管网流量和管网压力。(2表2是二号机工频运行,调节翻板开度为20%,五号机变频运行.压力给定24kPa,调节翻板开度.变频器负载运行情况。裹2五号焦炉煤气加压机变颈运行压力给定24kP8.负载运行情况翻板管嘲压力电机电两一次二次序号开度压力给定频率电压电流电流系统%kPa %mkVAA状况l1523.68049.55.9012222正常2152388045l5.4018288正常35024,08045.25.453t5447正常结果:管网压力24k1】a时,变频下限频率为44.91tz(3表3是二号机工频运行.调节翻板开度为加%,五号机变频运行.压力给定23kPa,调节翻板开度100%,变频器负载运8521bkIll:soks#se130.000VDC行情况。矗矾箍;篇岛勰裂100%速度时电机A相电压(chl电流(Ch2波形裹3五号焦炉煤气加压机变频运行压力蛤定23kPa,负载运行情况翻板管阿压力电机电网一次二次序号开度压力给定频率电压电流电流系统%kPa %地kVA A状况l 1002257654425302436.6正常2t0022.676543.752422346正常310023476.543.15.162l335正常d10023l 76542.05021828.1正常510022976.541750217296回流结果:管网压力23kPa时,变频下限频率为41.8Hz(4表4是二号机工频运行,调节翻板开度为20%,五号机变频运行,压力给定22kPa,调节翻板开度100%,变频器负载运行情况。结果:管网压力22kPa时,变频下限频率为40.8Hz(5表5是二号机工频运行,调节翻板开度为o%(回流阀开,五号机变频运行,压力给定23kPa.调节翻板开度100%,变频器负载运行情况。衰4五号焦妒煤气加压机变频运行。压力给定22kPa。负载运行情况翻板管网压力电机电网一次二次序号开度压力给定频率电压电流电流系统%kPa%k kV A A状况l10022l73542.350520323正常210022273542250320332正常310022373542.04981830l正常410022273542.350420324正常510022l73540.74901426.1回流表5五号焦炉煤气加压机单台变频运行压力给定23kPa。负载运行情况翻板管网压力电机电网一次二次序号开度压力给定频率电压电流电流系统%kPa%k kV A A状况l10022.973546.05.3530383正常210023.573543552228414正常310022373543.55.223044l正常410022073542.75.1228428正常510022.573.541.049122348回流结果:管网压力23kPa时,变频下限频率为41.8Hz7改造效果及效益分析通过对二号机工频运行与五号机变频运行的比较,以及五号机变频运行的实际情况,在系统工况条件相似的情况下,变频风机始终在43也左右运行,实际节电率比理论计算的还要高。同时,风机在相同负荷下变频运行,风门开度也是影响风机变频运行节电率的重要因素。变频风机在全负荷运行时仍可降低电耗。这是因为风机一般都有较大的余量。焦炉煤气鼓风机采用变频调速后,其调速范围大,受机组负荷影响小,与工频风机并列运行动态响应快。变频风机实现了软起动,风机在低频下起动,电流很小,避免了原来在较大的惯性负荷情况下,数倍于额定起动电流对电网和机械设备的冲击。另外,提高了功率因数,完美元谐波型高压变频器功率因数总在0.95以上。风机转速的降低,减缓了风机叶轮、轴承和密封件的磨损,变频风机的振动明显好于其他工频风机,有利于延长电机和风机的使用寿命。焦炉煤气鼓风机采用变频调速技术,节能效果明显。变频风机在43k下运行,机后压力保持在23kPa,转速下降23%,风机每天运行24小时,若年运行330天,风机年节电量为192万kwh。电价以04元/kWh计,每年约为76.8万元。设备回收期为两年左右。8应用前景变频调速技术在焦炉煤气鼓风机上的应用,节能降耗。同时,系统性能稳定,工作可靠,操作简便,减轻了运行人员的劳动强度,深受运行人员和维修人员的欢迎。能源动力公司还有焦炉煤气鼓风机、转炉鼓风机、高炉鼓风机二十多台;锅炉引风机、送风机二十多台和大量的高压水泵。变频调速技术将会得到更广泛的应用。(上接第859页对程序中的手动运行、连锁保护、故障报警、开启关闭闸阀等部分也对照梯形图程序清单进行逐一检查。6.2变频器参数设置与调试上限频率:50tk;下限频率:25m。变频器H调节器的调试:P值大,则负载变化后供水压力恢复得快,但是容易产生振荡,水泵在“工频一变频”之间频繁切换。I值大,克服振荡的效果好,但供水压力恢复较慢。反复调节P、I值,直到既不振荡,供水压力又恢复得最快为止。7结束语完成PLC模拟调试后,再到现场去实行系统的统一调试获得了成功,达到了设计的目的,体现了PLC控制的变频恒压供水系统压力稳定、设备耐用、节能能源的先进性和科学性。这种“一拖二”标准化编程方法也可以推广到“一拖三”、“一拖四”“一拖N”,也可以推广到“二拖三”、“三拖四”等各种类型的变频恒压供水系统中去。参考文献(1廖常初主编可编程序控制器的编程方法与工程应用重庆:重庆大学出版社2001年(2张燕宾编著SPWM变频词速应用技术(第二版北京:机械工业出版社2002年(3林辛畴住宅小区变频恒压供水系统的“傻瓜”型设计深圳:变频器世界l002年11