水泥厂风机节能改造中高压变频器和综合智能节电器可行性方案.doc

本文档由 维维大豆 整理提供 QQ 1410007848风机高压电动机变频改造项目实施申请集团公司发展计划部：根据集团公司已批准的亚美公司的维检大修计划、我公司已组织对回转窑高温风机电动机变频器改造、生料磨循环风机电机变频改造进行了考察、调研、根据调研情况、计划实施该两台高压电机的变频改造、现已满足实施的各项条件。项目计划投资 3900000 元、投资回报期为 3.1 年。资金来源、一是由我公司自筹资金实施。二是可以由变频器厂家按照“EMC”能源合同管理模式、“EMB”分期付款模式或“EML”设备投资租赁模式等各种灵活模式完成投资。请相关领导批准该改造项目的实施。附：高压电动机变频器改造技术可行性报告 山西亚美建筑工程材料有限责任公司二一年九月二十八高压电动机变频器改造技术可行性报告一、项目实施相关技术成熟性和可行性调研情况：水泥工业是国民经济生产中的能源消耗大户、已被列为国家节约资源的重点领域之一。在当前国内外能源供需矛盾突出的情况下、水泥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。在水泥的生产中、电动机负载电耗就占成本的近30、而拖动风机用的高压电动机在电机中占有很大的比重、对于一条水泥生产线、其中有2530的电能用于拖动各种类型风机、因此做好风机电动机的降耗增效工作就显得极为重要。目前水泥厂的风机大马拉小车现象严重。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、即通过调节进、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。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、既可满足生产要求、又达到节电目的、同时还可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。变频调速已成为风机类节能降耗的最佳电气传动方案、受到国家政府和企业的普遍重视。中华人民共和国节约能源法第39条就明确规定了将此作为通用节能技术加以推广。国务院、财政部、电力部对节能都有规定、指出:“要把实现交流电机调速节电作为重点措施、认真推广”。为此、政府明确提出将高压大功率变频调速作为重点发展的节电技术之一、要求大力推广高压大功率变频调速示范工程。在我们考察调研过程中有很多实际案例证明、高压变频调速装置不仅可以大幅度节能降耗、而且可以改善工艺控制水平、减少对电网的冲击、延长设备使用寿命、提高生产效率。二、 外出调研情况：我们外出考察时主要对霍尼韦尔高压变频器和苏州汉风智能综合节电器进行了重点调研、情况如下：一）、霍尼韦尔高压变频器1、霍尼韦尔高-高式高压变频器技术优势无需输入滤波器输入电流谐波满足IEEE519-1992和GB/T14549-93标准、无需输入滤波器无需功率因数补偿装置输入功率因数0.95、无需功率因数补偿装置无需输出滤波器输出电压谐波98.5%、整机效率97%高可靠、长寿命设计寿命30年、平均无故障工作时间MTBF100,000小时、平均修复时间MTTR10分钟2、霍尼韦尔高-高式高压变频器主要优点a) 无速度传感器矢量控制或闭环矢量控制、带电机参数自测定功能 b) 32位DSP全数字控制 c) 控制器全封闭防尘设计、无需冷却风扇、大大提高可靠性 d) 功率单元自动旁路功能【选件】、功率单元故障退出后、输出电压自动平衡、变频装置继续运行 e) 工业级触摸屏中英文图形监控操作界面 f) 内置PLC、模拟量、开关量I/O可编程、可扩展、具有工艺变量智能PID功能 g) 支持Profibus【选件】,Modbus等各种通讯协议 h) 提供基于Windows的上机位监控软件、同时支持GPRS、CDMA、Internet远程监控功能 i) 完善的保护功能、包括：变压器二次短路、变压器过热、输入接地、输入过压、输出过流、电机过载、电机过压、输出接地、过载、功率单元保护、冷却风机或水冷系统故障、高压柜门联锁等。部分故障能联跳高压进线开关 j) 状态变量显示监控：电压、电流、频率、功率、功率因数、累计用电量、效率、累计运行时间等 k) 智能故障诊断功能 l) 历史记录、故障和报警记录 m) 一体式输入干式隔离变压器、H级绝缘、高可靠设计 n) 功率单元模块化设计、可互换、维护方便 o) 厂用电切换时间5秒内、变频调速装置继续运行 p) 高压输入电压波动最大允许-40% q) 控制电源冗余设计、无需UPS、控制电源波动或断电不影响变频装置运行 r) 加减速过程及特殊工况下自适应转矩限幅功能 s) 故障自动复位和正反向转速跟踪再起动功能 t) 自动节能功能、进一步减少电机损耗、降低电机温升 u) 环境温度、海波等因素自动降额 v) 采用国际知名EBM外转子冷却风机、免维护、长寿命 w) 进风口滤网人性化设计、可在线更换、清洗后可循环使用 x) 同步切换功能、支持变频运行和工频运行在线切换【选件】 y) 适用普通交流电机、包括鼠笼电机、绕线电机和同步电机经过我们多方调研考察后、了解到在国内一些水泥厂的高压主机设备都进行了高压变频器节能改造、从节能效果和设备使用率果上看、大都取得良好的经济和社会效益。节能效果好且使用广泛的典型生产厂商如：上海霍尼韦尔公司生产的SolidDrive系列高压变频调速装置。在我们考察过程中、对上面两家生产厂商的变频器实施单位进行了现场调研。情况如下：调研单位名称实际使用台数山水东岳水泥有限公司9江苏鹤林水泥有限公司7天山水泥有限公司5山水里能水泥有限公司5 二）、苏州汉风IDP智能综合节电器1、苏州汉风IDP智能综合节电器技术优势a) 智能控制IDP系列智能节电器采用先进的检测技术、并结合完美的控制软件、通过内置的微电脑处理并优化控制、采用计算机模糊控制技术、使电动机的输出功率始终与实时负载相匹配、使用电终端始终处于最佳工作状态、保证电动机在满足生产需求的前提下能量消耗降到最低。b) 自动跟踪、动态调节该产品采用闭环反馈系统进行优化控制、通过独有的微处理器自动跟踪电机的负载变化、并动态调节电机运行过程中的电压、电流以及频率、使电机的输出功率始终与实时负载相匹配。c) 自动转换控制智能节电器具有“市电/节电”自动转换功能、一旦节电器发生故障则自动转换到市电运行、不影响用户正常生产。d) 操作简便一般变频器的改造改变了原设备的启、停操作方式、用户需要适应很长时间；而IDP智能节电器保持原启动方式（星-角、自耦减压、延边三角形及软启动）和控制线路不变、只要调试完毕用户就可以正常使用。e) 有效降低谐波污染众所周知、变频器的谐波电流较大、对电网的污染严重；而IDP智能节电器谐波电流小、对电网几乎无污染。f) 提高功率因数IDP智能节电器的功率因数始终保持在0.96以上。g) 节能环保该产品以用户的实际用电形态、负载状况为基准、通过智能模块及嵌入式芯片、动态跟踪用电系统并自动调节控制、提高功率因数、降低电机温度和功率损耗、从而实现对用电成本的节约控制、节电效率可达15-70%。h） 改造后可以省去碳刷和滑环的维护、将原有水阻柜取消。i） 2、苏州汉风IDP智能综合节电器主要优点a) 谐波失真率优于国家标准、不需要电源滤波器、对敏感设备无干扰、谐波指标2； b) 无需因输出谐波而降低电机的任何额定值。与直接采用电网电源相比、电机基本不产生额外热量； c) 与直接使用电网电源相比、不会使电机噪音明显增加； d) 与直接使用电网电源相比、不会对电机绝缘产生任何影响； e) 采用模块化结构、所以既可以在部分单元出现故障时仍然继续工作、也可根据需要、在数分钟内更换损坏的模块； f) 高高方式：输入采用移相变压器、单元串联方式直接高压输出； g) 独特的风道设计、在室温 50 摄氏度时、设备能可靠运行、采用顶部散热方式、维护方便、风机选用德国进口产品、经久耐用； h) 模块化设计：单元采用模块化设计、可任意互换、单元拆装方便、只需装卸 5 个螺丝； i) 友好的人机界面：采用触摸屏、全中文界面、所有操作均通过按钮或 DCS 接口输入、最大限度避免触摸屏的误操作； j) 报警实时记录、并能对报警准确定位和历史记录存储； k) 可靠的设计：单元与控制部分的通讯采用光纤、单元的热备设计、外围控制部件采用PLC、功率模块采用全进口器件、所有主回路器件额定运行参数大于实际运行的 2 倍选购、变压器按电机额定功率的 1.21.5倍容量配置、配置底部散热风机和顶部散热风机； l) 用户接口：接口方式可采用硬接线方式、也可采用通讯方式； m) 高效率、高功率因数、无需进行功率因数补偿、整机效率96%,功率因素95%； n) 采用48个脉冲整流、输出由每相8个单元串联、输入谐波率：空载时4%,负载时2%；o) 宽电压输入范围：输入电压在 85%115%、频率在 45Hz55Hz 波动范围内设备均能正常工作； p) dv/dt小：由于采用高频的 PWM 控制方式、6单元串联方式的dv/dt800V/us； q) 单元冗余热备技术：保证设备在每相一单元故障时能输出额定电压；r) 特有的单元旁路技术：旁路控制回路单独供电而不用功率单元供电、避免因功率单元失电后旁路不能正常动作、避免旁路误动作造成功率单元的损坏；s) 线电压的自动均衡技术：采用特有的线电压控制方式、最大限度满足现场运行工况；t) 主回路瞬时掉电无干扰：高压瞬时掉电在10个周波内能输出转矩无脉动；u) 控制回路掉电无干扰：主控制回路配置1000VA后备式UPS能保证掉电15min无影响、旁路控制回路配置1000VA在线式UPS能保证掉电15min无影响；v) 控制回路双电源切换设计：一路由用户供给控制电源、另一路来源于高压输入隔离变压器、双回路自动切换保证在控制电源掉电后、设备无影响；w) 特有的过电压保护技术：充分考虑操作过电压和雷电过电压对设备的影响、在主回路和控制回路针对不同的过电压采用不同的处理措施、提高设备的可靠性；x) 旁路柜可根据用户不同的要求配置（一拖一手动）、该产品对复杂的工艺控制有明显的效果。典型厂商为苏州汉风科技有限公司生产的IDP综合智能节电器。考察实施单位使用情况：调研单位名称实际使用台数江苏永钢集团9江苏华昌化工股份有限公司2三、水泥厂应用高压变频器的意义(1) 节约电能采用高压变频器可以节约大量电能、节电率可达1545%;(2) 有利于确保生产主机设备安全稳定的运行采用高压变频器调速、可以稳定风机的转速、与传感器配合、可构成恒压闭环控制系统、以保证系统的风压的恒定、从而保证系统的稳定和窑主机系统的安全与稳定运行;(3) 可延长电机和风机以及阀门的使用寿命由于采用高压变频器调速、风机降速运行、阀门全开;另由于采用高压变频器、电机起动时、起动电流在额定电流以内、消除了直接起动时巨大电应力对电机的损坏和对设备的冲击。这都使得电机和风机以及阀门等使用寿命延长;(4) 减少了维修工作量和维修费用。四、节能改造方案1、改造对象本次变频改造对象为1台窑尾高温风机和1台生料循环风机。2、电动机技术参数及目前使用情况设备名称型号额定电压（kV）额定功率（kW）额定电流（A）运行电流（A）风门开度（%）负载率（%）高温风机电机YRKK710-610140097858987循环风机电机YRKK630-610125088.15743643、改造方案 生料循环风机改造方案 考虑到变频器退出运行后、为了不影响生产、确保系统正常工作、配置工频旁路、当变频器出现故障时、将电机投切到工频下运行。整个系统由1台高压变频柜、1台控制柜、1台变压器柜、一台旁路柜、原有的一台电机和一台风机组成、下图为生料循环风机变频方案示意图。图中共有3个高压隔离开关、为了确保不向变频器输出端反送电、QS2与QS3采用机械互锁、并采用S7-200PLC控制系统实现电气连锁、避免系统误操作。当QS1、QS2闭合、QS3断开时、电机运行在变频状态；当QS1、QS2断开、QS3闭合时、电机工频运行、此时高压变频器从高压中隔离出来、便于检修、维护和调试。在变频改造以前、风机均采用调节风板开度的方式控制风机进风量、由于其电机裕量较大、因而电能的浪费特别严重、同时由于频繁的对风板进行操作、导致风板的可靠性下降、影响机组的稳定运行。且电机工频起动特别困难、起动电流大、对电网冲击较大、并造成电机笼条松动、有开焊断条的危险。一般起动后不允许停机。进行变频改造后、风机的风板开度保持全开、基本不需要改变、根据实际所需的风压、由DCS系统通过PID调节计算、输出420mA模拟电流信号发给变频器、通过调节变频器的输出频率改变电机的转速、达到调节送风量的目的、满足运行工况的要求。同时、进行变频改造后电机在启动和调节过程中、转速平稳变化、电流没有任何冲击、解决了电机启动时的大电流冲击问题、消除了大启动电流对电机、传动系统和主机的冲击应力、大大降低日常的维护保养费用。窑尾高温风机改造方案这次改造我们考虑在高温风机上选智能综合节电器主要是为了更好地满足工艺控制要求及技改后自动化程度的扩展。另一个角度主要是由于原有液力耦合器事故率非常高、每年光修理费用至少要4-10万元且能耗大、转差功率损耗较大、发热量较大、漏油严重。改造后调速精度高、范围大、可超速运行、可恒压、恒流、恒转矩、恒负载运行、为工艺调控设备保护带来了更大便利。在改造时拆除液力耦合器并将电动机底座前移直接同风机对准联接。拟采用智能综合节电器对窑尾高温风机电动机拖动系统进行改造、实现风机的调节控制、以达到风量和风压调节的目的、从而减少节流损失、提高系统运行的经济性。智能综合节器主要包括：变压器柜、功率柜、控制柜和旁路柜。实施改造的所有对象均由这几个部分组成。实施改造方法如下：此方案是手动旁路一拖一成套方案。由3个高压隔离开关QS1、QS2和QS3组成（见上图）、QF、M为现场原有设备。要求QS2和QS3不能同时闭合、在机械上实现互锁。节电运行时、QS1和QS2闭合、QS3断开；市电运行时、QS3闭合、QS1和QS2断开。实施改造后、如在变频状态运行、对于所有风门档板应处于全开状态、即100%的开度；实施风量风压的调节控制只要通过变频节电器操作、实现电机转速的调节即可达到需要的风量风压控制目的。五、节电效益估算与分析比较1、节电效益估算公式工频状态下耗电量计算计算公式：P原 = UIcos其中：P原：电动机功率、U：电动机输入电压、I：电动机输入电流、cos：功率因数。假设电动机在实际工况下的效率、功率因数与额定工况下的相同、即可得工频状态下电机的实际功率：可表达为 P原 = （实际运行电流/额定电流）额定功率变频调速状态下耗电量计算改造后、根据相似定律、输入功率为：P变=（Q变 /Q定）3 P额 / 其中：P额为电机额定功率（KW）、Q为流量(m3/h)、为相应效率；变频节电器效率取0.96、电机效率取0.98。n1、f1在所需的压力H1下的风机的转速及供给电机电源的频率;nu、fu风机的额定转速和额定频率、fu=50HZ由于高温风机要求风压稳定、即恒压运行i=1。另由于Qn、nf考虑到装置的系统效率 =变频器效率*电机效率则实际消耗的电能为:We=Wd/即P变=（f变 /f定）3 P额 /节电率 =(P原 P变)/P原100%2、节能测算高温风机电机： 改造前电动机实际运行功率（估算）P1（实际运行电流/额定电流）额定功率=85A/97A1400kW=1227kW 液力耦合器的转差损耗及其他损耗正常生产中风机转速892r/min、电动机额定转速992r/min、液力耦合器最大调速比ie为0.97、转速比i892/9920.899、其转差损耗率Ps为：Ps（i2i3）/ie2P额（0.89920.8993）/0.9721400121.46KW液力耦合器的轴承摩擦损失、油路损失、鼓风损失、导管损失等、此部分的损耗按电动机输出轴功率的3%计算、因此液力耦合器调速时的损耗为：P耗P10.03Ps38.64121.46160.1KW变频运行时的耗用功率：因风门挡板开度约为89%即：f变=42Hz名称计算过程结果理论功耗(kW)Pb=1400*(42/50)3/(0.98*0.96)882.00 修正功耗(kW)Pb=882/0.851037.65 年耗电量(万kWh)Eb=1037.65*8000830.1 年耗电费(万元)830.10.435361.1 工频运行时的耗用功率：Pd=85A/97A*1400kW=1227kW计算结论名称计算过程结果工频年耗电量(万kWh)Eg=1227*8000981.6 年耗电费(万元)981.6*0.435426.99 年省电量(万kWh)Eb-Eg=981.6-830.1151.5 年省电费(万元)426.99-361.165.89 节电率(981.6-830.1)/981.615.4%注：高温风机的年运行时间按8000小时、电价按0.435元/度考虑。通过以上的测算可知高温风机的损耗除风机及阀板的损耗外、还有液力耦合器的损耗（占160kW）。如果计算上考虑液力耦合器的损耗的话、计算节电率还会更高。循环风机电机： 变频运行时的耗用功率：因风门挡板开度约为43%、即：f变=35Hz名称计算过程结果理论功耗(kW)Pb=1250*(35/50)3/(0.98*0.96)455.73 修正功耗(kW)Pb=455.73/0.8569.66 年耗电量(万kWh)Eb=569.66*7300415.9 年耗电费(万元)415.90.435180.9 工频运行时的耗用功率：Pd=60A/85A*1250kW=882kW 计算结论名称计算过程结果工频年耗电量(万kWh)Eg=882*7300644.12 年耗电费(万元)644.12*0.435280.19 年省电量(万kWh)Eb-Eg=644.12-415.9228.26 年省电费(万元)280.19-180.999.30 节电率(644.12-455.73)/644.1235.44%注：循环风机的年运行时间按7300小时、电价按0.435元/度考虑。以上数据采用保守算法、实际现场运行数据如附表所示、要比上述所采用的测算数据低（风门开度、实际开度经常保持在4