高压电机变频改造项目可行性研究报告.doc

高压电机变频改造项目可行性报告高压电机变频改造项目可行性研究报告目 录0 企业简介一、项目名称及承办单位二、拟建地点三、项目概况四、改造费用及效益分析：五、资金筹措六、项目前期工作情况及其配套条件七、变频调速改造实施方案八、企业能源管理情况九、企业节能量计算十、结论 企业简介某电力有限责任公司位于某县穆村镇安沟村，是山西省政府引进亚行贷款并配套内资兴建的火电企业。总规划容量1400MW，一期工程建设规模为2100MW，占地面积1011亩，建筑面积65068m3，总投资116509万元人民币。公司于1993年12月开工建设，两台机组分别于1995年12月和1996年7月投产发电，现有职工863人。投产十二年来，某电力有限责任公司不断跃上新台阶。2001年被命名为“省级文明单位”，2002年跨入一流火电企业行列，2003年11月通过ISO9001国际标准质量管理体系认证，2004年被命名为省级“文明单位标兵”。在电力体系深化改革的征程中，某电力有限责任公司开拓创新、于时俱进，建立了一套富有柳电特色的现代管理模式，全面提升了市场竞争能力，成为某山上的一颗明珠。目前，两台机组运行稳定，安全生产局面良好，经济指标优良，截止2009年底，连续安全生产达2323天。近几年在企业得到良好经济效益的同时，通过不断的发展完善，采用先进、经济、行之有效的新技术装备，降低能耗，减少污染，提高了企业的经济效益，也拉动了某地区电力工业的快速发展，产生了极好的经济效益和社会效益。一 项目名称及承办单位：某电力有限责任公司二 拟建地点：某电力有限责任公司机房内三 项目概况1.高压电机变频改造必要性简述现我公司高压电机均为普通三相笼形异步电动机，由于很多情况不能满负荷运行，耗能大，故障多，就此问题，我公司曾进行过许多探讨，如针对送风机设计功率偏大，低负荷单送风机运行，但由此造成电机频繁故障，鼠笼条断裂。循环泵实行两机三泵的运行方式等，但还是存在设备运行操作繁琐，设备故障多，耗能大等问题，故迫切需要进行技术改造。高压交流变频调速技术是90年代迅速发展起来的一种新型电力传动调速技术，主要用于交流电动机的变频调速，其技术和性能胜过其它任何一种调速方式（如：降压调速、变极调速、滑差调速、内反馈串级调速和液力耦合调速）。变频调速以其显著的节能效益，高精确的调速精度，宽范围的调速范围，完善的电力电子保护功能，以及易于实现的自动通信功能，得到了广大用户的认可和市场的确认，在运行的安全可靠、安装使用、维修维护等方面，也给使用者带来了极大的便利和快捷的服务，使之成为企业采用电机节能方式的首选。现阶段，大功率电机变频技术已成熟，许多电厂已经实施，如相同类型的华能榆社电厂已经对引风机、给水泵电机进行了变频改造，改造后的厂用电率就比我公司低0.5%左右。2、项目实施前用能情况2009年我公司供电煤耗为396g/kwh，厂用电率为10.53%，发电用标煤量399997吨，厂用电量为11888.59万千瓦时。3、项目主要建设内容 2005年和2006年起我公司分别对两台送风机和两台排粉机的电机进行了高压变频改造，计划于2010年始，直到2011年底，再对下列设备进行高压变频改造。3.1 循环泵电机：（四台）型 号：YL63012/1430额定电流：75.4A额定电压：6000V额定转速：990rpm额定功率：630KW3.3. 送风机电机：（两台）型 号：YKK5606额定电流：104.8A额定电压：6000V额定转速：993rpm额定功率：900KW频 率：50HZ绝缘等级：F4. 建设起止年度：2010年起，直到2011年止5. 原理、技术方案及特点5.1 高压变频系统原理目前，国内高压变频调速系统多采用直接“高-高”变换形式，为单元串联多电平拓扑结构，主体结构由多组功率模块串并联而成，由各组低压叠加而产生需要的高压输出，它对电网谐波污染小，总体谐波畸变THD小于4%，直接满足IEEE519-1992的谐波抑制标准，输入功率因数高，不必采用输入谐波滤波器和功率因数补偿装置；输出波形质量好，不存在谐波引起的电机附加发热和转矩脉动、噪音、输出dv/dt、共模电压等问题，不必加输出滤波器，就可以使用普通的异步电机，其基本工作原理如下： 1）电网电压经过副边多重化的隔离变压器降压后给功率单元供电，功率单元为三相输入，单相输出的交直交PWM电压源型逆变结构，相邻功率单元的输出端串接起来，形成Y接结构，实现变压变频的高压直接输出，供给高压电动机。例如，6kV电压等级的高压变频调速系统，每相由多个功率单元串联而成，输出相电压最高可达3500V，线电压达6kV左右，每个功率单元承受全部的电机电流，但只提供较小的相电压和输出功率。2）每个功率单元分别由输入变压器的一组副边供电，功率单元之间及变压器二次绕组之间相互绝缘，二次绕组采用延边三角形接法，实现多重化，以达到降低输入谐波电流的目的。给功率单元供电的二次绕组每3个一组，分为7个不同的相位组，互差60/7度电角度，形成42脉冲的整流电路结构。输入电流波形接近正弦波，总的谐波电流失真小于1%，输入的综合功率因数可达0.95以上。3）逆变器输出采用多电平移相式PWM技术，同一相的功率单元输出相同幅值和相位的基波电压，但串联各单元的载波之间互相错开一定的电角度，实现多电平PWM，输出电压非常接近正弦波，输出电压每个电平台阶只有单元直流母线电压大小，所以dv/dt很小，功率单元采用较低的开关频率，以降低开关损耗，提高效率，由于采用移相式PWM，电机电压的等效开关频率大大提高，且输出电平数增加。 以6kv输出电压等级的高压变频调速系统为例，输出相电压均为11电平，线电压均为21电平，输出等效开关频率为9kHz，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，由谐波引起的电机发热、噪音和转矩脉动都大大降低，因此对电机没有特殊要求，可直接用于普通异步电机。常规6000V高压变频调速系统的基本结构见图1，由移相变压器、功率单元和控制器组成。图1 高压变频调速系统结构图5.2高压电机进行变频改造的特点：对高压电机进行变频改造，改造后高压变频系统具有如下特点：电机变频系统，既可以变频调速运行，也可以直接投工频运行；为变频器提供的交流220V控制电源掉电时，由于变频器的控制电源和主电源没有相位及同步要求，变频器可以用UPS和直流供电继续运行，不会停机；在现场DCS速度给定信号掉线时，变频器提供报警的同时，可按原转速继续运转，维持机组的工况不变；变频器配置单元旁路功能，在局部故障时，变频器可将故障单元旁路，降额继续运行，减少突然停机造成的损失。保留原电机继续使用；不改变原有电机设备任何基础；和电厂的DCS系统实现无缝连接。6.高压电机变频改造的优越性分析6.1 变频器的应用，节能效果十分明显，节能达2030%左右，大约3.5至4.5年可以收回改造投资费用。6.2 采用变频调速系统后，特别采用自动闭环系统后，很好地保持流量（压力）的恒定，对系统经济优化运行提供了可靠保证。6.3 电动机启动对电网没有冲击，系统综合效率高达98%，功率因数高达95%以上。6.4 使设备长期处于低速运转状态，设备噪声随之降低，电机、管网、阀门等延长了使用寿命，维修量下降，节约维修费用和维修时间。四、改造费用及效益分析：1 改造费用情况本次改造：送风机电机变频费用为280万元，循环泵电机变频费用为420万元，合计为700万元。其中企业自筹500万元，省筹补助200万元。2 经济效益分析（以原两台送风机改造后实际测试为例）2.1原送风机改造后节能效果测试值单位小时内各段负荷同工况（出口风压相同、制粉系统运行方式相同）下#1、2送风机总耗电的比较：#1 炉负 荷制粉系统送出口风压氧量工频电耗变频电耗耗电比较MW套KPa%KwhKwhKwh70单套运行2.7/2.85/588272016280单套运行3.1/3.14.8/597275621690单套运行3.08/3.065/51026810216100单套运行3.5/3.54.7/4.31098828270#2 炉负荷制粉系统送出口风压氧量工频电耗变频电耗耗电比较MW套KPa%Kw.hKw.hKwh70单套运行3.0/3.05/595472522980单套运行3.0/3.14.3/598274623690单套运行3.16/3.185/51026774252100单套运行3.2/3.25/4.61062810252注：工频电耗是指送电机在电压6KV频率在50Hz状态下负荷稳定运行1小时的实际耗电量。 2.2 原典型工况连续运行三天送风机节能效果计算 单位：万Kwh项目发电量#1送#2送节能值节能值/万Kwh6亿Kwh节能值#1机组535.041.9983.151.1520.002153129.18#2机组518.961.9083.071.1620.002239134.342.3原送风机改造后节能效果测试值分析结论：概算按各个负荷段的平均数计算，#1炉每小时节约电量216 kwh，#2炉每小时节约电量242.25kwh，全天双机运行共可以节约电量1.0998万kwh；按年发电量完成12亿KWh，日完成电量400万kwh，全年双机运行300天（相当于全年运行7200小时）计算，两台送风机全部技改后，全年可节约电量329.94万kwh，按当时电价0.35元/kwh计算，一年可节约115.47万元。2.4送风机连续运行三天节能效果分析结论：安装两台送风机变频后，全年可节约电量263.52万kwh，按现电价0.35元/kwh计算，一年可节约92.23万元。故从送风机电机变频改造后上述两结论从数据上看基本相近，说明以上数据真实可信当时变频改造总投资约万，预计不到三年便可收回投资，效益巨大。3.其它效益分析：变频改造后，还有以下功效：3.1 采用变频调速系统后，特别采用自动闭环系统后，很好地保持流量（压力）的恒定，对系统经济优化运行提供了可靠保证。3.2 电动机启动对电网没有冲击，系统综合效率高达98%，功率因数高达95%以上。3.3 使设备长期处于低速运转状态，设备噪声随之降低，电机、管网、阀门等延长了使用寿命，维修量下降，节约维修费用和维修时间。3.4 实现风门(阀门)全开，不再调整风门（阀门），运行自动化程度大为提高，运行和维护工作量降低。3.5 功率因数提高。从电网角度看，工频运行时功率因数为.左右,变频运行时功率因数达到.9。因此,即使同样是满负荷运行,变频运行时,高压输入电流明显比工频运行时小,这有利于节能和设备安全运行。3.6 对于高压电机采用变频和旁路工频双套运行方式，当变频器故障时，可投旁路，电机定速运行，不影响设备运行，保证了机组的安全运行。4.变频改造效益小结及建议因此，将交流变频调节装置应用于高压电机，不仅节能，而且大大改善了控制特性和运行特性，取得了显著的社会效益和经济效益，使设备的运行方式更趋合理，设备自动化程度、控制水平进一步提高。虽然交流变频调节使一次性投资增加，但它所带来的回报是巨大的、长期的，建议大力推广使用。五、资金筹措: 本次改造：送风机电机为280万元，循环泵电机为420万元，合计为700万元，其中企业自筹资金为500万元，申请政府基金为200万元。六、项目前期工作情况及其配套条件： 本项目为采用变频技术大幅度降低电机系列节流损失，节能效果明显的项目，本系统安装简便，前期工作准备就绪的话，利用停机时间有十五天左右即可完成，改造总费用为700万元。公司计划2010年完成设备的考察和招标，2011年利用机组的检修来进行设备的安装和调试。七、变频调速改造实施方案（以锅炉送风机为例）1、锅炉送风机的运行工况及特点：根据目前设备配置和运行状况，锅炉送风机和排粉风机风量随机组负荷变动，当需要调节风量时，由于风机的型号在早期已经选定，故只能通过调节入口档板开度来解决风量问题，其出口压力也大大高于需求压力，造成极大浪费，同时由于挡板的响应速度，及与风量的非线性关系，使得同机组DCS系统配合不利，自动化水平大大降低，有鉴于此，将每台炉的两台锅炉送风机和排粉风机改为变频驱动。风量由DCS或手动给定4-20mA信号调节。2、高压变频调速系统基本构成2.1 高压变频器1台（适配6kv电机）2.2 系统旁路开关柜（适配6kv电机）1台1#、2#机组再各配置循环泵变频装置两台，送风机变频装置各一台采用“一拖一”变频控制，共6套引风机变频系统。变频控制系统见图23.高压变频调速系统特点电机调速是由电厂操作人员通过DCS系统的CRT上的模拟操作器，参照烟气温度、锅炉蒸气温度、负压等参数，对DCS的输出值进行调节，此输出值为反馈给变频器的4-20mA标准信号，对应不同的频率（速度）给定值，变频器通过比较转速输出量与DCS速度给定之间的大小，自动调节电动机的转速，实现的风机转速控制，从而达到调节的目的。在此基础上，经过一段时间的积累，可将不同负荷和温度下的给定值绘制成曲线，定出安全的上下限，制成电机调速专用算法，同时利用热工一次测量元件，将采集的负荷和温度参数及负压的变化值送到机组DCS系统中，在机组DCS系统中，进行控制运算，将计算结果形成4-20mA的速度给定指令信号，反馈给变频器，变频器通过比较转速输出量与DCS速度给定之间的大小，自动调节电动机的转速，实现风机的转速自动控制。电机变频系统具有如下特点：电机变频系统，既可以变频调速运行，也可以直接投工频运行；为变频器提供的交流220V控制电源掉电时，由于变频器的控制电源和主电源没有相位及同步要求，变频器可以用UPS和直流供电继续运行，不会停机；在现场DCS速度给定信号掉线时，变频器提供报警的同时，可按原转速继续运转，维持机组的工况不变；变频器配置单元旁路功能，在局部故障时，变频器可将故障单元旁路，降额继续运行，减少突然停机造成的损失。保留原电机继续使用；不改变原有电机设备任何基础；和电厂的DCS系统实现无缝连接。图2风机变频控制系统图4、锅炉送风机高压变频改造基本功能要求4.1主拖动电机实现软起动（起动电流从零到额定值平滑过渡、无冲击）和软制动。4.2 实现智能调速，系统调频范围050Hz。4.3 调速工段内的设备调节和优化控制由机组DCS完成，DCS负责采集模拟量、开关量等信号，变频器输出的模拟量、开关量信号全部进入DCS系统，形成闭环控制，同时实现相关辅机联锁功能等。4.4 系统设有就地和远方两种控制途径，就地控制是在变频器处通过变频器触摸屏进行操作或应急处理；远方控制是在控制室内进行，分为两种工作方式：一种为远方手动方式，在这种工作方式下，操作员通过DCS系统的CRT手动给定信号，调节变频器，改变电机转速，达到调节风量的目的；一种方式为远方自动方式，在这种工作方式下，转速给定是在DCS系统中根据工况运用相关算法进行运算，得出相应风量，转换成对应频率值，输出给变频器，调节电机的速度，使系统参数跟随给定值变化，从而达到自动调节风量的目的。4.5 信息传递：变频器可以实现同机组DCS系统的双向信息传递，可完成自诊断、报警和接收指令的功能。变频器可提供给DCS系统如下参量：输出频率、给定频率、输入电流、输出电流、输入电压、输出电压、闭环给定值、实际反馈值。可任选两种，通过420mA电流源模拟量输出，提供的开关量有：变频器报警及故障信息、状态信息、高压开关控制信号（高压合闸允许、高压开关紧急分断）等。变频器接收的DCS的模拟量信号为远控转速给定、闭环控制转速实际值、DCS异常信号，开关量为远方启停、高压就绪信号等。 4.6 完备的保护功能：变频器内保护配置齐全，有运行中开门、冷却风扇停运、变频器过热、输入电压过低、负载超速、功率单元异常、接地等各种类型保护，并完全具备对自身及电机的保护功能。4.7 安全运行保障：a.机组运行过程中，由于各种原因发生厂用电切换，会造成控制电源消失，为避免因此使变频器停电，在变频器内部配备UPS和直流供电。b.当变频器出现单元故障，变频器可将故障单元整组旁路，并降额运行，避免不必要的停机。c.当变频器整体故障或控制电源消失或按下紧急停机按钮时，高压变频器高压开关跳闸，切断电源，同时参与联锁。4.8系统的变频电机实现变频供电和电网供电相互切换运行，可手动切换，当变频器发生异常后，电机仍需要运行，这时可将电机切换到工频电网起动。4.9变频电机具有互锁功能，确保同一电机不出现变频、工频同时驱动，具有完善的保护、报警功能（包括信号检测系统在内）。5、锅炉送风机高压变频改造的控制接口要求5.1 变频器控制接口4路420mA或010V模拟量输入； 2路420mA模拟量输出或010V用以输出电机电压、转速、电流和频率等指示信号(可程序修改)；24点开关量无源输入：远程起动/停止，近程起动/停止，急停，软启动，复位等；16点开关量无源输出：变频器就绪，运行，故障等；5.2 PLC接点如下输入通道输出通道DI:0.0远程启动指令用户可定义DO:0.0远程启动指令内部已定义DI:0.1远程停机指令用户可定义DO:0.1远程紧急停机指令内部已定义DI:0.2远程紧急停机指令用户可定义DO:0.2变频器软启动内部已定义DI:0.3远程软启动指令用户可定义DO:0.3远程停机指令内部已定义DI:0.4远程/近程 控制选择内部已定义DO:0.4系统复位内部已定义DI:0.5报警解除内部已定义DO:0.5工控机复位内部已定义DI:0.6系统复位内部已定义DO:0.6故障报警用户可定义DI:0.7紧急停机内部已定义DO:0.7备用用户可定义DI:1.0控制器就绪内部已定义DO:1.0高压合闸允许用户可定义DI:1.1速度达到给定内部已定义DO:1.1高压紧急分断用户可定义DI:1.2模块旁路故障内部已定义DO:1.2工频运行指示用户可定义DI:1.3模块重故障跳闸内部已定义DO:1.3备用用户可定义DI:1.4备用用户定义DO:1.4正常运行指示用户可定义DI:1.5高压就绪内部已定义DO:1.5备用用户可定义DI:1.6变压器超温报警内部已定义DO:1.6变压器超温报警用户可定义DI:1.7变压器过热跳闸内部已定义DO:1.7变压器过热报警用户可定义DI:2.0柜门连锁报警内部已定义5.3 变频调速装置与DCS的接口：变频调速装置可以提供的数字量输出(1)报警及故障信息：变压器超温、单元柜风机故障、控制电源掉电、控制器故障、单元故障、模拟信号断线。(2)调速装置的状态信息：待机状态、正常运行状态、单元旁路运行状态、故障状态、系统旁路状态(3)高压开关控制信号：高压合闸允许、高压开关紧急分断其中“高压开关紧急分断”直接提供给现场高压开关，直接实现跳闸保护，该节点特殊要求DC220V/3A的容量。以上所有数字量采用无源节点输出，定义为节点闭合时有效。除特别注明外，节点容量均为AC220V/3A。变频调速装置可以提供的模拟量输出调速装置可以提供2路420mA的电流源输出，带负载能力均为500。模拟量信号和物理量实际大小的对应关系可由用户在调速装置上设定，每路模拟输出对应的物理量可以由用户从以下参量中选择：输出频率、给定频率、输入电流、输出电流、输入电压、输出电压、闭环给定值、实际反馈值。变频调速装置需要的数字量输入(1)高压开关信息：高压电源就绪(2)远端的控制信号：启动、停机、紧急停机、开环运行、闭环运行（说明：调速装置的“远程控制”和“本地控制”由调速装置选择，当选定远程控制时，调速装置的控制权交给现场控制系统）变频调速装置需要的模拟量输入(1)远程控制时有现场给定值：该给定值可以为4-20mA的电流源信号（带负载能力必须大于250），也可以为0-10V的电压源信号（负载能力必须大于10mA）。该给定值在远程控制开环运行时，作为调速装置的转速给定值，4mA（或0V）对应0Hz，20mA（或10V）对应50Hz，呈线性关系。该给定值在远程控制闭环运行时，作为用户系统被控制参量的给定值，给定值和用户系统被控制参量必须呈线性关系，具体对应关系由各方在后续安装调试中再行确定。(2)闭环控制时用户系统被控参量的实际值：该反馈值可以为4-20mA的电流源信号（带负载能力必须大于250），也可以为0-10V的电压源信号（负载能力必须大于10mA）。该反馈值和用户系统被控制参量必须呈线性关系，具体对应关系由用户提供。6、锅炉送风机高压变频改造旁路系统方案如左下图，手动旁路，由3个高压隔 离开关QS1、QS2和QS3组成（见左下图）。要求QS2和QS3不能同时闭合，在机械上实现互锁。变频运行时，QS1和QS2闭合，QS3断开；工频运行时，QS3闭合，QS1和QS2断开。在检修变频器时，有明显断电点，能够保证人身安全，同时也可手动使负载投入工频电网运行；造价低等。7、变频改造前期准备核实以下现场条件是否满足，如果条件就绪，设备提供方将安排发货并派员前去现场进行变频器设备的安装调试工作：7.1 现场安装场地就绪，要求环境温度0400C，根据实际情况可以采取两种方式：a .加盖密封小屋，并安装空调，变频器采用后向式风机，b.在变频器顶部加装风室（由电厂提供），通过排风管道及轴流风机将热风排到厂房外。7.2 安装基础（地脚、电缆沟等）就绪，变频器总体（含旁路柜）安装尺寸图如下：图4送风机900KW/6KV变频器安装尺寸7.3 吊运设备和人员准备就绪；7.4 现场高压电缆准备就绪并铺设到位，电缆头加工人员和耐压试验人员可以随时待命。初步确定将原循环泵电机进线电缆移至变频器作为进线电缆，另铺设变频器至电机的高压电缆； 7.5 现场的仪器仪表安装就位，控制电源安装就位（容量AC220V3000VA和DC220V 3000VA）；7.6 现场控制和信号电缆铺设到位；7.7 风道等就绪；7.8 高压开关改造完毕，具备送电条件；7.9 电机及其基础没有问题，具备运转条件；7.10 风机等机械设备及其基础没有问题，具备运转条件；7.11 电动风门等辅助机械及其基础没有问题，具备运转条件；8施工安装要求8.1 机械安装为了变频器能长期稳定和可靠地运行，要求最低环境温度0，最高环境温度40，工作环境的温度变化应不大于5/h。本变频器的标准产品安装高度要小于海拔1000米。环境湿度要求小于90%（20），相对湿度的变化率每小时不超过5%，避免凝露；不要将变频器安装在有较大灰尘、腐蚀或爆炸性气体、导电粉尘等空气污染的环境里。变频器设备安装时，考虑通风散热及操作空间的需要，整套装置背面离墙距离不得小于1000mm，装置顶部与屋顶空间距离不得小于1000mm，装置正面离墙距离不得小于1500mm。所有柜体应牢固安装于基座之上，并和厂房大地可靠连接。变压器屏蔽层及接地端子PE也应接至厂房大地。各柜体之间应相互连接成为一个整体。安装过程中,要防止变频器受到撞击和震动,所有柜体不得倒置,倾斜角度不得超过30度。8.2 电气安装电气安装主要包括柜体到现场的输入输出高压电缆、柜体之间的连接线、柜体和现场的控制及信号线的配线。电源及电机线的连接 输入电源线连接到端子L1、L2、L3；电机线连接到U、V、W，并注意相序关系；确保输入电压满足要求；确保电源线的线径及耐压满足要求；确保输入侧高压开关已经采用了有效的防雷措施；控制线的连接控制柜连线主要包括控制电源进线、远程控制接线、检测信号线、模拟量输入线、模拟量输出线、现场状态接线、开关量输出接线。如果用户有特殊要求，可以根据用户需求重新配置。