空冷器风机调速改造

空冷器风机调速改造空冷器风机调速改造 姓 名 单 位 2013 年 08 月 16 日 1 摘摘 要要 为了控制产品的冷却温度 需为空冷器风机的转速增加调控手段 本 次空冷器风机调速改造方案中 采用了变频调速技术 可实现无级平滑变 速传动 选用变频器为 ABB 公司生产 技术非常成熟 本次改造方案的设计中 保留了原有的控制系统作为备用 提高了风 机的运行可靠性 但在电路设计中 一 二次控制回路均采取安全措施 双重电气联锁 保证系统运行安全 文章通过分析变频器投入运行后的相关运行参数 可以得出以下结论 普通的三相异步电动机也能使用变频器控制其转距和转速 且节能效果良 好 关键词 空冷器 三相异步电动机 变频调速 2 目目 录录 第 1 章 引 言 3 1 1 问题的提出 3 1 2 三相异步电动机的调速方法的选择 3 1 2 1 三相异步电动机的工作原理 3 1 2 2 空冷器风机驱动系统改造选用变频调速方法 3 第 2 章 变频器的工作原理和节能分析 4 2 1 变频器工作原理 4 2 2 风机的特性和节能分析 4 第 3 章 空冷器风机驱动系统变频改造过程 5 3 1 空冷器风机驱动系统介绍 5 3 2 空冷器风机驱动系统改造方案简述 5 3 3 空冷器风机驱动系统变频改造主电路介绍及元器件选择 6 3 4 空冷器风机驱动系统变频改造的控制电路介绍 9 3 5 变频器运行参数值设置的几点说明 11 第 4 章 空冷器风机驱动系统变频改造节能效果分析 11 第 5 章 空冷器风机变频改造待改进事项 13 第 6 章 总结 14 致谢 15 参考文献 16 3 第第 1 1 章章 引引 言言 1 11 1 问题的提出问题的提出 公司一厂的芳烃分离装置 T0102 塔产品参数控制不甚理想 经过分析认为是空 冷器冷后温度过低造成的 为此 建议对 E0106M1 M2 E0105M1 M2 M3 这五台空冷器 的电动机增加调速功能 降低风机转速 以提高冷后温度 1 21 2 三相异步电动机的调速方法三相异步电动机的调速方法的选择的选择 1 2 11 2 1 三相异步电动机的工作原理三相异步电动机的工作原理 电动机定子绕组上接入三相交流电时 定子与转子之间的空气隙内产生一个旋转 的磁场 它与转子绕组产生感应电动势 出现感应电流 此电流与旋转磁场相互作用 产生电磁转矩 使电动机转起来 转子的实际转速 比磁场的同步转速 要慢一点 所以称为异步电动机 1 1 0 60 1 1 fs nns p 式中 为三相交流电源频率 一般是 50Hz 为磁极对数 为转差率 fp s 1 2 21 2 2 空冷器风机驱动系统改造选用变频调速方法空冷器风机驱动系统改造选用变频调速方法 从 1 1 可见 改变供电频率 f 电动机的极对数 p 及转差率 s 均可达到改变转 速的目的 故三相异步电动机的调速有如下表中七种方法 现针对风机用电动机就七种调速方法加以分析 电动机调速 方法分析说明结论 1 变极对数调速法电机绕组更改困难 且需增加电机电缆和更改 控制系统 改造复杂 造价高 不可行 2 变频调速法技术成熟 工程改动小 目前变频器价格也不 贵 可行 3 串级调速法 4 绕线式电动机转子 串电阻调速法 这是针对绕线式电动机 风机电动机为笼型电 动机 不可行 5 定子调压调速法技术落后 效率低下 不可行 6 电磁调速电动机调这是针对电磁调速电动机 如更换电动机 其不可行 4 速法安装很困难 需改动电动机的安装方式和与风 机的联接传动方式 改动非常复杂 投入成本 高 7 液力耦合器调速法这里电动机是立式安装 根本不可能安装液力 耦合器装置 不可行 由式 1 1 可以看出 对于三相异步电动机 改变输入电源的频率就可以改变电 动机的转速 进而达到异步电机调速的目的 综上所述 本次空冷器风机驱动系统改造选用变频调速方法 第第 2 2 章章 变频器的工作原理和节能分析变频器的工作原理和节能分析 2 12 1 变频器工作原理变频器工作原理 变频调速系统主要设备是提供变频电源的变频器 目前国内大都使用交 直 交 变频器 图 1 交 直 交变压变频器的原理框图 1 上图绘出了变频器的原理框图 它仍是一个交 直 交变压变频装置 只是整流器 UR 是不可控的 它的输出电压经电容滤波后形成恒定幅值的直流电压 加在逆变器 UI 上 逆变器的功率开关器件采用全控式器件 按一定规律控制其导通或断开 使输出 端获得一系列宽度不等的矩形脉冲电压波形 在这里 通过改变脉冲的不同宽度可以控制逆变器输出交流基波电压的幅值 通 过改变调制周期可以控制其输出频率 从而同时实现变压和变频 2 22 2 风机的特性和节能分析风机的特性和节能分析 2 2 风机是传送气体的机械设备 是把电动机的轴功率转变为流体的一种机械 风机 电机输出的轴功率为 P 21 102 QH 5 其中 Q 风量 H 风压 风机效率 传动机构效率 1 2 从流体力学原理得知 风机的电动机轴功率 P 与其风量 Q 风压 H 之间的关系为 P Q H 当电动机的转速由 n1变化到 n2时 风量由 Q1变化到 Q2 Q H P 与转速的关系如 下 Q2 Q1 1 1 2 n n H2 H1 2 2 1 2 n n P2 P1 3 3 1 2 n n 由上式可以看出 风机的风量与风机的转速成正比 风压与转速的平方成正比 风机的轴功率等于风量与风压的乘积 即风机的轴功率与风机电机转速的三次方成正 比 由于风机的轴功率是和风机的转速的三次方成正比 所以当需要对风机降速时 可以大幅度的降低电动机的输出功率 轴功率 也就可以大量地节约电能 一般风机使用变频调速以后可以节约 20 50 的电能 第第 3 3 章章 空冷器风机驱动系统变频改造过程空冷器风机驱动系统变频改造过程 3 13 1 空冷器风机驱动系统介绍空冷器风机驱动系统介绍 本次所需改造的空冷器风机有 5 台 原控制系统采用传统的起 保 停控制电路 控制柜安装于芳烃装置配电室 操作柱置于风机旁 现场操作 属远程异地控制 配 电室距风机设备现场约 150 米左右 风机的电动机为防爆型三相异步电动机 6 极 额定功率为 30KW 额定电压为 380V 3 23 2 空冷器风机驱动系统改造空冷器风机驱动系统改造方案简述方案简述 本次方案中 空冷器冷却温度的控制是通过改变空冷器风机的送风量大小来控制的 即通过风机的驱动电动机调速来控制风量 6 变频调速目前已经成为主流的调速方案 可实现无级平滑变速传动 本次采用 ABB 变频器 ACS510 系列 该系统产品适用于风机 泵类设备控制 符合空冷风机运行要求 本次技改 主要针对五台空冷器风机 E 0105M1 M2 M3 E 0106M1 M2 增加五套 变频调速系统 变频器集成后组装在三个控制柜 新增 内 根据现场情况 变频器控制柜安装在芳烃装置配电室 1 控制系统改造原则 保留现有控制系统不变 增加变频器控制系统 两控制系统均可独立工作 从用电安全方面上考虑 两控制系统之间增加电气联 锁 2 在电动机控制系统中设变频器 原柜控制功能 正常情况下 电动机由变频器 控制 当变频器发生故障时 切除变频器 改为原柜控制 不会因变频器故障造成停 机 1 由于现场每台电机只有一个操作柱 这已被现有控制系统占用 故变频器控 制系统只能在配电室控制柜上控制 变频器工作时 现场操作柱上的指示灯不亮 但 操作柱上的电流表有电流指示 可监视电机运行状况 DCS 系统的监控不受影响 与现 在操作一样 2 当原柜控制时 变频器不工作 空冷器现场操作 运行方式与现有运行方式 一样 即现场操作柱上操作 3 33 3 空冷器风机驱动系统变频改造主电路介绍及元器件选择空冷器风机驱动系统变频改造主电路介绍及元器件选择 我厂芳烃装置空冷器电动机增设变频器控制系统 同时保留原有控制系统 这样 构成双系统控制 两控制系统由于工作原理的不同 不能同时工作 在两套控制系统之间进行切换操作时 有一个短暂停机过程 两套控制系统之间 设置电气保护联锁 7 图 2 空冷器风机驱动系统图 为便于独立操作两套控制回路 特为变频器提供独立电源 电源开关单元图示如下 图 3 变频器电源柜改造接线图 元器件选择 1 变频器 3 根据工艺要求 选用 ABB ACS510 30 变频器 该变频器用于鼠笼式电动机的速度和转矩控制 模块化设计 具有体积小 安装 8 简便 节能能源 控制准确 安全可靠等特点 适用于水泵 风机类设备驱动 保护特性 过流保护 过压保护 欠压保护 过热保护 短路保护 接地保护 欠压缓冲 电机欠 过载保护 堵转保护等 2 变频器专用电抗器 由于我厂电动机距变频器有 150 米左右距离 为了改善电网质量 选用 ABB 变频 器专用电抗器 型号 NOCH 0070 6 REV U1 3 进线开关 ACS510 变频器本身不包括断路设备 因此 在交流输入电源和 ACS510 变频器之间 必须安装断路设备 这里 选用 ABB 断路器 型号为 S2S 160 R63 3 极 4 交流接触器 三相交流电经变频器转换输出后 相序 频率均发生很大的变化 即使不改变输 出频率 其输出的相序也发生变化 下表数据为变频器在 50HZ 工作状态下的实测值 输入电源 市电 与输出电源 经变频后 同相压差 输入时的相序 ABC 输入电源与输出电源同极压差 328328328 可见 市电经过变频器的处理后 电的相位已发生位移 其同极构成了相位差 如并线 就会发生 短路 现象 损坏设备 为防止反串电 在两控制系统的出线处均增设交流接触器作为电气联锁 交流接触器型号 ABB A63 5 排风扇 为了更好的为变频器散热 我们在变频器控制柜顶部加装了两台排风扇 排风扇规格选用 6 寸 6 电源开关 为了整个低压供电系统的安全 每一个回路出线均设一级电源开关作为供电设备 的电源开关 这里选用 ABB 断路器 型号为 S2S 160 R80 3 极 9 3 43 4 空冷器风机驱动系统变频改造的控制电路介绍空冷器风机驱动系统变频改造的控制电路介绍 本次空冷器风机驱动系统考虑到工艺需要 其一 二次电气回路均作了相应更改 10 图 4 变频器控制柜主回路图 3 说明 KM1 和 KM2 为电气联锁交流继电器 避免反串电损坏元器件 11 12 图 5 变频器控制柜控制回路原理图 4 变频器及电抗器工作时会产生大量的热量 故每台变频器控制柜顶部均安装 2 台 排气扇 3 53 5 变频器运行参数值设置的几点变频器运行参数值设置的几点说明说明 1 ABB 变频器内置丰富的应用宏 只需选择需要的应用宏 相应的所有参数都 自动设置 输入输出端子也将自动配置 这些预设的应用宏配置大大节约了调试时间 减少出错 2 电动机的启动数据设置一定要准确 变频器的所有运算均以启动数据为基础 3 电动机控制参数值中开关频率的设置尤为重要 电动机噪音与开关频率大小有直接关系 当开关频率高时 可使输出波形非常逼 近正弦波 这时电动机相对噪音就小 但是 开关频率也不能设置太高 变频器自身的功率损耗与开关频率有关 且随 着开关频率的提高 功率损耗增大 这样一则使效率下降 二则使功率模块发热增加 对变频器运行是不利的 第第 4 4 章章 空冷器风机驱动系统变频改造节能效果分析空冷器风机驱动系统变频改造节能效果分析 下面摘录了变频器投入运行前后电动机运行参数 不同频率下电动机的运行参数不同频率下电动机的运行参数 不同频率下电机运行参数不同频率下电机运行参数 设备位号设备位号频率频率电流电流转速转速功率功率 E 0105M15040 597820 1 13 4538 888816 6 4033 879012 1 5038 797619 3 4536 588915 6E 0105M2 4031 779111 1 5036 897817 5 4534 589014E 0105M3 4029 27919 8 5041 397520 7 4536 188816 3 4031 679011 8 E 0106M1 3528 47129 504297620 5 4536 888816 3 4032 979111 9 E 0106M2 3528 97129 不同频率下电机输出功率图例示 14 E 0105M1E 0105M1 E 0105M2E 0105M2 E 0105M3E 0105M3 E 0106M1E 0106M1 E 0106M6E 0106M6 从上表中数据可知 转速降低 10 电动机功率可降低 20 转速降低 20 电动 机功率可降低 40 左右 当转速降低 30 时 电动机功率则降低了 50 可见 通过调整电动机的转速 电动机的输出功率会随之有很大的变化 从经济效益上分析 每年按设备运行 8000 小时 其中一半的时间运行在 45HZ 每度电费按 0 6 元计算 可节约电费支出 12 万元 本次空冷器风机驱动系统变频改造投资共计 12 8 万元 由上可知 一年左右就会 收回投资成本 除此之外 由于变频器的调控作用 每年可节约装置用蒸汽的数量虽无法定量计 算 但是可以肯定此项费用比节约的电费支出大很多 下面是海油总公司节能减排监测中心对 公司一厂变频器技改项目的鉴定评价 第第 5 5 章章 空冷器风机变频改造待改进事项空冷器风机变频改造待改进事项 由于空冷器风机增加变频器控制功能属改造项目 此方案必须保留原有的控制系 统 故在方案的制定中 我们要结合生产工艺要求 现场设备安装与运行情况综合考 虑 有下列两点问题有待以后改进 1 空冷器风机现场不能操控变频器 现场只有一个操作柱 两个系统不能共用 主要是从生产工艺的安全角度考虑 而不是从技术角度考虑 因为 空冷器在这套生产装置中起着关键作用 不容其出现 任何故障停机 如果增加一个多级转换开关 虽能在两套控制系统之间任意转换 但 相应也增加了系统出错点 2 没有实现 DCS 控制 自动控制 由于空冷器本体及进出口管线上没有安装温度传感器 故 DCS 不能监测空冷器温 度 因而不能调控变频器 以后 可在空冷器设备上安装温度传感器 温度实时数据通过 DCS 处理后向变频 器发出指令 从而实现风机电动机的转速随冷却温度的变化而自动调节 15 第第 6 6