风机变频节能改造技术方案.doc

深圳市英威腾电气股份有限公司 技术方案 低压风机变频节能改造技术方案（初稿）编 制： 高 龙 审 核： 日 期： 2012 年 12 月 25 日第 16 页 目 录第一章 公司简介2第二章 行业背景分析3第三章 系统方案4一、现场工况分析 4二、设备选型 5三、方案论述 7第四章 节能直接效益分析 8第五章 使用变频器的间接效益12第六章 GD200系列变频器简介13第七章 质量保证及服务承诺 14第一章 公司简介深圳市英威腾电气股份有限公司，立足电气传动、工业控制领域，为全球用户提供专业化产品和服务，2010年在深交所A股上市，股票代码：002334。现设有国内办事处30多个，海外办事处2个，拥有海内外经销合作伙伴上百家，用户遍布全球50多个国家和地区。目前英威腾主要产品有高、中、低压通用及各行业专用变频器、交流伺服系统、制动单元、能量回馈单元等。产品在市政、建材、塑胶、油田、机械、化工、冶金、纺织、印刷、机床、矿山等行业广泛应用。英威腾是国家级高新技术企业，拥有深圳市唯一的“变频器工程技术研究开发中心”。英威腾变频器产品包括低压CHA/CHV/CHE/CHF/GD各行业专用系列、中压660V/1140V系列、高压CHH（3KV/6KV/10KV）系列等，功率范围涵盖0.48000kW，满足不同行业不同场合的各种变频控制应用需求。成熟矢量控制技术、各行业专用变频控制技术的掌握以及国际领先四象限控制技术的突破使英威腾的发展持续领先，成为中国变频器行业的领导者。高性能交流伺服系统的开发与成功应用标志着英威腾向运动控制领域的拓展与延伸。 英威腾大楼 研发部门 测试部门 生产车间第二章 行业背景分析一、节能改造背景据世界经济统计年鉴和中国统计年鉴公布的数据测算，我国的耗能标准比其他发达国要高出几倍能源。造成这种结果的原因有两个：一是我国的能源消费结构不合理，其中产业的能源消费占78.3%，而发达国家仅占30%40%。二是我国主要工业产品的能耗比世界先进水平高出30%90%。大量的能源消耗既造成了经济上的极大浪费，同时也因严重的环境污染而造成了极大的社会问题。节能减排已成为摆在我国面前亟待解决的实际问题，同时也成为了政府当前的重要工作之一。因此要解决资源战略问题，必须大力开展能源节约与资源综合利用。根据国家有关规划，电机系统节能是国家发改委启动的十大重点节能工程之一。国家发展规划要求，当前应推广变频调速节能技术，即风机、水泵、压缩机等通用机械系统采用变频调速节能措施，工业机械采用交流电动机变频工艺调速技术。二、变频行业介绍以前的变频器，由可控硅整流，可控硅逆变等器件构成，缺点很多，谐波大，对电网和电机都有影响。近年来，随着电力技术的发展，变频调速技术的日臻完善，发展起来的一些新型器件将改变这一现状，如IGBT、IGCT、SGCT等等。由它们构成的变频器，性能优异，可以实现PWM逆变，甚至是PWM整流。不仅具有谐波小，功率因数也有很大程度的提高，已经取代了挡板和阀门的调节方式。其稳定安全的运行性能、简单方便的操作方式、以及完善的功能，将使变频最终达到高效率的运行目的。 随着变频技术的不断成熟，变频器在各个领域得到了广泛应用。变频器应用上的巨大节能潜力和优良的调速性能，使得它具有强劲的发展动力和广阔的市场空间。目前，变频技术已经成为电力传动领域的热门话题之一，对于大容量风机、水泵、空压机等系统进行变频改造已成为一种趋势，它为使用大功率传动装备的企业和行业带来了很大的节能效益。三、冶金行业能耗介绍冶金行业在我国经济中所处的地位非常重要，且都是规模较大，效益显著，连续、高效式地生产流程性企业。生产过程已经高度的自动化，生产现场有大量的现场设备需要进行控制。冶金行业的电力消耗主要来自于烧结、炼铁、炼钢和轧钢设备中应用的各种电动辅机，包括引风机、除尘风机、通风机、泥浆泵、除垢泵、煤气鼓风机、烧结风机、高炉风机、轧机、开卷机、卷曲机等。由于钢铁生产流程中大量采用的水泵、鼓风机和除尘风机的常规设计为不停机运行，流量过剩时采用流体循环或放空的耗能方法，节电潜力很大。冶金行业使用变频器的节电效果较为明显，节电率一般在 15%-60%。通常由交流异步电机驱动。这些设备调速范围比较宽，对工艺、环保的影响比较大。早期大部分冶金行业的风机、水泵设备不调速，直接采用工频供电，定速驱动，通过调节风门与阀门来控制风量与给水量，同样把能量都白白地浪费了。如果采用高压变频器进行变频调速，则可以节约大量的电能，给企业带来效益。第三章 系统方案一、现场工况分析1. 负载设备参数引风机匹配电机型号（产地、日期）匹配电机型号（产地、日期）200KW额定电流额定电压380V运行电流风门或阀门开度2、负载设备工况分析n 引风机项目分析：引风机是火电厂重要的辅助设备之一，它将锅炉燃烧产生的高温烟气排除，维持炉膛压力，行成流动烟气，完成烟气及空气的热交换。经除尘装置后排向烟道，用来调整锅炉炉膛负压的稳定。在生产过程中，风机的风量与风压裕度以及在生产过程中绝大部分时间都不是满负荷, 同时由于生产过程并不是连续不断的，而是周期性间断的变化，系统所需求的风量也随之变化，导致风机的运行工况点与设计高效点相偏离，从而使风机的运行效率大幅度下降。 u 在阀门调节过程中会带来一系列问题： 采用风机定速运行，阀门调整节流损失大、管网损失严重、系统效率低，造成能源的浪费。 这根本无法随时动态跟踪工艺进行风量调节以满足最佳工艺的要求。 长期的6085%左右的阀门开度，加速阀门自身磨损，导致阀门控制特性变差。 设备使用寿命短、日常维护量大、维修成本高、造成各种资源的极大浪费。 管网压力过高威胁系统设备密封性能，严重时导致阀门泄漏，不能关严等情况发生。 工频启动时启动电流大，对电网的冲击很大，启动后电机满负荷运行，很难停机，导致设备使用寿命缩短，日常维护量大，维修成本高，且故障率高。鉴于存在以上诸多问题，解决上述问题的重要手段之一是采用变频调速控制技术。利用变频器对风机电机进行变频控制，实现流量压力的变负荷调节。因此，采用变频调速控制改造是非常有价值的。二、设备选型 1、变频器配置根据现场的额定参数和实际运行工况，再结合我公司的GD200系列变频器在其它工程地应用情况，我公司为其改造设备配置如下变频器，其主要地参数如下：项目变频器型号额定功率额定电压额定电流变频器数量拖动方式引风机GD200-200G-4200KW380V380A3台一拖一GD200-200G-4其它主要辅助器件配置表名称型号规格数量备注变频柜订做3个断路器500A(电流)3个接触器500A(电流)6个输入电抗器ACL2-200-43个采用其一,建议采用电抗器输入滤波器FLT-P04400L-B3个输出电抗器OCL2-200-43个采用其一,建议采用电抗器输出滤波器FLT-L04400L-B3个2、变频器切换方式说明根据客户现场引风机配置特作如下变频改造方案： 变频器控制系统示意图 变频调速系统由用户开关、变频柜、GD200变频器、电机组成。变频柜是由一个开关（QM）和两个接触器KM1、KM2及相应其它主要辅助器件组成。变频路柜严格按照“五防”联锁要求设计，变频器输出接触器KM1和旁路接触器KM2电气互锁，完全能够保证变频调速系统安全运行。三、方案论述1、变频器控制方式n 引尘风机项目1）引风机上装设变频系统。2）设置远程控制和就地控制两种方式。3）并且所有的I/O端口都是可编程端子，用户可以方便的使用这些端口搭建自己的应用系统，同时也保证系统具有良好的可扩充性。具体在详细设计阶段根据用户要求确定。 变频器主要使用接口4）可以通过硬接线方式与DCS接口，也可以通过RS485通讯接口与DCS进行MODBUS通讯协议控制通讯，采用现场DCS系统平台进行变频器起停启动、停止、调整电机转速。该方案需要改动DCS系统。不同用户的DCS系统各有差异，采用DCS控制需要用户自己修改增加该控制。 5）保留原工频系统及其联动方式，且和变频器系统互为备用。6）频率给定方式： 频率给定方式1. 模拟量给定 频率调整方式1. 通过模拟量调整 频率给定方式2. 通讯给定 频率调整方式2. 通过通讯调整 频率调整方式3. 通过多功能端子实现递增或递减启停控制方式1. 端子控制启停控制方式2. 通讯控制 标准接线控制配置图2、变频器频率控制方式我方提供的GD200变频器具有两种控制电机转速、频率调整方式：(1）手动调节：（变频器开环运行）值班电工根据风机运行情况判断, 通过远程控制系统（DCS或控制箱）或就地触摸屏手动调节频率给定信号, 从而达到满足风机需要的流量和压力要求。 (2）自动调节：（变频器闭环运行）由于变频器本身具有PID功能，需要用户将现场监控信号转换成数字信号（420mA）传给变频器，通过与用户设定需要值比较，在变频器内部的微电脑智能系统自动调节输出频率。在不同条件下，系统自动调节风量大小，使变频器调节在需要设定值范围内，达到最佳的节能效果。四、方案综述该项目可以依据实际现场情况在诸多控制方式中选择合适的方式，主要涉及是由端子控制启停，调速，变频器信息反馈还是由通讯控制上述内容。另外该系统应具备工频旁路系统，当变频器故障时可以手动或自动切换到旁路工频工作。该系统可以分别由远程控制和本地控制两种控制模式，方便现场操控和维修。根据一般现场控制工况，再结合我公司的GD200系列变频器在其它工程应用情况,建议在正常工作情况下，变频调速系统采用开环控制，由人工根据现场情况，通过后台DCS控制系统或远程控制箱给出电动机应采取的转速，并作为速度给定输入给变频器，由变频器带动电动机跟踪此转速。第四章 节能直接效益分析一、负载特性说明负载特性是指电力拖动负载的转矩与转速之间的关系，也叫负载转矩特性。电动机节电，特别是调速节电，与负载特性的关系极为密切，除要了解电动机的运行特性之外，还要掌握被拖动工作机械的负载转矩随转速变化的特性。典型的负载特性有恒转矩负载特性、恒功率负载特性、风机泵类负载特性三种，见如下表。电力拖动典型负载特性表转矩特性恒转矩特性恒功率特性风机泵类特性负载特性M=恒定值PnMPnP=恒定值M1/nMn2Pn3轴功率与转速关系轴功率与转速成正比轴功率与转速无关轴功率与转速的三次方成正比典型负载起重机，压廷机，机床平移刀架等金属切削机床，恒张力卷取机等风扇，风机，液泵，油泵二、风机和泵类拖动调速的节电效果阀门（挡板）调节法主要通过调节管道进口或出口的开度来调节流量，实际是通过改变管道的阻力来改变的流量。阀门（挡板）调节时，管阻特性随着阀门开度的变化而变化，而电机恒速运行，因此扬程特性并不改变。如下图所示，当流量从QA下降到QB时，稳定工作点由A点移到B点，供水功率PA与0EBF区域的面积成正比。变频（转速）调节法是通过改变风机水泵转速来改变的流量。管道一般处于全开状态，如果风机水泵转速改变，则全扬程也改变。采用转速调节法时，扬程随着转速改变而改变，但管阻特性则保持不变。如下图所示，当流量从QA下降到QB时稳定工作点由A点移到C点，供水功率PB与0ECH区域的面积成正比。 从下图可看出，采用转速调节法比采用阀门调节法节约的功率 P与HCBF区域的面积成正比。由风机水泵特性得知，轴功率P与流量Q，风压(扬程)H的关系为： 当电动机的转速由n1变化到n2时， Q、 H、 P与转速的关系如下: (1) (2)= (3)可见风量Q和电机的转速n是成正比关系的，而所需的轴功率P与转速的立方成正比关系。由上述推导可以知道，采用转速调节法的节能效果很明显。随着变频调速技术不断成熟，风机水泵采用变频器来控制其转速。由电机转速公式：n=60f/p，其中，n为电机同步转速，f为供电频率，p为电机极对数，可知电机供电频率f与转速成正比。这样，采用变频器调速时，变频器的输出频率与流量、扬程及电机轴功率也有上述的n次方（n=1,2,3）比例关系。三变频改造节能预计计算公式：1、 预计改造前工频运行功率计算公式或 = 用电量相应时间其中：工频运行电机电压，kV； 工频运行电机电流，A；工频运行功率，； 工频运行功率因数; 2、预计改造后变频运行功率计算公式：=MAX（；）1 其中：变频运行功率 额定轴功率 工频运行流量 额定流量 要求阀门出口后压力 额定压力 1变频装置效率 MAX表示取二者之大3、预计系统节电率计算公式： 改造前工频运行功率改造后变频运行功率系统节电率= 100% 改造前工频运行功率注释： 1、以上节电收益计算为理论计算，结算时以现场测试的真实数据为准。二、节电数据考核计算方法装变频器前事先就该台电机安装一个电度表和累时器，运行1015天后把电度表和累时器的数字抄下来，则可算出该台电机每小时平均电耗即工频电耗=待十天后安装变频器，用同一电度表计量，半月或一个月结算节电费时则可计算出该电机变频运行电耗=从以上计算可得出该台电机每小时可节电=工频电耗变频电耗本月节约电度数=(工频电耗变频电耗)本月变频器运行时间。第五章 使用变频器的间接效益变频器改造后，对整个控制工艺有较大改善，对生产成本也有一定的降低，综合考虑，变频改造具有以下几方面的优点：（1）网侧功率因数提高原电机直接由工频驱动时，满载时功率因数为0.81左右，实际运行功率因数远低于0.8。采用变频调速系统后，电源侧的功率因数可提高到0.9以上，无需无功补偿装置就能大大的减少无功功率，满足电网要求，可进一步节约上游设备的运行费用。（2）设备运行与维护费用下降采用变频调节后，由于通过调节电机转速实现节能，在负荷率较低时，电机、风机转速也降低，主设备及相应辅助设备如轴承等磨损较前减轻，维护周期可加长，设备运行寿命延长；并且变频改造后阀门开度可达100，运行中不承受压力，可显著减少阀门的维护量。变频器运行中，只需定期对变频器除尘，不用停机，保证了生产的连续性。随着生产的需要，调节风机的转速，进而调节风机流量、压力既满足生产工艺的要求，工作强度又大大降低。采用变频技术调速后，减少了机械磨损，维护工作量降低，检修费用下降。（3）用变频调速装置后，可对电机实现软启动，启动时电流不超过电机额定电流的1.2倍，对电网无任何冲击，电机使用寿命延长。在整个运行范围内，电机可保证运行平稳，损耗减小，温升正常。风机启动时的噪音和启动电流非常小，无任何异常振动和噪音。（4）与原来旧系统相比较，变频器具有过流、短路、过压、欠压、缺相、温升等多项保护功能，更完善地保护了电机。（5）操作简单，运行方便。可通过计算机远程给定等参数，实现智能调节。（6）适应电网电压波动能力强，电压工作范围宽，电网电压在-10%+10%之间波动时，系统均可正常运行。第六章 GD200系列变频器简介GD200系列通用型变频器为GD系列通用变频器功能增强型产品,采用DSP控制系统,完成优化的无速度传感器控制、V/F控制,功能更优化,应用更灵活,性能理稳定。可广泛应用于风机、泵类负载及对速度控制精度,转矩响应速度、低频输出特征有较高要求的应用场合。GD200系列通用型变频器综合技术特性:一、输入输出特性输入电压范围380V15%输入频率范围4763Hz输出电压范围0额定输入电压输出频率范围0400Hz二、外围接口特性可编程数字输入8路开关量输入，1路高速脉冲输入，支持PNP、NPN双极性光耦隔离输入可编程模拟量输入AI1：-1010V输入，AI2：010V或020mA 输入可编程开路集电极输出2路输出（开路集电极输出或高速脉冲输出）继电器输出2路输出模拟量输出