济源中原特钢节能方案.docx
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济源中原特钢节能方案
风机变频调速技术改造
可行性方案
用户:
济源中原特钢有限公司
设计:
恩耐基电气(北京)有限公司
2011年8月8日
第一部分节能计算性分析
声明:
A、节能计算是一个很复杂的过程,需要大量各个工作点的数据。
如各个负荷下的运行小时数、电流,检测工作点的流量、压力(扬程)及风机的额定压力、轴功率、效率等。
B、在本次以贵公司提供数据采集,同时,采集的数据是某一时间段的数据,并不能代替全年的平均状况,运行工况的波动也会使计算出现误差。
C、本次节能计算是以贵公司提供的数据采集的部分数据及行业经验相结合的计算办法。
部分数据引自上海发电设备成套设计研究所提供的其它现场测试数据。
1概述
风机和水泵在实际应用中数量众多,分布面极广,耗电量巨大。
据有关部门的统计,全国风机、水泵电动机装机总容量约40000MW,耗电量约占全国电力消耗总量的40%左右。
目前,靠节流调节变负荷运行的定速风机和水泵还有很大的节电潜力,其潜力挖掘的焦点是提高风机和水泵的运行效率。
一般来讲,风机和水泵基本上都采用定速驱动。
这种定速驱动的风机和水泵,如果需要调节服务点的压力或流量,只好采用节流阀或风门调节流量,这样就存在严重的节流损耗。
尤其在机组变负荷运行时,由于风机和水泵的运行偏离高效点,使运行效率降低。
调查表明:
我国风机运行效率低于70%的占一半以上,低于50%的占1/5左右,有的甚至不到30%,结果是白白地浪费掉大量的电能,已经到了非改不可的地步。
风机和水泵是工业过程工艺系统中的重要辅助设备,虽然多数采用了高效离心风机和水泵,但实际运行效率并不高,其主要原因是风机和水泵的调整性能差,设计选型误差和变负荷工艺要求使运行点远离风机的最高效率点。
如由于在设计过程中,很难准确地计算出管网的阻力,我国现行的某些设计规程规定风机风量裕度为5%~10%,风压裕度为10%~15%。
设计人员考虑到长期运行过程中可能发生的各种问题,通常总是把系统的最大风量和风压富裕量作为选择风机型号的设计值。
但风机的型号和系列是有限的,往往在选用不到合适的风机型号时,只好往大机号上靠。
这样,风机的风量和风压富裕度达20%~30%是比较常见的。
很大一部分是因风机和水泵的型号与管网系统的参数不匹配及调节方式不当而被调节机构消耗掉的。
因此,改进离心风机的调节方式是提高风机效率,降低风机耗电量的最有效途径。
2风机运行情况
根据流体力学原理,风机或泵类设备的输出流量与其转速成正比,输出压力与其转速的平方成正比,其消耗的功率与其转速的三次方成正比。
采用变频调速改变电动机的转速,从而改变风机或泵的转速,以此来调节流量。
在这种调节方式下,可以将节流调节的阀门或档板等开度调至最大,减小管道系统的阻力,节约因克服调节阻力而引起的能耗。
同时,采用变频调节后,管道系统的阻力能保持在使风机或泵的高效率点,减少因风机或泵的效率降低而造成的能耗损失。
从节能的效果来看,对节流调节的变频改造,产生的节能效果并非仅仅是当前所改造的电动机系统的节能效果,而是并行工作的多台电动机系统的节能效果。
如果两台风机并联运行,一台运行风量不足,两台运行时则需要进行节流调节,往往是两台风机同时都进行风门调节,对其中一台进行变频改造后,则两台风机都可以运行在风门全开的状态下,这样产生的节能效果即为节流调节时两台风门的能耗。
风机、传统的调节方式是调节入口或出口的挡板阀门开度,以此来调节流量和压力,是一种经济效益差、能耗大、设备损坏严重、维修难度大、运行费用高的落后办法。
主要存在以下问题:
(1)采用挡板阀门调节时,大量的能量损耗在挡板阀门的截流过程中。
对风机、水泵而言,最有效的节能措施是采用调速来调节流量。
由于风机水泵大都为平方转矩负载,轴功率则与转速大致成立方关系,所以当风机水泵转速下降时,消耗的功率大大下降。
图1表示了风机采用各种调节方法时消耗功率与风量关系曲线。
其中曲线1为输出端风门控制时电机消耗的功率;曲线2为输入端风门控制时电机消耗的功率线;曲线3为转差调速控制(采用滑差电机,液力耦合器)时电动机消耗的功率;曲线4为变频调速控制时电动机消耗的功率;最下面一条曲线为调速控制时风机实际所需轴功率(即电机轴输出功率)。
可见,在众多的调节方式中,节能效果最好的是变频调速。
(2)介质对挡板阀门和管道冲击较大,设备损坏严重。
(3)挡板阀门动作迟缓,手动时人员不易操作,而且操作不当会造成风机震动。
挡板阀门执行机构一般为大力矩的电动执行器,故障较多,不能适应长期频繁调节,调节线性度差,构成闭环自动控制较难,且动态性能不理想。
(4)异步电动机在直接起动时起动电流一般达到电机额定电流的6~8倍,对电网冲击较大,也会引起电机发热,强大的冲击转矩对电机和风机的机械寿命存在很多不利的影响。
2.1一般的中小型锅炉风机基本上都为离心风机,离心风机的供风调节方式为进风阀门调节。
正常工作时,阀门的开启度约为50%~90%,即有一部份的能量浪费在了风门的压头损损失上。
把浪费的这部分能量节省下来,就是节电了,送、引风与一次风系统在设计时是按最大供风需求(最大工况加备用)来考虑的,送、引风与一次风机的运行工况也相同(即按单机的最大供风需求量来考虑的);在实际使用中有很多时间风机都需要根据实际工况进行调节,传统的做法是用开关风门的方式进行调节,这种调节方式增大了供风系统的节流损失,在启动风机时还会有启动冲击电流,且对系统本身的调节也是阶段性的,调节速度缓慢,减少损失的能力很有限,也使整个系统工作在波动状态。
而通过在送风机加上装变频调速器,则可一劳永逸的解决好这些问题,可使系统工作状态平缓稳定,并可通过变频节能回收投资。
2.2从风机使用的一般性经验可以知道:
工频运行状态下,用风门(风阀)调节风量的风机在使用过程中的负荷是在50~90%之间波动;负荷越小风门(风阀)的节流损失就越大,风机效率也就越低。
而改用变频器调速方式(即电机改变供电频率的方式)就几乎不存在风门的节流损失,同时变频装置对电动机可以采用软启动方式启动,不存在启动冲击电流,可提高系统的安全系数。
2.3总之,风机采用变频调速改造后,不仅节约了大量电能,由于对电机实现真正的软启动,对电机、风机、风门、开关等设备以及电网的启动冲击大大减少,它们的使用寿命得以延长,可以大幅度节省这些设备的维护费用。
另外,变频器高精度、宽范围的无级调速功能,不仅可以全面满足流量的动态调节需要,而且变频器属于高度智能化的新型设备,完全可以实现提高生产效率和机组自动化水平的要求。
3改造项目的节能原理
从流体力学的原理得知,使用感应电动机驱动的风机负载,轴功率P与流量Q,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)
可见流量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。
所以当需要80%的额定流量时,通过调节电机的转速至额定转速的80%,即调节频率到40Hz即可,这时所需功率将仅为原来的51.2%。
如图3-1所示,从风机的运行曲线图来分析采用变频调速后的节能效果。
图3-1风机的运行曲线图
当所需风量、流量从Q1减小到Q2时,如果采用调节阀门的办法,管网阻力将会增加,管网特性曲线上移,系统的运行工况点从A点变到新的运行工况点B点运行,所需轴功率P2与面积H2×Q2成正比;如果采用调速控制方式,风机转速由n1下降到n2,其管网特性并不发生改变,但风机的特性曲线将下移,因此其运行工况点由A点移至C点。
此时所需轴功率P3与面积HB×Q2成正比。
从理论上分析,所节约的轴功率Delt(P)与(H2-HB)×(C-B)的面积成正比。
考虑减速后效率下降和调速装置的附加损耗,通过实践的统计,风机泵类通过调速控制可节能20%~50%,有些风机负载节能比例达60%以上。
4节能分析计算
风机的流量和转速成正比,压力和转速平方成正比,其内功率则和转速立方成正比。
但风机的节能计算不能照搬照抄相似定律,风机的节能计算必须根据具体实际工况进行分析计算。
也应当考虑变频调速之后风机的效率、电动机的效率、变频器的效率等因素的影响。
4.1济源中原特钢有限公司
4.1.1除尘风机
工程项目全称:
设备名称:
除尘风机
现在是否使用变频
启动方式:
直接启动
序
号
风机参数
一、风机名牌或随机样本参数
二、风机实际运行参数
1*
风机型号与类型
Y4-73N0310
1*
风机入口风压Psr
Pa
2*
全压Pe
KPa
3800
2*
风机出口风压Psc
Pa
3*
额定流量Qe
m3/h
55000
3*
实际流量Qs
m3/h
4*
出口流量Qe
m3/min
4*
风机实际功率Ns
kW
5*
风机(内)效率η
%
5*
允许最小风压Pm
Pa
6
风机额定转速n
r/m
6*
允许最小流量Qm
m3/h
7
额定输送料量t
t/h
7*
风门实际开度k
%或0
80%
10
风机调节方式
①出口挡板□
②入口挡板√
③入口导流器□
请在□中划符号√予以确认。
风门调节方式如果为①或②实际开度为百分数%;风门调节方式如果为③,实际开度为角度O。
电动机参数
一、电机名牌或随机样本参数
二、电机实际运行参数
1
电动机型号
1*
实际电压US
kV
2*
额定功率Ne
kW
800
2*
实际输出功率Ns
kW
3*
额定电压Ue
kV
6
3*
实际电流Is
A
88-95
4*
额定电流Ie
A
100.1
5*
功率因数cosφ
0.81
联系电话:
6
电机额定转速n
r/m
590
联系人:
其它参数
1
单位电价:
元/kWh
根据为0.65元/kWh
2
年平均运行时间h/y
7200
根据贵厂人员提供数据:
基本全年运行。
扣除检修时间,现按300天计算。
中原特钢炼钢除尘风机工艺流程为:
一台15T和一台25T的炼钢炉共用一台除尘风机,走一个风道进行除尘。
高负荷工作时,平均每小时内40分钟为氧化过程,当废旧钢铁进入炼钢炉进行溶化、氧化、除钢平均每小时需要40分钟,当高负荷时,实际运行电流在电流表上一般显示为92-95A之间(目测电流表晃动剧烈,可能有一定的偏差,由于没有上位机明确显示电流,目测可能有一定的偏差.风门开度为80%(现场运行人员不通过调节风门开度来调节流量)
其余20分钟属于低负荷工作时间,分为除钢、出完。
实际运行电流在电流表上显示为88-92之间(目测电流表晃动剧烈,可能有一定的偏差,由于没有上位机明确显示电流,目测可能有一定的偏差.风门开度为80%(现场运行人员不通过调节风门开度来调节流量)
由于节能计算是以实际入口风压与额定风压的比值计算、或实际流量与额定流量的比值做为转速比最为科学,但由于现场无入口风压显示和实际流量数据,只有按现场风门开度最为转速比进行计算。
风门开度对应的转速比值以上海发电设备成套设计研究所提供的其它现场测试数据。
(1)除尘风机最高负荷工作时,风门开度为80%时电流为95A(按最大取值),可以满足现场工况所需要的风量。
当变频改造后除尘风机的最高负荷每小时40分钟内为电机转速高速运行。
按风门开度为80%时,转速比值为K=0.95
变频器改造前后实际电机功耗
P前=1.732×U×I×cosФ
=1.732×××0.81=kW(挡板全开)
P后=1.732×U×I额(风门全开)×cosФ×K70%3/变频器效率
=P额×(0.95)3/0.95=800×(0.95)3/0.95
=722kW
(2)除尘风机最低负荷工作时,风门开度为80%时电流为88A(按最小取值),可以满足现场工况所需要的风量。
当变频改造后除尘风机的最低负荷每小时20分钟内为电机转速最低运行。
当除尘风机为最低负荷工作时,从现场工况来看风门完全可以从80%关小到70%,即可满足风量的需要。
但由于除尘风机的负荷变化分段严重,所以贵公司值班人员没有调节。
若改造变频后,风门挡板开全。
风量只需要原来挡板开度的70%左右的风量就能满足负荷要求。
按风门开度为70%时,转速比值为K=0.83
变频器改造前后实际电机功耗
P前=1.732×U×I×cosФ
=1.732×××0.81=kW(挡板全开)
P后=1.732×U×I额(风门全开)×cosФ×K70%3/变频器效率
=P额×(0.83)3/0.95
=×(0.95)3/0.95
=kW
改造前最高工作负荷每小时约40分钟,即773kW×0.67=518kW
改造前最低工作负荷每小时约20分钟,即716kW×0.33=236kW
P前合计:
754kW
改造后最高工作负荷每小时约40分钟,即722kW×0.67=484kW
改造后最低工作负荷每小时约20分钟,即481kW×0.33=159kW
P后合计:
643kW
节电率:
(P前-P后)/P前=(754-643)/754=14.7%
节能收益计算如下(设每年运行7200小时,,上网电价0.65元),
节能收益=(754-643)×7200×0.65=51.9万元
注:
以上计算均属于理论计算值,存在一定的偏差。
以上计算以用户提供的数据为依据,已考虑了实际运行工况的波动,以我们多年的改造经验,上述风机平均节电率一般在10-25%之间是比较可行的。
预计两年左右收回成本。
4.2变频改造后的直接经济效益
厂家
机组
功率(kW)
节能率
年节能
(度)
返款数
(万元)
收回投资年限
中原特钢炼钢除尘风机
800
14.7%
799200
51.9
4.3变频改造后的间接经济效益
1)、软启动,减少冲击损耗,有效的延长了电机的使用寿命,减少了检修维护开支,节约大量维护费用。
2)、变频调速时,50Hz满载时功率因数为接近l,工作电流比电机额定电流值要低许多,这是由于变频装置的内滤波电容产生的改善功率因数的作用,为电网节约容量。
5应用变频调速系统产生的其他效果
5.1提高网侧功率因数
原电机直接由工频驱动时,满载时功率因数为0.8-0.9,实际运行功率因数远低于额定值。
采用变频调速系统后,电源侧的功率因数可提高到0.98以上,大大的减少无功功率的吸收,进一步节约上游设备的运行费用。
5.2降低设备运行与维护费用
采用变频调节后,通过调节电机转速实现节能;转速降低,主设备及相应辅助设备如轴承等磨损较前减轻,维护周期、设备运行寿命延长;变频改造后风门开度可达100%,运行中不承受压力,可显著减少风门的维护量。
在使用变频器过程中,只需定期对变频器除尘,不用停机,保证了生产的连续性。
从实际改造情况看,采用变频调速后,运行与维护费用大大降低。
5.2减少了对电网的冲击
采用变频改造后,电机实现软启软停,启动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,无任何附加的异常振动和噪音。
5.3增强电机的保护功能
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。
5.4实现高度自动化
由于调速系统在运转设备与备用设备之间实现计算机联锁控制,机组实现自动运行和相应的保护及故障报警,操作工作由手动转变为监控,完全实现生产的无人操作,大大降低了劳动强度,提高了生产效率,为优化运营提供了可靠保证。
5.5增强系统运行的可靠性
恩耐基电气的变频调速系统适应电网电压波动能力强,电压工作范围宽,电网电压在-35%~+15%之间波动时,系统均可正常运行。
总结
通过我们对贵企业电机的用电情况了解看,按照当前的运行环境,采用一拖一自动运行方式。
如果进行变频改造,每年可以节约大量电能。
(我公司ENJ800系列变频器的使用寿命在十五到二十年)。
而且,前不久,国家对石油产品的价格的调整以及对远期的规划,导致石油价格还将继续上调;同时国家对石油、煤炭计划开始征收资源税,这些因素将对今后的电价产生更大的影响。
因此,节约能源,提高用电的效率将有很长远的效益空间。
实践证明,变频改造具有显著的节电效果,是一种理想的调速控制方式。
既提高了设备效率,又满足了生产工艺要求,同时还大大减少了设备维护、维修费用,另外当采用我公司变频调速时,变频装置能很好地改善功率因数,也可以为电网节约容量。
直接和间接经济效益十分明显。
第二部分改造技术方案
1技术方案要求
本方案适用范围,仅限于济源中原特钢公司除尘风机运行,其中风机采用一拖一自动工变切换、包括变频器柜本体及附属设备的功能设计、结构、性能、制造、安装和试验等方面的技术要求。
恩耐基电气建议除尘风机采用一拖一自动切换运行方式。
如果采用一拖一手动切换方式,当变频器或电机发生故障时,从变频跳至工频运行,需要停机人为进行手动切换刀闸操作。
这个事故切换过程较慢,一般需要几分钟时间,会造成风机停止运行,而采用一拖一自动切换,则只需要几秒种切换时间,切换速度极快不影响风机的正常运行。
2改造项目介绍
2.1除尘风机
额定功率:
kW额定电压:
kV(实际电压为kV左右)
额定频率:
50Hz1台
控制方案:
采用一拖一自动切换方式。
详见后面具体方案
3控制要求
a)满足可驱动普通交流电机,调节精度不低于0.5%。
在低频运行时能保证100%额定输出转矩。
b)具有良好的调节特性和瞬态快速调整特性。
在负荷从100%调节到40%的响时间小于1min。
c)运行电压在kV,可以实现电压波动在-20%—+10%左右时,做到电压在安全范围内波动时变频器满载输出。
满足下列风机电机变频项目目标要求
●实现风机电机的变频调速安全运行;
●实现风机电机生产中方便的转速调节操作;
●提高系统的自动化水平。
●满足风机电机控制要求。
变频装置系统输入为kV、50Hz,用于电机进行
调速;变频装置系统输出电压为kV、输出频率:
0Hz~60Hz。
4技术要求
4.1变频器的基本性能要求
4.1.1每一台变频器的设计与构造,与它所控制电机的运行条件和维修要求一致。
无需改变电机和供电电压。
4.1.2具有合理的运行操作方式及就地启停、调试和正常运行及事故情况下所必需的测量、控制调节及保护等措施,以确保电机的安全经济运行。
4.1.3恩耐基电气提供的产品是新一代四象限变频装置(包括所有必需的设备及其内部设备之间的接线)为交-直-交结构。
当电机处于拖动状态时,能量由交流电网经整流器整流后通过直流母线侧电容作用,逆变器在SVPWM控制下将能量逆变为负载电机的合适频率驱动电机工作。
②当电机负载处于惯性势能变化过程或减速运行状态时,负载电机由于负载惯性作用进入发电状态,其再生能量经逆变器中开关元件和续流二极管向直流母线电容充电,电网侧整流器中开关元件在SVPWM控制下将能量回馈到交流电网,完成能量的双向流动。
4.2变频器技术数据
4.2.1恩耐基变频器容量与采用的变压器容量相一致都为电动机额定功率的1.25倍冗余配置。
变频器额定电流大于电机的额定电流.保证运行电流小于电动机额定电流。
4.2.2变频器可在-20℃~+70℃环境使用,不降容。
4.2.4变频装置包括所有必需的设备及其内部设备之间的接线在出厂前,都已经连接完毕,用户只需接入电压输入、电压输出及控制信号皆可。
4.2.5变频装置整个系统在出厂前进行72小时以上整体测试,以确保整套系统的可靠性。
4.2.6在30-100%的调速范围内,变频系统在不外加任何功率因素补偿的情况下输入端功率因素必须达到0.98以上。
4.2.7变频装置对输出电缆的长度没有任何要求,变频装置可以保护电机不受共模电压及dV/dt应力的影响。
4.2.8变频装置的功率单元为模块化设计,方便从机架上抽出、移动和变换,所有单元可以互换。
恩耐基电气采取自动旁路与零点漂移两种处理方式。
根据功率单元故障情况而定。
如当某个功率单元发生除了IGBT和整流桥故障时或控制元件损坏的情况下,控制系统首先封闭这个单元,其他功率单元输出电压自动提高1.14倍,变频器内部中性点偏移运行,自动平衡输出线电压、电流,能保证变频器不停机连续额定运行。
若当两个及以上功率单元故障时可采取自动旁路功能,变频器可根据故障单元的数量和相别自动减负荷运行,并保证变频与工频间的无冲击切换。
4.2.9变频装置输出符合IEEE5191992及中国供电部门对电压失真最严格的要求,高于国标GB14549-93对谐波失真的要求。
4.2.10变频装置对电网反馈的谐波要求符合IEEE5191992及中国供电部门对电压失真最严格的要求,高于国标GB14549-93对谐波失真的要求。
4.2.11变频装置输出波形为正弦波,不会引起电机的谐振,转矩脉动小于0.1%,变频器可自动跳过3点共振点。
避免电机喘振现象。
4.2.12变频器自身效率达到98%以上,变频装置整个系统的效率在额定负载条件下达到96%以上。
3.2.13在距离变频装置1米的范围内任何一个方向进行测试,所测得的变频装置噪声不得超过70分贝。
4.2.14变频装置对电网电压的波动有较强的适应能力,在-20%~+15%电网电压波动时满载输出。
4.2.15。
由于控制系统采用手动控制,变频装置增加远程控制箱或后台监控,能实现远距离自动操作。
远程控制箱具有变频启动、变频停车、工频启动、工频停车,运行频率、输出电流显示、远程急停、开/闭环选择,远程模拟给定功能。
并且安装钥匙开关防止他人操作。
后台监控具有监控具有变频启动、变频停车、工频启动、工频停车,运行频率、输出电流显示、远程急停、开/闭环选择,远程模拟给定、远程用电抄表、能效分析、统计和报表打印等功能。
变频器在运行过程中切换开/闭环选择不起作用,在闭环运行时,给定信号掉线、反馈信号掉线时运行频率保持掉线前值不变。
4.2.16系统不装设转速传感器。
采用无速度传感器控制方式。
具有飞车启动功能。
具有停电再启动功能,内置数据存储变频器自动保持原来设置,可以将电机自动拖至停电前的运行状态。
4.2.17在整个频率调节范围内,被控电动机均能保持正常运行。
在最低输出频率时,应能持续地输出电流。
在最高输出频率时,应能输出额定电流或额定功率。
4.2.18变频装置设以下保护:
过电压、过电流、欠电压、缺相保护、短路保护、超频保护、失速保护、变频器过载、电机过载保护、半导体器件的过热保护、瞬时停电保护等,并能联跳输入侧电源开关。
保护的性能应符合国家有关标准的规定。
4.2.19变频装置包含以下几种开关量信号和模拟量信号:
开关量输入:
起动、停止、急停、复位、手动/自动转换等信号
开关量输出:
变频器就绪、变频器运行、变频器故障、变频器停止等信号
模拟量输入:
频率调节(转速给定)
模拟量输出:
输出频率、输出电流。
4.2.20开关量的外部接点全部为无源接点,开关量输出的内部接点全部为无源接点,开关容量为直流220V、5A,模拟量信号全部为DC4~20mA。
4~20mA转速跟踪。
4.2.21变频器柜操作盘能进行各种控制操作和参数设置。
显示面板具有输出电流、电压、频率、开、停、
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