高压风机变频改造方案.docx
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高压风机变频改造方案
河南南阳油田
高压电机变频改造节能方案
1项目介绍
1.1能源形势与节能
能源短缺和环境污染是人类当前共同面临的世纪性难题。
据统计全球已探明石油储量只够使用30～50年。
我国自然资源总量排世界第七位，能源资源总量约4万亿吨标准煤，居世界第三位，但我国人口众多，能源资源相对匮乏。
而作为我国在电力方面重点推广的节能技术之一的高压大功率变频调速技术，对于节能方面有着明显的效果。
我国高压电动机总容量在1.5亿千瓦以上（不包括低压电动机），大部分为风机泵类负载，这些电动机大都由6kV/10kV驱动，它们大多工作在高能耗、低效率状态。
覆盖电力、石油、化工、冶金、制造、环保、市政等行业，其耗电量占全国总用电量的25％左右。
而水泵和风机的一个特点是负载转矩与转速的平方成正比，轴功率与转速的立方成正比。
如可根据所需的流量调节转速，就可获得很好的节电效果，一般可节电20％～50％。
1.2改造项目介绍
本方案的改造对象是河南南阳油田高压电动机负载。
上述风机原先风门开度调节风量，存在着较大的能量损耗。
为降低能耗以及提高贵厂自动化水平，广州智光电气股份有限公司针对贵厂高压电机的运行数据和实际工况，同时结合我们以往节能改造工程中所积累的经验，经过我公司认真分析计算，贵厂以下设备进行变频改造将具有较显著的经济效益。
负载描述：
电机铭牌参数
负载参数
安装调节方式
电机型号
Y450-4
负载型号
SFY15.5D-C4A
安装方式
额定功率kw
355KW
负载类型
引风机
流量调节方式
风门调节
额定转速rpm
1485r/min
负载轴功率kw
269KW
额定电流A
26A
额定流量m³/h
177503m³/h
额定电压V
10KV
额定压力Mpa
4582Pa
功率因数
0.865
负载效率
84%
防爆要求
防爆等级
IP23
现场照片
环境温度
夏季40℃
现场噪音db
安装位置
泵或风机的实际运行参数
工况1
流量/阀开度
28%
压力
电机电流
7A
年运行时间
7900h
工况2
流量/阀开度
压力
电机电流
运行时间
工况3
流量/阀开度
压力
电机电流
运行时间
一、直接节能收益：
根据参数表运行参数及工况计算，引风机原运行功率约285KW，节电率约35%，单位时间节电功率约30KW,年节电量约30KW*7900H=237000KWH,按电价0.5元/KWH计算，年节电费约11.85万元！
配套变频系统型号和外形尺寸如下所示：
适配电机：
355kW10KV
长
深
高
重量
旁路方式
配置型号
（mm）
（kg）
手动
Zinvert-A8H450/10B
3500
1580
2650
3192
自动
4000
1580
2650
3492
布局要求：
四面到障碍物的距离（mm）
旁路方式
前
后
左
右
顶
手动
1000
1000
800
800
＞300
自动
1000
1000
800
800
＞300
二、间接效益
1、变频改造后，实现电机软启动，启动电流小于额定电流值，启动更平滑。
2、电机以及负载转速下降，系统效率得到提高，取得节能效果。
大大减少了对设备的维护量，节约了人力物力资源。
3、由于电机以及负载采用转速调节后，工作特性改变，设备工况得到改善，延长设备使用寿命。
4、功率因数提高到0.95以上，不仅省去了功率因数补偿装置，而且减少了线路损耗。
5、厂房设备噪声污染将降低。
6、提高整个系统的自动化水平和工艺水平。
7、节能减排，减少了温室气体的排放，保护了环境。
8、负载改变频后，由于变频器采用单元串联移相技术，因此在理论上可以消除35次以下谐波。
由于实际制造工艺的限制，网侧电压谐波总含量可以控制在2％以内，电流谐波总含量小于2％。
延长了设备的使用寿命。
9、变频输出采用PWM技术控制，输出电压波形基本接近正弦波，谐波总含量小于2％，上述指标均满足IEEE-519国际电能质量谐波标准要求。
延长了电机的使用寿命。
有关本次节能报告的详细技术方案附后。
2变频改造节能分析
2.1变频调速节能原理
从流体力学的原理得知，使用感应电动机驱动的风机、水泵负载，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％。
如下图所示，从风机、水泵的运行曲线图来分析采用变频调速后的节能效果。
风机、水泵的运行曲线图
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、水泵转速由n1下降到n2，其管网特性并不发生改变，但风机、水泵的特性曲线将下移，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。
2.2变频改造节能分析
液耦调速器与变频调速器改造后的唯一区别就是两者的效率不同，变频器的效率一般保持在96%以上，而液耦的效率在95%以下。
在变频改造后，保留液力耦合器，将其开度开至100%，则两种开度下的液力耦合器的效率差是节电来源，而节能计算也是围绕着计算液耦的运行效率计算。
液力耦合器调速和变频调的效率对比
根据液耦调速器本身损耗功率公式
计算出液耦运行状态下的转差损耗功率，再加上液耦的轴承摩擦损失、油路损失、鼓风损失、导管损失等，此部分损耗按照电机输出轴功率的3％计算，即液耦的全部功损为：
，液耦再计算出负载需要的输入功率即轴功率
。
这样，根据变频器效率为0.96，计算出变频改造后的电机输入功率
。
2.3变频改造节能分析
2.3.1改造前工频运行功率计算公式
：
电机电压，kV；
：
电机电流，A；
：
单一负荷下工频运行功率，
；
：
单一负荷下运行功率因数，小于额定功率因数。
：
全年平均运行时间，
；
：
单一负荷下的运行功率，
；
：
这种负荷下的全年运行时间比例；
：
改造前总耗电量，
。
改造后变频运行预计功率计算公式：
液偶调速器的转速比：
；
其中：
n——液偶的输出转速，r/min；ne——为液偶的输入转速，r/min
液偶调速器的转差损耗计算公式：
其中：
i——液偶转速比；
——液偶额定工况点的转速比，取0.97；
P额——电机额定功率，kW；
转差损耗不包括液偶的轴承摩擦损失、油路损失、鼓风损失、导管损失等。
改造后变频运行功率计算公式：
其中：
P2——变频改造后电机输入功率，kW；P1——改造前电机输入功率，kW；
——液偶的功率损耗，kW；
——变频装置的效率。
其中，
——改造后总耗电量，
。
2.4变频调速其他附加好处
2.4.1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。
采用高压变频调速系统后，电源侧的功率因数可提高到0.95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。
2.4.2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。
2.4.3软启软停功能
采用高压变频改造后，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。
2.4.4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。
2.4.5实现高度自动化
采用变频改造后，系统运行操作简单，运行方便。
可通过计算机远程给定风量或压力等参数，实现智能调节。
2.4.6增强系统运行的可靠性
ZINVERT智能高压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。
3项目建议改造方案
3.1改造电气原理
3.1.1手动旁路方式
采用手动旁路方式改造电气原理如下图所示：
系统母线电源经变频装置刀闸K1到高压变频装置，变频装置输出经刀闸K2送至电动机系统母线电源还可经刀闸K2切换至工频侧直接起动电动机。
一旦变频装置出现故障，即可马上断开输入侧高压开关及刀闸K1，将变频装置隔离，切换刀闸K2至工频侧，合高压开关工频起动电机运行。
刀闸K1、K2之间具有闭锁和防止误操作功能。
3.1.2自动切换方式
采用自动动旁路方式改造电气原理如下图所示：
该方案在设计中考虑：
（1）、刀闸K1、K2无机械闭锁功能，只是在检修时由手动断开以形成明显的断开点，确保工作人员的安全。
在工频和变频运行状况下均处于闭合状态。
（2）、工频旁路接触器J3与变频进线接触器J1、变频出线接触器J2具备电气闭锁功能，不能同时闭合。
（3）、在变频运行状况下，J1、J2闭合，J3断开。
如需自动切换至工频运行，此时先停止变频器输出，跳闸用户系统母线电源开关，再由电气控制依次断开J2、J1，然后闭合J3使电机切换至工频侧，再合开关柜高压开关，使电机工频运行。
（4）、在工频旁路运行状况下J3闭合，J2、J1断开。
如需自动切换至变频运行，此时由电气线路控制先跳闸系统母线电源开关，再断开J3，然后依次闭合J2、J1，再合高压柜高压开关，启动变频器，完成由工频旁路运行到变频运行的自动切换。
注：
变频运行状态与工频运行状态之间的切换，根据实际情况，也可选择不动作电源开关柜，由接触器完成全部切换动作。
3.2液力耦合器的解决方案
由于采用变频调速后液力耦合调速器就完全失去了作用，而且液力耦合调速器的存在使水泵存在着因为液力耦合调速器故障而被迫停机的风险。
所以我厂建议两个方案：
1.将液力耦合调速器去掉，将电机前移，将电机和水泵直接连接，此方案要求电机厂家技术支持。
2.将液力耦合调速器去掉，不移动电机水泵位置，在两者之间用连轴器进行连接。
此方案简单但需要仔细安装连轴器以免影响水泵的正常运转。
3.若不拆除液力耦合调速器，则整个变频改造工程只需要停机维护半天左右时间，需要一周左右的调试时间。
若拆除液力耦合调速器，则工程时间就决定于液力耦合调速器拆除的工程时间。
3.3控制接口与控制设计
3.3.1ZINVERT智能高压变频调速系统标准接口如下：
3.3.2标准接口信号说明：
其中用户控制台（DCS）及远控箱—＞ZINVERT系统：
序号
名称
逻辑要求
接口类型
功能
1
变频启动
脉冲式
无源接点
启动变频器运行
2
变频停机
脉冲式
无源接点
变频输出降频至停机
3
紧急停机
电平式
无源接点
立即停止变频器输出
4
信号复归
脉冲式
无源接点
清除告警音响、显示
5
频率控制信号
DC电流信号
4～20mA电流源
控制变频器输出频率
6
通信接口
MODBUS规约
RS－485/422
与远方后台通讯联接
其中ZINVERT系统—＞用户控制台（DCS）及远控箱：
序号
名称
逻辑要求
接口类型
功能
1
远方控制方式
电平式
无源接点
指示远方控制方式
2
就地控制方式
电平式
无源接点
指示就地控制方式
3
跳闸信号
电平式
无源接点
指示变频跳进线
4
轻故障信号
电平式
无源接点
变频轻故障告警
5
重故障信号
电平式
无源接点
变频重故障停机
6
运行状态
电平式
无源接点
指示变频运行中
7
停机状态
电平式
无源接点
指示变频系统停运
8
变频状态
电平式
无源接点
指示系统变频方式
9
工频状态
电平式
无源接点
指示系统工频方式
10
待机状态
电平式
无源接点
指示变频待机状态
11
电机电流指示
DC电流信号
4～20mA电流源
指示变频输出电流
12
输出频率指示
DC电流信号
4～20mA电流源
指示变频输出频率
其中进线开关柜—＞ZINVERT系统：
序号
名称
逻辑要求
接口类型
功能
1
断路器状态
电平式
无源接点
运行与安全控制逻辑
其中ZINVERT系统—＞进线开关柜：
序号
名称
逻辑要求
接口类型
功能
1
合闸允许
电平式
无源接点
系统运行安全控制
2
跳闸信号
脉冲式
无源接点
故障联跳进线开关
3
合闸信号
脉冲式
无源接点
合进线开关（自动）
3.3.3控制设计说明：
方式一、与离散控制（DCS）系统硬联接，由DCS通过数字量与模拟量控制。
方式二、与控制系统或控制后台通过通讯联接控制,可实现一控N台
方式三、设置操作后台，采用手操器手动控制
方式四、采用生产系统过程控制量，开关量自动控制（实用于工艺生产过程）
3.4系统外形尺寸及布局要求
系统外形如下图所示：
主要由旁路柜、变压器柜、功率控制柜构成
3.5系统散热方案
高压变频调速系统使用了移相隔离变压器及大功率高频开关元件，其发热量较大，变频满负荷工作时,系统效率约97%，约3%的功率以发热形式消耗；同时运行环境的温度影响系统运行的稳定性及功率元件的使用寿命，因此为了使变频器能长期稳定和可靠地运行，对变频器的安装环境作如下要求：
最低环境温度-20℃，最高环境温度45℃（但如果环境温度每降低10度，系统内部滤波电容的使用寿命延长一倍），工作环境的温度变化应不大于5℃/h。
针对现场的不同环境及系统容量考虑，我们有三种散热方案：
风道冷却、空调冷却或安装空水冷装置：
方式一
风道冷却：
主要针对于现场环境清洁，空气中灰尘少、环境温度满足设备运行温度要求的可采用风道散热设计。
必须做好面积足够大的进风口，防止室内形成负压，产生高海拔效应，人为的降低设备系统容量。
其主要安装方式主要有2种，一种为直接风道冷却，一种为隔层加排风机，如下图：
注：
在变频室隔离层墙体上，安装大风量排风机，使系统吹出的热风直接排到室外，注意事项：
排风机的风量一定要大于系统风机的排风量。
方式二
室内空调冷却方式：
此方式通过室内空调冷却环境温度，满足系统运行的温度要求，但由于空调室内柜机，为下进风，上出风，而系统吹出热风集中在室内顶部，且由于柜风换风系统功率较小，柜体就近空气冷却有效；因此对于小功率系统可以采用，但对于大功率系统此方式效果不明显，如下图所示：
方式三
安装空水冷散热方式：
从变频器出来的热风，经过风管连接到内有固定水冷管的散热器中，散热器中通过温度低于33℃的冷水，热风经过散热片后，将热量传递给冷水，变成冷风从散热片吹出，热量被循环冷却水带走，保证变频器控制室内的环境温度不高于40℃。
上述方式注意事项：
安装空冷器要求必须在密闭环境中，为了提高冷却效果，安放设备的空间尽可能小。
流入空冷器的水为工业循环水，为保护设备，要求循环水的PH值为中性，且无腐蚀损坏铜铁的杂质，进水的水压一般为0.2～0.3Mpa，进水温度≤33℃。
4售后服务承诺
4.1售后服务承诺
智光电气股份有限公司根据《中华人民共和国产品质量法》的相关规定，严格按照国家标准研究、设计、生产和制造ZINVERT系列智能高压大功率变频调速系统，严格按照国家相关技术标准和企业技术标准、工艺标准设计。
智光电气股份有限公司产品严格按照GB/T19001-2000idtISO90012000质量管理体系标准进行产品的全过程质量管理，承诺所提供设备的质量与企业的技术标准、本手册、合同或订单中规定的一致。
在产品安装投运时起，公司实行全面、周到、及时的售后服务及相关技术支持。
秉承公司“以客户为中心”的服务宗旨，为保证客户安全、可靠、满意地使用本公司产品，对公司ZINVERT系列智能变频调速系统产品作出以下服务承诺：
●按时向客户提供规定的全部技术资料和图纸，在必要时邀请客户参与我公司的技术设计审查；对于客户选购的与设备有关的配套设备，我公司在最短时间提供满足设备接口要求的技术条件和资料。
●按客户要求的时间到现场进行技术服务，指导客户按技术资料和图纸要求进行安装、调试与整套试运及试生产。
接到客户售后服务书面通知后8小时内做出实质技术响应，24小时内派出技术人员到达现场，尽快进行检查并提出解决方案。
●严格执行供需双方就有关问题召开会议的纪要或签订的协议。
●按合同规定为客户进行有关设备安装、调试、使用、维护技术的业务培训。
●加强售前、售中、售后服务，把“超前服务”、“全过程服务”、“终身服务”贯彻在产品制造、安装、调试、维修的全过程，产品运行过程中定期回访并解决客户遇到的问题。
●按合同的要求准时交货，产品使用期内满足客户对备品备件的要求，并提供免费的产品控制软件升级。
4.2现场技术服务
我方提供给的现场服务保证所供设备安全、正常投运并派合格的现场服务人员。
提供包括服务人月数的现场服务计划表如下：
现场服务计划表
序号
技术服务内容
计划人数
时间
派出人员构成
备注
职称
人数
1
变频器与现场接口设计
1人
1天
工程师
1人
2
变频器现场就位安装技术指导
1人
3天
工程师
1人
详见安装、
调试工序表
3
变频器现场调试
1人
2天
工程师
1人
4
变频器试运行监护
1人
3天
工程师
1人
5
用户人员培训
1人
2天
工程师
1人
具体见培训计划
说明：
如果此工时数不能满足工程需要，在甲方工程合理安排并积极配合下，我方追加工时不发生费用。
提供的安装、调试重要工序表
序号
工序名称
时间
工序主要内容
备注
1
变频器柜体安装
1天
变频器柜体卸车、拆箱、就位
甲方安排人员和设备，乙方提供技术指导。
2
变频器内部安装
2天
变频器内部
安装和接线
甲方负责变频器内外动力电缆、控制线和信号线的连接及其变频器柜内元件的安装，乙方人员需要指导甲方完成变频器柜内设备的安装和接线。
3
控制系统调试
1天
控制系统调试
这之前，甲方保证具备220V送电条件。
4
主回路调试
1天
主回路调试
这之前，甲方保证具备高压送电条件。
5
变频器试运行
3天
变频器72小时
连续带载试运行
这之前，甲方保证设备具备运行条件。
注：
以上为单套变频器的安装、调试时间进度表，如为多套变频器，视工程进度需要可安排多人并行工作，也可串联进行。
4.3技术培训
为使设备能正常安装和运行，我方提供相应技术培训。
培训内容应与工程进度相一致。
培训计划和内容如下表
序
号
培训内容
时间
（天）
培训教师构成
地点
备注
职称
人数
1
广州智光公司介绍
0.5
工程师
1人
施工
现场
－
2
变频调速原理
工程师
1人
－
3
风机水泵调速节能原理
工程师
1人
－
4
ZINVERT系列变频器原理
0.5
工程师
1人
－
5
变频器的装置实物介绍
工程师
1人
－
6
变频器的操作培训
0.5
工程师
1人
－
7
变频器使用注意事项
工程师
1人
－
8
变频器常见故障处理
0.5
工程师
1人
－
9
变频器的日常维护
工程师
1人
－
培训的时间、人数、地点等具体内容由甲乙双方商定。
我方为用户参与培训人员提供资料，主场方为对方参与培训人员提供设备、场地等培训条件。
4.4遍布全国的技术服务网络：
为保障快速及时的服务，智光电气全力打造了一支超过100人的高素质专业化服务团队，其中90%具有本科学历。
并在此基础上建立了以广州、北京、上海、西安、成都、武汉、杭州为核心的七大区域服务中心及备品备件仓库，及时响应现场服务的需求。
并在此基础上建立了覆盖全国各大客户服务点及项目部的服务网络，为客户及合作伙伴提供更加快捷方便、全面周到的优质服务。
全天候快速响应：
智光电气确保在收到需求信息后2小时内做出响应，24小时内专业工程师到达现场。
智光电气24小时客户服务热线400-8800-233，可以向用户提供24小时×365天的全天候技术支持服务。
专属项目VIP服务：
针对超大容量高压变频调速系统应用现场，安排专人对项目提供从售前、售中到售后的优质、个性化全面跟踪服务。
5行业应用案例介绍
案例一、ZINVERT在某球团工程五大风机上的应用
1、项目概况介绍
某钢铁联合有限责任公司炼铁部建设一台有效面积504m2的球团带式焙烧机，生产能力为年产成品球团矿400万t，是目前国内单机生产能力最大，自动化水平最高的球团生产线，其主要生产车间包括熔燃制备系统、配混系统、造球系统、工艺风机系统、焙烧系统、成品系统等。
球团生产线的五大风机均设计采用高压变频器进行调速控制，项目由北京首钢国际工程技术有限公司负责设计，高压变频器采用广州智光电气股份有限公司ZINVERT系列产品，并有智光电气负责提供变频器配套相关设备与现场施工。
高压变频设备有效降低了球团厂五大风机的运行能耗，同时有效保证了生产线的自动化水平和生产效率。
2、改造对象简介
工艺风机系统共采用五台大功率风机（一台6400kW主引风机，一台6000kW回热风机，一台4000kW冷却鼓风机，一台2600kW鼓干鼓风机和一台650kW鼓干排风机），保证工艺风流系统平稳运行。
这些风机都是球团生产线的关键主设备，同时也是生产线消耗电能的主要设备。
球团厂高压变频器参数表
参数名称
主引风机
回热风机
冷却鼓风机
鼓干鼓风机
鼓干排风机
设备型号
ZINVERT-A10H8000/10Y
ZINVER-A10H7500/10Y
ZINVERT-A9H5000/10Y
ZINVERT-A
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