冶金行业管理淮北矿业集团选煤厂.docx
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冶金行业管理淮北矿业集团选煤厂
（冶金行业）淮北矿业集团选煤厂
密级：
应用高压变频调速技术节电
可行性研究报告
项目名称：
高压变频节能技术在淮北矿业集团选煤厂水泵上的应用
项目类型：
电机节能和降耗
报告提交：
广东明阳龙源电力电子有限X公司
二○○七年十壹月
一、运行工况简述………………………………………………………3
二、电机节能解决方案…………………………………………………4
三、MLVERT-D系列高压变频器的特点和优势…………………………6
四、高压变频改造节能效益分析………………………………………10
五、小结…………………………………………………………………12
一、选煤厂6KV水泵运行工况简述
我们知道，水泵的机械特性为平方转矩特性，当水泵运行时，如果靠阀门的开度来调节流量以满足工艺要求，就人为地增加了管路的阻力，加大了管路系统的损失，不利于节能运行。
随着现代工业的飞速发展及市场竞争的日益加剧，加上能源供应紧张和能源价格不断攀升，企业采用新技术实现节能降耗、降低生产成本、提高市场竞争力，已是大势所趋。
目前安徽省淮北选煤厂高压水泵仍是以工频运行方式运行，通过调节水泵出口阀门开度控制水流量的传统方法来满足正常生产需要。
由水泵的运行特性曲线能够知道，采用调节阀门的方法调节水流量，虽然比较简单，但很不经济，这将导致水泵长期处于高管阻运行状态，降低了系统的运行效率，造成极大的能源浪费。
另外，当电动机直接启动时，对电网和管网都构成较大的冲击，也不利于设备的安全。
采用变频调速装置，能够将阀门的开度全部打开，通过改变拖动电机的转速来改变水泵流量以满足实际需要，从而达到节能和改善启动性能的目的。
目前我们知道淮北洗煤厂6台渣浆泵分别为355kw/6kv（1台）、320kw/6kv（4台）、460kw/6kv（1台），我们将对355kw/6kv进行取样分析淮北洗煤厂高压电机的节能空间。
本电机运行工况如下：
型号
YKK450-8
数量（台）
1
额定电压（KV）
6
额定电流（A）
46.2
额定功率（KW）
355
转速（r/min）
742
额定频率（Hz）
50
电机级数
8
功率因数
0.79
运行平均电流（A）
37
平均负载率β
85.6%
注：
表中平均负载率β的计算方法为β=P/PN=UNIcosφ/PN（其中I为运行平均电流、cosφ为功率因数）。
二、电机节能解决方案
采用高压变频调速装置进行水流量调节，可提高设备的装备和控制水平，和传统阀门节流调节方式相比具有更好的水流量调节效果；通过采用高压变频调速装置进行水流量调节，可产生可观的节能效果和经济效益；变频改造以后仍可改善电机、水泵、管道及附属设施的工作条件，延长设备使用寿命。
目前，安徽省淮北矿业集团在高压变频节能技术应用方面已具备壹定的经验。
纵观国际、国内高压变频器的发展，我们清楚地知道高压变频节能技术作为壹项新的节能技术，已走向成熟，在国内的冶金、电力、石化、市政供水、水泥制造等行业已有大量高压变频器投入运行。
广东明阳龙源电力电子有限X公司生产的MLVERT系列高压变频器在多个行业、企业中都有应用记录，且取得国内用户的好评，如新疆奎屯热电厂、山西大同第二发电厂、国电邯郸热电厂、深圳布吉污水处理厂、国电谏壁电厂、上海吴泾电厂等，节能效果非常显著。
壹）高压变频调速系统的构成：
对应每台水泵设置壹套高压变频调速系统，每套变频调速系统包括高压变频器、高压变频器专用隔离变压器、工频/变频旁路切换柜、电动机、风机（水泵）及后台控制系统构成。
二）高压变频改造主回路方案：
高压变频器，配专用隔离变压器、专用系统旁路切换柜。
（系统主回路电气原理图如下）
注：
旁路切换柜开关之间需设置机械和电气连锁，防止误操作。
三）高压变频器容量选配：
我们将对渣浆泵355kw/6kv配置容量为475KVA的变频调速节能装置。
四）关于设备安装地点及其他配套改造工作
1、安装地点及布置
安装地点：
应满足无粉尘、无结露、无腐蚀性气体、环境温度-20至45℃，通风、散热良好的室内。
布置：
根据现场实际情况，变压器柜、功率单元柜、控制柜可横向布置。
2、散热
由于变频器和隔离变压器工作时会产生壹定的热量，而周围环境比较恶劣，不允许利用外界空气自然散热，配电室中需增加空调，保证合适的配电室内部温度。
3、线缆敷设
由于变频装置和配电室、主控室不在壹起，相互之间的动力及控制线缆需要重新架设。
4、控制系统改造
将变频装置信号接入现场DCS控制系统，变频装置根据DCS控制指令，控制电动机的启动、停止，控制电动机的转速；变频装置通过通讯接口向DCS反馈变频装置的主要状态信号和故障报警信号。
DCS系统需增加部分信号隔离、传送、转换、控制方面的器件，且对DCS系统程序做相应的修改，及增加部分程序。
三、MLVERT-D系列高压变频器的特点和优势
壹）MLVERT—D06变频器原理结构
无电网污染高压大功率变频器的原理结构如图1所示。
电网送来的三相6000V交流电，经移相变压器，由其副边每相的6个二次线圈电压逐个移相10°，供电给6个功率单元（如图2所示），三相共18个功率单元，形成Y联结结构。
控制IGBT的通断，即可在A、B俩点之间得到PWM波形，6个功率单元相叠加进行波形合成，可输出高压正弦波给感应电动机。
图1功率单元结构图
每个功率单元的额定电压为580V，相邻功率单元的输出联接起来，使得变频器的额定相电压为3480V，线电压为6000V。
每个功率单元由壹体化的移相变压器的副边线圈分别供电。
为了降低输入谐波电流，移相变压器实行多重化设计，18套副边绕组，采用延边三角形联结，分为6个不同的相位组，互差10°电角度。
功率单元是壹个三相输入单相输出的电压型变频器，移相变压器副边输出的580V三相交流电经功率单元的三相二极管整流桥整流后，经滤波电容形成平直的直流电，再经由4个IGBT构成的H型单相逆变桥，实行PWM控制，在其输出端形成电压在580V以下可变、频率在50Hz/60Hz（此频率可根据电机的额定频率调整）以下可调的交流电，每个单元中有4种不同的开关组合，即V1和V4同时导通，则输出正的直流母线电压+U；V2和V3同时导通，则输出负的直流母线电压-U；V1和V3同时导通或V2和V4同时导通，输出电压为0。
由此可见，4种不同的
图26kV单元串联式多电平中压变频器主电路结构图
开关状态，输出了3种不同的电压，即+U、O和-U。
在每个功率单元的PWM控制下，每相6个功率单元串联叠加，共有13种电平即O、±U、±2U、±3U、±4U、±5U、±6U。
对应的线电压，则有23种电平。
而壹般的变频器，其输出电压的电平数只有2种或3种，因为输出电压的电平数越多，变频器的输出电压波形就越接近正弦波，这就使得该变频器的输出电压波形非常接近正弦波。
这壹优点是其它任何类型的变频器无法比拟的。
二）MLVERT—D06变频器的性能特点
●MLVERT—D06变频器为高—高结构，6kV直接输出，不需输出升压变压器，输出为单元串联移相式PWM方式，输出相电压至少为13电平，线电压至少为23电平；
●系统壹体化设计，包括输入干式隔离变压器，变频器等所有部件及内部连线，用户只须连接高压输入、高压输出、低压控制电源和控制信号线即可。
整套系统在出厂前已经进行整体测试；
●36脉波整流输入符合且优于IEEE519~1992及GB/T14519~93标准对电压失真和电流失真最严格的要求；
●在20~100%的负载变化情况内达到或超过0.95的功率因数（无需功率因数补偿装置）；
●无需滤波器变频器可直接输出正弦电流、电压波形，对电机没有特殊的要求，能够使用普通异步电机，电机不必降额使用。
具有软起动功能，没有电机启动冲击引起的电网电压下跌，可确保电机安全、长期运行；
●变频装置输出波形不会引起电机的谐振，转矩脉动小于0.1%。
可避免风机喘振现象。
变频器有共振点频率跳跃功能；
●变频装置对输出电缆长度无任何要求，电机不会受到共模电压和dv/dt的影响；
●变频器可在输出不带电机的情况下进行空载调试，也可在没有6KV高压情况下用低压电进行空载调试；
●变频器对电网电压波动有极强的适应能力，在±10%范围内变频器能满载工作，在30%的电压下降情况下变频器能继续运行而不跳闸（降载运行），40%的电压下降能够短时运行，电网瞬时失电5个周期可满载运行不跳闸，轻载时时间更长；
●控制系统采用全数字微机控制，具有自诊断功能；
●变频器功率单元和主控系统通讯采用光纤连接，具有很高的通信速率和抗干扰能力，安全性好；
●控制系统能在线检测变频器电流、输出电流、频率、电机转速等；
●过载能力为120%，1min，完全满足泵类和风机类负载要求；
●调速范围：
0-100%连续可调；
●加/减速时间0.1～3000秒（根据负载情况可设定）；
●输出频率0～60Hz（根据电机情况可设定）；
●环境温度为0~+40C，95%相对湿度，海拔1000米以下；
●变频器抗地震能力为7级，振动0.5G；
●临界速度可跳过（共3组，可任意设定）；
●采用中文显示和操作，直观、清楚，便于学习，容易掌握。
触摸屏可随时显示变频器的工况、工作参数及故障类型和故障点，便于分析和查找；
变频器控制接口（可按用户要求扩展）
●6路4~20mA或0~10V模拟量输入；
●4路4~20mA模拟量输出或0~10V用以输出电机电流和频率等指示信号（可程序修改）；
●8点开关量无源输入：
自动起动/停止，手动起动/停止，紧停，复位等；
●8点开关量无源输出：
变频器就绪，运行，故障等；
●变频器带有RS485通讯接口和以太网接口，能够将输出频率、输出电流等参数通过通讯接口传送至PLC或DCS。
结构
●逆变器侧采用高开关频率的IGBT器件，保证良好的输出波形；
●变频器的功率单元为模块化设计，能够从机架上抽出，移动和更换，所有单元能够互换，更换单元不须专用工具，更换壹个单元的时间壹般小于8分钟，大大减少了现场维修更换功率单元的时间；
●输入侧的隔离变压器能保护电机不受共模电压的影响；
●整个变频系统采用空冷；
保护
●输入变压器带浪涌吸收保护；
●每个功率单元带三相输入熔断器保护；
●变频装置有过电压，过电流，欠电压，缺相，变频器过载，变频器过热，电机过载，输出接地，输出短路等保护功能；
●变频装置有隔离变压器的各种保护；
三）改造后实现的功能
●软起动和软停机功能。
采用变频调速系统后水泵起动时，能够从0转/分逐渐平稳的升到所需转数，减少了启动冲击和机械摩擦、震动，改善了水泵的启动特性，延长电动机使用寿命；
●改善了生产工艺。
由压力变送器提供的4～20mA反馈信号，通过PID压力自动调节系统，控制变频输出，自动保持压力稳定。
由于变频器的调速平滑，控制精度高，所以管网压力波动范围很小，能充分满足现场工艺要求，同时减少了工人对挡板、阀门调节的工作量和随机性；
●广东明阳龙源电力电子有限X公司生产的MLVERT—D06高压变频器，内置了西门子X公司的S7－200系列PLC，在现场实现外部逻辑控制时，非常方便。
增大了系统可调范围，提高了系统运行的灵活性；能够根据生产要求灵活设定压力变化点,满足生产的要求；
●接受DCS调控、启动、停止、手动/自动切换等命令，且能显示设备状态、运行参数、故障诊断等。
操作简便，易于观察。
如运行频率，泵口及管网水压，电流，开环或闭环运行状态等；具有完善、灵敏的故障检测、诊断、报警、跳闸等功能，保证电机水泵始终安全运行；
●节能，降低成本。
投入变频后，水泵的阀门处于全开位置，节流损失降到零；由于节流损失的降低，轻载时实现节能运行。
四、高压变频改造节能效益分析
壹）水泵变频调速节能原理
水泵的负载工作特性具有轴功率和转速的立方成正比的关系，下面就来分析水泵变频调速节能原理。
水泵选用主要依据是系统所需流量、压力及其变化规律。
所选水泵必须满足最大工况点的要求，即满足对象所需的最大流量和最高压力的要求，可是用户的实际需要的流量总是在不断地变化，实际每天只有很短的时间达到最大时的流量，多数时间水泵处于中小流量工作。
水泵不可能总保持在壹个高效工作点运行，同时水泵选型时留有相当裕量，水泵的额定参数超过工艺参数的壹倍之上。
而实际工艺操作常有变动，当水泵的实际操作参数偏离其额定参数时，水泵的工作效率也将大大降低（图3）。
当流量变化需要调节时，传统的方法是：
流量的减小往往是通过关小截流阀来实现，截流阀处阻力加大，截流阀损失也随之增大，必然降低水泵的总效率，由此而引起的电能损失也是相当可观的。
图3流量减小效率降低图4流量减小效率不降低
当采用变频调速时，能够按需要升降电机转速，改变水泵的性能曲线，使水泵的额定参数满足工艺要求。
变速前后流量、压力、功率和转速之间关系为：
Q1/Q2=n1/n2H1/H2=（n1/n2）2P1/P2=（n1/n2）3
Q1、H1、P1—水泵在n1转速时的流量、压力、功率；
Q2、H2、P2—水泵在n2转速时相似工况条件下的流量、压力、功率。
假如转速降低壹半，即：
n2/n1=1/2，则P2/P1=1/8，可见降低转速能大大降低轴功率达到节能的目的。
从图4能够见出：
当转速由n1降为n2时，水泵的额定工作参数Q、H、P都降低了。
但从效率曲线η-Q见，Q2点的效率值和Q1点的效率值基本是壹样的。
也就是说当转速降低时，额定工作参数相应降低，但效率不会降低，有时甚至会提高。
因此在满足操作要求的前提下，水泵仍能在同样甚至更高的效率下工作。
此外，工频50Hz电网直接启动,对电网和机械冲击较大,启动损耗也很大，采用变频调速后，能够大大减小启动损耗。
二）节能计算
当下我们已知淮北洗煤厂1台渣浆泵平均负载率分别为85.6%，根据上述原理，当采用变频调节时耗电约为电机铭牌的0.63倍额定功率。
我们以目前采集数据得到的平均负载率为依据能够计算出经过高压变频改造后全年节约的电能数。
1、工频状况下每小时耗电数为：
1.732×6×37×0.79=304（度）
2、安装高压变频调速装置后每小时耗电数应为：
355×0.63=224（度）
3、预计每小时节电数为：
304-224=80（度）
考虑全年设备检修及停产等因素,我们以设备停机时间为30天，每天以20小时计算,在对淮北洗煤厂355kw/6kv渣浆泵进行改造后每年我们预计可节约电数为:
80×20×335=53.6（万度）
三）节电率的计算
355kw/6kv渣浆泵的节电率将可达到：
80/304*100%=26.3%
五、小结
单元串联多电平高压大功率变频器是实现高压变频调速系统的主要技术方向，特别适合于风机、泵类工业应用现场，已经被广大工业用户接受和充分认可。
我X公司提出的高压大功率变频器方案具有如下几个高-低方案所无法比拟的优点：
1．单元串联高压变频器输入移相变压器实行多重化设计，用以降低输入谐波电流；谐波污染小，无需考虑谐波抑制。
2．采用二极管整流的电压型结构，电机所需的无功功率可由滤波电容提供，所以输入功率因数较高，基本可保持在0.95之上，不需采用功率因数补偿装置。
3．提供正弦波输出波形，不需要输出滤波器，对电机无特殊要求。
4．针对高压变频调速系统的特殊要求，具有功率模块重故障的旁通功能和完善的故障保护功能，保证产品具有高度的稳定性和可靠性。
5．对于改造项目来说，不需更换现有电机和高压电缆。
广东明阳龙源电力电子有限X公司
2007年11月
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