精品天池矿业球团厂引风机高压变频改造可研报告.docx
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精品天池矿业球团厂引风机高压变频改造可研报告
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天池矿业集团延吉球团厂
10kV、1250kW引风机
高压变频技术改造可行性研究报告
长春一鸣能源科技开发有限公司
2011年9月20日
一、概述
二、存在的问题
三、系统改造技术方案
四、高压变频器的基本规格
五、高压变频器的主要特点
六、运行效果及经济分析
七、结论
八、附件
10kV、1250kW引风机变频技术改造可行性研究报告
一、概述
国家第十二个五年计划纲要中，提出了在满足社会经济持续发展需要前提下实行“节能减排”的政策。
由于我国目前电源结构分布不合理，严重缺乏调峰电源，随着电力系统商业化运营的不断发展，各大型生产企业的节能降耗工作已成为降低用电成本、提高经济效益的重要措施之一。
“节能减排”不仅是长期的基本国策，也成为一项必须为之的任务。
对一般工业生产企业而言，电机容量大、能耗高的辅机设备只能按定速的方式运行，功耗无法随机组负荷变化进行调整；只能采取改变挡板或阀门开度的方式调整辅机运行工况满足机组运行需要。
因此，需要采用一种手段来及时地调节风机、水泵等辅机主设备的运行状态，改变其运行速度、频率、电压和功率等参数；使之既满足生产要求，又可以达到节能降耗、减少因调节挡板或阀门开度而造成的经济损失。
目前，实现辅机调速的重要手段之一是采用变频技术。
已在工业领域广泛使用的高压变频技术既可以满足辅机负荷变化的运行要求，又可以降低设备损耗、节约电能。
引风机是锅炉送引风系统的主要设备之一。
通过控制引风机入口挡板开度调节引风量，维持炉膛负压在一定的范围内运行。
如果炉膛负压太小，炉膛容易向外喷粉，既影响环境卫生，又可能危及设备和操作人员的安全；负压太大，炉膛漏风量增大，增加了引风机的电耗和烟气带来的热量损失。
因此，控制引风量大小，稳定炉膛负压值，对保证锅炉安全、经济运行具有十分重要的意义。
二、存在的问题
天池矿业集团延吉球团厂，采用1台定速电动机带动引风机，靠液力耦合器调节引风量，以适应机组负荷变化。
液力耦合器是液力传动元件，是利用液体的动能来传递功率的一种动力式液压传动装置，它相当于离心泵和涡轮泵的组合。
将其安装在异步电机和负载（风机、水泵等）之间来传递转矩，可以在电机恒速运转情况下，无级调节负载的转速。
液力耦合器是一种转差损耗的低效调速设备。
在高压变频技术尚未成熟，尚未在工业中应用之前，液力耦合器在风机、水泵等调速节能方面曾有过较多的应用，发挥过其应有的作用。
随着高压变频调速技术的日渐成熟及应用推广，液力耦合器也将逐步退出风机、泵类调速节能的市场。
相比较于高压变频装置，液力耦合器存在如下缺点：
1、高压变频器调速范围宽，达到10:
1以上，甚至达到100:
1；而调速型液力耦合器的调速范围最大为4:
1。
2、高压变频器调速精度高达0.1Hz，而且稳定性高；液力耦合器调速精度差，转速波动大。
3、高压变频器效率高，无转差损耗，其效率达0.95以上，并且不随调速的范围而变化；液力耦合器效率低，其效率与调速比成正比，负载的转速越低，其效率越低。
液力耦合器属转差损耗型调速，是低效调速设备，在调速的过程中转差功率以热能的形式耗损在油中。
这不仅消耗了能量，而且使液力耦合器油温升高，为此必须采取妥善的冷却方式，否则威胁到液力耦合器安全，进而导致停机，影响生产。
4、高压变频器没有转差率问题，负载与电动机同轴，电机能达到额定转速，即电机转速与负载转速相同，能达到额定压力和额定风量。
在电机结构允许的情况下，还可以超过额定转速运行；液力耦合器由于是柔性连接，存在着固定的转差率，即液力耦合器的转差率≥3%，所以负载的转速不可能达到电机的转速，最高只能达到电机转速的97%，因此负载（风机）就不能达到额定输出，其压力最高只能达到额定压力的94%，而风量最高只能达到额定值的91%左右。
5、高压变频器具有真正意义上的软启动功能，它可以使启动电流保持在额定电流之以内，不会对电网造成冲击，也不会对所传动的负载造成机械上的冲击，是最理想的软启动设备；液力耦合器属于直接起动类型，电动机的起动电流约为额定电流的4-7倍，易对电网造成冲击，特别是电网容量受限而电机容量较大时。
6、高压变频器可靠性高，故障率低，维修工作量小，这在众多高压变频器应用中得到证实；液力耦合器则可靠性差，特别市易漏油和打坏齿轮等，维修工作量高。
7、高压变频器一旦发生故障则可立即切出，并切换到工频运行，使负载能保持连续运行。
液力耦合器由于连接在电机和风机之间，一旦发生故障，负载便不能运行，不能保证生产的连续性。
8、高压变频器可以一机多用，即一台高压变频器可以通过开关切换设备控制几台高压电机的运行，设备利用率高；液力耦合器由于安装位置固定，只能一机一用，一台液力耦合器只能供一台负载调速使用。
9、高压变频器由于采用二极管整流，可以保证电网侧的功率因数在0.95以上；液力耦合器调速则使电网侧功率因数降低，因为风机的电机的裕量都比较大，输入电流中无功分量大，导致其在低功率因数下运行。
目前国内使用中的10kV高压变频器的品牌不少。
通过综合技术、性能、价格比较，以北京中能博瑞公司生产的BORUI牌高压变频器产品性价比为最佳。
它采用先进的功率单元串联叠波技术、空间矢量控制的正弦波PWM调制方法、新颖的全中文操作界面和高性能IGBT功率器件，可靠性高、性能优越、操作简便。
可应用于高压交流电动机驱动的风机、水泵类负载的调速、节能、软启动和智能控制等多种场合。
另外，由于系统结构的改进和先进技术的应用，高压变频器无需安装功率因数补偿装置，全程功率因数在95%以上，综合效率高达98%；无需加装电抗器和输入输出侧滤波装置即可满足现场对谐波和电磁噪声污染以及对电机输出的正弦电压电流波形的严格要求。
BORUI牌高压变频器通过了国家电力科学研究院、国家电控配电设备质量监督检验中心等权威部门的严格测试。
在质量保证体系方面，公司通过了ISO9001-2000认证，是国内首家获得国家煤矿防爆安全产品质量监督检验中心KY认证的高压变频器生产企业，同时也是高压变频器国家标准的主要参与制定与支持单位之一。
BORUI牌高压变频器拥有良好的运行业绩，在产品质量和服务方面深受用户好评，在诸多应用领域处于国内领先地位。
三、系统改造技术方案
引风机变频系统改造的主电气接线方案如图所示：
原工频控制回路保持不变，在原高压电机10KV开关与电机之间串联进BORUI高压变频器，取消原液力耦合器装置，增加工变频旁路刀闸柜。
旁路柜开关选用隔离刀闸方式，其中DK1与DK3机械互锁，即DK1闭合时DK3必定断开，反之亦然。
旁路柜的作用是变频器推出运行后，将电机投入工频电网运行，以保证生产的连续性。
当引风机变频运行时，合变频器输入（DK1）、输出（DK2）隔离开关，断开旁路开关（DK3），由变频器实现引风机启停及转速控制实现风量调节；当变频回路出现故障，引风机需工频运行时，合旁路开关（DK3），断开变频器输入（DK1）、输出（DK2）隔离开关，由原系统实现引风机启停及控制。
该变频控制系统可以与DCS连接，进行数据通讯，运行人员可以通过DCS中的画面对引风机的工作电流、转速、输出功率以及运行、停止、故障等状态进行实时监测与控制。
经改造后的引风机控制系统主要体现出以下特点：
（1）效率高，能耗低，节能效益显著，性能价格比高。
（2）启动转矩大、电流小，机械特性好。
由于采用矢量控制技术使得速度控制和瞬态响应的精度大大提高。
（3）系统动态响应速度快，调节线性度好，自动投入率高。
（4）系统抗干扰能力强，操作方便、工作可靠。
（5）采用多重化干式隔离变压器进行输入侧隔离，减小了对电网的谐波污染。
（6）具有极强的自诊断和保护功能，能够对短路、过热、过电流、过电压、欠电压、缺相等故障进行快速有效的诊断和保护。
四、BORUI-Y1010kV高压变频器的基本规格
型号
BORUI-Y10096
变频器容量（kVA）
1600
适配电机功率（kW）
1250
额定输出电流（A）
96
外型尺寸（W×H×D）
4300×2100×1585
重量（kg）
5570
调制技术
空间矢量控制的正弦波PWM
输入频率
45Hz~55Hz
输出频率
0Hz到120Hz
分辨率
0.01Hz
加减速时间
10秒到~1600秒
额定输入电压
10kV（-20%~15%）
输入功率因数
额定负载下>0.96
效率
额定负载下>0.96（含变压器）
过载能力
120%一分钟，150%立即保护
模拟量输入
两路，0~10V4~20mA，任意设定
模拟量输出
两路，0~10V4~20mA可选
开关量输入输出
24入16出（可按用户要求扩展）
上位通讯
隔离RS485接口，MODBUS规约
每相串联单元数
9
控制电源
220VAC，1kVA
运行环境温度
0到40℃
贮存运输温度
-40到70℃
冷却方式
强迫风冷
环境湿度
<90%,不结露
安装海拔高度
<1000米（超过1000米时，需降额运行）
防护等级
IP30
五、BORUI高压变频器的主要特点
BORUI系列高压变频器采用交-直-交直接高压（高-高）方式，主电路开关元件为IGBT。
由于IGBT耐压所限，无法直接逆变输出6kV、10kV，且因开关频率高、均压难度大等技术难题无法完成直接串联。
BORUI变频器采用功率单元串联，叠波升压，充分利用常压变频器的成熟技术，因而具有很高的可靠性。
BORUI系列高压变频器与国内外同类产品比较，在产品功能设计、产品质量保障措施、系统安全设计和服务方面，具有以下优势和特点：
1.输入、输出谐波含量低，输入功率因数高。
无须滤波器和功率因数补偿，可直接驱动电机；
2.系统控制电源采用220VAC和高压主电源降压隔离后双路供电，系统运行更可靠、操作更简便。
其他产品一般采用柜内UPS供电，在柜内高温条件下，UPS电池寿命短、故障率高，且开、停机时，操作烦琐；
3.冷却风机采用高压主电源降压后直接驱动，风机仅在上高压电后运行。
系统220VAC控制电源容量仅需3kVA，且避免了冷却风机启、停时对控制系统的干扰；
4.功率单元工作电源为高压开关电源，直接取自单元内部电容，避免了瞬时掉电对单元的影响；
5.更适应于国内电网条件，变频器工作电压范围为UN+15～-20%，如10kV系列可稳定运行于11.5KV电压条件下；
6.瞬时停电保护功能。
当主电源失电后，变频器控制电机处于发电状态运行，为单元电容充电，并为单元控制电源供电，直至主电源恢复，变频器回到原运行状态。
瞬时停电时间典型值为3秒（具体时间长短与负载的转动惯量大小有关）；
7.限流功能。
避免启动或负载突然变化时，使变频器输出电流过大而导致保护动作；
8.操作平台采用全中文WINNT系统，易学易用，运行稳定；
9.结构紧凑，体积小。
与国内同容量产品相比，柜体宽度缩小0.6～1.0米；
10.完善的上位控制功能。
可与DCS系统实现通讯（采用标准MODBUS通讯规约）或IO方式连接。
11.主要器件均采用世界一流厂商的成熟产品，产品从元器件至半成品及成品，均实现100%的严格测试。
各系列产品出厂前均完成100%72小时以上负载测试记录，确保产品的可靠性。
12.功率单元模块化设计，维护简单；
13.二次接线模块化设计，现场接线简单，安装周期短；
14.有较强的工程设计能力和沟通意愿，能根据用户现场条件和控制要求量身定做，及时满足用户的不同需求；
六、运行效果及经济效益分析
通过对原系统的分析和对变频改造后的研究论证；经改造后，系统在运行稳定性和经济性上得到明显改善：
●可以非常平滑、稳定地调整风量，运行人员对锅炉的调整控制更为稳定自如。
●大大改善了锅炉自动控制系统的工作状况，使系统自动调节性能大大提高，改善了调节品质。
●锅炉燃烧状况明显改善，炉膛负压稳定，消除了炉膛喷粉、漏风等现象的发生。
●引风机可以随机组负荷的变化而调节输出功率，达到了节能的目的。
引风机单耗明显降低（一般降低20-60%）。
●消除了挡板开度调节引起的节流损失，提高了系统效率。
●由于变频器对电动机的软启动和保护等功能，降低了设备损坏，延长了使用寿命，减少了设备维护量。
经济效益预测：
经高压变频改造后的引风机转速调节系统与改造前的定速运行方式相比，其节能效果计算如下：
（1）参数情况：
电动机输出功率：
1250kW。
年运转时间：
6000小时。
运转类型：
12时间（3000小时）工作在85%负荷，
12时间（3000小时）工作在50%负荷。
（2）工频定速状况下运行：
负荷在85%时：
需要功率=98%×1250kW=1225kW
负荷在50%时：
需要功率=94%×1250kW=1175kW
全年消耗电量：
（3）变频调速状况下运行：
负荷在85%时：
需要功率=66%×1250kW=825kW
负荷在50%时：
需要功率=36%×1250kW=450kW
（5）全年节约资金：
测大约在1.5年～2年可以收回改造投资。
除了上述直接经济效益外，还有许多间接经济效益：
（1）采用变频调速，消除了大电动机启动时对电网电压的波动影响。
（2）采用变频调速，消除了大电动机大电流启动时的冲击力矩对电机损坏。
（3）采用变频调速，延长了电机等设备的使用寿命，减轻了维修人员的工作量，降低了维修费用。
（4）提高了系统自动装置的稳定性，为系统的经济优化运行提供了可靠保证；系统的运行参数得到改善，提高了效率。
七、结论
从上述分析可以得到如下结论：
（1）高压变频器在引风机上应用，节能效果十分明显，按前面的测算节能达46.875%，大约1.5至2年可以收回改造投资费用。
（2）在引风机上采用变频调速系统后，特别采用自动闭环系统后，很好的保持炉膛负压稳定，减少了热量损失，对系统经济优化运行提供了可靠保证。
（3）电动机启动对电网没有冲击，系统综合效率高达98%，功率因数高达95%，对电网为完美无谐波输入，对电动机为完美的正弦波，不需设置任何滤波器、交直流电抗器、功率补偿器、输出变压器等。
（4）当负载功率减小时，风机功耗下降，噪声随之降低，电机、风道等设备延长了使用寿命，维修量下降，节约维修费用和维修时间。
（5）高压变频器所具有的优越性能和技术特点，保证了送引风系统的工艺要求能够完美的实现，并达到最佳的运行状况。
八、附件
BORUI高压变频器国内产品业绩表
序号
规格型号
电压
容量
负载类型
数量
用户单位
备注
1
BORUI-Y06200
6kV
1800kW
除尘风机
1台
大冶特殊钢股份有限公司
2
BORUI-Y06077
6kV
630kW
注水泵
1台
东营东日电气有限公司
3
BORUI-Y06077
6kV
630kW
泥浆泵
1台
人民电器集团双鸭山销售有限公司
4
BORUI-Y06080
6kV
630kW
除尘风机
1台
武汉朗涤环保科技工程有限公司
5
BORUI-Y10046
10kV
500kW
除尘风机
1台
重庆鼎泰拓源氧化铝开发公司
6
BORUI-Y06077
6kV
630kW
除尘风机
1台
太钢集团东方钢铁有限公司
7
BORUI-Y06077
6kV
630kW
除尘风机
1台
太钢集团东方钢铁有限公司（续购）
8
BORUI-Y06077
6kV
630kW
风机
1台
东方管业
9
BORUI-Y06077
6kV
630kW
矿井提升机
1台
九里山煤矿
10
BORUI-Y10046
10kV
630kW
水泵
1台
浙江衢州市第三水厂
11
BORUI-Y06120
6kV
1000kW
除尘风机
1台
大冶特殊钢股份有限公司
12
BORUI-Y06120
6kV
1000kW
风机
1台
天津市电力科技发展公司
13
BORUI-Y06120
6kV
1000kW
风机
1台
天津市电力科技发展公司
14
BORUI-Y06061
6kV
500kW
矿井提升机
1台
山东龙口煤矿
15
BORUI-Y3031
3kV
200kW
灰浆泵
1台
保定三伊电力电子有限公司
16
BORUI-Y10130
10kV
1800kW
除尘风机
2台
攀枝花钢铁公司炼铁厂
17
BORUI-Y06154
6kV
1250kW
除尘风机
1台
重钢股份公司炼铁厂
18
BORUI-Y06096
6kV
710kW
水泵
2台
云南宣威电厂
19
BORUI-Y06096
6kV
710kW
水泵
2台
云南宣威电厂（续购）
20
BORUI-Y10029
10kV
400kW
水泵
1台
海宁第二水厂
21
BORUI-Y10036
10kV
500kW
原磨风机
1台
湖北金龙水泥有限公司
22
BORUI-Y10046
10kV
630kW
循环水泵
1台
山东海化集团潍坊振兴焦化有限公司
23
BORUI-Y06048
6kV
400kW
窑尾风机
1台
浙江新都水泥有限公司
24
BORUI-Y06096
6kV
800kW
送风机
1台
山西榆社化工有限公司
25
BORUI-Y06061
6kV
500kW
循环
硫化床
1台
吉林梅河口市阜康酒精有限公司
26
BORUI-Y06061
6kV
500kW
循环硫化床
1台
吉林梅河口市阜康酒精有限公司（续购）
27
BORUI-Y06061
6kV
500kW
循环
硫化床
1台
吉林梅河口市阜康酒精有限公司（续购）
28
BORUI-Y06061
6kV
500kW
循环
硫化床
1台
吉林梅河口市阜康酒精有限公司（续购）
29
BORUI-Y06077
6kV
630kW
风机
1台
吉林宏鼎化工有限公司
30
BORUI-Y10036
10kV
500kW
水泵
1台
湖北咸宁自来水公司
31
BORUI-Y06039
6kV
315kW
风机
1台
甘肃靖远煤业有限责任公司
32
BORUI-Y06039
6kV
315kW
风机
1台
甘肃靖远煤业有限责任公司（续购）
33
BORUI-Y06039
6kV
315kW
风机
1台
甘肃靖远煤业有限责任公司（续购）
34
BORUI-Y06039
6kV
315kW
风机
1台
甘肃靖远煤业有限责任公司（续购）
35
BORUI-Y10115
10kV
1600kW
烧结风机
1台
三明永胜电气技术有限公司
36
BORUI-Y10072
10kV
1000kW
水泵
1台
江苏江阴新源热电厂
37
BORUI-Y06048
6kV
400kW
皮带机
1台
新疆百益科技有限公司
38
BORUI-Y10092
10kV
1250kW
循环水泵
1台
山西临汾集中供热有限公司
39
BORUI-Y06154
6kV
1250kW
吸风机
1台
吉林四平电厂
40
BORUI-Y06154
6kV
1250kW
吸风机
1台
吉林四平电厂（续购）
41
BORUI-Y06048
6kV
400kW
风机
1台
浙江山鹰水泥有限公司
42
BORUI-Y10072
10kV
1000kW
风机
1台
邯郸钢铁集团公司
43
BORUI-Y10072
10kV
1000kW
风机
1台
邯郸钢铁集团公司（续购）
44
BORUI-Y06077
6kV
630kW
风机
1台
广东山水电厂
45
BORUI-Y10058
10kV
710kW
风机
1台
浙江富春江环保热电有限公司
46
BORUI-Y10058
10kV
710kW
风机
1台
浙江富春江环保热电有限公司（续购）
47
BORUI-Y06061
6kV
500kW
风机
1台
半壁店钢铁
48
BORUI-Y10029
10kV
400kW
引风机
1台
吉林通化市丰源热力有限责任公司
49
BORUI-Y06096
6kV
800kW
矿井
提升机
1台
古汉山煤矿
50
BORUI-Y06096
6kV
1000kW
风机
1台
山西漳山电厂
51
BORUI-Y06077
6kV
630kW
风机
2台
北京胜唐大山科技发展有限公司
52
BORUI-Y06077
6kV
630kW
风机
3台
北京胜唐大山科技发展有限公司（续购）
53
BORUI-Y06048
6kV
400kW
水泵
1台
北京胜唐大山科技发展有限公司
54
BORUI-Y06048
6kV
400kW
水泵
2台
北京胜唐大山科技发展有限公司（续购）
55
BORUI-Y06048
6kV
400kW
水泵
2台
北京胜唐大山科技发展有限公司（续购）
56
BORUI-Y06077
6kV
630kW
通风机
2台
甘肃靖远煤业有限责任公司（续购）
57
BORUI-Y06077
6kV
630kW
通风机
2台
甘肃靖远煤业有限责任公司（续购）
58
BORUI-Y06120
6kV
1000kW
循环水泵
2台
衡水恒兴发电有限责任公司
59
BORUI-Y06031
6kV
250kW
疏水泵
2台
衡水恒兴发电有限责任公司
60
BORUI-Y06039
6kV
290kW
水泵
1台
浙江韵兴铁厂
61
BORUI-Y10058
10kV
710kW
风机
1台
福州红庙岭垃圾焚烧发电有限公司
62
BORUI-Y10058
10kV
710kW
风机
1台
福州红庙岭垃圾焚烧发电有限公司（续购）
63
BORUI-Y06096
6kV
1000kW
风机
1台
山西漳山电厂（续购）
64
BORUI-Y06096
6kV
1000kW
风机
1台
山西漳山电厂（续购）
65
BORUI-Y06096
6kV
1000kW
风机
1台
山西漳山电厂（续购）
66
BORUI-Y06096
6kV
1000kW
风机
1台
山西漳山电厂（续购）
67
BORUI-Y06096
6kV
1000kW
风机
1台
山西漳山电厂（续购）
68
BORUI-Y06120
6kV
1000kW
吸风机
1台
甘肃兰西热电有限责任公司
69
BORUI-Y06120
6kV
10
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