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铝厂烟气净化系统高压电机变频改造方案

2016-12-9 23:17:16点击: 作者:湘潭电机厂

一、方案设计
铝厂拟对现在运行中电机10kV 400kW  5万吨电解铝生产线的烟气净化系统进行高压变频改造,以达到节能和高自动化运转的目的。

针对此高压变频改造项目,武汉市通益电气有限公司通过对生产工艺流程、现场使用条件的充分调研和反复研讨、论证,认为采用武汉市通益电气有限公司生产的TYCHON系列高压变频器完全能满足要求,制定出如下技术方案,此方案具有以下特点:
1、优良的调速性能,可完全满足生产工艺要求;
2、良好的节能效果,可提高系统运行效率;
3、实现电机软启动,减小启动冲击,降低维护费用,延长设备使用寿命;
4、系统安全、可靠,确保负载连续运行;
5、控制方便、灵活,自动化水平高,可以灵活的扩充上位机,方便实现DCS控制;
6、纤小的设备体积,可以有效的缩小设备占地面积,便于集中控制。

变频节能改造效果分析表

设备参数

工频运行
年耗电量
(万度)

变频运行
年耗电量
(万度)

年节电费
(万元)

节电率
(%)

改造投资
(万元)

投资回收期
(年)

名称

功率

除尘风机

400kW

173

75

34

56.6

105

3

(注:电价按0.47元计算)

二、对高压变频器的要求
除尘风机是除尘净化系统的动力中枢,一旦除尘风机不能正常运行,不但影响生产,造成巨大的经济损失,还有可能威胁到现场生产人员的人身安全;另外,调速系统工作的环境比较恶劣;同时除尘系统又周期性的振打收集铝粉。所以,和除尘风机配套的高压调速系统,要求具有极高的可靠性。基于以上工作特点,对变频调速系统的主要要求如下:
1、要求变频器要有高可靠性,长期运行无故障;
2、要求变频器有旁路功能,一旦出现故障,可使电机切换到工频运行;
3、调速范围要大,效率要高;
4、有共振点跳转设置,能使电机避开共振点运行,让风机不喘震。

三、现场除尘风机及设备简介
除尘风机驱动电机为10kV 400kW。根据现场实际工况和运行数据,选用武汉市通益有限公司自主研发和生产,适合驱动高压异步电动机的变频器TYCHON-Y10/036,变频器的额定输出电流为36A,适配电机为400kW

四、变频器选型及性能特性
变频器容量选择的一般原则是:额定输出电流不小于电机的额定电流。当然,还要考虑实际应用工况,如负载性质及实际功率,恒转矩负载时容量应适当选大一些,而有些负载容量可以选小一些,比如叶轮切削后的水泵轴功率减小、锅炉引风机所配的电机至少留有54%的余量等,这时建议根据实际功率选配变频器,降低投资费用;环境温度超过40℃时,变频器需降容使用;海拔高度超过1000米时,每升高100米,要求变频器降容1%使用。

1、主要技术性能指标
² 额定容量:                 500kVA
² 适配电机功率:             400kW
² 额定电流:                 36A
² 额定输入电压:             10kV(-20%~+15%)
² 输入频率:                 45 - 55Hz
² 输入方式:                 30脉冲二极管全波整流输入
² 输出方式:                 每相9单元叠波正弦波脉宽调制输出
² 输入功率因数:              大于0.96(额定负载时)
² 效率(含变压器):          大于96%(额定负载时)
² 输出频率:                  0 - 120Hz,0 - 100%连续可调
² 频率分辨率:                0.01Hz
² 过载能力:                  120%一分钟保护,150%立即保护
² 控制电源:                  双路供电,220VAC,1kVA
² 冷却方式:                  强制风冷
² 防护等级:                  IP30
² 总重:                      约3500kg
² 模拟量输入:                两路,0~10V/4~20mA,任意设定
² 模拟量输出:                两路,0~10V/4~20mA,可选
² 开关量输入输出:            24入/16出(可按用户要求扩展)
² 通讯接口:                  隔离RS485接口,MODBUS规约
² 运行环境温度:              0到40℃
² 贮存/运输温度:             -40到70℃
² 环境湿度:                  <90%(20℃时),不结露
² 安装海拔高度:              <1000米(超过1000米时,需降额运行)
² 运行参数自动记录和输出、自动故障记录、限流功能、输出电压自动调整功能、瞬时停电自动跟踪功能等。

2、高压变频器使用条件
² 拖动电机:三相10kV异步电动机
² 电网电压:10kV(-20%~+15%)
² 环境温度:0℃~40℃
² 海拔高度:<1000m(安装海拔大于1000米时,请降容使用,海拔每超出100米,降容额度为1%。)
² 相对湿度:<90%(20℃时)
² 安装环境:安装在相对洁净,无导电粉尘和腐蚀性气体的环境中。
² 控制电源:220VAC,容量≮1kVA

3、TYCHON变频器的主要优势及特点
本项目所选用的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,可直接驱动普通电机;

(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220V/AC控制电源容量仅需1kVA,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6kV系列可稳定运行于6900V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Windows 2000系统,运行稳定,且易学易用;

(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I/O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)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;

(13)功率单元模块化设计,可以互换,维护简单;

(14)二次接线模块化设计,现场接线简单,安装周期短。

五 、变频器改造后的经济效益
1、
电机工频状态下的年耗电量计算:
Pd:电动机功率; U:电动机输入电压; I:电动机实际电流; cosφ:功率因数;
Cd:年耗电量。

计算公式:Pd= 1.732×U×I×cosφ

电机功耗:Pd= 1.732×U×I×cosφ= 1.732×10×21×0.83=301.89 kW

日耗电量:301.89×24=7245.36kWh

年耗电量:Cd=7245.36×180=1304164.8 kWh

变频状态下的年耗电量计算:

风机设备属平方转矩负载,其转速n与流量Q,压力H以及轴功率P具有如下关系:

Q∝nH∝n2P∝n3;即,流量与转速成正比,压力与转速的平方成正比,轴功率与转速的立方成正比。通过风机数据,依据公式可依次求得风机在采用变频调速运行时对应的风机总功耗。

Cb:年耗电量值; T:年运行时间; Pb:电动机功率;η :变频器效率(96%)

电机功耗:53%风门开度时风量约为额定风量的68%

Pb=0.683×400÷0.96=131kW

日耗电量:131×24=3144kWh

年耗电量:Cb=3144×180=565920kWh

年节电量:ΔC=Cd-Cb=1304164.8-565920=738244.8kWh

节 电 率:ΔC/Cd=738244.8÷1304164.8=56.6%

若电价按0.47元/度,单台除尘风机的电机每年收益为:738244.8×0.47=346975元。

2、投资回收周期及节能建议
(1)投资回收周期
变频设备按照105万元计算,若电价按0.5元/度,考虑设备在使用过程中不可预见情况,单台变频设备投资成本回收周期约为2.2年。由于采用高压变频器同时对电机实现软启动,减少电机损耗,很大程度减少电机的维护费用。

(2)节能建议
变频器所驱动的设备需要工作在一个良好的状态下。根据我们以往案例的经验,设备的老化、风道的阻塞、漏风会严重影响变频器的节能效果,所以,要定期对设备进行维护、清理阻塞、治理漏风以使变频器达到最佳节能效果

变频器要定期保养和维护,同时应对操作人员进行定期考核及培训,以免由于保养、维护或操作方面的失误造成变频器故障,致使变频器所驱动的设备工作于工频状态下,影响整体节能效果。

六、方案总结
变频改造后,节能是主要的,其次还能带来很多其他的效益.

变频调速器其良好的可靠性以及调速范围广且平滑能满足工艺要求,软启动,小的启动电流亦可以减少对电网的冲击。变频系统各种保护功能可靠,从而消除了因电机过载或单相运行而烧毁电机的现象,确保了安全运行。减少了设备的维护和维修量,降低了维修费用。减少了调节阀门的开关次数,降低员工的劳动强度。改造后,精简了控制程序,使操作更加方便,提高了生产效率,从而达到了节能降耗的目的。其综合效益是特别明显的。