变频调速节能改造方案.doc

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变频调速节能技术方案上海倍特讯电气公司2010.03 一、概述本方案根据用户要求编制，用于8台6000V355kW离心水泵调速节能。二、原系统状况对2009年度送水泵组运行数据进行统计分析，其供水情况为：(1)2009年度供水情况l泵组每天供水总量约：m3～m3；轧钢时瞬时流量：11000m3/h～13000m3/h；停轧（换辊）时瞬时流量：1100m3/h～3000m3/h；波动较为平缓。l供水总管压力控制标准0.2MPa，实际压力在0.2MPa～0.25MPa之间波动。l目前，通过开关泵组回流电动阀和起停单泵来控制供水总管流量。(2)水泵投运情况l8台送水泵，正常运行4～5台；l目前，根据系统循环水量决定投运水泵数量，并根据池液位控制范围，开关泵组回流电动阀。(3)5台送水泵典型工况泵组供水总管流量12000m3/h、压力0.23MPa，送水泵出口电动阀开度为100%，手动阀开度为100%,送水泵出口压力为0.25MPa，回流阀开度100%，泵组回流量约为1500m3/h。（4）对2009年度工业水供水量及水泵投运情况分析，形成下表。2009年泵组供水数据统计表№泵组水量(m3/h)泵组运行(台)时间(h)时间比例节能潜力111000-130005750021100-30002500三、系统方案说明由于生产用水量随时变化，为保证供水质量，一般使供水 水压恒定，最常见的办法是采用变频恒压供水系统，即压力变送器装在主管网上检测管网压力信号，再将此压力信号送到变频器（PLC）的模拟信号输入端口，由此构成压力闭环控制系统，管网压力的恒定依赖变频器的调节控制。对于多泵情况，对低压水泵电机（380VAC~690VAC）可以两种不同的控制系统方案，一种是”顺序控制方案”，系统图如图一所示图一顺序控制方案系统图图中：BPI--变频器；BUI～BU4--软起动器,PT—压力变送器。由图一可见，变频器连接在第一台水泵电机上，需要加泵或减泵时，由变频器RO1~RO3端口输出信号起动或停止其他的水泵，这时水泵的起动采用自耦减压起动装置或软起动器。这种方案的特点是水泵电机不需要在变频和工频之间切换；第一台水泵永远连接在变频器上，没有切换过程中的失压现象；由于变频泵以外的泵都有软起动器，所以不需要再做备用系统，当变频器故障时，可用软起动器手动起动M2～M4水泵，保证供水不致中断；每台电机都有起动器，初始投资较大。另一种是“循环投切“方案，系统图如图二所示 图二变频恒压供水循环投切方案系统图图中：BP1—变频器，BU1—软启动器，PT－压力变送器，ZJ1、ZJ2－用于控制系统的起动/停止和自动/手动转换。由图二可见，变频器连接在第一台水泵电机上，需要加泵时，变频器停止运行，并由变频器的输出端口RO1～RO3输出信号到PLC，由PLC控制切换过程。切换开始时，变频器停止输出（变频器设置为自由停车），利用水泵的惯性将第一台水泵切换到工频运行，变频器连接到第二台水泵上起动并运行，照此，将第二台水泵切换到工频运行，变频器连接到第三台水泵上起动并运行；需要减泵时，系统将第一台水泵停止，第二台水泵停止，这时，变频器连接在第三台水泵上。再需要加泵时，切换从第三台水泵开始循环。这种方式保证永远有一台水泵在变频运行，四台水泵中的任一台都可能变频运行，这样，才能做到不论用水量如何改变都可保持管网压力基本恒定。以上两种供水方案水泵电机的投、切比较频繁，对低压电机影响不大，但对高压电机不允许频繁的投、切，供水方案如图三所示： 图三高压电机水泵变频调速节能方案由5台送水泵典型工况和2009年泵组供水数据统计表：泵组供水总管流量12000m3/h、压力0.23MPa，送水泵出口电动阀开度为100%，手动阀开度为100%,送水泵出口压力0.25MPa，回流阀开度100%，泵组回流量约为1500m3/h。每台水泵的流量为2500m3/h左右。为节能将回流阀开度设置为零，5台水泵同时运行。轧钢时，其中变频泵工作频率为50Hz，满足轧钢需要的最大供水流量13000m3/h；当供水量减小时管网压力上升，压力变送器的输出信号是变频器降频，当频率降到35Hz时，变频水泵的压力为原来压力的49%，可能水泵也不出水了，但不能产生倒流，可在变频器上设定下限频率来保证。换辊时，水量的变化是1100~3000m3/h，关3台工频泵，同样用一台变频器来自动调节，但在低流量时，如果两台都是变频泵节能效果更好，这要增大投资。四、高压变频器选用森兰SB-HV高压变频器1、产品特点SB-HV系列高压变频器是由希望森兰科技股份有限公司研制开发的新一代 高压变频器，采用直接高高变换的方式，多电平串联倍压的技术方案，优化的PWM控制算法，实现优质的可变频变压（VVVF）的正弦电压和正弦电流的输出。产品具有以下特点：（1）高－高方式输入采用移相变压器，单元串联方式直接高压输出；（2）风冷设计独特的风道设计，在室温50℃时，设备能可靠运行。采用顶部散热方式，维护方便。风机选用进口依必安（德国）产品，经久耐用；（3）模块化设计单元采用模块化设计，单元可任意互换，单元拆装方便，只需装卸5个螺丝；（4.）友好的人机界面人机接口采用触摸屏，全中文界面。所有操作均通过按钮或DCS接口输入，最大限度避免触摸屏的误操作；报警实时记录，并能对报警准确定位和历史记录存储；（5）可靠的设计（a）单元与控制部分的通讯采用光纤（b）单元的热备设计（c）外围控制部件采用PLC（d）主回路采用全进口器件，IGBT采用EUPEC产品，整流桥采用IXYS产品，滤波电容采用CDE产品，所有主回路器件额定运行参数＞实际运行的2倍选购，变压器按电机额定功率的1.2～1.5倍容量配置，配置底部散热风机和顶部散热风机；（6）灵活的用户接口接口方式可采用硬接线方式也可采用通讯方式。接口状态信息除系统设定外，提供由用户自定义的输出接口（用户只需在人机界面进行设定对应I/O输出的内容即可）；（7)高效率、高功率因素整机效率≥96%，功率因素≥95%；（8）低谐波 输出每相6单元串联时，采用每相36脉冲整流，高频载波比使得输出谐波空载时＜4%，负载时＜2%；（9）宽电压输入范围输入电压在85%～115%，频率在45Hz～55Hz波动范围内设备均能正常工作；（10）小的dv/dt由于采用单元串联输出方式，dv/dt小，延长了IGBT的寿命以及降低了对整个设备绝缘要求；（11）单元冗余热备技术保证设备能输出额定电压；（12）特有的单元旁路技术采用接触器机械式旁路执行机构，以独立的旁路控制板控制和独立的供电电源供电，确保单元故障时能够可靠被旁路。如避免了因功率单元失电后旁路不能正常动作的情形；（13）线电压的自动均衡技术当某相的某个或几个单元故障被旁路时，为确保变频器输出电压等级及功率要求，并不随意切除故障单元同一位置的单元，此情况下三相相电压将不平衡，但对于电机驱动而言，只需要各线电压平衡。为保证整个变频器输出线电压平衡，SB-HV系列高压变频器采用特有的线电压控制方式，最大限度地满足了现场运行工况；（14）瞬时掉电无干扰高压瞬时掉电在10个周波内能输出转矩无脉动，主控制回路配置1000VA后备式UPS能保证掉电30min无影响，旁路控制回路配置1000VA在线式UPS能保证掉电30min无影响；（15）控制回路设计双电源切换一路由用户供给控制电源，另一路来源高压输入隔离变压器，双回路自动切换保证在控制电源掉电后，设备无影响；（16）特有的过电压保护技术 设计中充分考虑操作过电压和雷电过电压对设备的影响，在主回路和控制回路针对不同的过电压采用不同的处理措施，提高设备的可靠性；2、森兰SB-HV高压变频器原理框图图四.变频器原理图图四是变频器原理图。变频器整流侧有移相分压空气变压器，每相由15绕组整流变压器供电。为功率单元提供电源的变压器次级绕组在绕制时相互之间有一定的相位差，这样既大大降低了输入谐波电流，也使得功率因数能在较高或满载负荷时能达到95％以上。以6kV为例，移相隔离变压器采用了30脉冲整流，输入电流谐波已足够满足企业标准和IEEE519的规定和要求。功率单元：单元的输入电压根据变频器型号以及单元数目而定；图四中每相有3个单元，3相共9单元，其中每个单元都完全一样，可以互换使用，大大提高了系统维护性和批量生产性。6kV中每相有5个单元，3相共15单元。每相5个功率单元可提供11种不同的电压等级。可提供许多不同电压等级的能力使得变频器能产生非常接近正弦波的输出波形。3、技术指标序号项目参数备注1使用标准 《中华人民共和国电力行业标准DL/T994—2006火电厂风机水泵用高压变频器》2安装地点室内3技术方案直接高-高方式4对电动机要求普通三相异步电动机5变频器输入侧有无熔断器有6额定输入电压/允许变化范围3kV/±15％，6kV/±15％，10kV/±15％7系统输入电压3kV/6kV/10kV8系统输出电压0～3kV，0～6kV，0～10kV9系统输出电流因功率及其现场工况不同而异10逆变侧最高输出电压3.3kV/6.3kV/11kV11额定容量4000kW以下不等由用户需要而定12额定输入频率/允许变化范围50Hz/±10％13对电网电压波动的敏感性不敏感14变频器效率≥96％型号不同参数略有差别15谐波＜2％16可靠性指标（平均无故障工作时间）30000h17输入侧功率因数≥95％型号不同参数略有差别18控制方式优化SPWM控制19控制电源20A，380VAC20UPS型式、参数及容量220VAC1000VA30min21整流形式及元件参数3相不可控整流22逆变单元形式H桥逆变23传动象限二象限24采用光纤通信 电隔离部分是否采用光纤电缆型号：HFBR－EUS100厂家：美国安捷伦25噪声等级≤60dB26冷却方式强制风冷27冷却系统故障对变频器的影响在允许范围内，报警不跳机28过载能力120％时60s，150％时5s，200％时立即保护29变压器损耗1.5％型号不同参数略有差别30系统总损耗2.0％31标准控制连接硬接线32模拟量信号（输入）规格及数量4-20mA，2路根据用户需要扩展33模拟量信号（输出）规格及数量4-20mA，2路34开关量信号（输入）规格及数量10（继电器干式节点）35开关量信号（输出）规格及数量14（继电器干式节点）36操作键盘触摸屏37界面语言中文或英文根据用户要求而定38变频装置外形尺寸(以6kV/1000-1600kW为例)长3980mm×深1200mm×高2400mm（不包括工频旁路柜）39变频装置重量5000kg左右40盘前维护或盘后维护盘前维护（可靠墙）41是否需要输出滤波器不需要42是否提供输出滤波器不43售后服务的承诺24小时内响应五、变频技术交流提纲1、 变频器参数、规格、价格。（效率、功率因数、额定电压、电流、尺寸、重量、适合电机的频率波动范围）效率、功率因数、额定电压、电流、尺寸、重量、适合电机的频率波动范围见上表。1、变频、工频切换。（是否要对原配电设备改造，配电回路为熔断器+接触器，以及变频安装位置。原保护为电动机综保，改造后要改为变压器综保）改造后，变频器检修或故障时，原系统可作为备用。变频器接在电源和电动机之间，变频器有过流、过载、过热、电压不平衡等故障，一般不需要对电动机进行保护。2、电缆长度、规格。（输入侧、输出侧）是否加装电抗器，目前电缆长度170米。3x50-6/6.6kV。输入端是多拍脉冲整流，输入侧的电流谐波畸变率极低，不需要装输入电抗器；变频器输出的电压波形为正弦波，输出无需装输出电抗器。3、变频通讯。有RS-485串行通信口。4、节能计算（目前电机电流稳定在33-39，功率因数约为0.77~0.9）见六、节能计算。5.1对应工况，上1台变频的优缺点及投资回收。5.2对应工况，上2台变频的优缺点及投资回收。5、相关业绩。6、售后服务。六、节能计算轧钢时，开5台水泵，满足最大流量13000m3/h，其中变频泵工作频率为50Hz，满足轧钢需要的最大供水流量13000m3/h；当供水量减小时管网压力上升，压力变送器的输出信号使变频器降频，当频率降到35Hz时，电机消耗的功率与转速的三次方成正比，节能为355x[1-（35/50)3）x7500x80%=kWh。（0.8-估计系数） 换辊时，水量的变化是1100~3000m3/h，关3台工频泵，同样用一台变频器来自动调节，与原来的工矿比较355x[1-（35/50)3）x500x80%=81632kWh。（与上相同）