產(chǎn)品與解決方案/PRODUCT AND SOLUTIONS
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解決方案
高壓變頻器在特種水泥生產(chǎn)線高溫風(fēng)機(jī)節(jié)能改造中的應(yīng)用
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引言
中國聯(lián)合水泥集團(tuán)下屬某水泥有限公司1000t/d特種水泥熟料生產(chǎn)線,核心生產(chǎn)設(shè)備為∮3×48m五級旋風(fēng)預(yù)熱器窯外分解回轉(zhuǎn)窯,主要產(chǎn)品為硫鋁酸鹽特種水泥及相關(guān)工程材料,由于受當(dāng)時電氣設(shè)備制造技術(shù)、性能價格比的限制及設(shè)計思想的影響,窯尾高溫風(fēng)機(jī)設(shè)計采用液力偶合器調(diào)速方式,近幾年隨著電力電氣技術(shù)的發(fā)展,高壓變頻技術(shù)的日益成熟,其優(yōu)越的調(diào)速節(jié)能節(jié)電特性得到更大范圍發(fā)揮,應(yīng)用推廣工作正在各相關(guān)行業(yè)快速推進(jìn),在其產(chǎn)生巨大節(jié)能節(jié)電效益后,高壓變頻器成為國家水泥節(jié)能設(shè)計規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)要求的設(shè)備,我國在2007年10月25日頒布、2008年5月1日起執(zhí)行的強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)《GB50443-2007水泥工廠節(jié)能設(shè)計規(guī)范》中的第4.3.5條明確規(guī)定:“窯尾高溫風(fēng)機(jī)應(yīng)采用變頻調(diào)速裝置?!钡?.2.3條明確規(guī)定:“有調(diào)速要求的電動機(jī)應(yīng)采用變頻調(diào)速裝置。”因此2011年8月份,公司淘汰了原液力偶合器,新增高壓變頻器調(diào)速的節(jié)能改造方案。
2原設(shè)備概況
公司現(xiàn)場高溫風(fēng)機(jī)機(jī)組的主要參數(shù)如下:
2.1高溫風(fēng)機(jī)銘牌參數(shù)
型號:W6-2-29-1
NO19.5 最高使用介質(zhì)密度:1.4kg/m3 溫度:450℃ 進(jìn)口流量(風(fēng)量):170000m3/h 軸功率556kW 全壓(風(fēng)壓):
8400Pa 主軸轉(zhuǎn)速:1450rpm
2.2電機(jī)銘牌參數(shù)
電機(jī)型號:Y500-4 額定功率:630kW 額定電壓:10000V
額定電流:43.3A
額定轉(zhuǎn)速:1490rpm 功率因數(shù):0.885 額定頻率:50Hz 接線方法:Y 絕緣等級:F
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改造前液力偶合器工作簡述
液力偶合器又稱液力聯(lián)軸器,是以液體為工作介質(zhì),利用液體的動能的變化來傳遞能量的葉片式傳動機(jī)械。液力偶合器由泵輪、渦輪、轉(zhuǎn)動外殼、導(dǎo)流管等組成。液力偶合器有以下工作特點(diǎn):
優(yōu)點(diǎn):液力偶合器屬于機(jī)械調(diào)速,調(diào)速方法簡單,初投資低,容易實(shí)施。
缺點(diǎn):
?。?)液力偶合器在調(diào)節(jié)過程中存在滑差損失,由于滑差功率都是以發(fā)熱的形式消耗,然后通過冷卻水冷卻后白白浪費(fèi)掉,機(jī)械效率比較低。
?。?)由于用油用水,現(xiàn)場油路水路管道布置復(fù)雜,尤其是現(xiàn)場漏油滲油現(xiàn)象普遍。
(3)與變頻調(diào)速方式相比,液力偶合器調(diào)速的精度還比較差,對于對設(shè)備轉(zhuǎn)速要求較嚴(yán)的場合,液力偶合器調(diào)速無法滿足機(jī)組的運(yùn)行要求。同時,液力偶合器在負(fù)載低轉(zhuǎn)速時,電機(jī)的功率因數(shù)也不如變頻調(diào)速。
液力偶合器在高壓變頻器技術(shù)成熟前,在水泥行業(yè)窯尾高溫風(fēng)機(jī)調(diào)速場合,應(yīng)用十分廣泛,屬于一段時期內(nèi)的主流設(shè)計配置,但液力偶合器調(diào)速畢竟屬于有滑差損失的低效調(diào)速方式,因此上世紀(jì)90年代迅速發(fā)展起來并在近幾年成熟的高壓變頻調(diào)速技術(shù)正得到大面積推廣與應(yīng)用。
4高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)簡介
4.1變頻原理及高壓變頻特點(diǎn)
異步電動機(jī)的變頻調(diào)速是通過改變定子供電頻率f來改變同步轉(zhuǎn)速而實(shí)現(xiàn)調(diào)速的,在調(diào)速中從高速到低速都可以保持較小的轉(zhuǎn)差率,因而消耗轉(zhuǎn)差功率小,效率高,是異步電動機(jī)較為合理的調(diào)速方法。目前,變頻調(diào)速已成為異步電動機(jī)較主要的調(diào)速方式,在很多領(lǐng)域都獲得了廣泛的應(yīng)用。
高壓變頻調(diào)速具有如下顯著的優(yōu)點(diǎn):
?。?)有效節(jié)能:含變壓器在內(nèi)的整機(jī)效率在96%以上,高于原液力偶合器,可減少由負(fù)載檔板或閥門調(diào)節(jié)方式導(dǎo)致的節(jié)流損失。
?。?)提高功率因數(shù):目前單元級聯(lián)式的高壓變頻器,其輸入電流諧波含量小于國家標(biāo)準(zhǔn)的限制要求,功率因數(shù)可保證在0.95以上,與采用液力偶合器、轉(zhuǎn)子串阻等調(diào)速方式相比,輸入功率因數(shù)大大提高,無需投資功率補(bǔ)償設(shè)備,并可降低有關(guān)的設(shè)備投資與維護(hù)費(fèi)用。
?。?)軟啟、軟停:減少對電網(wǎng)和負(fù)載的沖擊,延長電機(jī)等設(shè)備的使用壽命。采用變頻調(diào)速后,可以實(shí)現(xiàn)軟起動和軟制動,幾乎不產(chǎn)生沖擊,正常運(yùn)行時又大多低于電機(jī)額定轉(zhuǎn)速,可大大延長電機(jī)定子、轉(zhuǎn)子軸及軸承等電氣與機(jī)械壽命。
?。?)節(jié)能效果明顯。
對離心式風(fēng)機(jī)而言,流體力學(xué)有以下原理:輸出風(fēng)量Q與轉(zhuǎn)速n成正比;輸出壓力H與轉(zhuǎn)速n的平方成正比;輸出軸功率P與轉(zhuǎn)速n的立方成正比;即:
風(fēng)機(jī)特性如圖1所示。風(fēng)機(jī)工作在A點(diǎn)時,其功率為PA=H1×Q1/102;風(fēng)機(jī)工作在B點(diǎn)時,其功率為PB=H2×Q2/102。因Q2H1,故PA與為PB的值變化較大,說明采用變工頻工作方式時,改變風(fēng)機(jī)的風(fēng)量,風(fēng)機(jī)的軸功率減小很大,節(jié)能效果顯著。
當(dāng)風(fēng)機(jī)風(fēng)量需要改變時,如調(diào)節(jié)風(fēng)門的開度,則會使大量電能白白消耗在閥門及管路系統(tǒng)阻力上。如采用變頻調(diào)速調(diào)節(jié)風(fēng)量,可使軸功率隨流量的減小大幅度下降,加上自身功效高于液力偶合器,綜合節(jié)能節(jié)電效果會更優(yōu)。可見,通過變頻對風(fēng)機(jī)進(jìn)行改造,可以實(shí)現(xiàn)節(jié)能,且節(jié)能空間可觀。
4.2高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及高壓主回路方案
這次改造公司選用了山東新風(fēng)光電子公司生產(chǎn)的風(fēng)光牌JD-BP38-800F高壓變頻調(diào)速系統(tǒng),采用直接“高-高”變換方式,屬電壓源型,可直接10kV輸入,直接10kV輸出,
電流諧波小,輸入功率因數(shù)高,輸出波形質(zhì)量好,不存在諧波引起的電機(jī)附加發(fā)熱和轉(zhuǎn)矩脈動、噪音、輸出dv/dt、共模電壓等問題,不必加輸出濾波器,就可以使用普通的異步電機(jī)。
風(fēng)光高壓變頻器,采用若干個低壓逆變器功率單元串聯(lián)的方式實(shí)現(xiàn)直接高壓輸出,單元電路模塊化設(shè)計,維護(hù)簡單,互換性好,高壓主回路與控制器之間為光纖連接,強(qiáng)弱電隔離,安全可靠,該10kV高壓變頻器,變壓器有24組付邊繞組,分為8個功率單元∕相,三相共24個單元,采用36脈沖整流,輸入端的諧波成分低于國標(biāo)規(guī)定,高壓變頻器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示,單元電路的主電路如圖3所示。
高溫風(fēng)機(jī)電機(jī)的高壓主回路方案如圖4所示:
K0 原高壓電機(jī)配電系統(tǒng)高壓斷路器
K1、K2和K3 新增高壓變頻器旁路開關(guān)柜
BPQ
JD-BP38-800F高壓變頻器
M
高壓電動機(jī)
變頻器控制高溫風(fēng)機(jī)為一拖一控制,旁路開關(guān)柜用于工/變頻切換。K1,K2和K3為三個高壓隔離開關(guān),要求K2和K3不能同時閉合,在機(jī)械上實(shí)現(xiàn)互鎖。K3斷開,K1和K2閉合,風(fēng)機(jī)可以變頻運(yùn)行;K1和K2斷開,K3閉合,風(fēng)機(jī)可以工頻運(yùn)行。
本高壓變頻器采用風(fēng)冷裝置,只對變頻器的出風(fēng)處加裝隔熱的通風(fēng)管道,將熱風(fēng)直接排出室外,降低柜體內(nèi)的微環(huán)境溫度,確保功率器件的管芯溫度在允許值以下。未對變頻器房間設(shè)置空調(diào)設(shè)備,只增加房間換氣軸流風(fēng)機(jī)一臺。
4.3.JD-BP38-800F高壓變頻器主要性能指標(biāo)及常見問題處理
?。?)主要性能指標(biāo)
變頻器功率:800kW
額定輸出電流:50A 輸入頻率:50Hz±5Hz 額定輸入電壓:10kV 允許電壓波動:±20% 輸入功率因數(shù):≥0.98
輸出頻率范圍:0-50Hz 輸出電壓范圍:0-10kV 頻率分辨率:0.01Hz 加速時間:0~3600s 減速時間:0~3600s
變頻器效率:≥96% 過載能力:100%連續(xù) 160%連續(xù)1min 防護(hù)等級:IP20
保護(hù)功能:單元旁路功能、單元過壓保護(hù)、單元欠壓保護(hù)、過流保護(hù)、過載保護(hù)、變頻器過熱保護(hù)、缺相保護(hù)等。
(2)常見問題的處理
風(fēng)光牌JD-BP38-800F高壓變頻器具有高度的智能化水平和完善的故障檢測電路
并能對所有故障提供精確的定位,在人機(jī)界面或工控機(jī)界面上作出明確的指示。用戶根據(jù)顯示的故障信息,分別采取相應(yīng)的處理措施。
為保證設(shè)備的可靠性,使設(shè)備最大程度不間斷運(yùn)行。系統(tǒng)發(fā)生下列故障時,按照一般故障處理:變壓器輕度過熱,柜門連鎖故障,單元柜風(fēng)機(jī)故障,工控機(jī)故障。對于一般故障的發(fā)生,系統(tǒng)不作記憶處理。在停機(jī)狀態(tài)下,如果存在這類故障,用戶還能進(jìn)行啟動等操作。
系統(tǒng)發(fā)生下列故障時,按照重故障處理:單元重故障,變壓器嚴(yán)重過熱,以上重故障發(fā)生后,系統(tǒng)作記憶處理。故障一旦發(fā)生,系統(tǒng)報警并自動跳閘停機(jī)。只有故障徹底排除后,才能重新開機(jī)。
5改造項目實(shí)施及運(yùn)行情況
2011年8月1日,公司與山東新風(fēng)光電子科技發(fā)展有限公司正式簽定變頻器的供貨合同和技術(shù)協(xié)議,根據(jù)現(xiàn)場空間情況及生產(chǎn)形勢,在原來系統(tǒng)還在正常運(yùn)行時,提前將高壓變頻器柜體及功率單元等部件運(yùn)抵現(xiàn)場并進(jìn)行本體組合安裝,安裝完畢后,在高壓變頻器輸入側(cè)通入220V普通交流電,用示波器對各功率單元輸出波形進(jìn)行測試與對比,初步驗證安裝聯(lián)線質(zhì)量與器件性能;8月底在停窯檢修項目改造對接期間,將原液力偶合器拆除,高壓電動機(jī)與高溫風(fēng)機(jī)直連對接,連接外圍控制線及與DCS接口,引入10kV主電源,輸出側(cè)連接高壓電機(jī)定子,做好高壓通電試機(jī)準(zhǔn)備,按步驟對高壓變頻器進(jìn)行空載、帶載運(yùn)行調(diào)試,做好調(diào)試運(yùn)行記錄。
?。?)變頻器具有多項保護(hù)功能,十分完善,與原來舊系統(tǒng)相比較,變頻器具有過流、短路、缺相保護(hù)等多項保護(hù)功能,能更精確地保護(hù)電機(jī),運(yùn)行穩(wěn)定,安全可靠。特別指出的是,一次進(jìn)廠10kV線路B相斷相故障及全廠突然跳閘停電,并沒有對變頻器造成損害,說明產(chǎn)品具有比較高的可靠性。
?。?)可根據(jù)生產(chǎn)現(xiàn)場的實(shí)際工況,通過DCS系統(tǒng)給定變頻器調(diào)節(jié)信號,靈活調(diào)整高溫風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速,調(diào)節(jié)精度高于原來液力耦合器方式,達(dá)到工藝需要及節(jié)能節(jié)電目的。
(3)減少了維護(hù)費(fèi)用。由于對于高壓電機(jī)實(shí)現(xiàn)真正意義上軟啟動、軟停止,所以對電機(jī)、風(fēng)機(jī)等各種設(shè)備以及電網(wǎng)的啟動沖擊大大減少,減少了設(shè)備維護(hù)費(fèi)用,延長了設(shè)備的使用壽命,大大降低了維護(hù)成本。
?。?)節(jié)能節(jié)電效果顯著,大大降低了高溫風(fēng)機(jī)電耗。為了對高溫風(fēng)機(jī)系統(tǒng)變頻改造后的效果進(jìn)行評價,在系統(tǒng)改造前、原使用液力偶合器調(diào)速時,就對正常工作日用電量進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析,記錄好電源電壓、電機(jī)電流及系統(tǒng)壓力等參數(shù),改造為高壓變頻調(diào)速后再對設(shè)備實(shí)際使用和節(jié)電情況進(jìn)行了測定和數(shù)據(jù)分析,我們認(rèn)為采用高壓變頻調(diào)速后與原使用液力偶合器調(diào)速相比(改造前后窯況相同,窯尾預(yù)熱器C1筒出口負(fù)壓4500Pa左右,高溫風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速全天穩(wěn)定在1170rpm左右時)節(jié)電率大約在15%左右,每天節(jié)電1200kW·h左右,一年按照300天運(yùn)行時間計算,年節(jié)約用電36萬kW·h,每kW·h電價按0.70元,年創(chuàng)直接經(jīng)濟(jì)效益25.2萬元。
6結(jié)束語
山東新風(fēng)光電子科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)的JD-BP38-800F高壓變頻器在特種水泥生產(chǎn)線高溫風(fēng)機(jī)上的改造是成功的,它不僅滿足了回轉(zhuǎn)窯煅燒硫鋁酸鹽特種水泥生產(chǎn)工藝的要求,節(jié)能效果顯著,而且性能穩(wěn)定,運(yùn)行可靠。隨著電氣電力技術(shù)的發(fā)展,相信不久的將來,高壓變頻器技術(shù)應(yīng)用會越來越廣闊。