兴永焦化技术方案.docx
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兴永焦化技术方案
低压变频器节能改造
可
行
性
技
术
方
案
项目名称：
低压变频器节能改造
时间：
一项目简介
神木县兴永兰炭有限责任公司由2008年永兴办事处12家小型兰炭企业整合而成。
公司位于神木县神木镇永兴办事处前店工业园区。
公司注册资本6000万人民币，总投资1.3亿，占地303亩。
年产兰炭60万吨、煤焦油6万吨、粉煤11万吨、干馏炉煤气6亿Nm³、年消耗原煤110万吨。
二节能技术分析依据
节能分析主要根据下列原则进行
2.1设计误差
我国现行的某些设计规程规定风机风量裕度为5％～10％，风压裕度为10％～15％。
设计人员考虑到长期运行过程中可能发生的各种问题，通常总是把系统的最大风量和风压富裕量作为选择风机型号的设计值。
但风机的型号和系列是有限的，往往在选用不到合适的风机型号时，只好往大机号上靠。
这样，风机的风量和风压富裕度达20％～30％是比较常见的。
不仅转动机械在设计时留有相当大的余量，其配用电动机也都留有很大的余量，如某行业转动机械配用电机的导则如下：
电动机容量选择
电动机的容量按机械所需轴功率选择，可按下式计算：
Pe≧KKiKhPz
其中Pe—电动机的额定功率（kw）
K—机械的储备系数，见表1.2.1
Ki—温度修正系数，见表1.2.2
Kh—海拔修正系数，当电动机用于海拔1000m以上时，如使用地点的温度随海拔增高而递减，并满足下式时，容量不作修正，若不满足下式要求，则每超过1℃电动机降容1%：
（h-1000）Δθ/100-（40-θ）＜0
式中h—使用地点海拔高度（m）
Δθ—海拔高度每升高100m电动机温升的递增值，其职位电动机额定温升的1%（℃）。
θ—使用地点的最高环境温度。
Pz—机械需要轴功率（kw）
表1.2.1机械的储备系数
机械性质
水泵
启动困难的风机
较易启动的鼓风机
输送粉状物质的风机
可能带负载启动的运输机械
储备系数
1.2
1.26
1.15
1.3
1.2
表1.2.2温度修正系数
冷却空气温度t
25
30
35
40
45
50
温度系数Kt
1.1
1.08
1.05
1.0
0.95
0.875
拟合函数Kt=-1E-06t³-0.0001t²+0.0055t+1.0598
风机和水泵和电机的选型误差和变负荷风机和水泵的运行工况点的变动使运行工况点与设计高效点相偏离，对此，一般情况下，采用风机挡板和泵出口门调节的风机和水泵的工作点，从而使风机和水泵的运行效率大幅度下降。
对于采用风门挡板调节风量的风机和出口门调节流量或压头的水泵这是一个固有的不可避免的问题。
这种机械的用电量中，很大一部分是因风机和水泵的型号与管网系统的参数不匹配及调节方式不当而被调节机构消耗掉的。
因此，改进离心风机的调节方式是提高风机效率，降低风机耗电量的最有效途径。
2.2变负载调整误差
风机和水泵基本上都采用定速驱动。
这种定速驱动的风机和水泵，如果需要调节服务点的压力或流量，只好采用流到上的阀门，对于泵采用出口阀，风机则采用入口风门调节流量，都存在严重的节流损耗。
尤其在机组变负荷运行时，由于风机和水泵的运行偏离高效点，使运行效率降低。
调查表明：
我国发电企业50MW以上机组锅炉风机运行效率低于70％的占一半以上，低于50％的占1/5左右。
由于目前普遍的机组负荷偏低，风机的效率就更低，有的甚至不到30％，结果是白白地浪费掉大量的电能。
离心式风机在变速调节的过程中，如果不考虑管道系统阻力R的影响，且风压H随流量Q成平方规律变化，则风机的效率可在一定的范围内保持最高效率不变（只有在负荷率低于80％时才略有下降）。
图3给出了某风机采用风门挡板调节和变速调节方式时，风机的效率－流量曲线。
由图3可知：
在风机的风量由100％下降到50％时，变速调节与风门挡板调节方式相比，风机的效率平均高出30％以上。
因而，从节能的观点来看，变速调节方式为最佳调节方式。
另外，采用定速驱动时，风机靠风门挡板，水泵则靠阀门开度来调节流量，除产生大量的节流损耗外，反应速度慢，甚至可导致靠它作为调节手段的自动调节装置无法投入，影响整个工业过程的总体协调控制无法投入。
采用调速驱动后，过程的可控性提高了，响应速度加快，控制精度也提高了。
从而进一步节约能源。
同时，采用变速调节以后，可以有效地减轻机械叶轮和轴承的磨损，延长设备使用寿命，降低噪声，大大改善起动性能。
工艺条件的改善也能够产生巨大的经济效益。
图3风机采用风门挡板调节和变速调节方式时，风机的效率－流量曲线。
图4给出了离心式风机不同负荷下不同调节方式的轴功率（以相对额定轴功率的百分比给出），图中最下一条曲线为理想的轴功率曲线。
从图中可见各种调节方法能耗区别之大。
图4离心式风机不同负荷下不同调节方式的轴功率
2.3工艺与管理误差
在设计与运行上都存在节能空间的设备，由于大功率电机不允许频繁启动，冷却用设备不随环境温度变化调整，造成大量能源浪费。
这其中有工艺流程设计的粗放式原因，也有生产过程精细化管理上的不到位。
通过节能技术改造，可以在技术上实现适应性调整，达到节能的目的。
低压变频器改造节电率和选型
3.2低压（380V）变频器的选型和节电率台
单位
设备名称
电机参数
负载额定参数
预计节电率
运行参数
变频器参数
数量
功率KW
电流A
压力/扬程m
流量m3/h
%
kWh*ah
电流A
功率KW
开度
%
压力MPa
流量
m3/h
型号
煤气风机
90
163.6
17670
12
8.86*ah
140
73.8
76.5
6840
HID300-T4-110P
12
空气风机
45
83.9
10250
12
4.8*ah
70
40
76.5
3800
HID300-T4-55P
4
夹套水泵
45
84.7
38
243
10
3.2*ah
62
32
100
0.33
178
HID300-T4-55P
4
凉水塔水泵
37
69.9
44
176
15
4.65*ah
60
31
100
0.26
130
HID300-T4-45P
4
冷热环泵
45
84.7
38
243
10
3.2*ah
62
32
100
0.33
178
HID300-T4-55P
8
合计
32
项目中以ah=24×300=7200小时（除去维修停产时间）计算。
节约电量P=（8.86*12+4.8*4+3.2*4+4.65*4+3.2*8）*7200=1314144KWH
电价为0.7元，一年节约电费约为：
1314144*0.7=919900元
四各分厂节能分析
节能分析
表1.离心式风机风门开度与风量、风压和节电率的关系：
风门开度（o）
风门开度（％）
风量（％）
风压（％）
节电率（％）
10o
11.1％
25.0％
10.0％
95％
15o
16.7％
35.0％
15.0％
90％
20o
22.2％
45.0％
22.0％
80％
25o
27.7％
55.0％
32.0％
70％
30o
33.3％
61.7％
42.0％
60％
35o
38.9％
68.3％
50.0％
48％
40o
44.4％
76.7％
60.0％
31％
45o
50.0％
81.7％
68.0％
20％
50o
55.6％
83.3％
75.0％
16％
55o
61.1％
85.5％
80.0％
13％
60o
66.7％
88.3％
84.0％
10％
65o
72.2％
90.8％
87.3％
7％
70o
77.8％
93.1％
90.4％
5％
75o
83.3％
95.1％
93.3％
3％
80o
88.9％
96.7％
95.8％
2％
85o
94.4％
98.8％
98.0％
0％
90o
100.0％
100.0％
100.0％
－4％
现场数据
煤气风机参数
风机参数
运行参数12用6备
电动机型号/
Y280M-4
风机型号
23Y
运行电压KV
0.38
额定功率kW
90
风机类型
离心式
运行电流A
140
额定电压kV
0.38
额定流量m3/h
17670
实际转速r/min
额定电流A
163.6
额定全压KPa
进口风门开度%
76.5
额定转速r/min
1480
额定转速r/min
入口压力KPa
额定效率%
额定风机效率%
出口流量m3/h
6840
额定功率因数
0.89
额定轴功率kW
调节方式
阀门
节能分析
煤气风机长期在额定转速下运行,根据目前运行现状,用运行电流可求出各低压电动机在现有运行方式下的功率，根据上表实际测量的数据，可以算出各电机实际消耗的有功功率：
煤气风机P1=1.732I2U2cosφ×0.9=1.732×0.38×140×0.89×0.9=73.8（KW）
0.9此值为功率因素下降系数，如果实际电流越接近额定电流，此值越接近1，如果越小于额定电流，此值越小，基本为0.8-0.95间。
安装变频器后,我们将风门开度调整为100%.风机原先调节方式为通过调节入口风门开度的方式，现改为调节风机的电机运行频率，改变电机的速度来达到调节的目的。
根据流量、压力、轴功率与其转速的关系
用文字表述为：
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。
Q2/Q1=n2/n1
H2/H1=（n2/n1）2
P2/P1=（n2/n1）3
节电率计算：
煤气风机现有运行出口流量为6840m3/h，根据离心式风机特性，以此作为节能分析标准。
安装变频器后
根据流体学原理P2=P1×（n2/n1）3可以求出低速下的实际消耗的有功功率：
煤气风机P2=Pe×（n2/n1）3=Pe×（Q2/Q1）3=90×（6840/17670）3=90×0.393=5.3KW
变频时合计消耗电能：
煤气风机P3=P2/λ1/λ2=5.3/96%/90%=6.2（KW）
λ1为变频效率；λ2为传动效率
理论节电率：
煤气风机η理论=（P1－P3）/P1＝（73.8-6.2）/73.8=91.6%（此数据是按照实际风量和额定风量比值计算，根据经验，不会有这么高的节电率）
备注：
这是按照阀门开度为76.5%计算出的节电率
由给出的风门开度为76.5，其对应的实际风量约为额定风量的90%即17670m3/h×90%=15903m3/h，其对应的节电量应该为12%
空气风机参数
风机参数
运行参数4用4备
电动机型号/
Y225M-4
风机型号
运行电压KV
0.38
额定功率kW
45
风机类型
离心式
运行电流A
70
额定电压kV
0.38
额定流量m3/h
10250
实际转速r/min
额定电流A
83.9
额定全压KPa
进口风门开度%
76.5
额定转速r/min
2970
额定转速r/min
入口压力KPa
额定效率%
额定风机效率%
出口流量m3/h
3800
额定功率因数
0.89
额定轴功率kW
调节方式
阀门
节能分析
空气风机长期在额定转速下运行,根据目前运行现状,用运行电流可求出各低压电动机在现有运行方式下的功率，根据上表实际测量的数据，可以算出各电机实际消耗的有功功率：
煤气风机P1=1.732I2U2cosφ×0.9=1.732×0.38×70×0.89×0.9=40（KW）
0.9此值为功率因素下降系数，如果实际电流越接近额定电流，此值越接近1，如果越小于额定电流，此值越小，基本为0.8-0.95间。
安装变频器后,我们将风门开度调整为100%.风机原先调节方式为通过调节入口风门开度的方式，现改为调节风机的电机运行频率，改变电机的速度来达到调节的目的。
根据流量、压力、轴功率与其转速的关系
用文字表述为：
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。
Q2/Q1=n2/n1
H2/H1=（n2/n1）2
P2/P1=（n2/n1）3
节电率计算：
空气风机现有运行出口流量为3800m3/h，根据离心式风机特性，以此作为节能分析标准。
安装变频器后
根据流体学原理P2=P1×（n2/n1）3可以求出低速下的实际消耗的有功功率：
空气风机P2=Pe×（n2/n1）3=Pe×（Q2/Q1）3=45×（3800/10250）3=90×0.393=2.3KW
变频时合计消耗电能：
煤气风机P3=P2/λ1/λ2=2.3/96%/90%=2.7（KW）
λ1为变频效率；λ2为传动效率
理论节电率：
空气风机η理论=（P1－P3）/P1＝（40-2.7）/40=93.2%（此数据是按照实际风量和额定风量比值计算，根据经验，不会有这么高的节电率）
备注：
这是按照阀门开度为76.5%计算出的节电率
由给出的风门开度为76.5，其对应的实际风量约为额定风量的90%即10250m3/h×90%=9225m3/h，其对应的节电量应该为12%
夹套泵参数
水泵参数
运行参数4用2备
电动机型号
Y2-225M-4
水泵型号
运行电压KV
0.38
额定功率kW
45
水泵类型
离心式
运行电流A
62
额定电压kV
0.38
额定流量m3/h
243
实际转速r/min
额定电流A
84.7
扬程M
38
阀门开度%
100
额定转速r/min
1475
额定转速r/min
出口压力MPa
0.33
额定效率%
额定风机效率%
流量m3/h
178
额定功率因数
0.87
额定轴功率kW
调节方式
阀门
静扬程=0.33/0.38=87%
流量比=178/243=73%=转速比
轴功率=1.732I2U2cosφ×0.9=1.732×0.38×62×0.87×0.9=32（KW）
轴功率/定功率=32/45=71%
查表水泵系统在不同静扬程和不同流量时转速、轴功率，其节电率：
2.2%（估算）
由于阀门全开其变频节电率比较低，根据经验，随着生产负荷的变化，安装变频后能根据工艺调节供水压力和流量，一般节电率在10%左右。
凉水塔水泵参数
水泵参数
运行参数4用2备
电动机型号
Y2-225M-4
水泵型号
运行电压KV
0.38
额定功率kW
37
水泵类型
离心式
运行电流A
60
额定电压kV
0.38
额定流量m3/h
176
实际转速r/min
额定电流A
69.9
扬程M
44
阀门开度%
100
额定转速r/min
1475
额定转速r/min
出口压力MPa
0.26
额定效率%
额定风机效率%
流量m3/h
130
额定功率因数
0.87
额定轴功率kW
调节方式
阀门
静扬程=0.26/0.44=59%
流量比=130/176=74%=转速比
轴功率=1.732I2U2cosφ×0.9=1.732×0.38×60×0.87×0.9=31（KW）
轴功率/定功率=31/37=84%
查表水泵系统在不同静扬程和不同流量时转速、轴功率，其节电率：
15%（估算）
冷热环泵参数
水泵参数
运行参数8用4备
电动机型号
Y2-225M-4
水泵型号
运行电压KV
0.38
额定功率kW
45
水泵类型
离心式
运行电流A
62
额定电压kV
0.38
额定流量m3/h
243
实际转速r/min
额定电流A
84.7
扬程M
38
阀门开度%
100
额定转速r/min
1475
额定转速r/min
出口压力MPa
0.33
额定效率%
额定风机效率%
流量m3/h
178
额定功率因数
0.87
额定轴功率kW
调节方式
阀门
静扬程=0.33/0.38=87%
流量比=178/243=73%=转速比
轴功率=1.732I2U2cosφ×0.9=1.732×0.38×62×0.87×0.9=32（KW）
轴功率/定功率=32/45=71%
查表水泵系统在不同静扬程和不同流量时转速、轴功率，其节电率：
2.2%（估算）
由于阀门全开其变频节电率比较低，根据经验，随着生产负荷的变化，安装变频后能根据工艺调节供水压力和流量，一般节电率在10%左右。
表2水泵系统在不同静扬程和不同流量时转速、轴功率和节电率：
流量Q/Qe
静扬程Hst
零
流量
10％
20％
30％
40％
50％
60％
70％
80％
90％
10％
转速%
31.6
37.1
42.8
48.5
54.8
61.3
68.4
75.8
83.3
91.2
轴功率%
3.16
4.27
7.84
11.4
16.5
23.1
32.0
43.6
57.8
75.9
节电率%
90.5
86.7
82.2
75.5
70.4
62.5
51.2
38.3
20.9
20％
转速%
44.7
49.5
54.4
59.4
64.5
69.6
74.8
80.1
85.8
92.1
轴功率%
8.93
12.1
16.1
21.0
26.8
33.7
41.9
51.4
63.2
78.1
节电率%
79.4
75.2
70.8
65.3
59.2
51.5
42.4
31.2
17.0
30％
转速%
54.8
58.6
62.5
66.5
70.6
74.7
78.9
83.4
88.1
93.0
轴功率%
16.5
20.1
24.4
29.4
35.2
41,7
49.1
58.0
68.4
80.4
节电率%
65.6
62.2
59.1
53.4
49.5
42.6
35.0
25.8
14.5
40％
转速%
63.2
66.2
69.3
72.5
75.8
79.2
82.7
86.3
90.0
93.9
轴功率%
25.2
29.0
33.3
38.1
43.6
49.7
56.6
64.3
72.9
82.8
节电率%
55.8
53.5
49.9
46.0
40.5
34.5
28.0
20.9
12.0
50％
转速%
70.7
73.1
75.6
78.1
80.7
83.4
86.2
88.9
91.8
94.8
轴功率%
35.5
39.1
43.2
47.6
56.7
58.0
64.1
70.3
77.4
85.2
节电率%
43.6
41.5
36.0
32.7
29.5
25.8
21.3
16.1
9.4
60％
转速%
77.5
79.2
80.9
82.6
84.5
86.6
88.8
91.0
93.3
95.7
轴功率%
46.6
49.7
52.9
56.4
60.3
65.0
70.1
75.4
81.2
87.7
节电率%
30.1
28.4
26.6
24.5
22.2
18.9
15.5
11.9
6.8
70％
转速%
83.7
85.0
86.3
87.6
88.9
90.3
91.8
93.3
94.8
96.6
轴功率%
58.6
61.4
64.3
67.2
70.3
73.6
77.4
81.2
85.2
90.2
节电率%
12.4
11.4
10.3
9.3
8.3
7.2
6.2
5.1
4.2
80％
转速%
89.5
90.3
91.1
91.9
92.7
93.6
94.5
95.4
96.4
97.5
轴功率%
71.7
73.6
75.6
77.6
79.7
82.0
84.4
86.8
89.6
92.7
节电率%
5.9
5.1
4.3
3.6
3.1
2.6
2.2
1.8
1.5
阀门
调节功耗
％
73
77
80
84
87
90
93
96
98
注意：
1.表中最左边一栏为水泵系统静扬程与全扬程的百分比；
2.表中最上边一栏为水泵系统的实际流量与额定流量的百分比。
3.本表所列数据系根据某典型水泵特性得出，与实际的泵有一定误差。
五、低压控制电缆的实施方案
5.1系统控制方案
本项目HID300系列变频器配置的控制系统采用一拖一工变频切换方案，变频与工频能够手动切换，其一次系统如下图所示：
变频调速系统由断路器、工变频切换旁路、HID300系列低压变频器组成。
旁路是由两个低压接触器KM1、KM2组成。
闭合断路器QF,二次控制线路中三位钥匙开关打到节能端时，允许电机变频运行，给变频器启动运行信号后，KM1闭合，KM2断开，电机以变频方式运行；闭合断路器QF,二次控制线路中三位钥匙开关打到工频端时，允许电机工频运行，给变频器启动信号后，KM2闭合，KM1断开，电机以工频方式运行。
变频与工频之间的切换，必须要等待电机负载完全停止后方可切换。
变频输出接触器KM1和工频接触器KM2互锁，完全能够保证变频调速系统安全运行。
二次控制回路系统由输入电压表，输入电流表，小型断路器，三位钥匙开关，柜门节电、市电、故障指示灯等组成。
柜门上配输入电压表，输入电流表来监控三相电源的输入电压和电流；三位钥匙开关可打到节电、市电、零位三个位置，柜体前门配置有节电、市电、故障指示。
变频器控制端子MB,MC设为变频故障输出。
变频器的操作显示面板外引到柜体前门。
5.2低压一次电缆
低压一次电缆，充分利用现有的低压电缆，采用把接电机的低压电
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