白庄变频改造可行性讲解.docx

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白庄变频改造可行性讲解

白庄煤矿2013年变频改造项目可行性分析

随着电力电子技术、计算机技术和自动控制技术的不断发展，以变频调速为代表的近代交流调速技术有了飞速的发展，交流变频调速技术以其卓越的调速性能、显著的节能效果以及在国民经济各领域的广泛适用性，而被公认为是一种最有前途的交流调速方式，代表了电气传动发展的主流方向。

变频调速技术为节能降耗、改善控制性能、提高产品的产量和质量提供了至关重要的手段。

为积极响应集团公司节能降本的号召，结合我矿实际，2013年计划对南风井、9100、9800皮带、-250m东翼集中皮带及2套综采乳化液泵进行变频改造，现将各项目可行性分别简述如下：

一、南风井变频改造

（一）南风井现状和存在的问题

白庄煤矿南风井主扇风机采用山西运城安瑞节能风机制造有限公司生产的FBCDZ-8-NO28型对旋轴流式通风机，服务范围为-150水平、-430水平东翼、3900采区，服务年限为20年，为风机配套电机500KW×2，额定风量13600m3／min，运行最高效率可达85％。

现阶段通风需求较小。

由于受采深逐渐加大、地质构造、巷道层位布置的影响。

随着采区、-430m水平的延伸接替，通风系统的巷道断面的变化将是一个动态反复的过程。

风机与通风系统匹配的好坏程度也将是一个动态反复的长期过程。

由于风机设计选型考虑到煤矿的安全生产留有较大余量，风机运行在矿井寿命的前期、中期乃至后期风机不能达到满负荷，相对运行在小角度、小风量、低效率区域，风机整体机组效率实际仅为75％。

（二）解决此问题的具体方案

根据风机变频改造经验，利用高压变频技术改造后，风机风叶角度调到高效角度，风机转速降到满足风量的合理转速，供电系统为工频、变频双回路系统，以变频为主，变频和工频互为备用，安全程度大大提高，具有重大的安全社会经济效益。

具体措施是风机风叶角度由-3度调至0度，风机效率由75%提高到最高效率85%。

通过变频调速将风机转速降至679转,风机确保风量7800m3／min（130m3/s）。

通过对风机风叶角度和运行转速的优化组合，使风机无论运行在寿命的前期、中期、后期，风机效率始终是最高85％。

（三）风井风机变频改造效益分析

1、风井现场数据

风井风机2台1用1备

配套电机

运行工况

型号

FBCDZ-8-NO28

型号

YBFe630S1-8

扇叶角度

-3°

轴功率

额定功率

500KW×2

实际功率

一级：

295kW345kVar

二二级：

259kW303kVar

风压

1380-4450Pa

额定电压

6kV

实际电压

6.4kV

额定流量

230m3/s

额定电流

61.3A

实际电流

一级：

41A

二级：

36A

额定转速

740r/min

转速

740r/min

风压风量

2500Pa130m3/s

调节方式

扇叶角度

功率因数

0.89

功率因数

0.65

2、目前生产阶段经济效益分析

改造前风机长期在额定转速下运行,根据运行电压、电流等参数得出电动机工频运行时，实际消耗的有功功率：

P11=295+259=554（kW）

P12=（345+303）×0.12=77.76（kW）

P1=554+77.76=631.76（kW）

P1为总消耗功率，P11为实际消耗有功，P12为无功折算的有功，折算系数取0.12；

安装变频器后,我们将调节扇叶角度调整到高效区85%，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，由如下图所示扇风机性能曲线确定风机工况点，进而得出以流量7800m3/min（130m3/s）风压3.168kPa计算。

安装变频器后

P2=Q2×H2÷λ=130m3/s×3.168kPa÷85%=484.6（kW）

变频时合计消耗电能

P3=P2/λ1/λ2=P2/95%/94%=542.7（kW.h）

P2为改造后消耗有功;Q2为风机实际流量;H2为风机实际负压

λ为风机效率；λ1为变频效率；λ2为传动效率；

节电率：

η=（P1-P3）/P1＝（631.76-542.7）/631.76=14.1%

月节电费用

（631.76-542.7）×30×24×0.65=4.17万元

年节电费用

4.17×12=50.04万元

由以上数据可知，改造前后平均每天可节约电量2137度，全年节电量为76.9万度，按每度电0.65元计算，全年可节约资金50.04万元。

而实施高压变频技术改造的总投资为160万元，显然投资回收期为160/50.04=3.1年。

预计经过三年可以收回投资。

3、新汶矿业集团公司孙村煤矿变频改造实际效果

该矿矿井通风系统在2005年1月由一台400风井单独运行的中央分列式通风系统，改变为一台400风井与北立井风井联合运行的两翼对角式通风系统，矿井风量的需求发生了较大变化，由原来的218.42m3/s，降到129.94m3/s。

且矿井风量调整只能靠调整风机叶片导角完成，不能实现无级平滑调速，风机整体耗能较多，风机工作在低效区，原有的1250kW电机容量富裕过多。

为了满足风量需求的变化，北风井通风机自2005年一月后，多次调整前导叶角度，由0°逐渐调整到现在的33°，节流功率损失非常大，即电动机的能源损耗很大。

孙村矿北风井抽风机变频装置在2007年11月27日正式投入运行，根据风量需求，将风机运行频率调整为44Hz，电机输出功率由改造前前导器叶片33.75°时的1027kW下降至911kW，下降了116kW。

通过对风机在工频和变频运行状态下的用电情况进行了实测，风量为130～131m3/min的情况下。

2008年1月28日9：

00－30日9：

00风机前导叶片33.75°，电机频率为50Hz时，运行2＃风机电度表底数分别为9863.15和9889.1，24小时用电20760kWh。

   2008年1月30日11：

00－2月2日11：

00，风机前导叶片0°，电机频率为44Hz时，运行2＃风机电度表底数分别为9889.65和9911.07，24小时用电17136kWh。

在满足矿井通风要求的情况下，24小时节电3624kwh，节电率为17.46％，年节电132.3万kWh，电费75万元。

从新汶矿业集团公司孙村煤矿北风井主通风机技术变频改造的实际应用情况来看，对矿井主通风机进行高压变频改造，不仅能够有效地减少电能消耗，而且可以优化整个电力传动系统的控制性能，对我们来说具有极大的推广价值。

（四）其它间接效益

◆风机转速降低，轴温、噪音、振动大幅降低，改善了工作环境。

◆软启动，对电网和相关机电设备的冲击明显减小。

◆功率因数大幅提高0.96以上，电网质量明显提高。

◆变频运行为主，工频系统备用，消除事故隐患安全系数更高。

◆风机维护量减少，使用寿命延长。

◆矿井供风量根据总工程师机电矿长指示随时按需调节。

二、皮带变频改造

（一）9100集中皮带变频改造

1、9100集中皮带现状和存在的问题

9100集中皮带配套电机功率2×110KW，运输能力400t/h，现阶段只有两个掘进迎头，启动比较频繁，负荷较低，皮带长期运行在较低负荷状态下，电机效率较低，“大马拉小车”，频繁启动会造成电机发热严重，电网压降明显。

2、解决此问题的具体方案

根据皮带变频改造经验，若采用变频调速后，电机输出转矩（功率）慢慢增加，启动电流被限制在额定电流的1.5倍，对电网和电机冲击都比较小，另外变频运行会显著降低皮带运输电耗，经济效益明显。

3、皮带变频改造效益分析

皮带配套电机功率2×110KW，去除矿井停产检修和重要节假日每年约运行350天，煤矿属三班制企业，每天按开车20小时计算，设电机富裕功率系数为1.15，则年耗电能

W=2×110KW×20h×350×0.86=1324400kW·h。

安装变频器后,采用变频运行后按最低节能30%计算，则年节约电能：

W’=0.3W=397320kW·h，不考虑用电时段电费，按每kW·h电能0.65元计算，年节约电费：

0.65W’=25.8万元

由以上数据可知，改造前后全年节电量为39.7万度，全年可节约电费25.8万元。

而变频技术改造的总投资为72万元，显然投资回收期为72/25.8=2.8年，经过三年可以收回投资。

按变频器正常工作八年计算（实际可工作十年或更长），八年累计可节约电费：

25.8×8-72=134.4万元

经济效益非常明显。

其它优点：

◆电机实现软启动，启动电流限制在额定电流的1.5倍，相对工频启动电流大大减小，启动转矩平稳增加，对电网和相关机电设备的冲击明显减小。

◆降低了机电设备故障率和维修量，延长了机电设备和皮带接头的使用寿命。

◆电机功率因数大幅提高，降低了无功损耗。

（二）9800集中皮带变频改造

1、9800集中皮带现状和存在的问题

9800集中皮带配套电机功率2×110KW，长度700米，运输能力400t/h，设计9800集中皮带选择电机时，根据后期延长至1000米设计，现阶段只有一个掘进迎头，启动比较频繁，一季度准备安装一个普采面，负荷较低，皮带长期运行在较低负荷状态下，电机效率较低，“大马拉小车”，频繁启动会造成电机发热严重，电网压降明显。

2、解决此问题的具体方案

根据皮带变频改造经验，若采用变频调速后，电机输出转矩（功率）慢慢增加，启动电流被限制在额定电流的1.5倍，对电网和电机冲击都比较小，另外变频运行会显著降低皮带运输电耗，经济效益明显。

3、皮带变频改造效益分析

皮带配套电机功率2×110KW，去除矿井停产检修和重要节假日每年约运行350天，煤矿属三班制企业，每天按开车20小时计算，设电机富裕功率系数为1.15，则年耗电能

W=2×110KW×20h×350×0.86=1324400kW·h。

安装变频器后,采用变频运行后按最低节能30%计算，则年节约电能：

W’=0.3W=397320kW·h，不考虑用电时段电费，按每kW·h电能0.65元计算，年节约电费：

0.65W’=25.8万元

由以上数据可知，改造前后全年节电量为39.7万度，全年可节约电费25.8万元。

而变频技术改造的总投资为72万元，显然投资回收期为72/25.8=2.8年，经过三年可以收回投资。

按变频器正常工作八年计算（实际可工作十年或更长），八年累计可节约电费：

25.8×8-72=134.4万元

经济效益非常明显。

其它优点：

◆电机实现软启动，启动电流限制在额定电流的1.5倍，相对工频启动电流大大减小，启动转矩平稳增加，对电网和相关机电设备的冲击明显减小。

◆降低了机电设备故障率和维修量，延长了机电设备和皮带接头的使用寿命。

◆电机功率因数大幅提高，降低了无功损耗。

三、综采乳化液泵变频改造

一、现状及改造方案

目前我矿使用综采设备2套，乳化液泵功率分别为200KW和125KW，为一用一备的工作方式，我们的设计思想是把变频装置做成一拖二的控制方式，把55KW、75KW、90KW、110KW、125KW、200KW做成通用的防爆外壳、控制方式以及标准的通讯接口，负载电机的不同只需更换内部的功率模块。

变频器组件、检测用变送器和控制用PLC均选用进口西门子产品，以提高产品的知名度和可靠性。

乳化液泵变频调速控制系统主要由变频器、传感器以及辅助开关几部分组成。

实现乳化液泵一用一备、工频变频自动切换及系统的各项保护功能，能够实现一拖二功能，配防爆压力变送器。

1、矿用隔爆兼本质安全型交流变频器

矿用隔爆兼本质安全型交流变频器其核心部件选用国外知名品牌产品，内置电抗器、继电器等元件。

变频器具有以下优点：

●保护功能

变频器拥有它自己的综合系统来保护自己和防止其中关键元器件的损坏，所有报警信号需给予高度迅速的重视，不造成立即停机的报警信号有：

●运行丢失或允许再启动、控制电压过低、速度控制丢失

●欠压、功率管触发故障

变频器控制系统还提供可造成立即停机的故障信号：

●供电电压过高/过低、内/外部短路（IGBT将立即关断）

●过流、接地故障、DC环节过压和欠压（缺相保护）

●控制电压故障、微处理器故障、冷却故障（通风）

2、系统的控制过程

由压力测量变送器出水管出口压力，并转换成与之相对应的4～20mA的标准电信号，送到PLC与工艺所需的控制指标进行比较，得出偏差；PLC按预先规定的调节规律对偏差值进行运算得出调节信号，该信号直接送到变频器，使变频器控制电机的运转速度。

从而达到恒定压力的目的。

以下为乳化泵站配置图

该系统有变频、工频两种控制形式，能自行选择运行方式。

工频能够同时控制两台泵组（工频时采用原用户的磁力启动器），变频能够分别控制任何一台泵组。

例如当主电机启动时用变频控制，当主电机不能满足压力需要时主电机可以自动切换到工频运行，此时变频器再驱动备用电机一达到恒定压力的目的。

具体控制方式可以现场根据用户要求调试。

1、主回路问题

电解电容体积大，高温环境下易爆炸，不安全；为此可选用多只无感电容并联，无感电容体积小、耐高温、耐高压，安全可靠。

为了耐受住变频装置开机瞬间电容充电电流的冲击，整流元件容量选择比通用变频器提高一个等级。

2、工艺问题

可以参考现有的防爆壳体的整套工艺，一些细节问题还需在下一步的实践中进行摸索。

二、发展前景和经济效益分析

由于防爆变频的设计原理、工艺构造都是按照通用变频的设计思路而得来的，所以在技术上是成熟的。

只要在工艺上、结构上进一步完善，把防爆变频做的更完美、更可靠、更人性化，相信在不远的将来防爆变频在自动控制领域将会发挥其更大的潜能，为我们的国民经济创造更大的价值。

乳化液泵在矿区虽然负荷不算太大，但它的工作性质是24小时全天候工作，而且卸荷时也消耗大量的电能，对其进行变频改造是节能降耗的强有力手段，估算节能在25%-50%左右。

1、按200KW计算：

每年用电量:

200度*360天*24小时=1728000度

每年电费:

1728000度*0.6元/度=1036800元

按每年节约电费30%计算:

1036800元*0.3=311040元

按照2013年安全费用预算价格：

95万元计算，回收期为：

37个月。

2、按125KW计算：

每年用电量:

125度*360天*24小时=1080000度

每年电费:

1080000度*0.6元/度=648000元

按每年节约电费30%计算:

648000元*0.3=194400元

按照2013年安全费用预算价格：

75万元计算，回收期为：

46个月。