泰钢变频改造整体解决方案0205孙胜华制作谭飞审核.docx
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泰钢变频改造整体解决方案0205孙胜华制作谭飞审核
泰山钢铁有限公司
高压变频节能改造方案
烟台东方科技环保节能有限公司
2013年02月
目录
1、项目企业概况及电机系统节能项目分析3
2、东方电子简介4
3、供货范围5
4、机尾除尘风机、出焦除尘风机、1#喷煤主排风机电气及控制系统技改方案6
4.1一次回路技术方案6
4.2控制方式及技术方案7
4.3变频器系统与开关柜接口信号8
4.4控制电源8
5、风机节能分析8
5.1设备额定参数8
5.2设备运行参数9
5.3节能分析9
5.3.1、机尾除尘风机节能计算9
5.3.2、出焦除尘风机节能计算10
5.3.3、1#喷煤主排风机节能计算11
6、设备外形尺寸及安装方案12
6.1设备外形尺寸12
6.2设备安装方案12
附件1：
DF5000变频器特点特殊说明15
附件2：
变频节能原理20
1、项目企业概况及电机系统节能项目分析
我方依据泰山钢铁有限公司提供的相关数据，根据贵公司提供的风机参数及系统运行设备能耗情进行节能评估（详细评估过程见方案评估过程部分），节能数据分析如下：
序号
设备名称
额定功率（kW）
额定电流（A）
运行功率（kW）
对应变频功率（kW）
节电率
年节电量（万kWh）
年节电费（万元）
年节标煤（吨）
备注
1
机尾除尘风机
1250
91
753.42
517.31
20%
128.38
77.03
475.01
单台设备数据
2
出焦除尘风机
900
62.7
312
344
不建议进行变频改造
3
1#喷煤主排风机
630
44.3
360
574.62
项目平均节电率
20%
项目合计年节电量（万kWh）
128.38
项目合计年节电费（万元）
77.03
项目合计年节标煤（吨）
475.01
注：
平均电价为0.6元/kwh，1kwh=370g标煤，详细计算过程见风机节能分析部分。
通过高压变频器驱动电动机运行，还具有许多其它潜在效益：
⏹改善当前控制精度，改善生产工艺流程，提高控制精度，降低检修维护费用；
⏹实现软启动（降低冲击电流、减少设备磨损、延长寿命）；
提高网侧运行功率因数（≥0.95），改善电能质量，改善运行环境（降低噪声）等……
2、东方电子简介
东方电子集团有限公司是一家集科研开发、生产经营、技术服务、系统集成于一体的大型高新技术企业集团，是中国能源管理系统解决方案的主要供应商之一，致力于为客户提供“绿色能源解决方案”。
公司总资产22亿元，员工2000余人，硕士231人，博士及在读博士32人，其中拥有本科及本科以上学历者占员工总数的75％。
⏹中国通过发改委审核的第一批节能服务公司
⏹深交所上市公司（股票代码：
000682）
⏹中国软件产业百强企业第25位
⏹中国节能产业协会EMCA常务委员单位
⏹国家经贸委、税务总局、海关总署认定的“国家级企业技术中心”
⏹国家人事部、国家经贸委确认的博士后科研工作站
⏹中国电力企业联合会理事单位
⏹
……
东方电子主营业务是给电厂、电网以及最终用电客户整个电能量传送过程提供自动控制整体解决方案，具体包括：
3、供货范围
根据设备参数及运行参数，我方选择以下型号的DF5000型高压变频器系统对风机进行改造，供货清单如下：
序号
名称
型号规格
数量
说明
1
高压变频器系统
DF5000-Y10/92-S-P-S1-1
单元柜
1套
机尾除尘风机
变压器柜
一拖一手动旁路柜
随机备品备件清单：
序号
名称
型号规格
数量
制造厂
产地
1
功率单元
ECM-96
1个
东方电子
烟台
2
熔断器
RGS7-700
2个
东方电子
烟台
3
过滤网
与变频器配套
1套
东方电子
烟台
注：
每套变频器配置包括一台单元柜（含控制柜）、一台变压器柜、一台旁路柜。
4、机尾除尘风机、出焦除尘风机、1#喷煤主排风机电气及控制系统技改方案
针对泰山钢铁有限公司提供的风机工况特点及工况要求，原有工频一次回路的基础上，为风机增加一套含‘一拖一手动旁路柜’的高压变频器系统，通过新增的高压变频器系统，使风机可以在变频运行状态和工频运行状态间进行自动切换，即使在变频器发生故障时，可以自动切换至工频运行；当变频器检修完毕时，也可一键自动切换至变频运行。
保证不因增加高压变频器系统而降低原有系统的整体可靠性。
4.1一次回路技术方案
根据现场情况及工况要求，采用如下一次回路技术方案：
图1变频改造后一次主回路图
在以上主回路图中，虚线框内为配备手动旁路柜的高压变频器系统，QF0为原有高压开关柜内的高压断路器，QS1、QS2为手动隔离开关（QS2为单刀双掷隔离开关，状态分为QS21、QS22状态），电机可以实现手动旁路。
QS1闭合，QS2处于QS21状态时，电机可由变频器控制调速运行。
QS1断开，QS2处于QS22状态时，电机可切换回原有工频运行状态，同时变频器可完全和电网脱离，便于维护与检修。
同时为保证系统可靠安全运行，高压变频器系统具备机械互锁和电气互锁：
工频回路与变频回路互锁：
QS2在同一时刻只能处于QS21状态或QS22状态，能够避免高压电源直接输入到变频器输出，避免对变频器造成损坏；
变频回路的合闸闭锁：
将变频器合闸允许信号与手动旁路柜的变频回路开关位置串联，然后将信号串入到上级开关柜中QF0的合闸允许回路中（当QS1闭合，QS2处于QS21状态且变频器允许合闸时允许QF0合闸，此时处于变频运行状态；当QS1断开，QS2处于QS22状态时允许QF0合闸，此时处于工频运行状态；其余状态下不允许QF0合闸），可以实现在变频器不具备合闸条件或变频回路隔离刀闸位置不到位时，不允许上级开关柜中QF0合闸，最大限度保证人员及设备安全；
变频重故障跳闸联锁：
将变频器重故障信号与手动旁路柜的变频回路开关位置串联，然后将信号并入到上级开关柜QF0的跳闸控制回路中，在变频运行状态下若变频器发生故障，能自动跳开上级断路器QF0，然后实现手动切换至工频运行，同时在故障消除前不允许再次变频器合闸。
高压变频器系统变频/工频运行状态在柜体上有明显的标识，电气联锁和机械联锁共用，能够最大限度的保证操作及运行中的人员安全和设备安全。
同时变频器配备完善的保护功能，只需保持对电机原有的保护及其整定值不变即可实现对电动机及变频器的保护。
4.2控制方式及技术方案
DF5000系列高压变频器有丰富的控制方式，在本项目中，根据现场情况及工况要求，采用如下控制方式：
本地控制：
就是在变频器本机上进行操作，包括柜门按钮操作和触摸屏操作。
本地控制时，任何操作都必须通过触摸屏进行,参数设置、功能设置、故障查询、预充电、启动、调频、停机等过程。
复归和急停指令需要通过柜门的按钮操作。
DCS控制：
在本项目中，变频器可以与电机当前的DCS系统通过硬接线方式连接，可将变频器系统与原控制系统进行集成，完成对变频器的控制和运行参数的监测，常用接口信号及信号类型如下（以下信号性质是对变频器而言，对DCS而言输入与输出正好相反）：
表1DCS控制系统接口
序号
性质
远控箱侧名称
备注
1
AI
模拟给定
4-20mA，调节运行频率
2
AO
频率反馈
4-20mA，监测当前运行频率
3
AO
电流反馈
4-20mA，监测变频器输出电流
4
DI
启动信号
脉冲信号，远程启动变频器指令
5
DI
停止信号
脉冲信号，远程停止变频器指令
6
DI
复位信号
脉冲信号，远程复位变频器指令
7
DO
备妥信号
电平信号，变频器备妥信号
8
DO
运行信号
电平信号，变频器运行信号
9
DO
重故障信号
电平信号，变频器重故障信号
10
DO
异常告警信号
电平信号，变频器异常告警信号
11
DO
变频状态
电平信号，变频回路投入状态
12
DO
工频状态
电平信号，工频回路投入状态
4.3变频器系统与开关柜接口信号
为保证系统安全运行，变频器系统与上级高压开关柜之间有如下接口信号：
表2变频器系统与开关柜电气控制系统之间接口
序号
性质
电气侧名称
备注
1
故障跳闸
QF0故障分闸
并入QF0跳闸回路
2
合闸允许
QF0合闸允许
串入QF0合闸回路
3
断路器位置信号
QF0断路器位置信号
将开关柜断路器位置信号传给变频器
4.4控制电源
DF5000系列高压变频器采用以下控制电源：
表3变频器系统控制电源
序号
性质
电气侧名称
备注
1
外部电源
变频器控制电源
取自用户AC380V电源柜，变压器800kVA以下为8kVA；2500KVA以下为10KVA；
5、风机节能分析
5.1设备额定参数
目前机尾除尘风机、出焦除尘风机、1#喷煤主排风机，设备额定参数如下：
机尾除尘风机
电机铭牌参数
型号
Y630-8
额定功率
1250KW
额定电压
10kV
额定电流
91A
额定转速
745r/min
功率因数
0.83
负载额定参数
型号
额定风量
721237m³/h
全压
现在调节方式
风门
出焦除尘风机
电机铭牌参数
型号
Ykk5004-4
额定功率
900KW
额定电压
10kV
额定电流
62.7A
额定转速
1489r/min
功率因数
0.88
负载额定参数
型号
额定风量
184007-425517m³/h
全压
8133-5085Pa
现在调节方式
液耦
1#喷煤主排风机风机
电机铭牌参数
型号
YKK450-4
额定功率
630KW
额定电压
10kV
额定电流
44.3A
额定转速
1485r/min
功率因数
0.87
负载额定参数
型号
M6-31-19D
额定风量
103000m³/h
全压
12043Pa
现在调节方式
挡板
5.2设备运行参数
表4风机运行参数
设备
运行电流（A）
挡板开度
实际转速（rpm）
运行时间（小时）
机尾除尘风机
58
49.3
----
8520
出焦除尘风机
20
100%
800
5680
30
100%
1360
2840
1#喷煤主排风机
26
90%
----
8520
5.3节能分析
5.3.1、机尾除尘风机节能计算
（1）当前耗电情况
当前运行功率：
P1=
UNI1cosφ=
×10×58×0.75=753.42（kW）
（2）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，从而改变电机的转速来达到调节风量的目的，在风量完全满足工艺要求基础上，节能降耗。
根据现阶段使用情况，正常运行时机尾除尘风机入口风门挡板开度在49.3%左右。
此时实际风量此时风机的风量约73%的额定风量即
=0.73;则变频运行时的运行功率为：
P2＝
=1250×0.733/0.94=517.31KW
其中变频装置的效率
取保守值0.94。
（3）变频改造节电率
K＝
综合考虑风机效率、电机效率、机械效率的变化及其它不确定性因素影响，预计变频改造节电率可以达到20%左右。
（4）变频改造节能数据分析
设备型号
当前功率
预期节电率
年节电量
年运行时间
机尾除尘风机
753.42kW
20％
128.38万kWh
8520小时
5.3.2、出焦除尘风机节能计算
（1）当前耗电情况
当前运行功率：
P1=
UNI1cosφ*
+
UNI2cosφ*
=
×10×20×0.75×0.67+
×10×30×0.80×0.33=312（kW）
（2）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液耦开度的方式，现改为调节风机的电机运行频率，从而改变电机的转速来达到调节风量的目的，在风量完全满足工艺要求基础上，节能降耗。
根据现阶段使用情况，正常低速运行时除尘风机转速在800rpm左右。
此时
=
=0.54;正常低速运行时除尘风机转速在1360rpm左右。
此时
=
=0.92;则变频运行时的运行功率为：
P2＝
=（900×0.923×0.67+900×0.543×0.33）/0.94=344.95KW
其中变频装置的效率
取保守值0.94。
（3）变频改造节电率
由于变频改造后运行功率大于改造前运行功率，故不建议进行变频改造。
说明：
该风机额定电流为62.7A，正常运行时为液耦调节，高速运行时速度为1360rpm，接近额定转速（满载运行），但运行电流仅为30A，请再次确认电流表显示是否准确。
5.3.3、1#喷煤主排风机节能计算
（1）当前耗电情况
当前运行功率：
P1=
UNI1cosφ=
×10×26×0.80=360（kW）
（2）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，从而改变电机的转速来达到调节风量的目的，在风量完全满足工艺要求基础上，节能降耗。
根据现阶段使用情况，正常运行时风机入口风门挡板开度在90%左右。
此时实际风量此时风机的风量约为
=95%的额定风量即
=0.95，则变频运行时的运行功率为：
P2＝
==630×0.953/0.94=574.62KW
其中变频装置的效率
取保守值0.94。
（3）变频改造节电率
由于变频改造后运行功率大于改造前运行功率，故不建议进行变频改造。
说明：
该风机额定电流为44.3A，正常运行时风门开度为90%，基本处于满载运行，但运行电流仅为26A，请再次确认电流表显示是否准确。
6、设备外形尺寸及安装方案
6.1设备外形尺寸
表5变频器外形尺寸
序号
设备型号
变频器尺寸（宽*高*深）
备注
1
DF5000-Y10/92-S-P-S1-1
5251×2300×1600mm
机尾除尘风机
此高度不含柜顶风机尺寸，柜顶风机尺寸为400mm
图2高压变频器外型图
备注：
此图仅为示例，最终设备外形请以现场到货为准。
6.2设备安装方案
变频器运行时，变压器和功率单元要产生约输出功率4%的热量，为了顺利带走变频器产生的热量，在变压器柜和单元柜柜顶上均安装了离心式冷却风机，变压器还在底部安装有6台侧吹式风机（温度自动控制），以冷却铁芯和线圈。
为了保证操作、维护的方便性和通风散热效果，在安装时必须给变频器留出一定的空间，以保证操作维护的方便和冷却风路的畅通，房间布置图如下：
图3变频器室内布置图
我方推荐变频器安装基础设计如下，即能保证安全可靠，又可最大限度节省工程投资。
变频器根据现场需要可以采用底部进出线方式或顶部进出线方式，因为系统配有旁路柜，在改造中，需要将一次电缆接入旁路柜，然后由旁路柜接入电动机即可。
此项目设备建议采用变频器底部进出线方式，变频器安装可安装在电缆沟上，以下为推荐安装基础方式：
图4变频器安装基础示意图
如果变频器安装现场不具备做电缆沟的条件，也可采用如下方案进行安装，但要考察楼板的承重，并保证槽钢基础的高度能确保电缆走线：
图5变频器安装基础示意图
附件1：
DF5000变频器特点特殊说明
1）备件优化供应方案
由于电解电容为备件功率单元模块中的核心元器件，如果长时间闲置，不进行充放电，则其使用寿命及质量可能会变化，针对高压变频器的产品特殊性，我方对售后备件提供如下供应方案：
在合同能源管理期到项目移交后的3年内，每年对业主库存功率单元模块备件进行一次免费更换，即用新生产的功率单元模块替换当前业主库存的备件，保证业主现场的备件时刻处于可用状态，提高备件的利用率。
2）软件终身免费升级
由于我主提供的DF5000系列高可靠性高压变频器控制系统使用自主研发的DF1725B平台替代普通DCS控制系统，我方对控制系统的软硬件均具有完全自主知识产权，承诺为用户提供软件终身免费升级服务。
3）通过自主研发的DF1725B平台替代普通DCS控制系统：
由东方电子提供的奥运配电调度系统、上海世博配电调度系统及广东亚运配电调度系统均是基于DF1725B平台的控制系统，其在可靠性、电磁兼容性、响应速度、可扩充性等方面均处于国际先进水平。
硬件上采用32位军工级高端CPU、电机专用高速DSP、FPGA、多通道同步16位A/D采样等东方电子特有的技术平台，软件上采用国际先进的嵌入式实时多任务VXworks操作系统（该产品应用于航天和军事领域），使系统具备同时处理多个突发事件的能力，大大提高了系统实时速度和处理能力。
例如对外部遥信量的采集，DF1725B只需要1mS即可完成，而DCS则需要10mS以上。
4）通过科学技术厅鉴定，产品整体为“国内领先”，控制系统平台、可靠性设计及电磁兼容为“国际先进”水平；
5）系统性能的优异性：
通过采用多级H桥功率单元箱级联的方式实现高压的完美波形输出，网侧功率因数高于0.96，无需无功补偿；系统效率大于98%；输入输出谐波满足IEC及国标对电网谐波最为严酷的要求，对电网无谐波污染，同时优良的输出电压波形也消除了电动机发热，附加应力等问题，大大延长了电动机的使用寿命。
6）完善的故障记录和事故追忆功能：
DF5000高可靠性高压变频器主控制器配有海量存储设备（标配2G容量工业级CF存储卡，可存储一年以上历史数据），所有故障信息都有记录，并可对故障状态进行录波，打上时标信息加以区分（精确到ms），实时地在HMI界面上通过事项记录观测到故障信息，同时也可以通过系统维护软件或后台计算机系统读取，方便进行事后故障原因分析和诊断。
避免了由于干扰等原因引起的故障后无法分析预防的问题。
7）友好、易于操作的人机界面：
DF5000高可靠性高压变频器本体面板（人机界面）采用8寸超大彩色触摸液晶屏，为全中文人机界面，功能设定、参数设定等均采用中文数字微处理器控制器，具有就地和远方监控方式。
可对变频器所有元器件级别的状态进行在线监测和记录。
8）具有节能统计辅助功能：
DF5000高可靠性高压变频器集成东方电子计量系统的优势，具有节能量统计辅助系统，只需输入工频运行时的功耗数据，即可实时监测系统的节能状态，更方便对项目节能量、项目收益进行量化统计。
9）模块化、积木化的先进设计理念：
DF5000高可靠性变频器系统的软硬件遵循模块化、积木化的设计理念。
系统控制单元、功率单元、I/O插件采用模块化结构，可以灵活配置扩充、便于用户系统升级和维护更换，具有完全知识产权，终生免费软件升级，使用户的利益最大化。
10）东方电子的质量方针：
可靠、简洁、适用、健壮：
高压变频器作为调速、节能产品，其在改善控制工艺、节能方面具有很大的优势。
东方电子设计理念中，节能应该是高压变频器产品一个“锦上添花”的功能，而产品的可靠性才是产品应用的基础，特别是对发电厂、钢铁厂等生产型的企业中。
因此，DF5000系列高可靠性高压变频器从设计理念、元器件选型、采购、PCB设计、生产质量控制、检测及现场工程服务等整个产品生命周期中，均把产品可靠性放在首位，现就以下几方面对DF5000系列高可靠性高压变频器的可靠性进行说明：
Ø东方电子整体研发实力保证产品可靠性
东方电子是一家集科研开发、生产经营、技术服务、系统集成于一体的国有大型高新技术上市企业，产品和技术输出到美国、俄罗斯、东南亚、中东等国家和地区，参加IEC（国际电工委员会）国际标准的制定，国家认定的企业技术中心和博士后科研工作站，如终位列“中国软件企业百强”前25位，连续十年以上在中国电力行业国内市场占有率名列前茅。
先后通过了CMMI三级认证、CE认证、凯马认证、开普认证、DNP3、ISO9000等国际认证，研发、生产和质量管理水平居国际领先水平，从技术实力上保证了研发产品从模型建立、实现设计、元器件选型、板件生产、系统测试等方面，全方位的保证了产品的可靠性。
Ø研发管理保证产品可靠性
东方电子在产品研发中通过了CMMI三级认证，在产品研发的成熟度上处于国际领先水平，保证了产品的可靠性。
同时，自1957年建厂，东方电子积累了大量电力行业及电力电子相关产品的研发和使用经验，保证的DF5000高压变频器的完善性和可靠性。
Ø可靠性工程体系保证产品可靠性
东方电子始终将产品可靠性放在所有工序的首位，为此建立了公司的可靠性工程体系，从营销可靠性、研发可靠性、供应链可靠性、制造可靠性及工程可靠性全生命周期保证产品可靠性，完全解除客户的后顾之忧。
Ø元器件选型、采购保证产品可靠性
由于目前高压变频器的核心元器件的核心技术、生产技术仍掌握在德国、美国少部分厂家手中，为保证高压变频器的可靠性，DF5000高压变频器关键核心元器件均选用当前世界最好的产品。
同时，东方电子拥有专业的采购平台和采购渠道，东方电子与西门子、ABB、GE等国际电子供应商均为“战略合作伙伴”，保证采购元器件的质量和供货期。
东方电子拥有专业的检测中心，对采购的所有元器件均按照检测流程进行专业的质检，从源头上保证了产品的可靠性。
同时所有外购元器件及板件均在生产线上先经[4小时85℃高温＋4小时低温（-15℃～-20℃）]共8个循环的温度老化，经测试合格后至装配班进行单板装配及整机装配、接线等工序，整机装配合格后由调试部门进行初调，然后进行[（4+4）×4]共32小时的高温及常温不通电老化，老化后产品由调试部门进行复测合格后送回老化室进行50℃＋5℃12小时与室温12小时共4个循环的通电老化，通电老化后在通以标准信号进行检测，合格后进行安全试验，合格后交由质检处进行产品质量检验，合格后方可组装。
Ø专利技术及功能设计保证产品可靠性
DF5000高压变频器在技术及功能上处于国内领先水平，围绕可靠性，具有以下技术优势，能保证产品在使用上的可靠性：
✓预充电专利技术
变频器能实现高压电机的软启动，但是由于高压变频器由隔离变压器，在通高压电时，仍存在励磁涌流冲击，而且对电容寿命影响较大。
为了防止高压上电时对电网、单元整流桥及电容的冲击，东方电子独创了低压整机系统预充电技术，采用AC380V电源在上电前对系统进行预充电，实现真正意义上的软启动，同时由于上电时的单元整流桥、电解电热器不受冲击而提高变频器电解电容和功率器件的使用寿命。
✓机械式单元旁路
由于变频器在设计时存在冗余设计，保证了变频器可以在某个（几个）功率单元故障时，仍能满足系统正常运行，为此，DF5000系列高压变频器配置了机械式单元旁路功能。
采用独特的结构和技术，采用完全机械式旁路，实现了高压与低压的真正隔离、并对机械旁路的触点进行动态反馈，彻底避免了电子式旁路无法进行旁路触点监测、以及由于功率单元的电源故障引起旁路无法实现问题，使系统的可靠性大大提高。
✓专利保护配置功能与技术
DF5000系统汲取了东方电子在监控和保护领域的多年经验和优势，控制系统保护功能配置完全参照I
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