大型固定机械与拖动电动机变频调速改造可行性研究报告.docx

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大型固定机械与拖动电动机变频调速改造可行性研究报告

大型固定机械及拖动电动机变频调速改造项目

可行性研究报告

1总论

1.1项目概况

项目名称：

大型固定机械及拖动电动机变频调速改造项目

建设单位：

建设地点：

**集团**分公司下属各煤矿

项目负责人：

可行性研究编制单位：

生产规模：

节约标准煤38300t/a

1.2可行性研究报告编制依据、编制原则、编制范围内容

1.2.1可行性研究报告编制依据

（1）国家有关法律、法规；

（2）**集团**分公司提出的《工程设计委托书》；

（3）**集团**分公司提供的有关设计基础资料。

1.2.2可行性研究报告编制范围及内容

**分公司现有井上、井下各类提升机65台，**分公司于2000年开始对提升系统的电控装置进行改造，至2008年3月，相继改造绞车及电控拖动装置5台套，。

其中有交流老式TKD系统改造为可编程控制器控制的电控系统，拖动方式由交流电动机改造为直流电动机拖动系统。

**分公司绞车电控系统没有改造的电控装置还有60台套，

**分公司现有主排水泵131台，均属老旧杂水泵，运行时间长、效率低、能耗高，吨水百米电耗达0.6kwh，超出能耗标准吨水百米电耗达0.1kwh。

主排水泵控制方式为直接启动，在启动时对电网冲击大、电能损失大。

**分公司现有压风机66台，其中60台老式活塞压风机，使用时间较长，气量调节采用机械调节方式，效率低、能耗大。

电机起动方式采用直接起动方式；6台螺杆压风机，采用6KV高压交流电动机拖动，气量调节采用机械调节方式。

**分公司现有主扇风机36台，其中对旋主扇12台，老式轴流风机24台，对旋主扇采用高压6KV交流电动机拖动，起动方式为直接起动，老式轴流风机采用同步电动机拖动，直接起动方式。

两种风机的风量调节均采用调节叶片角度的方法来进行，即不经济又不节能。

将上述主要设备进行电动机变频调述改造,以达到节能的目的.

1.2.3可行性研究报告编制原则

（1）满足生产要求；

（2）在设计中采用先进、适用的工艺技术

（3）贯彻治理“三废”、防止污染的原则，满足国家有关环境保护法规的要求；

（4）在工艺流程和设备选择方面，采用先进的节能降耗技术，加强对能源的回收利用，以达到国家有关节能规定的要求。

（5）充分利用现有设施，减少工程投资，缩短建设周期，提高项目效益。

1.3项目建设单位概况

**矿区1917年开发，1945年建企，2002年改制为国有独资公司，2004年重组为**集团所属分（子）公司。

矿区面积252平方公里，现有煤炭地质储量15.7亿吨，可采储量8.8亿吨，按现有产量规模计算服务年限40年。

煤种以1/3焦煤和气煤为主，兼有部分主焦煤。

煤质低硫（0.09-0.22%）、低磷（0.003-0.012%）、中灰（20%左右）、高发热量（4430-6590千卡/千克），是符合环保要求的优质化工煤和动力煤。

产品有3大类、12个品种，主要销往东北三省的冶金、电力、化工、建材等行业，并有部分精煤出口。

现有9个煤矿，核定年生产能力1670万吨；6个洗煤厂，设计年入洗能力885万吨；25个非煤生产和费用补贴单位。

企业总资产84.4亿元，注册资本27.9亿元，全部为国有。

在册职工8.4万人在岗职工7.4万人，离退休人员4.7万人。

建企63年累计生产原煤6.3亿吨，上缴税金45亿元。

在发展煤炭主业的同时，配套形成热电联产、机械修造、建筑建材、地质勘探、铁路运输、水电通讯、农林牧业等多元产业格局。

热电厂总装机容量15万千瓦，年发电能力9.7亿千瓦时，供热能力420万平方米；斯达机电修造公司年产值1.5亿元；鑫塔水泥公司水泥年生产能力40万吨；煤层气储量丰富，建有日供气能力4万立方米民用燃气供应系统，供燃气3.74万户；有7.8万亩可耕地和22万亩宜林地。

1.4项目建设背景

资源开发及节约并举，把节约放在首位。

对保证我国经济快速发展提高经济效益，推进合理利用资源，减少环境污染，提高人民生活水平起着重要作用。

也是改变我国经济增长方式的主要途径和实施“可持续发展战略”的必要措施。

本次可行性研究的目的，是采用节能高效，环保效果好的变频调速控制装置，降耗增效。

节约能源，合理利用资源，提高经济效益。

目前，全世界正在为能源紧缺而困扰，我国的能源形势尤其严峻。

拒统计，我国电网的总负荷中动力负荷约占60%，其中85%左右为异步电动机消耗。

因此，使异步电动机有效地利用，对于节能具有非常重要的意义。

随着中国经济的快速发展，能源成为制约经济增长的瓶颈，节能降耗也就成为国家和企业严重关切的焦点。

节约电能已成为科研、设计制造、生产运行等各条战线上的一个重大研究课题。

随着国民经济的不断发展，电力能源供应紧张的局面越来越严重，国家也随之对电价作出相应调整。

随着电价的不断上涨，电费支出在企业生产成本中占的比例越来越大，节约用电可以有效降低企业生产过程中可控成本。

从2006年开始，我国在钢铁、有色、煤炭、电力、石油石化、化工、建材、纺织、造纸9个重点耗能行业组织开展千家企业节能行动。

“十一五”期间有望实现节能1亿吨左右标准煤。

国家在“十一五”规划中明确要求，到2010年单位GDP能耗比“十五”期末降低20%左右，这意味着在“十一五”期间每年单位GDP能耗下降4%左右。

为此，国家出台相关文件，决心抓好重点耗能行业和企业节能，做好高耗能行业和企业的节能工作。

应用现代科学技术和方法，查找、分析和预测节能工程，提出合理可行的对策措施，指导、监控节能工作，以达到最佳节能效率。

要节能降耗，降低提升机、风机、排水泵、压风机等用电率，改善提升机、风机、排水泵、压风机调节性能。

必需对提升机、主扇风机、排水泵、空压机进行控制系统的改造。

本项目不仅具有显著的节能效益，同时也具有良好的环保效益，可做到节约能源及环保并举，实现真正的节能减排。

1.5项目建设有利条件

本项目建设地点在**集团**分公司下属各煤矿厂区内，不用新增建设用地；主要工程仅需对**分公司大型固定机械拖动电动机控制系统进行改造，根据各传动系统的实际工况和使用环境的特点选用高压变频调速控制装置对提升机、压风机、矿井主扇进行控制，采用软启动器对排水泵进行控制是最佳改造方案。

本项目可以充分利用厂区内现有的生产辅助设施和生活福利设施，减少建设投资，提高项目经济效益；**集团**分公司拥有一批高素质的生产工人和技术人人员。

以上都是本项目建设的有利条件。

1.6主要原材料、燃料及动力供应

根据**分公司所提大型固定机械设备报表：

提升机用交流电动机的有60台，主排水泵131台，压风机66台，主扇风机36台，共计大型固定机械设备293台。

提升机用交流电动机安装容量32735KW，主排水泵73590KW，压风机23293KW，主扇风机23935KW，总安装容量153553KW，总计算负荷122800KW。

年耗电量51593.8*104KWh　

1.7项目主要建设内容

本项目厂址在**集团**分公司下属各煤矿现有厂区内，本项目采暖、热力、供排水及生活福利设施均利用公司现有设施，可以满足本项目要求，因此本项目主要建设内容为对**分公司大型固定机械拖动电动机控制系统进行改造，根据各传动系统的实际工况和使用环境的特点选用高压变频调速控制装置对提升机、压风机、矿井主扇进行控制，采用软启动器对排水泵进行控制是最佳改造方案,以达到节能的目的。

1.8节能效果及主要技术经济指标

本项目主要对**分公司下属九个煤矿的主提升系统.主排水系统.压风系统.主通风系统进行改造,改造后年节约电量10930万度,折合标准煤38300t/a.

项目总投资为1907.00万元，全部为建设投资，不新增加流动资金，年均节约标准煤为27123t.年均新增销售税金及附加16.43万元，年均新增增值税205.39万元，新增利润总额1011.57万元，新增所得税252.89万元，新增净利润758.68万元，税前投资回收期2.70年，税后投资回收期3.18年。

2.电动机变频调速改造

2.1设计依据

1）《**分公司大型固定机械及拖动电动机变频调速改造项目》可行性研究报告委托书。

2）机械专业提供的设计委托资料。

3）本设计执行的节能法律法规

（1）《中华人民共和国节约能源法》

（2）《国务院关于加强节能工作的决定》（国务院令28号）

《国家鼓励发展的资源节约综合利用和环境保护技术》（国家发改委【2005】65号令）

（3）中国节能技术政策大纲（计交能【1996】905号）

（4）《企业节能量计算方法》GB/T13234-91

2.2概述

企业的电能节约，就是在电能的变换、传输、使用过程中，最大限度地降低电能损耗，提高用电效率，降低生产成本，获得最大效益。

由于异步电动机调速困难，以往很多传动设备都是以固定的速度运转，其输出往往过大，控制方式效率很低，其中以鼓风机、泵类等风水力机械最为突出。

**分公司现有井上、井下各类提升机65台，**分公司于2000年开始对提升系统的电控装置进行改造，至2008年3月，相继改造绞车及电控拖动装置5台套，。

其中有交流老式TKD系统改造为可编程控制器控制的电控系统，拖动方式由交流电动机改造为直流电动机拖动系统。

**分公司绞车电控系统没有改造的电控装置还有60台套，

**分公司现有主排水泵131台，均属老旧杂水泵，运行时间长、效率低、能耗高，吨水百米电耗达0.6kwh，超出能耗标准吨水百米电耗达0.1kwh。

主排水泵控制方式为直接启动，在启动时对电网冲击大、电能损失大。

**分公司现有压风机66台，其中60台老式活塞压风机，使用时间较长，气量调节采用机械调节方式，效率低、能耗大。

电机起动方式采用直接起动方式；6台螺杆压风机，采用6KV高压交流电动机拖动，气量调节采用机械调节方式。

**分公司现有主扇风机36台，其中对旋主扇12台，老式轴流风机24台，对旋主扇采用高压6KV交流电动机拖动，起动方式为直接起动，老式轴流风机采用同步电动机拖动，直接起动方式。

两种风机的风量调节均采用调节叶片角度的方法来进行，即不经济又不节能。

2.3改造的必要性

资源开发及节约并举，把节约放在首位。

对保证我国经济快速发展提高经济效益，推进合理利用资源，减少环境污染，提高人民生活水平起着重要作用。

也是改变我国经济增长方式的主要途径和实施“可持续发展战略”的必要措施。

本次可行性研究的目的，是采用节能高效，环保效果好的变频调速控制装置，降耗增效。

节约能源，合理利用资源，提高经济效益。

目前，全世界正在为能源紧缺而困扰，我国的能源形势尤其严峻。

拒统计，我国电网的总负荷中动力负荷约占60%，其中85%左右为异步电动机消耗。

因此，使异步电动机有效地利用，对于节能具有非常重要的意义。

随着中国经济的快速发展，能源成为制约经济增长的瓶颈，节能降耗也就成为国家和企业严重关切的焦点。

节约电能已成为科研、设计制造、生产运行等各条战线上的一个重大研究课题。

随着国民经济的不断发展，电力能源供应紧张的局面越来越严重，国家也随之对电价作出相应调整。

随着电价的不断上涨，电费支出在企业生产成本中占的比例越来越大，节约用电可以有效降低企业生产过程中可控成本。

从2006年开始，我国在钢铁、有色、煤炭、电力、石油石化、化工、建材、纺织、造纸9个重点耗能行业组织开展千家企业节能行动。

“十一五”期间有望实现节能1亿吨左右标准煤。

国家在“十一五”规划中明确要求，到2010年单位GDP能耗比“十五”期末降低20%左右，这意味着在“十一五”期间每年单位GDP能耗下降4%左右。

为此，国家出台相关文件，决心抓好重点耗能行业和企业节能，做好高耗能行业和企业的节能工作。

应用现代科学技术和方法，查找、分析和预测节能工程，提出合理可行的对策措施，指导、监控节能工作，以达到最佳节能效率。

要节能降耗，降低提升机、风机、排水泵、压风机等用电率，改善提升机、风机、排水泵、压风机调节性能。

必需对提升机、主扇风机、排水泵、空压机进行控制系统的改造。

2.4电力负荷

根据**分公司所提大型固定机械设备报表：

提升机用交流电动机的有60台，主排水泵131台，压风机66台，主扇风机36台，共计大型固定机械设备293台。

提升机用交流电动机安装容量32735KW，主排水泵73590KW，压风机23293KW，主扇风机23935KW，总安装容量153553KW，总计算负荷122800KW。

年耗电量51593.8*104KWh　

本次对**分公司大型固定机械拖动电动机控制系统进行改造，根据各传动系统的实际工况和使用环境的特点选用高压变频调速控制装置对提升机、压风机、矿井主扇进行控制，采用软启动器对排水泵进行控制是最佳改造方案。

2.5变频调速方案

2.5.1异步电动机

1）异步电动机的用处

在企业的生产过程中，为了适应不同设备的用电要求，需要利用不同的设备将电能转换成光能、热能、机械能、势能、动能等，在企业生产的各个环节中利用这些能量进行正常的生产活动。

而电动机就是将电能转换成机械能的电气设备，应用非常广泛，各种工业设备上到处可以看到异步电动机，如在矿山采矿采煤上它被用来拖动卷扬机、鼓风机、排水泵、压风机等。

2）异步电动机的优缺点

异步电动机所以用得广泛，主要原因是它的结构简单、造价低廉，而且坚固耐用，维修方便。

异步电动机具有的一系列优点，成了工业驱动方面的主要动力。

但是，异步电动机也存在着不足，最主要的不足是它的功率因数比较低，调速性能不够好，浪费电能。

同时，启动电流大，加快绝缘老化，对机械设备冲击大，缩短机械及电动机使用寿命。

3）异步电动机的工作原理

三相异步电动机它是利用电磁感应原理设计制造而成。

也就是由一个固定不动的叫做定子的部分和另一个可以旋转的叫做转子的部分组成的。

定子上装有三相对称绕组，通入三相交流电流后，在电机起隙中产生一个旋转磁场。

这个旋转磁场的转速n1和定子电流的频率f1以及电动机的极对数p有关，即n1=60f1/p由异步电动机的转速公式可知，电动机的旋转近似地决定于电动机的极数和频率。

由于电动机的工作原理决定电动机的极数是固定不变的，频率是电动机供电电源的电信号，若设法连续改变供电电源的频率f,则电动机的转速随之连续变化。

所以，频率能够在电动机的外面调节后再供给电动机，这样电动机的旋转速度就可以被自由的控制。

4）电动机的损耗：

电动机的损耗包括恒定损耗、负载损耗及杂散损耗。

恒定损耗是指电动机运行时的固有损耗，它及电动机材料、制造工艺、结构、转速等因素有关。

一般约占总损耗的20%~25%。

负载损耗是指电动机运行时，定子绕组、转子绕组通过电流引起的电阻损耗，即称为铜损，它及绕组的电阻和负载电流有关。

铜耗约占总损耗的20%~70%。

杂散损耗主要由定子漏磁通和定、转子的高次谐波在导线、铁芯及其它金属部件内引起的损耗。

一般约占总损耗的10%~15%

对于长时间运行、负载变化比较大的连续运转电动机，象排水泵、风机的设计容量要比实际需要高出许多，出现人们常说的“大马拉小车”的现象，造成电能的大量浪费。

2.5.2变频器

2.5.2.1变频器-首选节能产品

节能改造有各种不同的方法，如加强废物利用、利用可再生能源、禁用耗能设备等。

但是，**分公司各矿采选设备中如：

拖动风机、水泵、空气压缩机、矿井提升机等负载，80%的耗电集中在高压大功率电动机上，功率大多在100~1000KW之间，个别电机的功率高达3000KW、3500KW。

利用高电压大功率电动机变频调速方式来实现节能，无疑是潜力最大的节能方式。

因此，具有理想节能效果和调速性能的高压变频器引起政府主管部门和各高耗能企业的高度关注，成为其首选的节能产品。

2.5.2.2变频器技术

随着大功率电力电子技术、变流控制技术以及微电子技术的进步，大规模集成电路和微机控制技术的突飞猛进，交流电动机变频技术已日趋完善，变频调速以其优异的调速范围宽和软起动性能，高效率、高精度、高功率因数和节电效果，广泛的适用范围及其它许多优点而被国内外公认为最有发展前途的调速方式。

近10年交流变频技术在国内也得到了迅速发展，利用变频器对电动机进行调速将成为电气调速传动的主流。

变频技术日新月异，知识含量高，PWM抑制谐波能力很强，优化PWM可以实现电流谐波畸变率最小，电压利用率最高，效率最优。

脉宽调制技术一直是变频的核心技术之一，从模拟技术发展到全数字化方案完成优化的实时在线的PWM信号输出，实现变压变频。

随机PWM可以有效消除机械和电磁噪音，控制原理为随机改变开关频率使电机电磁噪音近似为白造音，有效消弱以固定开关频率为特征的有色噪音。

2.5.2.3变频调速的系统原理

高压变频调速系统采用单元串联多电平技术，属高-高电压源型变频器，直接3、6、10KV高压输入，直接3、6、10KV高压输出。

输入侧由移相变压器给每个功率模块供电，移相变压器的副边绕组分为三组，根据电压等级和模块串联级数，一般由24脉冲系列、42脉冲系列等构成移相叠加的整流方式，可以大大改善网侧的电流波形，使其负载下的网侧功率因数接近1，无须任何功率因数补偿、谐波抑制装置。

输出侧由每个单元的U、V输出端子相互串接而成星型接法给电动机供电。

通过对每个单元的PWM波形进行重组，可以得到阶梯正弦PWM波形，这种波形正弦度好，dv/dt小，对电缆和电动机的绝缘无损坏，无须输出滤波器，就可以延长输出电缆长度，可直接用于普通电动机。

同时，电动机的谐波损失大大减少，消除负载机械轴承和叶片的振动。

当**一单元出现故障时，通过控制可将此单元退出系统，变频器可降额继续运行，由此可避免很多场合下停机造成的损失。

功率模块为基本的交-直-交单相逆变电路。

整流侧为二极管三极管三相全桥，通过对逆变桥进行正弦PWM控制，可得到单相交流输出。

控制器由高速单片机、工控PC和PLC共同构成。

单片机实现PWM控制，工控PC提供友好的全中文WINDOWS监控和操作界面，内置PLC则用于柜体内开关信号的逻辑处理，控制器及功率单元之间采用光纤通讯技术，高低压完全可靠隔离，系统具有极高的安全性，同时具有很好的抗干扰性能，可靠性大大提高。

变频器在开环运行于设定频率，在闭环运行模式下，可以设定并调节被控量的期望值，变频器将根据被控量的实际值，自动调节变频器的输出频率，控制电动机的转速，使被控量的实际值自动逼近期望值。

2.5.2.4变频器的优越性：

高压电动机节能效果显著，人们想了各种各样的办法来实现电动机的调速，来达到节能的目的。

从目前来看，变频调速是电动机调速的最佳解决方案。

1）及定速泵、风机相比，变频调速普遍节能在25%以上。

节能效果显著。

2）运行稳定，安全可靠，免维护。

只须定期清洗通风滤网，不用停机，保证生产的连续性。

能使风机轴承磨损减少，延长电动机、风机的使用寿命和维修周期，提高风机的利用效率。

采用变频器可以使水泵电动机实现真正的软起/软停，从而使急扭及水锤现象得到解决。

而且变频器能够在合适的情况下降低泵的转速，一方面可以避免水泵长期工作在满负荷状态下，另一方面变频的软起动大大的减小水泵起动时对机械的冲击。

3）变频器效率高，没有因调速带来的附加转差损耗。

调速范围大，精度高，可实现无级调速，而且容易实现协调控制和闭环控制

4）变频器提供给电动机的无谐波干扰的正弦波电流，能降低电动机的故障次数。

由于电平数和等效开关频率的增加有利于改善输出波形，降低输出谐波，电动机发热得到改善。

在设备加速期间能大大减小噪声，削弱噪声污染，能极大的改善现场工作环境。

免去了许多繁琐的人工操作和不安全隐患因素，并使系统始终处于节能状态下运行，延长了设备的使用寿命，更好的适应了生产需要。

5）变频器自身保护功能完善。

同原来继电器保护相比较，保护功能更多，更灵敏，保护动态响应快，能大大加强对电动机的保护。

同有的主扇风机风量调节采用机械调整叶片角度的方法相比较，主扇调风方式用机械调整叶片角度存在着局限性，电动机始终运行在100%额定转速状态下，造成能源浪费。

6）适应电网电压波动能力强。

2.5.3电动机变频调速改造设备投资

提升机用交流电动机安装容量32735KW，压风机23293KW，主扇风机23935KW，总安装容量79963KW

**分公司现大型设备改造老式电控为变频调速控制设备共计162台套。

暂按变频器设备平均价格900元/KW计算：

79963KWX900元/KW=7196.67万元。

其中主扇风机：

23935KWX900元/KW=2154.15万元

压风机：

23293KWX900元/KW=2096.37万元

提升机：

32735KWX900元/KW=2946.15万元

变频调速优越的调速性能和显著的节能效果已被国内外各个领域应用实践得到验证和认可。

可以广泛应用于矿山提升机、主扇风机、压风机等设备节能改造。

**分公司现大型设备改造老式电控为变频调速控制设备总投资

7196.67万元。

2.6软起动

2.6.1概述

应用最广泛的交流电动机大多数以反电势为主的负载，起动电流非常大，严重影响电动机的使用寿命，并危害电网的安全运行。

**分公司各矿现有排水泵131台，控制方式为直接起动，起动电流大，对电网造成很大冲击，电能损失大。

老式水泵，效率低，能耗高。

吨水百米电耗达0.6kWh。

2.6.2改造主要内容

为提高水泵运行效率降低电耗，**分公司决定采用高效节能水泵，吨水百米电耗降到0.5kWh。

并对控制系统进行改造，达到降低起动电流，提高设备运行效率。

2.6.3电气控制系统改造措施

2.6.3.1软起动器

随着大功率电力电子技术、变流控制技术以及微电子技术的进步，一种新型起动设备-异步电动机软起动器几年间迅速发展起来。

它即能改变电动机的起动特性，保护拖动系统，更能保证电动机可靠平滑软起动。

而软起动器主要由定子回路的具有限流作用的电力器件-晶闸实现限流起动。

通过改变晶闸管的导通角，来改变加到定子绕组的三相电压，实现软起动。

当电动机起动时，在电动机电流不超过额定值400%的范围内，软起动器的输出电压迅速上升至起动时的初始电压值，然后输出电压按所设定的起动参数逐渐上升，电动机随着电压的上升不断平稳加速，当电压达到额定电压时，电动机达到额定转速，旁路接触器吸合，起动过程完成。

2.6.3.2软起动器的优越性

软起动器起动性能好，软起软停过程平稳、不抖动。

保护功能强，性能稳定可靠，通用性能好，微功耗：

由于采用无触点控制运行功耗近乎于零，抗干扰能力强。

2.6.3.3改造措施

通过异步电动机软起动器及传统的起动设备相比较，软起动器以其优越的起动性能而广泛应用在矿山、冶金、化工、电力、煤炭、水利、轻工等各个行业。

所以在本次公司大型设备改造中，对矿井排水泵电动机电控系统的改造，采用软起动器作为首选设备。

对电动机实行软起动。

改善工艺，提高自动化控制水平，降低起动电流，提高设备运行效率，降低成本，提高企业经济效益。

2.6.4排水泵电动机软起动改造设备投资

矿井主排水泵安装容量73590KW，

暂按软起动器设备平均价格300元/KW计算：

软起动设备投资：

73590KWX300元/KW=2207.7万元

2.7总投资

公司大型固定机械采用变频调速控制装置和软启动器控制装置总投资：

变频调速控制设备总投资7196.67万元。

软起动设备投资：

2207.7万元

投资合计：

7196067-2207.7=9404.37万元

3设备改造

3.1项目概况

3.1.1主提升系统

**分公司共有井上、井下各类提升机65台。

采用直流电动机拖动系统的有12台，交流电动机拖动系统的有50台（其中电控系统采用变频调速的1台，其余均为转子回路串电阻的调速系统），防爆电动机拖动的液压绞车3台。

**分公司于2000年开始对提升系统的电控装置进行技术改造，至200