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高压变频调速在水泥厂高温风机上的使用

作者:佚名  滥觞:湖北三环开展股份有限公司    日期:2014-4-18  阅读:

一、媒介

高压交换变频调速手艺是90年月迅速发展起来的一种新型电力传动调速手艺,次要用于交换机电的变频调速,其手艺和机能远远赛过从前接纳的调速方法(如串级调速、液力耦合器调速、转子水阻调速等)。高压变频以其明显的节能效益、高的调速精度、宽的调速范畴、完美的庇护功用、便利的通讯功用,得到了广阔用户的承认和市场确实认,成为企业机电节电方法的首选计划。变频调速手艺现已被应用于各行各业,我公司于2004年起开端将高压变频器应用于水泥行业的机电节能革新,至今已胜利用于水泥厂窑尾排风机、高温风机、窑头EP风机、生料磨轮回风机的节能革新,取得了很多胜利的革新经历,并取得了明显的经济效益,现以荆门某水泥厂的窑尾高温风机变频革新为例,对高压变频应用于水泥行业的节能革新停止阐发与总结。

二、变频调速节电道理

异步电动机的变频调速是经由过程改动定子供电频次f来改动同步转速而实现调速的,在调速中从高速到低速都能够连结较小的转差率,因此耗损转差功率小,服从高,是异步电动机的最为公道的调速办法。

由式     n60f/p1s

能够看出,若平均地改动供电频次f,便可光滑地改变电动机的同步转速。异步电动机变频调速具有调速范畴宽、光滑性较高、机器特性较硬的长处,今朝变频调速已成为异步电动机最主要的调速方法,在许多范畴都得到了普遍的使用。

变频调速具有以下明显的长处:

1)由装备设想余量而招致“大马拉小车”征象,因机电定速扭转不成调理,如许运转天然华侈很大,而变频调理彻底解决了这一成绩;

2)由负载档板或阀门调理招致的大量撙节丧失,在变频后不再存在;

3)某些工况负载需频仍调理,而档板调理线性太差,跟不上工况变革速度,故能耗很高,而变频调理呼应极快,根本与工况变革同步;

4)异步电动机功率因数由变频前的0.85阁下提高到变频后的0.95以上;

5)可实现zero转速启动,无启动打击电流,从而低落了启动负载,减轻了打击扭振。

6)高压变频器自己消耗极小,整机服从在97%以上。

对离心式风机而言,流体力学有以下道理:输出风量Q与转速n成反比;输出压力H与转速n2反比;输出轴功率P与转速n3反比;即:

Q1/Q2n1/n2  

H1/H2(n1/n2)2 

P1/P2(n1/n2)3

当风机风量需求改动时,如调理风门的开度,则会使大量电能白白耗损在阀门及管路体系阻力上。如接纳变频调速调理风量,可使轴功率随流量的减小大幅度降落。变频调速时,当风机低于额定转速时,实际节电为

E=1-( n′/n)3×P×T (kWh)

式中: n——额定转速

n′—— 实践转速

P——额定转速时机电功率

T——工作时间

可见,经由过程变频对风机停止革新,不单节能并且大大提高了装备运转机能。以上公式为变频节能供给了充实的理论依据。

三、SH-HVF变频器道理及特性

SH-HVF系列高压变频器是由湖北三环开展股份有限公司在充实消化与吸取国内外高压变频手艺的基础上,总结偕行的经历与经验,综合分析现今世界上现有的高压变频手艺研制开发出的新一代高压变频器,该变频器接纳间接高-高变更的方法,多重化移相整流、多电平串连倍压的手艺计划,优化的PWM掌握算法,实现优良的可变压变频(VVVF)的正弦电压和正弦电流的输出。

1、构造简介

SH-HVF系列高压变频器柜由单位柜(含掌握柜)、断绝移相变压器柜、工频旁路柜(含变频器进线柜、变频器出线柜)三部门构成,典范的SH-HVF变频器构造如图1所示。

1  SH-HVF变频器构造

2、手艺特性与功用

1)间接高-高变更,装备体积小,整机服从高;

2)输入侧接纳多重化移相整流手艺,电流谐波小,功率因数高;

3)接纳多功率单位串连手艺,输出波形失真小,输出谐波低;

4)高可*性设想,掌握旌旗灯号经光纤传送,及时可*;

5)主电路模块化设想,安装、调试、保护便利;

6)体系热备份,严峻毛病时主动旁路;

7)内置PID调节器,可开环或闭环运转;

8)可选择现场掌握、长途掌握;

9)完美的庇护机能:过流、过压、过载、过热、输出三相不平衡等多种庇护功用内置;

10)高度智能化设想,开放式的软件和硬件设计方案,便于系统升级;

11)全汉化中文界面,彩色液晶显示功用,便利操纵;对事情电流、电压等参量停止及时检测、持久存储并可随时查阅;

12)灵敏便利的接口设置;数字量、模仿量、通信接口完备、灵敏,与用户现场的DCS体系、各种现场总线完美共同,并可选配长途通信掌握单位,实现异地长途监控;

13)个性化设想,减小用户现场的滋扰和打击;软起、软停制止对电缆、用电装备及电网的打击。

3、相干庇护

1)变压器防浪涌庇护:在变压器上电霎时,特别的设想避免浪涌电流对体系的打击

2)功率单位输入过流庇护:检测到功率单位输入过流后,功率单位主动旁路

3)功率单位输入过压、欠压庇护:检测到功率单位直流电压太高、欠压后主动旁路庇护单位,输出不受影响

4)输出电流不平衡庇护:当输出长时间电压不平衡时,跳闸庇护机电

5)输出电压不平衡庇护:当输出长时间电流不平衡时,跳闸庇护机电

6)体系过流庇护:当输出电流超越设定的电流过流值时,跳闸庇护机电

7)体系过载庇护:当输出电流超越设定的电流过载值时,跳闸庇护机电

8)短路、接地、输入电源断相、输出断相、过电压、欠电压、过温等,体系将跳闸庇护

4、用户接口

SH-HVF系列高压变频器为用户供给有压频曲线设置接口,闭环控制接口、用户侧高压开关掌握接口,用户急停接口,用户频次反应接口,用户频次给定接口,用户报警旌旗灯号查询接口,用户DCS接口以及用户需求的其它的变频器运转的参数、及时数据、历史数据等接口,这些接口包罗电压、电流、数字通讯接口等多种情势。

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高压变频器道理框图如图2所示。

2  单位串连变频器道理柜图

单位数的多少视电压上下而定,以SH-HVF-Ⅰ型6KV变频器为例,每相为8单位,三相共有24单位。每一个功率单位的输入电压为400V,输出电压为0430V,每相8个功率单位串连,则对应的最高相电压为03450V,三相星形毗连的最高线电压为6000V。每一个功率单位接受局部的机电电流、1/8的相电压、1/24的输出功率。

24个功率单位在移相变压器上都有各自自力的三相输入绕组。功率单位之间及变压器二次绕组之间互相绝缘。二次绕组接纳延边三角形接法,目标是实现多重化,低落输入电流的谐波身分。移相变压器的副边绕组共24组(每相8组),组成48脉波整流方法。这类多级移相叠加的整流方法能够大大改进电网侧的输入电流波形,使其负载下的网侧功率因数靠近于1

功率单位的主电路由熔断器、三相全桥整流模块、滤波电容及IGBT模快构成,如图3所示。进入功率单位的高压交换颠末整流模块的整流和电容的滤波后变成中央直流,在控制系统的掌握下由IGBT逆变单位将中央直流逆变成交变的脉宽调制输出。每一个功率单位输出电压为10、-1三种形态电平,每相8个单位叠加,就可发生17种差别的电平品级,别离为±8±7±6±5±4±3±2±10。用这类多重化手艺组成的高压变频器,也称为单位串连多电平PWM电压型变频器,接纳功率单位串连,而不是用传统的器件串连来实现高压输出,以是不存在器件均压的成绩。

3  功率单位电路

8个功率单位在逆变侧串连成一相,将每一个功率单位输出的电平相叠加,再配以动态分配手艺和恰当的掌握算法,在输出侧获得一组迫近正弦波的门路波,与高压变频器接纳的纯真PWM方法比拟,输出的dv/dt十分低,波形素质与正弦波的拟合水平非常好,再配以优化的PWM掌握,使输出谐波大为低落。因为这类波形正弦度好,du/dt小,可减小对电缆和机电的绝缘破坏,不必输出滤波器,输出电缆长度险些不受限定,机电不需要降额利用,可间接用于旧装备革新;同时,机电的谐波消耗大大削减,消弭了由此惹起的机械振动,削减了轴承和叶片的机器应力。

全部体系的掌握部门由一套PLC,一套主控制器,一套旁路控制器、一个智能操纵面板(触摸屏)和一些开关、电源、继电器等构成。此中,PLC完成全部变频调速体系的管理,逻辑处置,包罗起泊车逻辑、报警毛病逻辑等。触摸屏为中文界面的液晶显示,完成变频器参数设定、运转参数形态显现和报警毛病显现等功用。主控制器完成PWM旌旗灯号的发生、移相,并转换成光旌旗灯号,经由过程光纤传送到功率单位,高压部门和高压部门完整可*断绝,体系具有极高的安全性,同时具有很好的抗电磁滋扰机能。旁路控制器为全部体系供给了较高的容错才能,当事情中的某个功率单位毛病时,旁路掌握能主动将其从事情中退出,并将备用功率单位投入运转。整套控制系统的设想原则是可*、适用、简朴。

高压变频器主体构造如图4所示 。

4  高压变频器主体构造

6、高压变频器功率单位冗余设想

SH-HVF系列高压变频器设置有单位旁路组件,一旦某一个功率单位呈现毛病,旁路掌握可主动将其旁路,使其退出运转,并同时将备用功率单位投入,包管全部体系的一般事情。使全部体系由本来的串连可*性构造变成为并联可*性构造。接纳功率单位旁路手艺和冗余功率单位设计方案,大大的有利于提高体系的可*性。

一旦功率单位发作毛病并被旁路,体系掌握主动停止抵偿大概降额利用,以连结机电电压均衡。为了抵偿跌落的电压,每相最多为8个功率单位的体系可为每相配备2个分外的功率单位(选件)。该6个备用功率单位用来抵偿跌落的电压。假如没有装备备用功率单位,则变频器将事情在稍低的输出电压,可是仍旧供给局部额定电流。

功率单位旁路体系包罗每一个功率单位一个旁路接触器,一个接触器控制板(安装在功率单位柜内)以及主控体系与接触器控制板之间的光纤毗连。如图5所示,当功率单位一般时,旁路接触器不行动,其常闭主接点将功率单位接通输出;若功率单位毛病,旁路掌握封闭对应功率单位IGBT的触发旌旗灯号,并使旁路接触器行动,其常闭主接点断开,将功率单位从串连回路中切除,并将本单位外输出接线间接短接。

5  单位旁路掌握道理

四、水泥厂高温风机高压变频革新

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今朝水泥厂生产线普通均为干法悬窑,其窑烧成体系流程简图如图6所示。

6  窑烧成体系流程简图

旋窑是一个有必然斜度的圆筒状物,预热机来的料从窑尾进入到窑中,借助窑的动弹来促进料在旋窑内搅拌,使料相互混淆、打仗停止反响,物料依*窑筒体的斜度及窑的动弹在窑内向前运动。窑内熄灭发生的余热废气,在窑尾高温风机的感化下,经由过程预热器对进入窑尾前的生料停止预热均化,降温后的余热废气再经由过程高温风机抽出进入废气处置(除尘及排挤)。

均化好的生料预热后在回转窑内煅烧成熟料,回转窑内需求适宜的气压及温度,才气使煤粉有必然的悬浮工夫停止充实熄灭,生料才气在窑内到达很好的热处理。窑内因物料的聚集变革很大,以是瞬时气压变革频仍。窑尾高温风机一方面用来调解窑内气压,另一方面回转窑内锻烧后的高温熟料出来有废气,废气带灰,经由过程窑尾高温风机引出由电收尘器将尘埃停止处置,再将废气排掉。

荆门某水泥厂今朝有三条干法悬窑生产线,日产为2000t700t2500t,别离为1995年、1998年、1999年投产,到如今已运转610年,并具有一台12MW中、高温余热发电机组,因为发电本钱较高,余热发电现已停运。

日产2500t的窑生产线,高温风机机电设置为6kV1600kW,日产2000t的窑生产线,高温风机机电设置为6kV1400kW。在高温风机的机电与风机之间,配有液力耦合器对风机停止调速,全部工艺历程次要是经由过程DCS的掌握来调理液力耦合器的速度从而调解风机的风量,到达掌握窑内负压。

因为装备利用年限较长,今朝液力耦合器漏油严峻,运转中天天需加油23次,以弥补漏油,油面调解的掌握回路失灵不能主动调理,在运转中*手动调理置于牢固转速比。在运转是时仍*风机挡板停止风量调理,当窑体系工况变革较大时,现场值班人员按照中控制室的指令对液力耦合器的勺杆停止手动调理,运转操纵十分未便。

2005年,水泥厂筹办关于2000t2500t的两条生产线停止提产,但因为高温风机中液力耦合器漏油严峻,着力遭到限定,不具有提产的条件,故提产不断未能实现。

200612月,我公司为该水泥厂2000t2500t两条生产线的高温风机及窑头号EP风机停止了变频调速革新,今朝运转状况优良,2000t的生产线的产量今朝达2300t2500t的生产线的产量今朝达2900t,而高温风机变频调理的耗电量还稍少于原液力耦合器调理的耗电量。

2、高温风机变频革新计划

颠末对原体系停止阐发,对原体系的风压掌握由本来的液力耦合器调理改为变频器调理,即打消原液力耦合器,将机电与液力耦合器之间用一毗连轴代替液力耦合器连通,而由变频器对机电自己停止调速,最初到达调解窑尾预热器(高温风机入口)的压力为工况要求值。

变频器装备接入用户侧高压开关和拟革新机电之间,如图7所示,变频器掌握接入原有的DCS体系,由DCS体系来完成一般操纵。

7  变频器毗连图

为了充实包管体系的可*性,变频器同时加装工频旁路安装,可在变频回路毛病时将机电切换至工频形态下运转,且切换方法为主动切换。变频器毛病时,机电主动切换到工频运转,这时候风机转速会降低,风压会发作很大变革,影响窑内物料的煅烧质量,故此时应实时在DCS上对高温风机的风门停止实时调理,低落风机输出风量至工况要求值。变频器及其工频旁路开关由变频器团体配套供给。机电、高压断路保存了用户原有装备。

按照水泥厂供给的负载参数及运转工况,我公司为2000t的窑尾高温风机设置SH-HVF系列高压变频器,其主要参数为:变频器型号SH-HVF-Y6K/1800,隔离变压器容量1800KVA,旁路开关柜容量400A。为2500t的窑尾高温风机设置SH-HVF系列高压变频器,其主要参数为:变频器型号SH-HVF-Y6K/2000,隔离变压器容量2000KVA,旁路开关柜容量400A

3、革新历程简述

因为原机电掌握为液力耦合器调速,为了安装变频器,必需从头设想变频器公用房。按照现场情况,我们挑选在高压配电室旁另建一变频器公用房,此地方距高压室较近,动力电缆敷设便利。

因为现场尘埃较大,而变频器为自愿风冷,装备内氛围流通量较大,为保障变频器只管少受外界尘埃的影响,在房间透风设想上,设想了大面积公用进风窗,房间不另设其它窗口,基本上是密闭设想。透风窗接纳公用过滤棉滤网,如许使进入变频器室内的氛围颠末透风窗滤灰,进入变频器室内的尘埃大大减小。

因为本变频器功率较大,为包管充足的透风冷却结果,在变压器柜顶和功率柜顶别离自力安装了一团体风罩,与各自的出风口连成团体,包管变频器团体冷却透风要求。

为减小安装本钱,动力电缆保存了原高压柜至机电的电缆,将电缆原接线由高压柜牵至变频器,再从头由高压柜到变频器敷设一根动力电缆,因为变频器房紧邻高压室,此电缆长度较短。

变频革新后,因为需求打消原液力耦合器,我们根据液力耦合器的连接尺寸设想建造了一套间接毗连轴来替代液耦。毗连轴的基座安装尺寸、轴毗连中心尺寸、轴径尺寸、轴与机电及风机侧的毗连*背轮均与原液耦分歧,安装时,仅需将原液耦撤除,将毗连轴替代液力耦合器,现场仅作大批调解便可到达安装要求,而不消对风机及机电作任何调解,安装方便快捷。

五、高压变频器代替液力耦合器节能阐发

1、液耦调速与变频调速的耗电阐发

水泥厂原高温风机带有液力耦合器调速,现将液耦调速革新为变频器调速。图8为液力耦合器停止风机调解时的典范耗能曲线,1为液耦与变频调速的耗电特性比照。现按照曲线及比照表对液力耦合器改为变频器调速的耗能状况停止比照阐发。

η: 液力偶合器的服从
Ns
:液力偶合器的丧失功率
I
: 液力偶合器的输出与输入转速之比
Nd
:机电功率

Nf:负载功率

8  液力偶合器的功率丧失图

1  液耦与变频调速的耗电特性

风量 %

轴功率

液力偶合器

变频调速

变频比液耦节电率

机电输入

总丧失

机电输入

总丧失

100

100

108

8

108

8

0

90

72.9

86

13.1

79

6

8.3

80

51.2

68

16.8

55

3.8

19.1

70

34.3

52

17.7

38

3.7

26.9

60

21.6

39

17.4

25

3.4

35.9

50

12.5

29

16.5

15

2.5

48.3

40

6.4

21

14.6

9

2.6

57.1

30

2.7

15

12.3

5

2.3

66.7

变频运转时高温风机风量按85%计较,从表中查得对应的变频比液耦节电率为:

19.1×(100-85.7/100-80=13.6 %

节电功率为:13.6%×1550=210kW

2、变频革新实践节能状况

水泥厂高温风要变频革新前后,我们对响应的运转数据停止了统计,现将部门数据阐发收拾整顿以下。

2  2500t窑高温风机革新前后比照表

项目

革新前

革新后

窑喂料量(t/h

170

195

窑日产量(t

2500

2900

起动调理方法

液耦

变频

6kV侧电流(A

180

150

机电电流(A

180

186

功率身分

0.83

0.96

均匀耗电功率(kW

1550

1500

起动电流(A

500

50

运转速比/频次

89%

45Hz

3  2000t窑高温风机革新前后比照表

革新前

革新后

窑喂料量(t/h

135

155

窑日产量(t

2000

2300

起动调理方法

液耦

变频

6kV侧电流(A

150

120

机电电流(A

150

142

功率身分

0.81

0.96

均匀耗电功率(kW

1260

1200

起动电流(A

600

45

运转速比/频次

89%

46Hz

上述数据为革新后窑体系产量增长的条件下风机耗电比照,因为如今产量提高,革新后比革新前风机耗电量降落不多,从上两表中可计算出各风机响应的节电功率。

2500t窑高温风机节电功率:      1550150050kW

2500t窑窑尾EP风机节电功率:   15410054kW

2000t窑高温风机节电功率:      1260120060kW

2000t窑窑尾EP风机节电功率:   1387068kW

按照我们在装备调试和开窑历程中记载的数据,2500t窑在额定2500t的产量下,高温风机6kV侧电流为约136A,耗电功率约为1360kW,比革新前同产量耗电功率降落约190kW2000t窑在额定2000t的产量下,高温风机6kV侧电流为约106A,耗电功率约为1060kW,比革新前同产量耗电功率降落约200kW。由此可推算出两台高温风机在额定产量下的节电量。

2500t窑高温风机节电功率:15501360190kW

2000t窑高温风机节电功率:1260100200kW

此为预算节电值。变频革新的另外一大收益为提高了窑体系的产量达15%倍,由此而发生的减产效益长短常大的。

 六、高压变频器在水泥厂利用中应留意的成绩

水泥厂因生产线粉尘较大,调速机器大多安装在室外或库下,情况较其它行业比拟较为卑劣,操纵职员普通集合在中控室。而高压变频器作为较精细的仪器设备,对情况要求较高,而消费现场经常无人且情况较差,对变频装备运转十分倒霉。故在水泥生产线上,高压变频器应安装在配电室内,或专门制作衡宇。

因为高压变频器普通接纳自愿风冷,经由过程变频器的氛围所带的尘埃较多,因而,变频器在水泥厂利用时,必需增强防尘设想和保护,有条件的场合,可设置变频器公用室,接纳空调冷却。

变频器顶部装有散热通风孔及风机,尘埃和金属物易于由此进入安装内部,应采纳防护步伐,避免内部短路,推荐利用团体风罩计划。

变频器掌握线必需接纳屏障电缆,而且在布线范围内必需与动力线相距必然间隔,订交时必需转90°角,万万不要将掌握线与动力线放在统一电缆托架(或线框)内,以制止变频器掌握旌旗灯号遭到滋扰。变频器负载输出线也要采纳屏障步伐,选用铠装电缆,以制止变频器对四周仪表发生滋扰。

在变频器接线时要出格留意电源的输入线和输出线绝不能接错,将电源输入线接上变频器输出位置,会立即破坏装备。

凡是变频器毗连到机电的电缆长度要求不要超越150m,利用屏障电缆不能超过150m,这就必需思索变频器到受控机电之间的间隔成绩,在水泥厂中普通会碰着超越划定间隔的状况,因而在变频器的房屋设计上需按照现场条件合理安排。

变频器的掌握普通需接入到DCS体系,而中控室到风机间有必然的间隔,因而,变频器接入DCS体系时,普通经由过程现地工作站停止转接,在掌握电缆接入时需留意抗干扰处置。

七、变频革新总结

按照我公司对水泥厂高温风机的高压变频器的安装及利用状况,总结变频器革新有以下长处。

(1)安装简朴,行将原高压开关柜与电动机之间插入安装变频器,对原有接线窜改不大。

(2)操纵使用方便,变频器操纵只要简朴的开机、停机和频次调解。

(3)能停止无级调速,调速范畴广,且调速精度高,适用性强。

(4)庇护功用完美,故障率低,排风机启动安稳,启动电流小,可*性高。

(5)电动机不需持久高速运转,事情电流大幅度降落,节电效果显著。

(6)因为变频器代替了液耦调速,消弭了机器及液压高故障率的缺点,装备维护费用低落。

(7)电动机运转振动及噪声较着降落,轴承温度也有很大的降落。

交换变频调速器,以适用性强、可*性高、操纵使用方便等机能,遭到用户的欢迎。它使用在调速、节电、软启动方面,对企业有很大的适用代价。我公司高压变频器在该水泥厂对两条生产线的四台机电停止了胜利的革新,不只节能结果较着,提高了全部体系的工艺机能,同时也使两条生产线大大提高了产量,获得用户的好评,并在本地水泥行业中发生了很大的影响。

八、结语

今朝,水泥行业的合作十分剧烈,但枢纽仍是制造本钱的合作,而电动机电耗就占本钱近30%,而拖动风机用的高压电念头在机电中占据很大的比重,因而做好电动机的降耗增效事情就显得极其主要。高压变频调速手艺今朝曾经比力成熟,是水泥厂节能革新的幻想装备,具有很高的推行代价。

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