净化排烟通风机的节能研究与设计下剖析.docx
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净化排烟通风机的节能研究与设计下剖析
3排烟通风机变速节能计算
3.1排烟通风机技术参数
3.1.1西部净化系统描述
电机参数:
型号YKK710-8
额定功率900kW
额定电压6.0kV
额定频率50Hz
额定电流108A
功率因数0.867
额定转速723r/min
数量2台
运行方式2台同时运行,全天24小时不间断运行。
启动方式直接启动
风机参数:
型号Y4-73NO29.5
额定流量554800m3/h
额定转速730r/min
轴功率900Kw
全压4.488kpa
3.1.2东、中部净化系统描述
电机参数:
型号Y500-6
额定功率630kW
额定电压6.0kV
额定频率50Hz
额定电流70.3A
功率因数0.896
额定转速994r/min
数量8台(中、东部各4台)
运行方式2台同时运行,全天24小时不间断运行
启动方式直接启动
风机参数:
型号Y4-73NO.23.5
额定流量300900m3/h
额定转速960r/min
轴功率630kW
全压4.43kpa
3.2排烟通风机节能计算
目前我们采用调节风门开度的办法来节能。
西部净化900kW风机风门开度100%时电机电流为92A,目前满足生产要求的实际风门开度是60%,电机电流为72A;东、中部630kW风机风门开度100%时电机电流为68A,目前实际开度是90%,电机电流为67A。
3.2.1900kW排烟通风机变速节能计算
风门开度为100%时(假定系统总效率η=0.97):
风机输出轴功率[2]:
P100%=
UIcos
·η
=
×6000×92×0.867×0.97/1000
≈804(kW)
风门开度为60%时:
风机输出轴功率:
P60%=
UIcos
·η
=
×6000×72×0.867×0.97/1000
≈629(kW)
综合前面的分析,将A=1.4,Q1=1,H1=1代入
以及H=A-(A-1)Q2式中得到:
Pˊ60%=804×0.60×(1.4-0.4×0.602)/0.97
≈624.6(kW)
可见根据近似经验公式计算出的功率比根据实际电流测算出的功率数值小4.4kW,误差非常小。
如果采用变速调节,将风机的风量减小到60%,则根据前面叙述的比例定律“流量与转速成正比,功率与转速的立方成正比”可知,功率也与流量的立方成正比,此时风机轴输出功率:
P〞60%=804×0.603/0.97
≈179(kW)
变速调节后节约的功率:
P60%-P〞60%
=629-179
=450(kW)
由以上计算可知采用变速调节比采用节流调节减少450kW的功率,如果速度降低后风机的效率损失以及变频器和传动系统的损耗总和按50%计算,则变速调节后节约的实际轴输出功率为225kW(450×0.5),节电效率为35.7%(225/629),效益十分显著。
3.2.2630kW排烟通风机变速节能计算
和上面的计算方法相同,风门开度为100%时:
风机输出轴功率:
P100%=
UIcos
·η
=
×6000×68×0.896×0.97/1000
≈614(kW)
风门开度为90%时:
风机输出轴功率:
P90%=
UIcos
·η
=
×6000×67×0.896×0.97/1000
≈605.1(kW)
采用变速调节时:
Pˊ90%=614×0.903/0.97
≈461.4(kW)
变速调节后节约的功率:
P90%-Pˊ90%=605.1-461.4
=143.6(kW)
由以上计算可知,如果对东中部净化630kW的排烟通风机也采用调速调节,则实际产生的节能效果将十分有限,仅为143.6kW,如果再把速度降低后风机的效率损失以及变频器和传动系统的损耗加进去,则节约的电功率变为71.8kW,就完全没有投资改造的必要。
3.2.3变速节能计算的结论
通过3.2.1和3.2.2的比较计算可知,如果在满足正常生产和环保要求的前提下风机的入口风门开度较小(70%)以下,则风机的富裕风量比较多,适合采用变速调节的方法来节能。
这是因为采用变速调节后把浪费在克服管道阻力的一部分能量给节省了出来;如果在满足正常生产和环保要求的前提下风机的入口风门开度较大(80%)以上,则风机的富裕风量很少,即使采用变速调节后也不能取得较大的节能效益。
因此便得出了一个结论:
西部净化2台900kW排烟通风机比较适合变速调节改造,而中、东部净化6台630kW排烟通风机不宜进行变速调节的改造。
3.2.4排烟通风机变速节能效益估算
根据3.2.1的分析计算,如果采用变速调节,则第三电解厂西部净化在线24小时使用的2台900kW排烟通风机每年可节约动力电量为:
2×225×24×30×12=3888000(度)
如果每度电按0.35元计算,则每年所节约的电费为:
3888000×0.35=1360800(元)
4排烟通风机变速节能设计
4.1变速方法的选择:
变频调速
选择变频调速的原因:
⑴变频调速技术日趋成熟,采用变频器直接控制风机是使用较多、最科学的控制方法,高压变频技术也逐步在各行业得到应用。
⑵采用变频器直接控制风机节能效果良好,当电机在额定转速的80%运行时,理论上其消耗的功率为额定功率的80%,即64%,除去机械损耗、电机铜、铁损等影响,节能效率也接近35%。
⑶实现闭环恒压控制,节能效率将进一步提高。
由于变频器可实现大功率电动机的软停、软起,避免了启动时的电压冲击,减少电动机故障率,延长使用奉命,同时也降低了对电网的容量要求和无功损耗。
4.2变频器控制方式的选择
从安全角度考虑,对于大容量的电机不能采用“一拖二”的控制模式,所以我们对西部净化系统所配2台900kW电动机选择“一拖一”的变频器控制模式。
4.3高压变频器的技术要求和主要性能指标
4.3.1技术要求[3]
⑴要求变频器能够适应现有的异步电动机,无需配用专用电机
⑵要求变频器可靠性高
⑶要求谐波输出非常小
⑷要求有完善的数字控制功能
⑸要求适应电解较差的现场环境
⑹调速范围大,功率因素和效率高
⑺要求变频器发热小、噪音小
⑻要求变频柜结构紧凑,变压器和变频器最好并柜,节约空间
4.3.2高压变频器主要性能指标
变频器功率600~900KVA
额定输出电流70~120A
输入频率45Hz到55Hz
额定输入电压6kV±10%
允许电压波动±20%
输入功率因数0.95(>20%负载)
输出频率范围0.5~120Hz
变频器效率≥96%
过载能力120%一分钟,150%立即保护
4.4系统供电方式的选择[7]
因为低压电网容量一般较小,所以大容量电动机负载不宜直接挂在低压电网上,这是为了避免给低压电网造成冲击,引起较大电压波动。
所以大容量设备往往要采用高压直接供电,这样可以不增加低压电网的容量,电机启动时不影响其他低压设备的运行。
所以本设计中选择高压直接供电方案。
可以选择如图5所示[6]的高压-高压的供电方案,符合优先选用高压电网直接供电的思路,但价格昂贵,投资费用大,经济性较差;也可以选择高压-低压的供电方案,这种变频器(诸如CMK-V260型变频器)由高压电网直接供电,驱动中低压电动机。
设计时为了节约成本,可考虑选择将原有高压电机直接改造成低压电动机。
高压电动机通过绕组改接,直接改造成中低压电动机使用,不仅保留了原电动机的耐高压、坚固耐用等特点,还因电机的机座号、中心高、轴径和对轮大小等物理尺寸没用变化,不存在更换基座等土建施工问题,所以与更换新的中低压电动机相比,改造旧高压电机的施工周期最短,投资也最节省。
高压电动机改中低压电动机的技术非常成熟,目前国内各个大电机厂和大企业的电机修造厂均有能力实施改造,且改造成本非常低,不足同容量中低压电动机价格的三分之一。
综合以上分析,从节约投资、缩短施工周期角度考虑,优先选择高压直接供电方案中的高压-低压的供电方式,其次再选择高压-高压的供电方式,这样可以不必改动电动机本身以及水泥基础,节约投资。
4.5变频器的控制方式及监控
风机的控制设现场、主控制室两地控制,原有排烟通风机的就地启停控制继续保留。
隔离变压器、变频器及相关部件安装于系统控制柜,控制柜、PLC安装在现场单独的控制室内,共需要2~4台控制柜。
工控机安装于烟气净化系统主控室,利用组态软件和通讯网络实时监控各风机工作状况[4],分现场和控制室两地显示,监控功能实现风机的出口风压、轴承温度、风机轴承振动、电机电流的监测。
控制系统可根据生产工艺实际需要调节风机的运行状态,并且能对风机的所有运行参数进行远程监控,当风机出现异常时,能立即停止其运行,并进行报警。
控制界面可以实现变频器的功能设定、运行和监控参数设定及显示、实时波形显示、运行记录打印、故障查询,通过控制界面可以对变频器直接进行软件启动、设定运行频率、停机、急停和复位等操作,还可设定变频器开环或闭环运转方式。
4.6变频器规格的初步选择
变频调速装置根据输出电压的调节方法分为2种:
⑴改变脉冲宽度比例的调节方法,称为PWM脉宽调制方法。
⑵改变输出电压幅值的调节方法,称为PAM脉冲幅值调制方法。
最近十几年来随着高电压、全控型器件的发展,在风机水泵类的调速应用上脉宽调制方法的变频调速装置已基本占据了主导地位。
目前市场上几个主要的变频器产品的性能比较如下表:
SIEMENS
ABB
利德华福
TMdrive-MV
技术原理
三电平PWM
三电平PWM
多段电平PWM
多段电平PWM
逆变功率单元
HV-IGBT
IGCT
IGCT
IGBT
功率因素
≥96%
≥95%
95%
≥95%
变频器效率
≥98.5%
≥98%
≥95%
≥97%
谐波输出
有低谐波分量
谐波含量极小
谐波含量极小
谐波含量极小
最高输出频率
150Hz
122Hz
120Hz
50/60Hz
逆变器电平数
3
3
多电平
多电平
适配电机
西门子电机最佳,其它厂商的电机需加输出滤波器
可与标准鼠笼电机配用
可与任意厂商鼠笼电机配用
可与标准鼠笼电机配用
电机电压(kV)
2.3,3.3,4.16,6
2.3,3.3,4.16,6
3,6,10
3,6,10
电机功率
800~4000kW
315~5000kW
300~4000kW
315~5000kW
初期投资价格
高
高
低
高
由表中的比较可以看出西门子变频器的输出有低的谐波分量,而IGCT元件需要的触发电路要比IGBT元件所需要的触发电路复杂、触发功率大,当适配电机功率较大时,变频装置需要采用水冷,整套设备占地面积比较大。
综合以上的分析,我们认为日本东芝三菱电机产业的TMdrive-MV系列变频器各项性能优良,可参考选择。
TMdrive-MV可驱动原有标准电动机,输入变压器和变频器柜同列构造,不需要外接电缆,采用风冷却方式使IGBT部件得到有效的冷却,工程施工简单,维护方便。
TMdrive-MV利用专用变压器次级多重化(相当于18脉冲整流)将流入电源的高次谐波电流降低到最低值,所以高次谐波输出量极少。
4.7变频调速节能改造投资回报期概算
⑴高压变频器:
选用变频器必须为与电动机配套,考虑高原海拔因素后,900kW电动机可选1000kW配用变频器,国外产品约170万元左右,2台需340万元。
⑵电缆及空调:
30万元。
⑶控制和采样系统:
20万元。
⑷设备安装及其它:
10万元。
⑸土建及其它:
10万元。
⑹投资合计:
410万元。
投资回报期为:
410/136.1=3.01年,保守估计,在4年内可收回投资。
5结束语
采用变速调节比节流调节能产生更大的节能效益,如果对现有在线使用的2台900kW排烟通风机全部进行高压变频改造,则节电经济效益是非常巨大的,可在4年内收回投资。
参考文献
[1]上海市经委节能办公室、中国电工技术学会等.风机水泵调速节能手册[M].北京:
机械工业出版社,1987.
[2]许晓峰.电机及拖动[M].北京:
高等教育出版社,2000.
[3]满永奎,韩安荣,吴成东.通用变频器及其应用[M].北京:
机械工业出版社,1995.
[4]陈在平,赵相宾.可编程序控制器技术与应用系统设计[M].北京:
机械工业出版社,2003.
[5]王洪.流体力学及传热基础[M].北京:
机械工业出版社,1999.
[6]王国君.电气制图与读图手册[M].北京:
科学普及出版社,1995.
[7]尹克宁.电力工程[M].北京:
水利电力出版社,1987.
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