库马克ES9000高压变频节能宝在热电行业的应用
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一、引言
目前,我国大型异步电动机应用变频调速刚刚起步,可是,国外已经广泛使用,而且随着电力电子器件的发展,高压变频装置的型式也是多种多样。按拓扑结构分就有IGBT直接串联型,三电平型和多单元串联电压叠加型等。
通过长期的运行实践可以发现:大功率风机、水泵等需调速的设备运用高压变频调速系统驱动表现出良好的经济效益、其可靠性也得到保证。而且,变频调速以其优异的调速、起动和制动性能、易于自动化控制、高效率、高功率因数、良好的节电效果及广泛的适用范围等优点被国内外公认为是最有发展前途的调速方式。
在低压变频器驱动的低压电动机进行节能改造后,驱动大型水泵和风机的高压大功率电动机的节能改造正在以惊人的速度推进,高压变频器、内馈调速等多种高压电动机的调速方法发展迅速,特别是高压频器以良好的调速性能和较高的效率得到了广大客户的认可。

二、工况
盛虹集团有限公司位于江苏吴江市盛泽镇,公司成立于一九九二年,前身为江苏盛虹印染有限公司,经过十三年快速稳健的发展,已经形成了以印染、化纤、酒店、热电、房地产等五大主业为核心,资本运营与实业经营互动发展的现代化企业集团。目前集团控股子公司10家,三级分公司及分厂10家,总资产50亿元,净资产超过20亿元。集团印染引进意大利、台湾等进口先进设备,属国内领先水平,主要加工和销售涤丝纺系列,尼丝纺系列,春亚纺系列,桃皮绒系列,塔丝隆系列,锦涤系列,牛津布系列,锦棉/涤棉混纺系列,麂皮绒系列,色丁系列,仿真丝系列,弹力系列,人造丝系列。年印染加工能力达10亿米,产能居亚洲第一,产品远销美国、德国、土耳其、法国及周边国家和地区。其中电厂有两个15MW的发电机组和一个30MW的发电机组,除了给自主产供电、供气外,还给市区供暧、供电。15MW的两个发电机组共有三台锅炉组成,三台锅炉的给水泵由四台1000kW/6KV的高压电机驱动,正常运行的时候是三用一备。
经过多方的研究和论证,将锅炉给水泵由原来的阀门调节改为变频调速恒压给水。考虑到压力变化差不大,只将2#给水泵进行变频节能改造。

三、改造方案
近两年,高压变频器发展迅猛,涌现出生产高压变频器的大小厂数十家。但是,各厂家的主拓扑结构都相差无几。通过各种途径的考察与比较,盛虹集团最终选择深圳市库马克新技术股份有限公司的自主研发、生产的多单元串联的高─高形式的ES9000系列高压变频器,这种结构的高压变频器具有良好的输入、输出波形,非常高的性价比,可靠性高,即便个别单元有故障,也可将其所在的一组单元旁路,降频使用。这对于风机、水泵的运行特性具有相当的可靠性。
ES9000系列智能高压变频调速系统采用多个功率单元串联的形式。电压叠加原理类同于电池组叠加技术。对于6kV系统,每相六单元串联,每个功率单元输出交流有效值Vo为578V,相电压为3468V,线电压为6000V。

输入侧
ES9000系列智能高压变频调速系统在6kV电源侧采用多达36重化的整流技术,电网侧谐波污染小,功率因数高,无需功率因数补偿及谐波抑制装置,对同一电网上用电的其它电气设备不产生谐波干扰。
输出侧
在输出侧由每个单元的L1、L2输出端子相互串接而成星型接法给电机供电,由于采用多重化的正弦脉宽调制SPWM技术,输出谐波非常小,可消除叶片与轴承的振动,无需谐波抑制装置可直接适配各种电机。
控制器
主控制部分以双专用DSP(数字信号处理器)为控制核心,辅以可编程逻辑器件,实现SPWM波形控制及各种信号的检测、分析判断和处理。控制器双屏直观显示,具备虚拟示波器功能,可实时显示输入、输出交流电压电流波形,高达128点的快速傅利叶变换,进行谐波分析、实时刷新频谱分析。控制电源采用三路电源切换技术,保证供电可靠性。另外,当控制电源掉电后,可由系统配备的UPS继续供电。
主控制部分和单元控制部分通过光纤进行信号传输,可有效避免电磁干扰,增强系统的可靠性。

(一)、根据现场情况和可具备的各种条件,决定采取以下改造方案:
1、2#给水泵采用一拖一的方式,因有备用设备未使用工频旁路系统;
2、从母管上取压力变送器的4~20mA电流信号作为反馈,给定频率根据用户从DCS系统直接给定;
3、运行信号、停止信号从DCS系统给定;
4、高压变频器的状态信号从变频器的控制柜里送到DCS系统,以便实时观察;
5、改造后的母管压力值达到工艺要求6.8MPa以上;
6、将每台水泵的旁通阀关闭,用高压变频器调节高压电机的转速来调节所需的流量。
(二)、闭环控制:
将各泵的旁通阀关闭,利用变频系统自带的PID功能实现的闭环控制,由DCS给出给定连续可调的4~20mA对应0~10MP压力,由母管上的压力变压器0~10MP压力信号对应4~20mA反馈给变频器,通过PID功能来控制输出转速的高低,实现自动调整给水流量的目的。

四、效益分析
从流体力学的原理得知,使用感应电机驱动的风机,轴功率P与风量Q,扬程H的关系为:
当电动机的转速由n1变化到n2时, Q、 H、 P与转速的关系如下:

可见流量Q和电机的转速n是成正比关系的,而所需的轴功率P与转速的立方成正比关系。所以当需要80%的额定流量时,通过调节电机的转速至额定转速的80%,即调节频率到40赫兹即可,这时所需功率将仅为原来的51.2%。
如下图所示,从风机的运行曲线图来分析采用变频调速后的节能效果。

当所需流量从Q1减小到Q2时,如果采用调节挡板的办法,管网阻力将会增加,管网特性曲线上移,系统的运行工况点从A点变到新的运行工况点B点运行,所需轴功率P2与面积H2Q2成正比;如果采用调速控制方式,风机转速由n1下降到n2,其管网特性并不发生改变,但风机的特性曲线将下移,因此其运行工况点由A点移至C点。此时所需轴功率P3与面积HBQ2成正比。从理论上分析,所节约的轴功率Delt(P)与(H2-HB)(C-B)的面积成正比。
考虑减速后效率下降和调速装置的附加损耗,通过实践的统计,风机类通过调速控制可节能20%~50%。因此,当然用水量降低的时候可以用降低电机的转速来满足生产需,而无需再用阀门调节,如此就可以省下用阀门调节损耗的电能了。
以下是2#水泵变频改造前和改造后的数据对比(采集一个月的数据,得出平均值,每月按30天计算,每年按360天计算):

从上述表格的数据可以看出,每年的电费就可以省下77万多元。

五、结束语
随着国家对节能环保越来越重视和大量的节能减排优惠政策陆续出台,企业对生产过程当中能源的浪费现象日益重视,纷纷加强合理利用能源的管理,降低生产成本,提高企业的竞争力,为变频器的发展与推广起到了关键作用,也为风机与水泵的节能运行和提高其运行效率提供了有效途经。



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