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合同能源管理模式的电机系统变频节能改造项目

放大字体  缩小字体 发布日期:2012-12-28  浏览次数:3471
核心提示:合同能源管理模式的电机系统变频节能改造项目
一、项目概况
1.    项目名称、项目承办单位
1)项目名称:合同能源管理模式的电机系统节能改造项目
2)承办单位:安徽节源节能科技有限公司
2.    项目实施地点
  项目实施地点:铜陵上峰水泥股份有限公司生产区
3.项目法人简介
  上峰水泥集团是一家专业从事水泥熟料、水泥、水泥制品生产、销售的大型水泥企业,现有浙江诸暨和安徽铜陵两大生产基地。目前,上峰水泥拥有总资产23亿元,员工1000多人,其中各类专业技术人员500余人,年产水泥熟料产能700万吨,可创产值15亿元,利税4亿元。
  铜陵上峰水泥股份有限公司于2003年9月注册成立,注册资本金为贰亿伍仟捌佰玖拾捌万元,由浙江上峰水泥有限公司、浙江上峰包装集团有限公司、铜陵有色金属(集团)公司、浙江富润股份有限公司、浙江黑猫神集团有限公司五家企业参股组成。
  总投资12亿元的两期工程被列入安徽省和铜陵市“861”行动计划项目和铜陵市招商引资重点建设项目。三条日产4500吨水泥熟料生产线分别于2005年7月18日、2006年10月28日、2009年8月29日点火投产,一期工程配套的两套9000KW低温余热发电项目于2008年12月并网投运,项目每年可发电1.2亿度。整个生产过程采用最先进的瑞士ABB计算机集散控制系统,具有自动化程度高、产品质量稳定、节能降耗环保型等优点,是目前最先进的旋窑生产企业。配套工程5000吨级长江水运码头及全长7.8km的主厂区至长江码头国内首条远程曲线双层送料长皮带输送机于2006年5月份投入运行,目前码头年吞吐水泥熟料和原煤的能力可达到700万吨。长皮带输送机由于引进国际著名专业生产输送带的法国雷依公司技术,不仅具有占地少、运输速度快,而且具有噪音低、运行平稳等优势,她宛如一条蓝色巨龙,静静地俯卧在长江岸边,源源不断地将公司生产的水泥熟料运往长三角及东南沿海发达地区。
  2006年铜陵上峰水泥股份有限公司被国家发改委等列入国家重点支持的水泥工业结构调整大型企业(集团)60强,位列第23位。公司已通过ISO9001质量体系认证和ISO14000环境管理体系认证。2009年“上峰”水泥商标被国家工商总局认定为中国驰名商标。  
  上峰水泥在安徽铜陵拥有自主开采权的优质石灰石矿山,不仅开采条件便利,而且石灰石品质好,平均CaO含量在50%以上,有效开采储量近3亿吨,按3条日产4500吨水泥熟料生产线的设计能力可稳定开采40年以上。
4.项目主要建设内容
  通过技术改造,使铜陵上峰水泥股份有限公司的电耗由技改前的13205.5万kWh ,下降到9351.3万kWh,接近我国先进水平,年节约用电3854.2万kWh,折合12718.86吨标准煤,年实现节能效益2582.5万元,新增利润895.8万元。同时,由于企业有效实现了节能减排的目标,因此企业的生产成本有效下降,企业经济效益显著。
二、         工程技术方案
1.       设计原则
2)设备选型尽可能考虑技术性能先进,使该项目的生产硬件达到和超过国内同类企业水平;
3)设备配置合理, 避免重复;
4)选择最经济的技术方案;
5)为考虑产品不断更新换代,建议在技术方案选择及设备选型方面要具有超前意识。
6)采用高新技术,要注意国家对其先进性、创新性、成熟性和实用性的要求。
2.技术概述
  (1)变频调速节能原理
从流体力学的原理得知,使用感应电动机驱动的风机、水泵负载,轴功率P与流量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40Hz即可,这时所需功率将仅为原来的51.2%。
如图5-1所示,从水泵的工作特性来分析采用变频调速后的节能效果。
  在第一种负载工况下,水泵工作在A点,流量为Q1,压力为H1。当流量减为Q2时,水压将上升到H2,水泵工作在B点。水压的上升,一方面存在不必要的电耗,另一方面也可能威胁到供水管网的安全,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H2×Q2成正比;如果采用调速控制方式,水泵转速由n1下降到n2,其管网特性并不发生改变,但风机、水泵的特性曲线将下移,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HB×Q2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,风机泵类通过调速控制可节能20%~50%,有些风机负载节能比例达60%以上。
2)变频改造节能分析
改造前工频运行功率计算公式
其中: ——电机电压,kV;
——电机电流,A;
——单一负荷下工频运行功率,
——单一负荷下运行功率因数,小于额定功率因数。
改造后变频运行预计功率计算公式:
其中: ——为改造后单一负荷下的变频运行功率;
——单一负荷的运行流量,单位m3/h;
——变频改造后预计运行压力,单位为m;
——泵类效率,改造后取效率最高值,一般为0.78~0.82,高效泵可达0.85以上。
——变频装置效率,一般为0.90~0.96。
——流体密度,单位为kg/m3
3)变频调速的其他附加好处
①提高网侧功率因数
  原电机直接由工频驱动时,满载时功率因数为0.8~0.9,实际运行功率因数远低于额定值。采用高压变频调速系统后,电源侧的功率因数可提高到0.95以上,大大的减少无功功率的吸收,进一步节约上游设备的运行费用。
  采用变频调节后,通过调节电机转速实现节能;转速降低,主设备及相应辅助设备如轴承等磨损较前减轻,维护周期、设备运行寿命延长;变频改造后风门开度可达100%,运行中不承受压力,可显著减少风门的维护量。在使用变频器过程中,只需定期对变频器除尘,不用停机,保证了生产的连续性。从实际改造情况看,采用变频调速后,运行与维护费用大大降低。
  采用高压变频改造后,电机实现软启软停,启动电流不超过电机额定电流的1.2倍,对电网无任何冲击,电机使用寿命延长。在整个运行范围内,电机可保证运行平稳,损耗减小,温升正常,无任何附加的异常振动和噪音。
④增强电机的保护功能
  与原来旧系统相比较,变频器具有过流、短路、过压、欠压、缺相、温升等多项保护功能,更完善地保护了电机。
  采用变频改造后,系统运行操作简单,运行方便。可通过计算机远程给定风量或压力等参数,实现智能调节。
  智能变频调速系统适应电网电压波动能力强,电压工作范围宽,电网电压在-35%~+15%之间波动时,系统均可正常运行。
4)高压变频器的优势及特点
  高压变频器在产品功能设计、产品质量保障措施、系统安全设计和服务方面,具有以下优势和特点:
  输入、输出谐波含量低,输入功率因数高。无需安装滤波器和功率因数补偿装置,可直接驱动普通电机;
  瞬时停电保护功能。当主电源失电后,变频器控制电机处于发电状态运行,为单元电容充电,并为单元控制电源供电,直至主电源恢复,变频器回到原运行状态。瞬时停电时间典型值为3秒(具体时间长短与负载的转动惯量大小有关);
  系统控制电源采用220VAC和高压主电源降压隔离后双路供电,供电系统与直接在线热备份,系统运行更可靠、操作更简便。其他产品一般采用柜内UPS供电,这种小功率低成本的UPS不可能具有电池管理功能,在柜内高温条件下,UPS电池寿命短、故障率高,且开、停机时,操作烦琐;UPS电池自身要求每三个月完全放电,然后再充电,如此周期性维护才能保证断电时正常输出。可是高压变频器一旦正常开机使用,柜门禁开,UPS则无法周期性地充放电。
功率单元与控制系统光纤通讯,强弱电之间完全隔离,提高了系统抗干扰能力;
  冷却风机采用高压主电源降压后直接驱动,风机仅在上高压电后运行。系统220VAC控制电源容量仅需1kVA,且避免了冷却风机启、停时对控制系统的干扰;
功率单元工作电源为高压开关电源,直接取自单元内部电容,避免了瞬时掉电对单元的影响;
  频率跳跃功能。变频器设有两组跳转频率,可以跳开机组共振点或风机的喘振区域;
  更适应于国内电网条件,变频器工作电压范围为UN+15~-20%,如10kV系列可稳定限流功能。避免启动或负载突然变化时,使变频器输出电流过大而导致保护动作;
  上位机操作平台采用全中文系统,运行稳定,且易学易用;
  LCD工业液晶屏显示,薄膜式轻触按键控制,操作简便;
  内置I/O接口板与用户信号连接,无需PLC和工控机,避免了由于温度过高导致工控机硬盘损坏而使系统瘫痪;
  结构紧凑,体积小。与国内同容量产品相比,柜体宽度缩小0.6~1.0
  完善的上位控制功能。可与DCS系统实现通讯(采用标准MODBUS通讯规约)或I/O方式连接。
  故障记录:自动记录变频器所发生故障的原因、故障点、故障时间,便于故障排除;
  输出电压自动调整功能:输入电压变化时,自动调节输出电压,使输出到电机的电压保持相对稳定,保护电机;
  主要器件均采用世界一流厂商的成熟产品,产品从元器件至半成品及成品,均实现100%的严格测试。各系列产品出厂前均完成72小时以上负载测试记录,确保产品的可靠性。
  在系统安全设计方面,当变频器应用于火电厂锅炉送、引风机时,运用合作伙伴的“风量突变时的锅炉保护”专利技术,确保变频器故障时锅炉不熄火,保障锅炉连续安全运行,避免变频器故障对电厂产生重大损失,此项应用目前在国内尚属首创;
  同步机高压变频为国内领先技术。在所有同步机高压变频器中,应用最为广泛,使用最为稳定。
  功率单元模块化设计,可以互换,维护简单;
  二次接线模块化设计,现场接线简单,安装周期短;
  具有转速跟踪功能,能实现电机的飞车启动。该功能可以在电机处于工频运行的时候,在不停机的状态下,无冲击的由工频状态切换到变频状态,最大程度的降低了生产风险;该功能经过多次实践验证,能够快速稳定的无冲击的将设备在工频与变频之间进行自由地切换,有效地提高生产效率,保证企业生产的连续性;
有较强的工程设计能力和沟通意愿,能根据用户现场条件和控制要求量身定做,及时满足用户的不同需求;公司本着“用户利益至上”的原则,想用户所想,急用户所急,视每个项目的质量和口碑为生命。
3.节能改造技术分析
(1)改造项目简介
  此改造项目拟利用变频调速技术对铜陵上峰水泥股份有限公司A线、B线和C线4500T生产线的高温风机、窑尾排风机、窑头排风机、煤磨风机进行节能改造,其中高温风机为液耦调速方式,其余窑尾排风机、窑头排风机、煤磨风机为风门调速方式。
3线给配备高温风机、窑尾排风机、窑头排风机、煤磨风机一套,项目建设主要设备清单如下表所示:
 
设备清单列表
序号
高压变频调速装置型号
数量
备注
1
ABB-ACS550系列高压变频器
3
窑尾高温风机
2
ABB-ACS550系列高压变频器
3
窑尾排风机
3
ABB-ACS550系列高压变频器
3
窑头排风机
4
ABB-ACS550系列高压变频器
3
煤磨风机
电机、负载铭牌参数与运行参数如下表所示:
  
高温风机主要技术参数表
电机
鼠笼异步电机
PeKW
UeKV
IeA
Cos¢
P
U
I
Cos¢
Rpm
 
Rpm负载
2800
10
186.6
0.899
 
10
159
 
995
 
879
负载
离心风机
备注:A线高温风机
PeKW
HekPa
Qe(m3/h)
η
H
Q
H允许最小
Q允许最小
%
%
其他
2800
7.5
900000
           
94
 
电费
 
运行时间
330
备注:高温风机用液耦调速
 
窑尾排风机主要技术参数表
电机
 鼠笼异步电机
PeKW
UeKV
IeA
Cos¢
P
U
I
Cos¢
Rpm
 
Rpm负载
4100
10
277.7
0.884
 
10
164.4
 
994
 
960
负载
离心风机
备注:A线窑尾排风机
PeKW
HekPa
Qe(m3/h)
η
H
Q
H允许最小
Q允许最小
%
%
其他
4100
11
921960
           
38
 
电费
 
运行时间
330
备注:窑尾排风机风门开度38%
 
 
 
 
 
 
窑头排风机主要技术参数表
电机
鼠笼异步电机
PeKW
UeKV
IeA
Cos¢
P
U
I
Cos¢
Rpm
 
Rpm负载
500
10
36.3
0.843
 
10
24
 
742
 
740
负载
离心风机
备注:A线窑头排风机
PeKW
HekPa
Qe(m3/h)
η
H
Q
H允许最小
Q允许最小
%
%
其他
500
2
580000
           
77
 
电费
 
运行时间
330
备注:窑头排风机风门开度77%
 
煤磨风机主要技术参数表
电机
鼠笼异步电机
PeKW
UeKV
IeA
Cos¢
P
U
I
Cos¢
Rpm
 
Rpm负载
630
10
44.26
0.871
 
10
39.6
 
1490
 
1450
负载
离心风机
备注:A线煤磨风机风机
PeKW
HekPa
Qe(m3/h)
η
H
Q
H允许最小
Q允许最小
%
%
其他
630
12.5
125000
           
43
 
电费
 
运行时间
330
备注:煤磨风机风门开度43%
(2) 项目改造方案
  一拖一方式:系统母线电源经变频装置刀闸K1到高压变频装置,变频装置输出经刀闸K2送至电动机系统母线电源还可经刀闸K2切换至工频侧直接起动电动机。一旦变频装置出现故障,即可马上断开输入侧高压开关及刀闸K1,将变频装置隔离,切换刀闸K2至工频侧,合高压开关工频起动电机运行。刀闸K1、K2之间具有闭锁和防止误操作功能。
(3)设备选型
  经过认真分析和筛选,本次节能改造项目所用的设备使用世界上技术先进,可靠性极高的ABB公司ACS 5000(空冷型)型高压变频器。
三、工程实施方案
项目的工程实施方案采用由安徽节源节能科技有限公司推行的合同能源管理业务方案进行实施。
1.合同能源管理模式特点
  由安徽节源节能科技有限公司推行的合同能源管理业务,主要指与客户签订节能服务合同后,为客户提供从能源审计、节能项目的方案设计和可行性研究、施工设计、设备以及材料采购、工程施工、节能量监测、直到改造系统的运行、维修与管理等项目的全过程服务,并保证获得合同规定的节能量。公司从节能效益中收回投资并获取利润。具有以下特点:
1)节能效率高:项目的节能率一般在15—40%,最高可达80%;
2)客户零投资:全部设计、审计、融资、采购、施工监测等均由该公司负责,不需要客户投资;
3)节能有保证:安徽节源节能科技有限公司可以向用户承诺节能量,保证客户可以马上实现能源成本下降;
4)投资回收短:项目投资额较大,投资回收期短,从已经实施的项目来看回收期平均为1—3年。双方合同期满后,所投入的节能设备归客户所有;
5)节能更专业:该公司提供能源诊断、改善方案评估、工程设计、工程施工、监造管理、资金与财务计划等全面性服务,全面负责能源管理;
6)技术更先进:该公司背后有国内外最新、最先进的节能技术和产品作支持,并且专门用于节能项目;
7)客户风险低:客户无须投资大笔资金即可导入节能产品及技术,专业化服务,无任何风险;
8)改善现金流量:客户借助该公司实施节能服务,可以改善现金流量,把有限的资金投资在其他更优先的投资领域;
9)提升竞争力:客户实施节能改进,节约能源,减少能源成本支出,改善环境品质,建立绿色企业形象,增强市场竞争优势;
10)管理更科学:客户借助该公司实施节能服务,可以获得专业节能资讯和能源管理经验,提升管理人员素质,促进内部管理科学化。
2.合同能源管理业务的基本程序
1)与客户接触
  该与客户进行初步接触,就客户的业务、所使用的耗能设备类型、所采用的生产工艺等基本情况进行交流,以确定客户重点关心的能源问题。向客户介绍本公司的基本情况、业务运作模式及可给客户带来的利益等。向客户指出具有节能潜力的领域,解释合同化节能服务的有关问题,确定本公司可以介入的项目。
2)初步审计
  通过客户的安排,该公司对客户拥有的耗能设备及其运行情况进行检测,将设备的额定参数、设备数量、运行状况及操作等记录在案。同时,一定要留意客户没有提出的、但可能具有重大节能潜力的环节。
3)审核能源成本数据,估算节能量
  采用客户保留的能耗历史记录及其它历史记录,计算潜在的节能量。
4)提交节能项目建议书
  基于上述工作,该公司起草并向客户提交一份节能项目建议书,描述所建议的节能项目的概况和估算的节能量。该公司与客户一起审查项目建议书,并回答客户提出的关于拟议中的节能项目的各种问题。
5)客户承诺并签署节能项目意向书
  到目前为止,客户无任何费用支出,也不承担任何义务。该公司将开展上述工作中发生的所有费用支出,计入公司的成本支出。此时,客户可以决定是否要继续该节能项目的工作。该公司就拟议中的节能服务合同条款向客户解释,使客户完全清楚他们的权利和义务。通常,如果详尽的能耗调研证实了项目建议书中估算的节能量,则应要求客户签署一份节能项目意向书,以使他们明确认可这一项目。
6)详尽的能耗调研
  包括该公司对客户的节能设备或生产工艺进行详细的审查,对拟议中的项目的预期节能量进行更加精确的分析计算。另外,该公司应与节能设备供应商联系,确认拟选用的节能设备。
7)合同准备
  在与客户协商后,就拟议中的节能项目实施准备一份节能服务合同。合同内容包括:项目的节能量,该公司和客户双方的责任,节能量的计算以及如何测量节能量等。且该公司还准备一份包括项目工作进度表在内的项目实施计划。
8)合同被接受或拒绝
  如果客户对节能服务合同条款无异议,则签订正式的节能服务合同。如果客户无法与该公司就合同条款达成一致,或者由于其它原因而最终放弃该项目,而详尽的能耗调研工作证实了项目建议书中预期的节能量,那么该公司在详尽的能耗调研过程中的费用应由客户承担。
9)项目的建设和安装
  该公司按照计划进度表及合同条款的要求,实施项目。
10)项目验收
  该公司要确保所有的改造设备按预期目标运行,培训相关人员对新设备进行管理和操作,向客户提交记载所作设备变更的参考资料,并提供有关新设备的详细资料。客户对新设备的运行状况和节能效果组织验收,并出具验收意见。
11)项目维护
  该公司按照合同的条款,在项目合同期内,向客户提供所安装设备的维护服务。此外,该公司应与客户保持密切联系,以便对所安装设备可能出现的问题进行快速诊断和处理,同时继续优化和改进所安装设备的运行性能,以提高项目的节能量及其效益。
12)该公司按合同中的约定方式收回项目资金。
四、节能效益分析
1.节能措施
  该项目是合同能源管理模式的电机系统节能改造项目,主要对铜陵上峰水泥股份有限公司的三条4500T水泥熟料生产线即A线、B线和C线的窑尾高温风机、窑尾排风机、窑头排风机、煤磨风机,共计12台电机系统进行高压变频调速技术节能改造,从而达到节能降耗的目标。
2.节能效果
(1)A线节能效果
按全年330天、每天24小时运行时间计算
A线的高温风机每年节约电能约:
万kWh
 
改造前
改造后
电机电压
10kV
0~10kV
平均功率
2341kW
2127kW
全年节约电能
168万kWh
A线窑尾排风机每年节约电能约:
万kWh
 
改造前
改造后
电机电压
10kV
0~10kV
平均功率
2420.3kW
1311.8kW
全年节约电能
877.9万kWh
A线窑头排风机窑尾排风机每年节约电能约:
万kWh
 
改造前
改造后
电机电压
10kV
0~10kV
平均功率
340.9kW
220.4kW
全年节约电能
95.4万kWh
A线煤磨排风机每年节约电能约:
万kWh
 
改造前
改造后
电机电压
10kV
0~10kV
平均功率
569.3kW
488.6kW
全年节约电能
63.9万kWh
(2)B线节能效果
按全年330天、每天24小时运行时间计算,
B线的高温风机每年节约电度约:
万 kWh
 
改造前
改造后
电机电压
10kV
0~10kV
平均功率
2194kW
1836kW
全年节约电能
284万kWh
B线窑尾排风机每年节约电能约:
万kWh
 
改造前
改造后
电机电压
10kV
0~10kV
平均功率
2489.5kW
1432.9kW
全年节约电能
836.8万kWh
B线窑头排风机每年节约电能约:
万kWh
 
改造前
改造后
电机电压
10kV
0~10kV
平均功率
241.4kW
59.2kW
全年节约电能
144.3万kWh
B线煤磨排风机每年节约电能约:
万kWh
 
改造前
改造后
电机电压
10kV
0~10kV
平均功率
418.3kW
192.7kW
全年节约电能
178.7万kWh
(3)C线节能效果
C线的高温风机每年节约电能约:
万kWh
 
改造前
改造后
电机电压
10kV
0~10kV
平均功率
2341kW
2127kW
全年节约电能
168万kWh
C线窑尾排风机每年节约电能约:
万kWh
 
改造前
改造后
电机电压
10kV
0~10kV
平均功率
2420.3kW
1311.8kW
全年节约电能
877.9万kWh
C线窑尾排风机每年节约电能约:
万kWh
 
改造前
改造后
电机电压
10kV
0~10kV
平均功率
340.9kW
220.4kW
全年节约电能
95.4万kWh
C线煤磨排风机每年节约电能约:
万kWh
 
改造前
改造后
电机电压
10kV
0~10kV
平均功率
569.3kW
488.6kW
全年节约电能
63.9万kWh
A、B、C线节能量统计表:
序号
电机名称
电机功率
节电率
年节约电能
1
A线高温风机
2800kv
9.1%
168万kWh
2
B线高温风机
2800kv
16.3%
284万kWh
3
C线高温风机
2800kv
9.1%
168万kWh
4
A线窑尾排风机
4100kv
45.8%
877.9万kWh
5
B线窑尾排风机
4100kv
42.4%
836.8万kWh
6
C线窑尾排风机
4100kv
45.8%
877.9万kWh
7
A线窑头排风机
500kv
35.3%
95.4万kWh
8
B线窑头排风机
500kv
75.3%
144.3万kWh
9
C线窑头排风机
500kv
35.3%
95.4万kWh
10
A线煤磨排风机
630kv
14.2%
63.9万kWh
11
B线煤磨排风机
630kv
53.9%
178.7万kWh
12
C线煤磨排风机
630kv
14.2%
63.9万kwh
合计
3854.2万kWh
综上所述,12台电机经变频技术改造后,每年可节约电能合计:3854.2万元,折合标准煤12718.86吨。
3.综合效益分析
(1)由于变频器启动和停止是软启动,可有效降低启动时对电网的冲击、及电器冲击,很大程度上提高设备的使用寿命、减小了对电网的影响。
(2)可以非常精确、稳定地调节电机的转速,运行人员对系统的调整控制更为稳定自如,降低了工人劳动强度。
(3)新旧系统可以互为备用,提高了电气系统的可靠性。新系统的功率因数可达0.95,效率为0.98,对电网无冲击。
(4)投入变频器后,风机性能参数能很好满足生产工艺的要求,提高设备的稳定性、可靠性。
(5)风机单耗明显降低(一般降低15~40%),节能效果显著。
(6)采用变频器控制主电机可以最大潜力挖掘电机的无功功率。
 
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