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1、皮带机变频节能技术方案上港集团罗泾煤炭码头皮带机系统高压变频调速节能技术方案2013年05月11一、电机节能技术发展的背景及现状经济的高速发展带来了国民经济的持续增长，但是能源的巨大消耗也造成资源的日益短缺，现在全球各国都己认识到“节能降耗”的重要性。当今，如何满足迅速增长的能源需求，实现能源的清洁高效利用，是我国面临的一次严峻的挑战，而节能是解决这一问题的根本途径，这就意味着我们需要大力推进节能技术，提高能源的利用效率。因此我国推出了“节能优先，降低能耗”的能源发展战略思路，并且进一步提出要建设能源节约型企业，此中的“节约”具有双重含义：其一是相对浪费而言的节约。其二是要求在经济运行中对能源
2、需求实行减量化，即：在生产和消费过程中，用尽可能少的能源，创造相同的财富甚至更多的财富。这种节约要求彻底转变现行的经济增长方式，进行深刻的技术革新，真正推动企业的全面进步。电工行业的电机节能技术是我国节能减排战略的重要组成部分，是国家的要求，也是企业提高经济效益的迫切需要。在一定意义上说，企业的竞争，更是技术的竞争，是提高资源与能源效率的竞争。电动机是我国最主要的用电设备，广泛应用于工业、商业、农业、公用设施和家用电气的各个领域，用于拖动皮带机输送机、风机、泵等各种设备。电机系统包括电动机、被拖动装置、传动控制系统。根据我国国家发改委2003年的调查结果，电机系统耗电约占我国用电量的60以上。
3、由于电机系统消耗了大部分的工业用电，因此提高电机系统的能源利用效率水平对于我国的能源节约和环境保护都具有相当重要的意义。根据国际协会预测，在我国通过提高电动机的能效标准和推广高效电动机的应用，年节电数量可累计到764亿千瓦时，二氧化碳排放量可减少7640万吨。欧盟预测，对不同功率的电机效率提高1-6，可节能3，每年可节约电能276亿千瓦时，相当于5座100万千瓦电站的供电能力。可见，电机的节能潜力是非常巨大的，因此也是非常必要的。二、港口皮带机系统的特点及节电原理港口的煤炭等散货堆场所采用的皮带机传输系统属于输送量大、输送距离长的大型传输设备。它具有以下特点：(1)负载量大，皮带机额定生产率一
4、般在2500-8000th。(2)性能参数高，趋向宽带化和高速化，其长度一般为1000- 1500m，带宽为1800-2200mm(煤炭)，带速大于4ms。(3)装机容量大，每条皮带机一般配备两台或两台以上额定电压为6kV、额定功率为200-一600kW的三相异步电动机。(4)输送机分为堆料和取料两种机型，因此作业工况也具有其特殊性，即当堆、取料机在处在不同位置时，皮带机上的有料段长度也不一样，这样就造成了皮带机负载量的较大变化。在这种工况下，皮带机的输送量，远远低于皮带机的通过能力，导致输送机能耗过高，系统功率因数过低，造成了电能的大量浪费。由于港口皮带机驱动系统采用了高压异步电动机(一般为
5、6kV的高压)作为驱动单元，其对能源造成的浪费相比采用低压控制的皮带机控制系统要大的多，因此为了降低能耗、提高功率因数，港口皮带机的输送能力应与驱动能力相匹配。因系统对电能的利用率直接反应在电动机的工作效率中，因此节能研究对象应首先考虑异步电动机。港口皮带机系统效率低的主要原因是负荷特性与电动机的转矩特性不匹配，当电机所带负荷较小时，电机的运行效率较低；当电机所带负荷较大时，电机才可能以较高效率运行。皮带机在初步设计时一般按最大运输量考虑，而减速机和电动机的选型原则是等级靠大不靠小，并且由于皮带机系统的托辊较多，皮带较长，是惯性力矩较大的机械设备，启动所需的功率较大，为了满足启动的要求，在选择
6、驱动电机时，一般会选配额定功率较大的电动机，一般均有20-45的富余量。而当系统平稳运行时其功率相对于启动功率较小，致使大多数情况下电动机处于轻载状态；另外，当堆、取料机处在不同位置时，导致堆料和取料皮带机上有料段长度变化很大，使得物料分布不均匀，物料量连续性差，进而导致皮带机的运行负载变化很大。这些因素导致系统运行存在着严重的“大马拉小车”现象，造成电机功率因数低、效率低。据测试，功率因数有时候甚至只有02-03，远远达不到供电部门要求的功率因数不得低于08的要求(各地有所不同)，同时还增加了电路不必要的损耗。皮带机的能耗中，将物料平移及提升做工和克服摩擦阻力做工过程中耗能比重大。无论皮带机
7、上是否有煤料，只要皮带机运转，该部分能耗就存在。当皮带机空载状态运行时，其能耗是浪费的，导致皮带机单耗增加。降低皮带机的空载率的主要方法有：皮带机在物料到达后再启动，根据速度调整皮带速度。三、罗泾码头煤炭皮带机系统的节能分析皮带机属于恒转矩负载，转矩与转速的大小无关。根据功率公式 P=FV（说明：F是力矩，V是速度。） 当力矩一定时，功率与速度成正比。我们根据传输带上运输的不同负载，在满足工艺要求的前下，改变传输带的速度。计算节能效果。但在计算过程当中，变频调速节能计算时需考虑变频器的效率，变频器的效率一般为95%-96%，因此在计算变频调速节能时要将变频器的4%-5%的损耗考虑在内，这样的计
8、算结果与实际节能率更为接近。上港集团煤炭分公司的罗泾码头，主要从事煤炭的进出口业务，其皮带机是港口内的主要输送设备，煤炭经过皮带机，输送到料场、船，或直接配送给终端用户，皮带机承担着卸船、装船、配货等主要任务，罗泾港现有系统皮带机39条，总长约为13201.46米，电机总配置容量为10283KW（不包括移动皮带机），根据输送工艺要求输送系统，现系统有操作流程46条（如下图）。我们选取卸船流程中的船到场3号线（流程号821）为例，分析变频改造后的节电空间：3号线的皮带流程：BC2-BC8-FC2-BC11-FC10-BCXG1-BCX1-FCX2-BCX2-BCX3（总功率2049kW）。按年工
9、作时间240个工作日，每天工作时间20个小时（其中18个小时处于有货状态，2个小时处于空载运行状态）。工频运转时运行功率取额定功率的80%。运行状态的调速幅度以不影响物料传输为准（抛料距离满足现场要求），分别以无调速、调速至90%、80%、70%进行计算：（1）无调速时节电： 80%2049KW（2H）2400.6=47.2（万元）（2）当调速到90%时节电： 80%2049KW（5%18H+2H）2000.6=68.5（万元）（3）当调速到80%时节电：80%2049KW（15%18H+2H）2400.6=111（万元）（4）当调速到70%时节电：80%2049KW（25%18H+2H）24
10、00.6=153.5（万元）使用变频器启动，可以有效减小大电机的启动电流，从而减小线路损耗，变压器铜损和铁损，而且还能防止对电机的冲击损害。 假设电机额电流200A，直接启动电流为46倍额定电流，变频器实际起动电流约为1.2额定电流。（单台电机）皮带机电机起动总电流按1800A；变频器起动总电流按： 240A；电机的电压6KV假设每天按起动10次计,变频器起动时间60s,直接启动时间30s;皮带机电机起动总耗电量为:1870kWh;变频器日起动总耗电量为: 415kWh;日起动节约电量:1870-415=1455kWh; 日起动节约电费:14550.6=873元;全年节约电费：240天873元
11、=21万元。综上，单条皮带机系统理想情况下年节电数量可以百万计，年节电费可达百万元，相当于二氧化碳排放量可减少上千吨。五、采用变频驱动的综合优势上海罗泾港现运行的皮带机，基本上是工频控制方式，如采用变频控制，可带来以下综合优势：1、节能。对应于港口的特殊生产条件，在负载轻或无负载时，皮带机系统的高速运行对机械传动系统的磨损浪费较为严重，同时电能消耗也较低速运行大的多，但因生产的需要皮带机系统又不能随时停车，采用单独的控制系统对前级运输系统的载荷、本机运输系统的载荷进行分别测量，这样可控制变频器降速或提前升速。对于载荷不均的皮带机系统，可节约电能、降低皮带的磨损。2、真正实现皮带机软启动。通过电
12、机慢速启动带动皮带机缓慢启动，将胶带内部贮存的能量缓慢释放，可将输送机启停时产生的冲击减至最小，几乎对胶带不造成损害；3、降低胶带带强。由于变频器启动时间可以在13600s内调整，皮带机启动时间通常在60200s内根据现场情况设定。启动时间延长大大降低对带强的要求，减少设备初期投资。实际应用中，由于降低了启动冲击，机械系统的损耗也随之降低，尤其托辊及滚筒寿命大大延长；4、实现皮带机多电机驱动时的转矩平衡。应用变频器对皮带机驱动时可以采用一拖一控制，多电机驱动时采用主从或协调柜控制方式，实现转矩平衡；5、验带功能。低速验带功能是皮带机检修的要求。变频调速系统为无极调速的交流传动系统，在空载验带状
13、态下可调整0100%额定带速范围内的任意带速；6、平稳的重载启动。变频器低频运转可输出2.2倍额定力矩，适于重载启动；7、自动调速。变频器配合煤流传感器可以根据负载轻重自动调节胶带速度，节电的同时还减少了胶带的磨损。综上，单条皮带流程线年节电理想情况下可达到百万元以上，如果将码头上所有的皮带机系统进行系统改造，节电空间将非常可观，且大大提高整个码头的工况及智能化操作水平。六、SH-HVF系列高压变频技术优势简介1、 高压变频器拓扑结构：SH-HVF系列高压变频器是采用交-直-交、直接高-高变换方式，整流侧采用大容量电容器滤波的电压源型高压变频器。变频器逆变主电路拓扑采用多电平形式，变频器每相采
14、用多个功率单元（Power Cell）串联，逆变器输出采用多电平移相式PWM技术，输出电压非常接近正弦波。拓扑图如下所示：2、功率单元旁路我方变频装置的功率单元为模块化设计，可以方便从机架上抽出、移动和变换，所有单元可以互换，更换单元不须专用工具，拆装方便，只需装卸7个螺丝，更换一个单元的时间一般小于5分钟。为了保证变频器和现场设备的正常运行，SH-HVF系列高压变频器为用户提供了功率单元旁路功能，当单元故障时，可在线实时自动将输出清除并同时触发旁路单元将其旁路，不需重新启动，不影响整个系统的正常工作。3、变频器带故障运行方式当有功率单元故障时，变频器可通过线电压自动均衡技术，输出最大的功率而
15、不至于跳机影响生产，用户可以根据设备的报警自行确定停机维修时间。4、频率分辨率及谐波指标频率分辨率为0.01Hz，每周波频率误差小于1微秒。输出电流谐波失真2%；变频调速系统产生的谐波满足并高于中国“GB/T 14549电能质量 公用电网谐波”国际标准的规定。变频装置考虑将对电网谐波影响减至最小的措施包括：a、移相变压器；b、单元串联技术；c、优化的PWM算法；d、多脉冲整流技术5、线电压自动均衡技术变频器某相有单元故障后，为了使线电压平衡，传统的处理方法是将另外两相的电压也降至与故障相相同的电压，而线电压自动均衡技术通过调整相与相之间的夹角，在相电压输出最大且不相等的前提下保证最大的线电压均衡输出。七、SH-HVF高压变频设计说明1、高压变频器接口设计SH-HVF系列高压变频器具有与机组分散控制系统DCS的通讯接口，通讯接口支持多种主流通讯协议，变频器能接受分散控制系统DCS或其它控制系统的控制指令，用于控制和联锁保护的信号采用硬接线方式，并反馈变频器的主要状态信号和故障报警信号。考虑皮带机系统的启停联动需求，可考虑配置变频上位机系统，在上位机操作界面上完成启停顺序控制，保护参数设置等。具体用户接口将在技术协议或详细设计阶段根据用户要求确定。2、变频器布置图SH-HVF-Y6K变频器（功率630KW以下）在目前国内高压变频产品中结构最紧凑，其外形图如下：
