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国民经济重点行业主要辅机设备变频调速节能技术讲座(三十九)

发布日期:2020-03-09   来源:《变频器世界》19-10期   作者:徐甫荣(Xu Furong)   浏览次数:1325
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【摘   要】:一、工程概况内蒙古呼伦贝尔北方药业有限公司是于2009年在呼伦贝尔牙克石市投资兴建的大型生物制药企业,是呼伦贝尔市重点工业项

   一、工程概况

内蒙古呼伦贝尔北方药业有限公司是于2009年在呼伦贝尔牙克石市投资兴建的大型生物制药企业,是呼伦贝尔市重点工业项目之一,生物医药产业园区的重要组成部分。建有青霉类、头孢类、维生素类、氨基酸类和其他生物制药产品类原料药生产基地。

    北方药业有限公司现有10kV高压大功率发酵罐搅拌机电机(630kW)18台,待放发酵罐6台电机(280kW),目前主要运行6~7台630 kW发酵罐搅拌机。下表是现场设备调查数据表。

发酵325罐搅拌机电机参数表(现运行6台)

1

电机铭牌参数

电机型号

额定功率

额定电压

额定电流

电机转速

功率因数

生产厂家

出厂日期

YKK500----4

630

10kV

42.3

1493r/min

0.87

武汉卧龙

2010.9

2

负载铭牌参数

负载类型

额定转速

负载型号

轴功率

额定流量

额定量程(全压)

 

 

减速机

110 

B2SY14-14

 

 

 

辽宁海进 

 

3

启动

启动方式

启动柜类型

启动电流

 

 

 

 

 

  

KYN28

 

 

 

 

 

 

4

运行

运行电流

工作电压

 

 

 

 

 

 

32A~33A

10.15kV

 

 

 

 

 

 

5

日常维护

请描述电机的日常维护项目和间隔。

润滑,测直阻.

 

二、搅拌机运行工艺和节能控制概述

搅拌机可以是一种独立的流体力学范畴的单元操作机械,如进行液-液混合、固-液悬浮、气-液或液-液分散等,又往往是完成其他单元操作如传热、吸收、萃取、溶解、结晶等以及化学反应过程的必要手段。搅拌过程可使被搅拌液体各部分接近于均质状态,增大分散相的有效接触面积,降低分散相周围的液膜阻力以及增大相对速度提高传热速度等。因此,在化工、医药、食品、造纸、农业,环保等众多行业中广泛应用着各种搅拌设备。

搅拌操作多种多样,搅拌介质差别也很大,不同性质的介质决定了搅拌机不同的负载特性。例如具有沉淀介质或粘性大的介质具有双曲线转矩特性,即转矩与转速成反比例关系,这种介质采用变频调速不节能!对于无沉淀无粘性的介质则属于二次方转矩特性,即转矩与转速的二次方成正比,类似风机水泵类负载的转矩特性,采用变频调速可以收到良好的节能效果。种制药工艺过程对搅拌的要求也不尽相同,这些都要求不同型式、不同转速的搅拌器与之相适应。各种搅拌器在配合各种可控制流动状态的附件后,能使流体状态以及供给能量的情况出现多种变化,更有利于强化不同的搅拌过程。

搅拌机在设计时均是按使用工况的要求考虑一定余量的,而搅拌机在实际使用过程中,则不一定要在最大转速及转矩下工作,有很多时间都可以工作在非满载状态传统的搅拌机通常不进行调节或采用机械调速方式机械调速方式会增大搅拌机的损耗,同时会使搅拌机工作在波动状态,也使搅拌机工作在“大马拉小车”的状态,很不经济。

高压变频调速系统可以随搅拌工艺的要求实现动态调节,一劳永逸地解决好传统搅拌机在使用过程中存在的很多问题,大幅度减少能耗,提高系统的稳定性和运行效率,为系统的经济优化运行提供了可靠保证,并且保证了设备的安全运行。同时,对于设备负载的变化,本节电系统可以自动跟踪并匹配相应的功率输出,实现所供即所需,在满足生产工艺要求的同时达到节电目的。

三、搅拌机变频调速节能分析

北方药业有限公司现有10kV高压大功率发酵罐电机(630kW)18台,待放发酵罐6台电机(280kW),目前主要运行6~7台630 kW发酵罐电机。根据生产青霉素发酵环节生产工艺特性分析,采用高压变频装置拖动发酵罐高压电机将产生可观的节能效益,同时更加有利于提高发酵效率。

1.直接经济效益

针对630kW/10kV的发酵罐搅拌机(配套SWdrive-MV10/800)我们初步进行理论计算如下:根据实际运行工况,电动机运行电流为30A左右则电动机的实际消耗电功率为:

P工频=I运行/I额定 ×P额定 =30A/42.3630kW≈447kW

根据实际发酵罐搅拌机运行工艺特点。当改用高压变频器调节时,运行在42hz就能满足工艺要求,调速系数为0.835,发酵罐的实际需要的功率为(同时考虑变频器损耗存在):

P1 =630×/0.96380.7kW

节省电功率为:P=P工频-P=447kW-380.7kW=66.3kW

节电为:    66.3kW÷447kW≈14.8%

单台设备节电量为:66.3kWh×24300d≈477360度

单台设备年节电收益(电价按0.54元/度):年节电收益=477360度×0.54元/度≈25.8万元

2.间接经济效益

1)软启动,减少冲击损耗,有效的延长了电机的使用寿命,减少了检修维护开支,节约大量维护费用。

2)变频调速时,50Hz满载时功率因数为接近l,工作电流比电机额定电流值要低许多,这是由于变频装置的内滤波电容产生的改善功率因数的作用,为电网节约容量。

四、变频改造技术方案

北方药业公司发酵罐搅拌机电动机高压变频改造,其发酵罐高压电机采用一拖一手动方式工变切换,包括变频器柜本体及附属设备的功能设计、结构、性能、制造、安装和试验等方面的技术要求。

1. 设备参数

发酵罐搅拌机电动机(18台):

额定电压  10kV       额定功率:630kW     

额定频率:50Hz        额定电流:42.3A

功率因数:0.87        额定转速:1493r/m

2.控制要求

 a) 满足可驱动普通交流高压电机,调节精度不低于0.5%。在低频运行时能保证100%额定输出转矩。

b) 具有良好的调节特性和瞬态快速调整特性。在负荷从100%调节到40%的响时间小于1min

c)运行电压在10kV,可以实现电压波动在-20%—+10%左右时,做到电压在安全范围内波动时变频器满载输出。

满足下列搅拌机电动机变频项目目标要求

实现搅拌机电动机的变频调速安全运行;

实现搅拌机电动机生产中方便的转速调节操作;

提高系统的自动化水平。

满足搅拌机电动机控制要求。变频装置系统输入为10kV、50Hz,用于电机进行调速;变频装置系统输出电压为10kV、输出频率:0Hz~50Hz。

3.变频器技术要求

3.1 变频器的基本性能要求

3.1.1 每一台变频器的设计与构造,与它所控制电机的运行条件和维修要求一致。无需改变电机和供电电压。

3.1.2 具有合理的运行操作方式及就地启停、调试和正常运行及事故情况下所必需的测量、控制调节及保护等措施,以确保电机的安全经济运行。

3.1.3 北京国电四维提供的产品是新一代高压变频装置(包括所有必需的设备及其内部设备之间的接线)为高-高结构。单元串联多电平形式,直接10kV输入,通过移相隔离变压器降压给24个整流逆变单元供电,每相8个单元串联可输出5800V的相电压,因此可以直接输出10kV的线电压,达到直接高-高变频的目的。 变频器与电机之间无需任何升压变压器。

3.1.4 北京国电四维高压变频装置在散热、防尘方面做了很好的设计,采用强制风冷设计科学合理,设计有专门的导风板,使通风设施更完善,效率提高20%以上;同时选用德国EBM冷却风机,平均无故障时间已远远大于变频装置本身,并具有风机控制和故障报警功能;在远程控制方式下,报警信号能远传到控制室;当1台风机发生故障时,仍然能够满足额定运行要求。每一套冷却装置拆装方便,更换安全便捷且不影响变频装置的安全可靠运行。

3.2 变频器系统保护功能

输入回路带浪涌吸收保护。

变压器允许过负荷能力符合IEC干式变压器过负荷导则及相应国标要求。

每个功率单元输入侧带快速保护,要求在10us之内快速通断IGBT,保护功率单元同时不需要熔断器。

变频装置有过电压,过电流,欠电压,缺相,变频器过载,变频器过热,电机过载等保护功能:

(1) 过载保护。电机额定电流的120%,每10分钟允许1分钟,超过则保护。

(2) 过流保护。变频器输出电流超过电机额定电流的150%,3S保护;额定电流200%,在10微秒内保护。

(3) 过压保护。检测每个功率模块的直流母线电压,如果超过额定电压的115%,则变频器保护。此保护实际上包括了对电网电压正向波动的保护。

(4) 欠压保护。检测每个功率模块的直流母线电压,如果低于欠压保护定值,则变频器保护。此保护实际上包括了对电网电压负向波动的保护。

(5) 过热保护。包括两重保护:在变频调速系统柜体内设置温度检测,当环境温度超过预先设置的值时,发报警信号;另外,在主要的发热元件,即整流变压器和电力电子功率器件上放置温度检测,一旦超过极限温度(变压器130℃、功率器件80℃),则保护。

(6) 缺相保护。缺相保护设置在每个功率模块上。当变频器输入侧掉相系统发出报警信号,并保护;功率模块的保险熔芯熔断缺相时,系统会发出报警信号。

(7) 光纤故障保护。当控制器与功率模块之间的连接光纤出现故障时,会发出报警信号并保护。

以上故障均在中文用户界面上指定故障确切位置,便于用户采取应对措施。变频装置的隔离变压器具有温度过热保护。变频器上口的开关柜必须按照8-10倍额定电流设置速断保护值,确保躲过激磁涌流。

  五、应用高压变频调速系统产生的其他效果

5.1  提高了网侧功率因数

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0.96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。

5.2  降低设备运行与维护费用

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。

5.3  减少了对电网的冲击

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。

5. 4  增强了电动机的保护功能

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。

5. 5  实现了高度自动化

由于调速系统在运转设备与备用设备之间实现计算机联锁控制,机组实现自动运行和相应的保护及故障报警,操作工作由手动转变为监控,完全实现生产的无人操作,大大降低了劳动强度,提高了生产效率,为优化运营提供了可靠保证。

5. 6  提高了系统运行的可靠性

北京国电四维高压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,避免了因为电压波动而跳停设备的现象,提高了搅拌机系统运行的可靠性。

 
 
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