1、上港集團(tuán)羅涇煤炭碼頭皮帶機(jī)系統(tǒng)高壓變頻調(diào)速節(jié)能技術(shù)方案2013年05月一、電機(jī)節(jié)能技術(shù)發(fā)展的背景及現(xiàn)狀經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展帶來(lái)了國(guó)民經(jīng)濟(jì)的持續(xù)增長(zhǎng)，但是能源的巨大消耗也造成資源的日益短缺，現(xiàn)在全球各國(guó)都己認(rèn)識(shí)到“節(jié)能降耗”的重要性。當(dāng)今，如何滿(mǎn)足迅速增長(zhǎng)的能源需求，實(shí)現(xiàn)能源的清潔高效利用，是我國(guó)面臨的一次嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，而節(jié)能是解決這一問(wèn)題的根本途徑，這就意味著我們需要大力推進(jìn)節(jié)能技術(shù)，提高能源的利用效率。因此我國(guó)推出了“節(jié)能優(yōu)先，降低能耗”的能源發(fā)展戰(zhàn)略思路，并且進(jìn)一步提出要建設(shè)能源節(jié)約型企業(yè)，此中的“節(jié)約”具有雙重含義：其一是相對(duì)浪費(fèi)而言的節(jié)約。其二是要求在經(jīng)濟(jì)運(yùn)行中對(duì)能源需求實(shí)行減量化，即：在生產(chǎn)

2、和消費(fèi)過(guò)程中，用盡可能少的能源，創(chuàng)造相同的財(cái)富甚至更多的財(cái)富。這種節(jié)約要求徹底轉(zhuǎn)變現(xiàn)行的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)方式，進(jìn)行深刻的技術(shù)革新，真正推動(dòng)企業(yè)的全面進(jìn)步。電工行業(yè)的電機(jī)節(jié)能技術(shù)是我國(guó)節(jié)能減排戰(zhàn)略的重要組成部分，是國(guó)家的要求，也是企業(yè)提高經(jīng)濟(jì)效益的迫切需要。在一定意義上說(shuō)，企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)，更是技術(shù)的競(jìng)爭(zhēng)，是提高資源與能源效率的競(jìng)爭(zhēng)。電動(dòng)機(jī)是我國(guó)最主要的用電設(shè)備，廣泛應(yīng)用于工業(yè)、商業(yè)、農(nóng)業(yè)、公用設(shè)施和家用電氣的各個(gè)領(lǐng)域，用于拖動(dòng)皮帶機(jī)輸送機(jī)、風(fēng)機(jī)、泵等各種設(shè)備。電機(jī)系統(tǒng)包括電動(dòng)機(jī)、被拖動(dòng)裝置、傳動(dòng)控制系統(tǒng)。根據(jù)我國(guó)國(guó)家發(fā)改委2003年的調(diào)查結(jié)果，電機(jī)系統(tǒng)耗電約占我國(guó)用電量的60以上。由于電機(jī)系統(tǒng)消耗了大部分的

3、工業(yè)用電，因此提高電機(jī)系統(tǒng)的能源利用效率水平對(duì)于我國(guó)的能源節(jié)約和環(huán)境保護(hù)都具有相當(dāng)重要的意義。根據(jù)國(guó)際協(xié)會(huì)預(yù)測(cè)，在我國(guó)通過(guò)提高電動(dòng)機(jī)的能效標(biāo)準(zhǔn)和推廣高效電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用，年節(jié)電數(shù)量可累計(jì)到764億千瓦時(shí)，二氧化碳排放量可減少7640萬(wàn)噸。歐盟預(yù)測(cè)，對(duì)不同功率的電機(jī)效率提高1-6，可節(jié)能3，每年可節(jié)約電能276億千瓦時(shí)，相當(dāng)于5座100萬(wàn)千瓦電站的供電能力。可見(jiàn)，電機(jī)的節(jié)能潛力是非常巨大的，因此也是非常必要的。二、港口皮帶機(jī)系統(tǒng)的特點(diǎn)及節(jié)電原理港口的煤炭等散貨堆場(chǎng)所采用的皮帶機(jī)傳輸系統(tǒng)屬于輸送量大、輸送距離長(zhǎng)的大型傳輸設(shè)備。它具有以下特點(diǎn)：(1)負(fù)載量大，皮帶機(jī)額定生產(chǎn)率一般在2500-8000th

4、。(2)性能參數(shù)高，趨向?qū)拵Щ透咚倩溟L(zhǎng)度一般為1000- 1500m，帶寬為1800-2200mm(煤炭)，帶速大于4ms。(3)裝機(jī)容量大，每條皮帶機(jī)一般配備兩臺(tái)或兩臺(tái)以上額定電壓為6kV、額定功率為200-一600kW的三相異步電動(dòng)機(jī)。(4)輸送機(jī)分為堆料和取料兩種機(jī)型，因此作業(yè)工況也具有其特殊性，即當(dāng)堆、取料機(jī)在處在不同位置時(shí)，皮帶機(jī)上的有料段長(zhǎng)度也不一樣，這樣就造成了皮帶機(jī)負(fù)載量的較大變化。在這種工況下，皮帶機(jī)的輸送量，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于皮帶機(jī)的通過(guò)能力，導(dǎo)致輸送機(jī)能耗過(guò)高，系統(tǒng)功率因數(shù)過(guò)低，造成了電能的大量浪費(fèi)。由于港口皮帶機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用了高壓異步電動(dòng)機(jī)(一般為6kV的高壓)作為驅(qū)動(dòng)單元

5、，其對(duì)能源造成的浪費(fèi)相比采用低壓控制的皮帶機(jī)控制系統(tǒng)要大的多，因此為了降低能耗、提高功率因數(shù)，港口皮帶機(jī)的輸送能力應(yīng)與驅(qū)動(dòng)能力相匹配。因系統(tǒng)對(duì)電能的利用率直接反應(yīng)在電動(dòng)機(jī)的工作效率中，因此節(jié)能研究對(duì)象應(yīng)首先考慮異步電動(dòng)機(jī)。港口皮帶機(jī)系統(tǒng)效率低的主要原因是負(fù)荷特性與電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩特性不匹配，當(dāng)電機(jī)所帶負(fù)荷較小時(shí)，電機(jī)的運(yùn)行效率較低；當(dāng)電機(jī)所帶負(fù)荷較大時(shí)，電機(jī)才可能以較高效率運(yùn)行。皮帶機(jī)在初步設(shè)計(jì)時(shí)一般按最大運(yùn)輸量考慮，而減速機(jī)和電動(dòng)機(jī)的選型原則是等級(jí)靠大不靠小，并且由于皮帶機(jī)系統(tǒng)的托輥較多，皮帶較長(zhǎng)，是慣性力矩較大的機(jī)械設(shè)備，啟動(dòng)所需的功率較大，為了滿(mǎn)足啟動(dòng)的要求，在選擇驅(qū)動(dòng)電機(jī)時(shí)，一般會(huì)選配額定

6、功率較大的電動(dòng)機(jī)，一般均有20-45的富余量。而當(dāng)系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)行時(shí)其功率相對(duì)于啟動(dòng)功率較小，致使大多數(shù)情況下電動(dòng)機(jī)處于輕載狀態(tài)；另外，當(dāng)堆、取料機(jī)處在不同位置時(shí)，導(dǎo)致堆料和取料皮帶機(jī)上有料段長(zhǎng)度變化很大，使得物料分布不均勻，物料量連續(xù)性差，進(jìn)而導(dǎo)致皮帶機(jī)的運(yùn)行負(fù)載變化很大。這些因素導(dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)行存在著嚴(yán)重的“大馬拉小車(chē)”現(xiàn)象，造成電機(jī)功率因數(shù)低、效率低。據(jù)測(cè)試，功率因數(shù)有時(shí)候甚至只有02-03，遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到供電部門(mén)要求的功率因數(shù)不得低于08的要求(各地有所不同)，同時(shí)還增加了電路不必要的損耗。皮帶機(jī)的能耗中，將物料平移及提升做工和克服摩擦阻力做工過(guò)程中耗能比重大。無(wú)論皮帶機(jī)上是否有煤料，只要皮帶機(jī)運(yùn)

7、轉(zhuǎn)，該部分能耗就存在。當(dāng)皮帶機(jī)空載狀態(tài)運(yùn)行時(shí)，其能耗是浪費(fèi)的，導(dǎo)致皮帶機(jī)單耗增加。降低皮帶機(jī)的空載率的主要方法有：皮帶機(jī)在物料到達(dá)后再啟動(dòng)，根據(jù)速度調(diào)整皮帶速度。三、羅涇碼頭煤炭皮帶機(jī)系統(tǒng)的節(jié)能分析皮帶機(jī)屬于恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的大小無(wú)關(guān)。根據(jù)功率公式 P=F×V（說(shuō)明：F是力矩，V是速度。） 當(dāng)力矩一定時(shí)，功率與速度成正比。我們根據(jù)傳輸帶上運(yùn)輸?shù)牟煌?fù)載，在滿(mǎn)足工藝要求的前下，改變傳輸帶的速度。計(jì)算節(jié)能效果。但在計(jì)算過(guò)程當(dāng)中，變頻調(diào)速節(jié)能計(jì)算時(shí)需考慮變頻器的效率，變頻器的效率一般為95%-96%，因此在計(jì)算變頻調(diào)速節(jié)能時(shí)要將變頻器的4%-5%的損耗考慮在內(nèi)，這樣的計(jì)算結(jié)果與實(shí)際節(jié)

8、能率更為接近。上港集團(tuán)煤炭分公司的羅涇碼頭，主要從事煤炭的進(jìn)出口業(yè)務(wù)，其皮帶機(jī)是港口內(nèi)的主要輸送設(shè)備，煤炭經(jīng)過(guò)皮帶機(jī)，輸送到料場(chǎng)、船，或直接配送給終端用戶(hù)，皮帶機(jī)承擔(dān)著卸船、裝船、配貨等主要任務(wù)，羅涇港現(xiàn)有系統(tǒng)皮帶機(jī)39條，總長(zhǎng)約為13201.46米，電機(jī)總配置容量為10283KW（不包括移動(dòng)皮帶機(jī)），根據(jù)輸送工藝要求輸送系統(tǒng)，現(xiàn)系統(tǒng)有操作流程46條（如下圖）。我們選取卸船流程中的船到場(chǎng)3號(hào)線(xiàn)（流程號(hào)821）為例，分析變頻改造后的節(jié)電空間：3號(hào)線(xiàn)的皮帶流程：BC2-BC8-FC2-BC11-FC10-BCXG1-BCX1-FCX2-BCX2-BCX3（總功率2049kW）。按年工作時(shí)間240個(gè)

9、工作日，每天工作時(shí)間20個(gè)小時(shí)（其中18個(gè)小時(shí)處于有貨狀態(tài)，2個(gè)小時(shí)處于空載運(yùn)行狀態(tài)）。工頻運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)運(yùn)行功率取額定功率的80%。運(yùn)行狀態(tài)的調(diào)速幅度以不影響物料傳輸為準(zhǔn)（拋料距離滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)要求），分別以無(wú)調(diào)速、調(diào)速至90%、80%、70%進(jìn)行計(jì)算：（1）無(wú)調(diào)速時(shí)節(jié)電： 80%×2049KW×（2H）×240×0.6=47.2（萬(wàn)元）（2）當(dāng)調(diào)速到90%時(shí)節(jié)電： 80%×2049KW×（5%×18H+2H）×200×0.6=68.5（萬(wàn)元）（3）當(dāng)調(diào)速到80%時(shí)節(jié)電：80%×2049KW×（1

10、5%×18H+2H）×240×0.6=111（萬(wàn)元）（4）當(dāng)調(diào)速到70%時(shí)節(jié)電：80%×2049KW×（25%×18H+2H）×240×0.6=153.5（萬(wàn)元）使用變頻器啟動(dòng)，可以有效減小大電機(jī)的啟動(dòng)電流，從而減小線(xiàn)路損耗，變壓器銅損和鐵損，而且還能防止對(duì)電機(jī)的沖擊損害。 假設(shè)電機(jī)額電流200A，直接啟動(dòng)電流為46倍額定電流，變頻器實(shí)際起動(dòng)電流約為1.2額定電流。（單臺(tái)電機(jī)）皮帶機(jī)電機(jī)起動(dòng)總電流按1800A；變頻器起動(dòng)總電流按： 240A；電機(jī)的電壓6KV假設(shè)每天按起動(dòng)10次計(jì),變頻器起動(dòng)時(shí)間60s,直接啟動(dòng)時(shí)間

11、30s;皮帶機(jī)電機(jī)起動(dòng)總耗電量為:1870kW·h;變頻器日起動(dòng)總耗電量為: 415kW·h;日起動(dòng)節(jié)約電量:1870-415=1455kW·h; 日起動(dòng)節(jié)約電費(fèi):1455×0.6=873元;全年節(jié)約電費(fèi)：240天×873元=21萬(wàn)元。綜上，單條皮帶機(jī)系統(tǒng)理想情況下年節(jié)電數(shù)量可以百萬(wàn)計(jì)，年節(jié)電費(fèi)可達(dá)百萬(wàn)元，相當(dāng)于二氧化碳排放量可減少上千噸。五、采用變頻驅(qū)動(dòng)的綜合優(yōu)勢(shì)上海羅涇港現(xiàn)運(yùn)行的皮帶機(jī)，基本上是工頻控制方式，如采用變頻控制，可帶來(lái)以下綜合優(yōu)勢(shì)：1、節(jié)能。對(duì)應(yīng)于港口的特殊生產(chǎn)條件，在負(fù)載輕或無(wú)負(fù)載時(shí)，皮帶機(jī)系統(tǒng)的高速運(yùn)行對(duì)機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的磨損浪

12、費(fèi)較為嚴(yán)重，同時(shí)電能消耗也較低速運(yùn)行大的多，但因生產(chǎn)的需要皮帶機(jī)系統(tǒng)又不能隨時(shí)停車(chē)，采用單獨(dú)的控制系統(tǒng)對(duì)前級(jí)運(yùn)輸系統(tǒng)的載荷、本機(jī)運(yùn)輸系統(tǒng)的載荷進(jìn)行分別測(cè)量，這樣可控制變頻器降速或提前升速。對(duì)于載荷不均的皮帶機(jī)系統(tǒng)，可節(jié)約電能、降低皮帶的磨損。2、真正實(shí)現(xiàn)皮帶機(jī)軟啟動(dòng)。通過(guò)電機(jī)慢速啟動(dòng)帶動(dòng)皮帶機(jī)緩慢啟動(dòng)，將膠帶內(nèi)部貯存的能量緩慢釋放，可將輸送機(jī)啟停時(shí)產(chǎn)生的沖擊減至最小，幾乎對(duì)膠帶不造成損害；3、降低膠帶帶強(qiáng)。由于變頻器啟動(dòng)時(shí)間可以在13600s內(nèi)調(diào)整，皮帶機(jī)啟動(dòng)時(shí)間通常在60200s內(nèi)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況設(shè)定。啟動(dòng)時(shí)間延長(zhǎng)大大降低對(duì)帶強(qiáng)的要求，減少設(shè)備初期投資。實(shí)際應(yīng)用中，由于降低了啟動(dòng)沖擊，機(jī)械系統(tǒng)的

13、損耗也隨之降低，尤其托輥及滾筒壽命大大延長(zhǎng)；4、實(shí)現(xiàn)皮帶機(jī)多電機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)的轉(zhuǎn)矩平衡。應(yīng)用變頻器對(duì)皮帶機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)可以采用一拖一控制，多電機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)采用主從或協(xié)調(diào)柜控制方式，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩平衡；5、驗(yàn)帶功能。低速驗(yàn)帶功能是皮帶機(jī)檢修的要求。變頻調(diào)速系統(tǒng)為無(wú)極調(diào)速的交流傳動(dòng)系統(tǒng)，在空載驗(yàn)帶狀態(tài)下可調(diào)整0100%額定帶速范圍內(nèi)的任意帶速；6、平穩(wěn)的重載啟動(dòng)。變頻器低頻運(yùn)轉(zhuǎn)可輸出2.2倍額定力矩，適于重載啟動(dòng)；7、自動(dòng)調(diào)速。變頻器配合煤流傳感器可以根據(jù)負(fù)載輕重自動(dòng)調(diào)節(jié)膠帶速度，節(jié)電的同時(shí)還減少了膠帶的磨損。綜上，單條皮帶流程線(xiàn)年節(jié)電理想情況下可達(dá)到百萬(wàn)元以上，如果將碼頭上所有的皮帶機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)改造，節(jié)電空間將非常

14、可觀，且大大提高整個(gè)碼頭的工況及智能化操作水平。六、SH-HVF系列高壓變頻技術(shù)優(yōu)勢(shì)簡(jiǎn)介1、 高壓變頻器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：SH-HVF系列高壓變頻器是采用交-直-交、直接高-高變換方式，整流側(cè)采用大容量電容器濾波的電壓源型高壓變頻器。變頻器逆變主電路拓?fù)洳捎枚嚯娖叫问剑冾l器每相采用多個(gè)功率單元（Power Cell）串聯(lián)，逆變器輸出采用多電平移相式PWM技術(shù)，輸出電壓非常接近正弦波。拓?fù)鋱D如下所示：2、功率單元旁路我方變頻裝置的功率單元為模塊化設(shè)計(jì)，可以方便從機(jī)架上抽出、移動(dòng)和變換，所有單元可以互換，更換單元不須專(zhuān)用工具，拆裝方便，只需裝卸7個(gè)螺絲，更換一個(gè)單元的時(shí)間一般小于5分鐘。為了保證變頻器和

15、現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的正常運(yùn)行，SH-HVF系列高壓變頻器為用戶(hù)提供了功率單元旁路功能，當(dāng)單元故障時(shí)，可在線(xiàn)實(shí)時(shí)自動(dòng)將輸出清除并同時(shí)觸發(fā)旁路單元將其旁路，不需重新啟動(dòng)，不影響整個(gè)系統(tǒng)的正常工作。3、變頻器帶故障運(yùn)行方式當(dāng)有功率單元故障時(shí)，變頻器可通過(guò)線(xiàn)電壓自動(dòng)均衡技術(shù)，輸出最大的功率而不至于跳機(jī)影響生產(chǎn)，用戶(hù)可以根據(jù)設(shè)備的報(bào)警自行確定停機(jī)維修時(shí)間。4、頻率分辨率及諧波指標(biāo)頻率分辨率為0.01Hz，每周波頻率誤差小于1微秒。輸出電流諧波失真<2%；變頻調(diào)速系統(tǒng)產(chǎn)生的諧波滿(mǎn)足并高于中國(guó)“GB/T 14549電能質(zhì)量 公用電網(wǎng)諧波”國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。變頻裝置考慮將對(duì)電網(wǎng)諧波影響減至最小的措施包括：a、移相變壓器；b、單元串聯(lián)技術(shù)；c、優(yōu)化的PWM算法；d、多脈沖整流技術(shù)5、線(xiàn)電壓自動(dòng)均衡技術(shù)變頻器某相有單元故障后，為了使線(xiàn)電壓平衡，傳統(tǒng)的處理方法是將另外兩相的電壓也降至與故障相相同的電壓，而線(xiàn)電壓自動(dòng)均衡技術(shù)通過(guò)調(diào)整相與相之間的夾角，在相電壓輸出最大且不相等的前提下保證最大的線(xiàn)電壓均衡輸出。七、SH-HVF高壓變頻設(shè)計(jì)說(shuō)明1、高壓變頻器接口設(shè)計(jì)SH-HVF系列高壓