河北某轧钢厂节能控制装置设计说明

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1、河北敬业集团三期轧钢厂系统节能控制装置设计说明北京仟亿达科技有限公司二一年九月目 录1 概述12系统概况23 设计依据和原则33.1 设计依据33.2 设计原则34 设计方案44.1 设计原理44.2 系统构成54.3 系统特点65、项目风险及控制65.1风险因素识别65.2风险分析和控制66变频原理分析77 售后服务157.1 产品技术部分157.2 售后服务部分161 概述北京仟亿达科技有限公司成立于2004年5月18日，注册资本1000万元。是一家主业为节能减排的高新技术企业，位于北京CBD核心板块，是一家从事工业节能（水泥厂、化工厂、钢铁厂、电厂、矿山等）、楼宇节能（包括：商场及酒店等

2、照明与中央空调节能等）、城市市政及路灯（LED、无极灯）等节能产品的研发、生产、销售为一体的新型高科技企业，拥有2项专利。公司常年与北京理工大学及北京工业大学等科研机构保持着长期合作关系，走产学研发展道路。公司致力于提供是水泥厂、化工厂、钢铁厂、电厂、矿山等高压变频器、低压变频器、及动力节能设备；并为商场、酒店、写字楼及城市市政、路灯等提供节能解决方案，是中国节能行业最具竞争力的全面解决方案服务运营商之一。公司提供灵活多样的合作方式，包括合同能源管理模式（EMC）、融资租赁模式、分期付款模式、直接采购等。2 系统概况河北敬业集团三期轧钢厂具体配置如下：线材加热炉风机系统1：鼓风机电机 2台 电

3、机型号:YKK4501-4 电压:10KV 额定功率:200KW 额定电流:15.1A 额定转速:1483 r/h 功率因数:cos0.84 运行电流:8.48A 风门开度：60% 直启，一用一备2：空烟引风机电机 1台电机型号:YKK4501-4 电压:10KV 额定功率:200KW 额定电流:15.1A 额定转速:1483 r/h 功率因数:cos0.84 运行电流:9.39A 风门开度：60% 直启，无备用3：煤烟引风机电机 2台电机型号:YKK4501-4 电压:10KV 额定功率:220KW 额定电流:16.6A 额定转速:1483 r/h 功率因数:cos0.83 运行电流:6.3

4、5A 风门开度：60% 直启，一用一备棒材加热炉风机系统1：鼓风机电机 2台 电机型号:YKK4503-4 电压:10KV 额定功率:280KW 额定电流:21A 额定转速:1482 r/h 功率因数:cos0.83 运行电流:11.13A 风门开度：85%以上 直启，一用一备2：空烟引风机电机 1台电机型号:YKK4502-4 电压:10KV 额定功率:250KW 额定电流:18.8A 额定转速:1483 r/h 功率因数:cos0.86 运行电流:11.06A 风门开度：60% 直启，无备用3：煤烟引风机电机 2台电机型号:YKK4505-4 电压:10KV 额定功率:355KW 额定电流

5、:25.5A 额定转速:1483 r/h 功率因数:cos0.83 运行电流:11.31A 风门开度：60% 直启，一用一备3 设计依据和原则 3.1 设计依据本系统的设计严格按照下述标准规范执行：（1） ISO/IEC 11801-95 信息技术互连国际标准（2） GBJ9386 工业自动化仪表工程施工及验收规范（3） GBJ 42-1981 工业企业通信设计规范（4） GBJ 232-92 电气装置安装工程施工及验收规范（5） GBJ 15-1989 中国室内给水排水热水供应设计规范3.2 设计原则为实现上述设计目标，本设计提出并遵循以下的设计原则：（1） 标准化原则严格贯彻国家有关的标准

6、或工业标准，以实现系统的标准化，以保障系统的兼容性、可维护性与可扩展性。（2） 实用性原则依据用户需求进行功能、性能设计，充分满足用户的需求，功能实用。（3） 先进性原则系统采用的技术设施一定要有先进性或超前性。系统设计在满足功能的实用性和满足用户现有需求的前提下,同时考虑技术上的先进性，以避免在短期内因技术陈旧而造成整个系统性能不高或过早淘汰。（4） 安全性原则确保系统设备的运行安全，是系统设计中最重要的原则。设备的自动控制和节能固然重要，但安全应是第一位的。（5） 可靠性原则可靠性是工程设计的基本准则。系统应能满足使用环境条件的要求，能长期稳定可靠地运行。系统的各项资源包括材料、器件、设备

7、等硬件的可靠性要高。为了系统运行的稳定与可靠，系统选用的设备和器材必须成熟，具有极高的安全性、可靠性和容错性。（6） 经济性原则在实现系统先进性的基础上，同时做到经济上的优化设计、合理配置、精心安排，使有限的投资发挥最大的效用，并力求系统在投运后获得最佳的节能效果，使中央空调系统在整个运行生命周期获得最佳的性能/价格比。4 设计方案4.1 设计原理 变频调速是通过改变输入到交流电机的电源|稳压器频率，从而达到调节交流电动机转速的目的。根据电机学原理，交流异步电动机转速由下式确定:n=60f(1-S)/p(1) 式中:n电动机转速；f输入电源频率；S电动机转差率；p电机极对数。由公式(1)可知，

8、电动机的输出转速与输入的电源频率、转差率、电机的极对数有关。交流电动机的直接调速方式主要有：1) 变极调速(调整p)2) 转子串电阻调速或串级调速或内反馈电机(调整S)3) 变频调速(调整f)其中变频调速的优点最多，得到了广泛的应用。根据流体力学的基本定律可知：风机(或水泵)类设备均属平方转矩负载，其转速n与流量Q、压力(扬程)H以及轴功率P具有如下关系:Q1/ Q2n1/n2 (1)H1/ H2(n1/n2)2 (2)P1/ P2(n1/n2)3 (3)式中：Q1、H1、P1风机(或水泵)在n1转速时的流量、压力(或扬程)、轴功率；Q2、H2、P2风机(或水泵)在n2转速时的相似工况条件下的

9、流量、压力(或扬程)、轴功率。由公式(1)、(2)、(3)可知，风机(或水泵)的流量与其转速成正比，压力(或扬程)与其转速的平方成正比，轴功率与其转速的立方成正比。当风机转速降低后，其轴功率随转速的三次方降低，驱动风机的电机所需的电功率亦可相应降低。从上述分析可见，调速是风机节能的重要途径。采用高压变频调速可以实现对风机电机转速的线性调节，通过改变电动机转速使炉膛负压、锅炉氧量等指标与风机风量维持一定的关系4.2 系统构成根据河北敬业集团三期轧钢厂具体情况，建议做节能配置如下：1、线材加热炉1、2#鼓风机 : 配高压节能控制柜KT-GF-200 1台2、线材加热炉1、2#引风机 : 配高压节能

10、控制柜KT-GF-220 1台3、线材加热炉空烟引风机 : 配高压节能控制柜KT-GF-200 1台4、棒材加热炉1、2#鼓风机 : 配高压节能控制柜KT-GF-280 1台5、棒材加热炉1、2#引风机 : 配高压节能控制柜KT-GF-355 1台6、线材加热炉空烟引风机 : 配高压节能控制柜KT-GF-250 1台4.3 系统特点系统采用具有智能控制功能，可以进行类似人脑的知识处理和推理的先进的模糊控制技术，使系统具有优化控制功能，可以根据运行环境及负荷的变化择优选择最佳的运行参量和控制方案。5、项目风险及控制5.1风险因素识别按工程项目标准风险分析法，该项目风险因素应包括：政策风险识别 技

11、术风险 管理风险 生产风险其他风险 5.2风险分析和控制 政策风险： 电机系统节能工程是符合国家关于节约资源、保护环境及可持续发展的方针政策的。国家并且规定，对于大容量电机采用变频器调速进行节能改造，是国家发展改革委启动规划提出的十大重点节能工程之一。电机系统节能使得钢铁企业减少用电成本。 技术风险： 由于变频器在全球已经有了大量的使用案例，这项技术对企业及生产厂家来说，从应用到开发都是完全成熟的，不存在任何特殊的技术风险。唯一可能的风险，对于在大量使用变频器后，可能会产生谐波，对电网造成污染，但我公司使用的完美无谐波系列高压变频器具有对电网谐波污染极小，输入功率因数高，输出波形质量好，不存在

12、谐波引起的电机附加发热、转矩脉动、噪音、dv/dt及共模电压等问题的特性，不必加输出滤波器，就可以使用普通的异步电机，包括国产电机，对输出电缆长度无要求。因此该不存在。 管理风险： 大量使用高科技产品，可能在开始阶段，对企业的技术管理能力是一种考验。我公司将在工程实施过程中，及在设备验收后，给企业的技术人员以足够的培训，使企业技术人员能够独立进行设备操作和维护；再者，现变频器都已数字化、智能化，在其操作面板上，就已明确指示出操作步骤和方法，所以在管理上也不存在风险。 生产风险： 本项目不存在明显的生产风险。可能的风险来之于设备的偶然的故障。目前高、中、低变频调速设备及高效节能电机的技术已经非常

13、的成熟，并且已经在国内、外各大、中型企业中有了很多的成功经验，其可靠性非常高。因此，本项目风险十分低。 其他风险： 除了战争和天灾等不可抗力以外，本项目不存在其他风险。6 变频原理分析变频器节能主要表现在风机、水泵的应用上。为了保证生产的可靠性，各种生产机械在设计配用动力驱动时，都留有一定的富余量。当电机不能在满负荷下运行时，除达到动力驱动要求外，多余的力矩增加了有功功率的消耗，造成电能的浪费。风机、泵类等设备传统的调速方法是通过调节入口或出口的挡板、阀门开度来调节给风量和给水量，其输入功率大，且大量的能源消耗在挡板、阀门的截流过程中。当使用变频调速时，如果流量要求减小，通过降低泵或风机的转速

14、即可满足要求。 由流体力学可知，P(功率)Q(流量)H(压力)，流量Q与转速N的一次方成正比，压力H与转速N的平方成正比，功率P与转速N的立方成正比，如果水泵的效率一定，当要求调节流量下降时，转速N可成比例的下降，而此时轴输出功率P成立方关系下降。即水泵电机的耗电功率与转速近似成立方比的关系。所以当所要求的流量Q减少时，可调节变频器输出频率使电动机转速n按比例降低。这时，电动机的功率P将按三次方关系大幅度地降低，比调节挡板、阀门节能40%一50%，从而达到节电的目的。 例如：一台离心泵电机功率为55千瓦，当转速下降到原转速的4/5时，其耗电量为28.16千瓦，省电48.8%，当转速下降到原转速

15、的l2时，其耗电量为6.875千瓦，省电87.5%。 2、功率因数补偿节能 无功功率不但增加线损和设备的发热，更主要的是功率因数的降低导致电网有功功率的降低，大量的无功电能消耗在线路当中，设备使用效率低下，浪费严重，使用变频调速装置后，由于变频器内部滤波电容的作用，从而减少了无功损耗，增加了电网的有功功率。 3、软启动节能 电机硬启动对电网造成严重的冲击，而且还会对电网容量要求过高，启动时产生的大电流和震动时对挡板和阀门的损害极大，对设备、管路的使用寿命极为不利。而使用变频节能装置后，利用变频器的软启动功能将使启动电流从零开始，最大值也不超过额定电流，减轻了对电网的冲击和对供电容量的要求，延长

16、了设备和阀门的使用寿命。节省了设备的维护费用。 4、高压变频器原理LPMV系列高压变频调速系统组成部分包括变压器柜、功率柜、控制柜及旁路柜（可选），如图1所示。图1 LPMV串联H桥高压变频调速系统典型组成部分图1中主要示意系统的组成部分，具体到各系列产品的实际安装方式，可能有所区别。尤其是针对800kW以下的系列产品，采用了优化设计方案，不但保证了整个系统的可靠性，而且更加紧凑，降低了对用户的安装空间的要求。（功率柜的数量随装置的具体的容量而不同）1.1 系统组成及原理分析：其系统结构如图 2 示。LP-MV高压变频器为高-高电压源型模式，由移相变压器，功率单元和控制器组成。前端由一个多绕组

17、的隔离移相变压器供电，变压器次级共有27组付边绕组，采用54脉冲整流，输入谐波均能满足国家标准GB/T1454993对电压和电流失真的要求。功率单元每相采用低压功率单元串接组成，每相9个功率单元，三相共 27 个单元。控制器部分以双DSP高速微处理器实现控制以及与子微处理器间进行通信。高压变频器采用模块化设计，互换性好、维修简单，噪音低，谐波含量小，不会引起电机的转矩脉动，对电机没有特殊要求。 图 2 高压变频调速系统的结构图 1.2 功率单元电路 其电路结构如图 3 示，为基本的交 - 直 - 交单相逆变电路，整流侧为六支二极管实现三相全波整流。逆变侧通过对 IGBT 逆变桥进行正弦 PWM

18、 控制实现逆变。旁路侧由单相整流桥加可控硅（图中用K表示）组成，假如一单元发生故障，该单元的输出端能自动通过K旁路，整机正常运行。每个功率单元完全一样，可以互换，这不但调试、维修方便，而且备份也十分经济。图 3 单元电路主电路图 1.3输入侧结构 输入侧由移相变压器给每个功率单元供电， 每个功率单元都承受额定电机电流、 1/9的相电压、1/27的输出功率。27个单元在变压器上都有自己独立的三相输入绕组。功率单元之间及变压器二次绕组之间相互绝缘。二次绕组采用延边三角形接法，目的是实现多重化，降低输入电流的谐波成分。本机中移相变压器的副边绕组分为三组，采用54脉冲整流方式。这种多级移相叠加的整流方

19、式可以大大改善网侧的电流波形，使其负载下的网侧功率因数接近1， 输入电流谐波成分低。实测输入电流总谐波成分小于3%。 另外，由于变压器副边绕组的独立性，使每个功率单元的主回路相对独立，类似常规低压变频器，便于采用现有的成熟技术。1.4输出侧结构 输出侧由每个单元的两个输出端子相互串接而成，三相星型接法输出给电机供电。通过对每个单元的 SPWM 波形进行重组，可得到如图 4 所示的阶梯 PWM 波形。这种波形正弦度好， dv/dt 小，可减少对电缆和电机的绝缘损坏，无须输出滤波器就可以使输出电缆长度很长，电机不需要降额使用，可直接用于旧设备的改造；同时，电机的谐波损耗大大减少，消除了由此引起的机

20、械振动，减小了轴承和叶片的机械应力。 图 4变频器输出的相电压阶梯PWM波形图1.5 控制器 控制器核心由高速双DSP芯片运算来实现，精心设计的算法可以保证电机达到最优的运行性能。人机界面提供友好的全中文监控和操作界面，同时可以实现远程监控和网络化控制。控制器用于柜体内开关信号的逻辑处理，以及与现场各种操作信号和状态信号的协调，增强了系统的灵活性。 控制器及各控制单元板中采用先进的单片机等大规模集成电路和表面焊接技术，系统具有极高的可靠性。此外还有一个CPU，负责管理LED显示屏和键盘。控制器与功率单元之间采用多通道光纤通讯技术，低压部分和高压部分实现真正意义的电气隔离，系统具有极高的安全性和

21、可靠性，同时具有很好的抗电磁干扰能力。并且各个功率单元的控制电源采用一个独立于高压系统的统一控制器，方便调试、维修、现场培训，增强了系统的可靠性。1.6 控制电源控制器有一套独立于高压电源的供电体系，在不加高压的情况下，仅通入控制电源，设备各点的波形与加高压情况基本相似，给整机调试、维护、培训带来了极大的方便及安全性。采用三次谐波补偿技术提高了电源电压利用率，利用了调制信号预畸变技术，使电压利用率近似于1。系统采用了先进的载波移相技术，它的特点是单元输出的基波相叠加、谐波彼此相抵消。所以串联后的总输出波形失真特别小。多个单元迭加后的理论输出波形如图5所示（图中是六单元叠加）。图5 6个单元输出

22、迭加后的波形l 旁路柜构成：旁路柜为可选件。可以不采用旁路柜，高压输入和输出线通过变压器柜中的接线端子进行连接。如果采用旁路柜时，也可选择手动旁路或自动旁路方式，相应地，旁路柜的构成也不相同。手动旁路方式的旁路柜主要由高压真空接触器、隔离刀闸、电压互感器等构成，它的主要作用是在高压变频器检修时，为高压电机从电网直接提供高压电源，不影响用户的使用。在使用时可进行变频运行和工频运行的切换。电压互感器可对输入的高电压进行检测，判断输入、输出电压的质量和是否出现故障，为进行高性能的控制提供依据。 图6 手动方式的旁路柜自动方式时的旁路柜主要包括真空接触器等设备，可以不需要人工操作，通过控制柜的可编程序

23、控制器（PLC）自动进行控制，并在系统出现故障时，把变频器输出到电机的三相输出自动切除并切换到电网直接供电，不会导致系统停机。图7 自动方式的旁路柜l 变压器柜构成：变压器柜内主要为高压隔离移相变压器。以6 kV高压变频调速系统为例，当采用1700V级的IGBT时，功率柜中每相由5或6个功率单元组成。这些单元皆由隔离移相变压器二次侧供电，且二次侧依次相差一个相位差，可实现多重化串联整流。在移相变压器的一次侧中，各折算的二次侧电流叠加后，其电流波形非常逼近正弦波，因此对电网的谐波干扰非常小，完全满足国际、国内包括IEEE 519-1992和GB/T14549-93在内各种标准的要求。同时，也改善

24、了系统的功率因数。变压器柜中同时包括温度监测控制器的测温点（其温控器安装在控制柜内），它实时循环监测各相绕组的温度，当温度高于预定设置值时，会启动变压器柜下部的6个冷却风扇。同时，变压器温度监测控制器会及时在变压器故障时，把信息立即反馈给控制柜，保证了变压器的可靠运行。l 功率柜构成：功率柜是变频器功率主电路核心的部分，它由多个完全相同的功率单元组成，各功率单元的输出电压串联叠加后组成输出到电机的三相电压。功率单元中的主功率器件为IGBT，所采用的IGBT耐压为1700V级的IGBT。以10kV的高压变频器调速系统为例，当采用1700V的IGBT时，每相中包含9个功率单元，而每个功率单元的输出

25、电压为交流660V，则相电压为9660，即5940V，相应的，其线电压为10kV。通过采用了具有自主知识产权的优化PWM（脉冲宽度调制）控制技术，使得输出到电机的电压波形非常接近正弦波，谐波含量小，dv/dt小，无须额外增加滤波器，可以直接输出到普通异步电动机，且对变频器到电机的电缆长度没有要求。功率单元和控制柜之间通过高速可靠的光纤进行通信，可有效避免电磁干扰，提高系统的可靠性。l 控制柜构成：控制柜是整个高压变频调速系统的核心，它根据用户在本地或远程的操作和设置，并采集系统中电压、电流模拟量，及各开关量，进行逻辑处理和计算后，决定并控制各功率单元的动作，进一步驱动电机，满足输出要求。控制柜

26、中包括不间断电源UPS、断路器、可编程逻辑控制器PLC、DSP 控制板、IO板、光纤板、液晶操作人机界面及控制按钮、开关等。其中，所有的计算在 DSP 控制板中进行。控制核心为专业设计的双DSP（数字信号处理器），并辅之以FPGA（现场可编程门阵列）和CPLD（复杂可编程逻辑器件），它们的采用不但可进行高速运算，实现复杂的控制功能，而且还大大简化了控制电路的设计，提高了控制系统的可靠性。7 售后服务为了确保高压变频器设备的正常运行，我公司设有专门客服部并对产品及售后服务作如下承诺： 7.1 产品技术部分1、我公司保证按照用户的要求，组织技术、管理力量，安排生产设备，在规定的期限内供货。2、我公

27、司保证所提供的设备是正规的、合格的、已进入商用的、成熟的产品，产品质量完全符合要求，并在规定的时间内开通交付使用。3、我公司承诺：合同期内免费保修，终身维护。设备在质量保证期内，可根据用户方合理的建议和要求在一定的时间内负责修改或更改所供设备和系统的管理软件版本。7.2 售后服务部分保修内容1、 规定的合作期内，在正常操作和使用条件下设备故障均免费保修。2、 保修范围包括变压器、单元、电气与电子控制系统等。3、 在保修期内由售后服务人员到现场维修，现场不能维修，由售后服务人员带回维修后返给用户，保修期外需在北京公司维修时，各自承担托运费用，用户负担维修成本费。4、 因不可抗拒的自然力、操作不当

28、，未经许可拆卸，第三方责任事故造成的设备损坏（如供电事故、主机事故）不在保修范围内。维护内容1、 维护人力保障：我公司有专职售后工程师并配备有专用工程车辆，负责产品的售后服务。并且我公司还可在客户比较集中的地区设立办事处，可进行针对性比较强的服务。2、 维护响应时间：收到维护通知，4小时内答复，24小时内赶到现场并排除故障，偏远地区以最快交通方式日夜兼程赶往现场。培训内容1、 我公司提供现场技术培训，随设备的安装、调试过程而进行。2、我公司派专职培训讲师到用户指点地点进行培训，包含产品原理及实际维护操作两方面内容。附件：1 主要设备材料表河北敬业集团三期轧钢厂系统节能控制装置材料清单项目名称河

29、北敬业集团三期轧钢厂系统节能控制装置项目地址河北节能控制装置产品清单序号型 号名 称数 量备 注1KT-GF-200高压智能节能控制柜1台一控二2KT-GF-220高压智能节能控制柜1台一控二3KT-GF-200高压智能节能控制柜1台一控一4KT-GF-280高压智能节能控制柜1台一控二5KT-GF-355高压智能节能控制柜1台一控二6KT-GF-250高压智能节能控制柜1台一控一7辅料若干拟 制年 月 日会 签年 月 日审 核年 月 日批 准年 月 日附件：2 河北敬业集团三期轧钢厂系统节能控制装置节能估算年节能估算设备名称功率(KW)台数节电率运行电流（A）实际功率（kw)功率因数节电量(

30、kwh)年运行时数 (小时）单位电价(元/KWH) 年实际电量 （万KWH)年实际电费 (万元）年节电量 （万KWH）年节约电费 （万元）线材1、2#鼓风机20010.258.48123.3740.8430.84 72000.5488.82947.96822.20711.99线材1、2#引风机22010.256.3591.2850.8322.82 72000.5465.72535.49216.4318.87线材空烟引风机20010.279.39136.6130.8436.89 72000.5498.36253.11526.55814.34棒材1、2#鼓风机28010.211.13160.0000.8332.00 72000.54115.20062.20823.04012.44棒材1、2#引风机35510.2511.31162.5880.8340.65 72000.54117.06363.21429.26615.80棒材空烟引风机25010.2511.06164.7410.8641.19 72000.54118.61364.05129.65316.01注：线材精整段12台辊道风冷电机，因风道管网将改造，数据待定。（节能空间较大）147.15579.46节约电费Q1.732UI1（运行电流）功率因数节电率运行时间电价