耿慶魯，孫書(shū)會(huì)，戚龍軍（德州實(shí)華化工有限公司，山東德州253007）

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高壓變頻器在鍋爐風(fēng)機(jī)上的應(yīng)用

耿慶魯，孫書(shū)會(huì)，戚龍軍
（德州實(shí)華化工有限公司，山東德州253007）

摘要：石油化企業(yè)生產(chǎn)所需的風(fēng)機(jī)、水泵和空氣壓縮機(jī)大都處于電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)恒速運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，如果將占絕對(duì)多數(shù)的非調(diào)速型電機(jī)改成變頻器調(diào)速運(yùn)行，使其耗電量實(shí)現(xiàn)隨負(fù)荷大小而變化，則可節(jié)約大量能源，產(chǎn)生顯著的節(jié)能效果。

關(guān)鍵詞：變頻器；調(diào)速；節(jié)能；變頻器應(yīng)用

變頻器是一種利用電力半導(dǎo)體器件的通斷作用將工頻交流電源變換為另一頻率交流電源的電能控制裝置。變頻器的控制方式主要有：平壓控制方式即U/F=K技術(shù)、矢量控制方式即VECTOR技術(shù)、直接轉(zhuǎn)矩控制方式即DTC技術(shù)等。

中國(guó)的電動(dòng)機(jī)用電量占全國(guó)發(fā)電量的60%～70%，風(fēng)機(jī)、水泵設(shè)備年耗電量占全國(guó)電力消耗的1/3。風(fēng)機(jī)、水泵等設(shè)備傳統(tǒng)的調(diào)速方法是通過(guò)調(diào)節(jié)入口或出口的擋板、閥門(mén)開(kāi)度來(lái)調(diào)節(jié)給風(fēng)量和給水量，其輸入功率大，大量的能源消耗在擋板、閥門(mén)的截流過(guò)程中。由于風(fēng)機(jī)、水泵類(lèi)大多為平穩(wěn)轉(zhuǎn)矩負(fù)載，軸功率與轉(zhuǎn)速成立方關(guān)系，所以當(dāng)風(fēng)機(jī)、水泵轉(zhuǎn)速下降時(shí)，消耗的功率也大大下降，節(jié)能潛力非常大，最有效的節(jié)能措施就是采用變頻調(diào)速器來(lái)調(diào)節(jié)流量，應(yīng)用變頻器節(jié)電率為20%～50%，效益顯著。因此，國(guó)家大力提倡節(jié)能措施并著重推薦了變頻調(diào)速節(jié)能技術(shù)。

1　風(fēng)機(jī)、水泵使用變頻器的節(jié)能分析

在氯堿企業(yè)中，有大量的風(fēng)機(jī)、水泵設(shè)備，通過(guò)變頻調(diào)速節(jié)能技術(shù)，可以節(jié)約大量的電能。

變頻調(diào)速的特點(diǎn)是起動(dòng)電流小，效率高，沒(méi)有因調(diào)速帶來(lái)的附加轉(zhuǎn)差損耗，可以實(shí)現(xiàn)軟起動(dòng)和無(wú)級(jí)調(diào)速，方便的進(jìn)行加減速控制，調(diào)速的范圍大、精度高、無(wú)級(jí)調(diào)速。容易實(shí)現(xiàn)直轄式控制和閉環(huán)控制，由于可以利用原鼠籠式電動(dòng)機(jī)，所以特別適合于對(duì)舊設(shè)備的技術(shù)改造，它既保持了原電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠耐用、維護(hù)方便的優(yōu)點(diǎn)，又能達(dá)到節(jié)電的顯著效果，是風(fēng)機(jī)、水泵節(jié)能的較理想的方法。

驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)、水泵，大多數(shù)為交流異步電機(jī)（大功率的多數(shù)為同步電機(jī)），異步電動(dòng)機(jī)或同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與電源的頻率f成正比，改變定子供電頻率就改變了電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，變頻調(diào)速裝置就是將電網(wǎng)50 Hz的交流電，變成頻率可調(diào)、電壓可調(diào)的交流電去驅(qū)動(dòng)交流電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)速度的。

日常使用的風(fēng)機(jī)、水泵設(shè)備額定的風(fēng)量、流量，設(shè)計(jì)上通常都超過(guò)實(shí)際需要的風(fēng)量、流量，又因?yàn)楣に囈笮枰谶\(yùn)行中變更風(fēng)量、流量，而目前采用擋板或閥門(mén)來(lái)調(diào)節(jié)風(fēng)量和流量的調(diào)節(jié)方式較為普遍。雖然方法簡(jiǎn)單，但實(shí)際上是通過(guò)人為增加阻力的辦法達(dá)到調(diào)節(jié)的目的，這種節(jié)流調(diào)節(jié)方法浪費(fèi)大量電能，回收這部分電能損耗會(huì)收到很大的節(jié)能效果。

當(dāng)風(fēng)量減少風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速下降時(shí)，其電動(dòng)機(jī)輸入功率迅速降低，例如風(fēng)量下降到80%，轉(zhuǎn)速（n）也下降到80%時(shí)，其軸功率則下降到額定功率的51%；若風(fēng)量下降到50%，軸功率將下降到額定功率的13%，其節(jié)電潛力非常大。其原理也基本適用于水泵，因此對(duì)風(fēng)量、流量調(diào)節(jié)范圍較大的風(fēng)機(jī)、水泵，采用調(diào)速控制來(lái)代替風(fēng)門(mén)或閥門(mén)調(diào)節(jié)，是實(shí)現(xiàn)節(jié)能的有效途徑。

投入變頻器后，由于風(fēng)機(jī)、水泵長(zhǎng)期低于額定轉(zhuǎn)速的狀態(tài)之下運(yùn)行，電機(jī)及風(fēng)機(jī)、水泵的軸承不易損壞，延長(zhǎng)了使用壽命，電機(jī)的發(fā)熱量也減少了，維修量下降，停機(jī)時(shí)間減少，可節(jié)約大量的維修費(fèi)用。

投入變頻器后，延長(zhǎng)電機(jī)和風(fēng)機(jī)的使用壽命。一般風(fēng)機(jī)、水泵啟動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)，啟動(dòng)電流大（約6～8倍額定電流），對(duì)電機(jī)和風(fēng)機(jī)的機(jī)械沖擊力很大，嚴(yán)重影響其使用壽命。而采用變頻調(diào)速后，可以實(shí)現(xiàn)軟起動(dòng)和軟制動(dòng)，對(duì)電機(jī)幾乎不產(chǎn)生沖擊，可大大延長(zhǎng)機(jī)械的使用壽命。

投入變頻器后，減少閥門(mén)機(jī)械和風(fēng)機(jī)、水泵葉輪的磨損。風(fēng)機(jī)、水泵經(jīng)常工作在比原來(lái)定速時(shí)低100～250 r/min的轉(zhuǎn)速下運(yùn)行，因此，大大減少了葉輪的磨損，減少了風(fēng)機(jī)、水泵的振動(dòng)，延長(zhǎng)大修周期，節(jié)省檢修費(fèi)用和時(shí)間。

2　使用變頻器的必要條件

使用變頻器，改變?cè)嫉膿醢蹇刂?，不管是從生產(chǎn)工藝控制還是用電損耗、沖擊負(fù)荷要求、減少設(shè)備維護(hù)量以及自動(dòng)化程度上都能帶來(lái)極大的改善。

（1）盡量減少初始投資，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮高壓變頻器功率大小、對(duì)場(chǎng)地要求。

（2）為提高經(jīng)濟(jì)效益，2臺(tái)風(fēng)機(jī)應(yīng)能共用一臺(tái)變頻器，以便一臺(tái)風(fēng)機(jī)檢修時(shí)，變頻器可以拖動(dòng)另一臺(tái)風(fēng)機(jī)，以提高變頻器的利用率。

（3）采取必要措施，降低網(wǎng)側(cè)諧波影響。

（4）提高自動(dòng)化程度，質(zhì)量可靠、便于維護(hù)檢修。

3　變頻器改造方案介紹

針對(duì)上述條件要求，經(jīng)多方案比較，最終采用北京國(guó)電四維清潔能源技術(shù)有限公司SWdrive-MV系列高壓變頻器，變頻器采用MV-IGBT元件、移相級(jí)聯(lián)式多電平逆變技術(shù)、多重化輸出和模塊化設(shè)計(jì)方案，該系列高壓變頻器可在惡劣環(huán)境下長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，無(wú)需單獨(dú)加裝空調(diào)冷卻裝置。

3.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

移相級(jí)聯(lián)式高壓變頻器采用多個(gè)獨(dú)立功率單元（模塊）串聯(lián)的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)高壓輸出，電網(wǎng)電壓經(jīng)過(guò)二次側(cè)多重化的隔離變壓器降壓后給功率單元供電，功率單元為三組輸入、單組輸出的交—直—交SPWM電壓源型逆變器結(jié)構(gòu)。將相鄰功率單元的輸出端串聯(lián)起來(lái)，形成Y聯(lián)結(jié)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)變壓變頻的高壓直接輸出，供給高壓電動(dòng)機(jī)。額定輸出電壓為10 kV的變頻器，每相由8個(gè)額定電壓為750 V的功率單元串聯(lián)而成，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖1。輸出相電壓最高可達(dá)6 000 V，線(xiàn)電壓可達(dá)10 000 V，每個(gè)功率單元承受全部的輸出電流，但只提供1/8的相電壓和1/24的輸出功率。模塊化的設(shè)計(jì)大大提高了檢修的便利性。

圖1　高壓變頻器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

由圖1可見(jiàn)，10 kV為變壓器的24個(gè)二次繞組，采用延邊三角形聯(lián)結(jié)。分為8個(gè)不同相位，互差7.50電角度，形成48脈波的二極管整流電路結(jié)構(gòu)，所以理論上47次以下的諧波都可以消除，輸入電流波形接近正弦波，總的諧波電流失真低于1%。在變壓器二次繞組分配時(shí)，組成同一相位組的每8個(gè)二次繞組，分別給分屬于電動(dòng)機(jī)三相的功率單元供電。

3.2變頻控制方案

采用一拖二手動(dòng)工變頻旁路方案，根據(jù)鍋爐檢修周期，一拖二方式能極大節(jié)省投資，且1/2鍋爐運(yùn)行時(shí)均可投入變頻，提高了變頻器利用率。

如果變頻運(yùn)行一號(hào)電機(jī)，將旁路柜中隔離開(kāi)關(guān)QS1、QS2閉合，QS3斷開(kāi)，QS6閉合（二號(hào)可工頻開(kāi)停）。如果變頻運(yùn)行二號(hào)電機(jī)，將旁路柜中隔離開(kāi)關(guān)QS4、QS5閉合，QS6斷開(kāi)，QS3合上（一號(hào)可工頻開(kāi)停）。這樣當(dāng)一臺(tái)風(fēng)機(jī)處于檢修狀態(tài)時(shí)，可手動(dòng)切換另一臺(tái)風(fēng)機(jī)變頻運(yùn)行。若變頻器故障可選擇均為工頻啟動(dòng)，將QS1、QS2，QS4、QS5斷開(kāi)，QS3，QS6閉合。然后用原工頻系統(tǒng)啟動(dòng)。其中QS1、QS2與QS5，QS3、QS6與QS6應(yīng)實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的機(jī)械閉鎖和電氣閉鎖，防止誤操作，見(jiàn)圖2。

圖2　變頻控制示意圖

本地與遠(yuǎn)方控制可通過(guò)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)切換，本地控制利用系統(tǒng)控制器上的鍵盤(pán)、控制柜上的按鈕、電位器旋鈕等就地控制；遠(yuǎn)方控制系統(tǒng)提供數(shù)字和模擬輸入接口，由中控室DCS實(shí)現(xiàn)控制。

4　使用變頻器后改造效果

以功率為560 kW引風(fēng)機(jī)為例，投入變頻器運(yùn)行以來(lái)節(jié)能效果明顯，原有鍋爐爐膛負(fù)壓通過(guò)調(diào)整引風(fēng)機(jī)風(fēng)門(mén)開(kāi)度來(lái)調(diào)整風(fēng)量，風(fēng)門(mén)執(zhí)行機(jī)構(gòu)經(jīng)常操作，磨損較快。風(fēng)門(mén)特性變化不能保持風(fēng)門(mén)開(kāi)度與風(fēng)流量之間的線(xiàn)形關(guān)系，使得調(diào)節(jié)過(guò)程出現(xiàn)失誤，影響鍋爐運(yùn)行穩(wěn)定性。采用變頻器后，風(fēng)門(mén)全開(kāi)，由于變頻器始終保持高精度線(xiàn)形調(diào)節(jié)，為保證自動(dòng)化運(yùn)行創(chuàng)造了優(yōu)越條件，充分滿(mǎn)足了鍋爐的工藝調(diào)整要求。并且，轉(zhuǎn)速比原來(lái)工頻運(yùn)行時(shí)相比下降了約70r/min，減少了風(fēng)機(jī)葉輪，軸承的磨損，延長(zhǎng)了風(fēng)機(jī)和電機(jī)的大修時(shí)間。同時(shí)，由于實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)幾乎對(duì)設(shè)備無(wú)沖擊啟動(dòng)，減小了對(duì)系統(tǒng)的沖擊，也可大大延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命。

560kW引風(fēng)機(jī)節(jié)電效果分析：考慮到鍋爐蒸發(fā)量對(duì)風(fēng)機(jī)負(fù)荷的影響，特選取鍋爐為滿(mǎn)負(fù)荷時(shí)的風(fēng)機(jī)負(fù)荷情況。下面是運(yùn)行班組記錄見(jiàn)表1、表2。

表1　引風(fēng)機(jī)工頻技術(shù)參數(shù)

表2　變頻運(yùn)行參數(shù)

通過(guò)上表比較得知，變頻投入前電流平均為Ia=23.8 A，擋板開(kāi)度角65%。變頻投入后網(wǎng)側(cè)電流平均值為IA=18.2 A，開(kāi)度角98%。通過(guò)公式計(jì)算，節(jié)電率約為23.53%。按照10 kV的線(xiàn)電壓和0.90的功率因數(shù)計(jì)算，每小時(shí)節(jié)電約87.29 kW·h。如果按生產(chǎn)性負(fù)載設(shè)備年運(yùn)行7 000 h計(jì)算，電費(fèi)按0.598元/kW·h計(jì)算，1臺(tái)引風(fēng)機(jī)的年節(jié)約電費(fèi)36.54萬(wàn)元，節(jié)電效果顯著。

5　結(jié)語(yǔ)

變頻調(diào)速裝置應(yīng)用于鍋爐風(fēng)機(jī)不僅節(jié)能，而且大大改善了控制品質(zhì)和運(yùn)行工況，取得了顯著的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益，使設(shè)備的運(yùn)行方式更趨于合理，設(shè)備的自動(dòng)化程度、控制水平進(jìn)一步提高。雖然一次投資較大，節(jié)電回收周期為1年，但是所帶來(lái)的回報(bào)是巨大的、長(zhǎng)期的，值得推廣。

變頻器在氯堿企業(yè)的各個(gè)方面都可得到廣泛應(yīng)用，包括各種供水泵、回水泵、酸泵、堿泵、物料泵、壓縮機(jī)等。現(xiàn)在變頻器正向著大容量，高精度，快響應(yīng)的方面發(fā)展，在提高自動(dòng)化生產(chǎn)率，節(jié)能增效方面發(fā)揮著巨大作用。

參考文獻(xiàn)：

［1］王紅強(qiáng)．寧鋼熱軋冷卻風(fēng)機(jī)應(yīng)用變頻調(diào)速的節(jié)能分析．浙江冶金，2011（2）：25－26．

Application of high voltage inverter in boiler fan

GENG Qing-lu，SUN Shu-hui，QI Long-jun
（Dezhou Shihua Chemical Co.，Ltd.，Dezhou 253007，China）

Abstract：The fans，pumps and air compressors in petrochemical enterprises are in the motor drive constant speed running state，if the absolute majority of the non speed motor to change the frequency converter，so that the power consumption to achieve with the load size and change，you can save a lot of energy，will produce a significant energy saving effect.

Key words：frequency converter；adjust speed；energy saving；inverter application

中圖分類(lèi)號(hào)：TN773

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1009-1785（2016）01-0019-03

收稿日期：2015-08-11