變頻器節(jié)能技術(shù)在風(fēng)機(jī)中的應(yīng)用

丁大為

摘 要：伴隨著我國電子技術(shù)和微電子技術(shù)的不斷發(fā)展，結(jié)合現(xiàn)代信息技術(shù)和現(xiàn)代控制理論在變頻調(diào)速裝置中的應(yīng)用越來越官方。從目前我國電力資源十分緊張的情況來看，變頻調(diào)速技術(shù)儼然成為現(xiàn)代電力傳動的發(fā)展趨勢，優(yōu)越的變頻調(diào)速性能可保障變頻器在工業(yè)生產(chǎn)中的節(jié)能作用越來越突出。鑒于此，文章將針對風(fēng)機(jī)改造變頻器控制，有機(jī)結(jié)合電機(jī)調(diào)速技術(shù)、現(xiàn)代電子技術(shù)、微電子技術(shù)和計算機(jī)操作技術(shù)，根據(jù)生產(chǎn)工藝即時調(diào)整風(fēng)量變化，自動調(diào)整風(fēng)速，保證電機(jī)轉(zhuǎn)速的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，以此實(shí)現(xiàn)節(jié)能的目的。

關(guān)鍵詞：變頻器；節(jié)能技術(shù)；風(fēng)機(jī)；應(yīng)用

中圖分類號：TM921.51 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-8937（2015）30-0057-02

中石油錦西煉油總廠下屬xx熱電企業(yè)旗下坐擁三組70蒸噸級鍋爐設(shè)備。其中，1#、2#和3#為75蒸噸級鍋爐設(shè)備，4#、5#和6#為220蒸噸級鍋爐設(shè)備。這六臺鍋爐設(shè)備均采用引風(fēng)、送風(fēng)和二次風(fēng)機(jī)，其驅(qū)動電機(jī)則以最大的額定負(fù)荷完成設(shè)計。然后，在每個生產(chǎn)年度中，所有鍋爐裝置都存在最大額定負(fù)荷工作時間短的問題，且絕大部分化工任務(wù)的生產(chǎn)過程都以三分之二最大額定負(fù)荷進(jìn)行運(yùn)作。這樣看來，鍋爐設(shè)備在風(fēng)量方面也并不要求一定達(dá)到風(fēng)機(jī)的最大設(shè)計量。為實(shí)現(xiàn)鍋爐設(shè)備的實(shí)際風(fēng)量需求，該企業(yè)主要利用風(fēng)道擋板的手段來適當(dāng)調(diào)整風(fēng)機(jī)風(fēng)量，但無法解決的問題在于風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的合理控制，這樣造成了工業(yè)生產(chǎn)動力方面的浪費(fèi)，也是工業(yè)成本偏高的一個重要原因。

1 風(fēng)機(jī)變頻器改造的目的

為有效壓縮工業(yè)生產(chǎn)的投入成本和降低能源浪費(fèi)，按照我國“十五”規(guī)劃的具體要求，多以“低耗、低排和高效”作為企業(yè)持續(xù)健康發(fā)展的經(jīng)濟(jì)管理理念，采取變頻節(jié)能技術(shù)用于風(fēng)機(jī)改造，從而彌補(bǔ)一定工藝缺陷。中石油錦西石化利用低壓變頻器改造風(fēng)機(jī)在節(jié)能方面還是取得了一定效果，且伴隨著我國高壓變頻技術(shù)水平的不斷提高，變頻器節(jié)能技術(shù)在風(fēng)機(jī)中的應(yīng)用將取得更大的突破。那么，下面本文將根據(jù)2006年中石油錦西煉油總廠下屬xx熱電企業(yè)4#鍋爐設(shè)備的風(fēng)機(jī)改造情況作詳細(xì)分析與論述。

2 高壓變頻器在風(fēng)機(jī)中實(shí)施改造的工作方案

2.1 變頻器選型

因高壓變頻器在風(fēng)機(jī)改造工作中所實(shí)施的方案和變頻器選項(xiàng)具有直接聯(lián)系，所以對于多種品牌的變頻器錦西石化進(jìn)行了相關(guān)的調(diào)研考察工作，經(jīng)認(rèn)真分析與招標(biāo)，最終選用國產(chǎn)系列利德福HARSVERT-A高壓變頻器。

2.2 主回路改造方案

中石油錦西煉油總廠下屬xx熱電企業(yè)4#鍋爐設(shè)備的風(fēng)機(jī)工作方式為變頻管控“一拖一”，即1臺變頻器帶動1臺風(fēng)機(jī)。為保證系統(tǒng)運(yùn)行的安全穩(wěn)定性，可合理增設(shè)工頻旁路回路。其中，真空斷路器為QF，三組高壓隔離刀閘分別為QS1、QS2和QS3。QS1與QS2之間設(shè)置高壓變頻器，而QS3作為旁路刀閘。倘若電機(jī)執(zhí)行變頻運(yùn)行命令，開啟QS3，關(guān)閉QS1、QS2（高壓隔離刀閘），再關(guān)閉QF（真空斷路裝置），以變頻器通電為前提開啟變頻器和電機(jī)。電機(jī)得到工頻運(yùn)行指令，開啟QS1、QS2，同時關(guān)閉QS3（旁路刀閘），并開啟QF（真空斷路器）即可完成電機(jī)的工頻運(yùn)行。該種運(yùn)作形式是基于變頻器已經(jīng)發(fā)生故障或檢修狀態(tài)中以工頻運(yùn)行方式來維持系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

以上改造方案是較為典型的手動旁路，它要求QS2和QS3二者不可同時閉合，且在生產(chǎn)過程中安全互鎖。為保證對故障變頻器的安全防護(hù)，變頻器在發(fā)生故障以后會立即發(fā)出跳閘的指令，對于工作現(xiàn)場的高壓真空斷裂器QF則完成聯(lián)鎖跳閘動作，以此確保變頻器可以即時與電源隔離。三組刀閘（QS1、QS2和QS3）和真空斷路器QF在電氣連接方面形成互鎖，僅可在真空斷路器QF被完全隔離后才可操作刀閘，安全性能得到保障。

2.3 控制方式

基于目前該企業(yè)化工生產(chǎn)的技術(shù)水平來看，風(fēng)機(jī)變頻器均采用遠(yuǎn)程DCS閉環(huán)自控、遠(yuǎn)程DCS開環(huán)自控和就地控制（手動）三種方式。

2.4 冷卻手段

變頻器的技術(shù)原理在于“交流→直流”、“直流→交流”兩個相互轉(zhuǎn)化的過程。兩個過程中功率元件的自身溫度都會上升，嚴(yán)重者造成設(shè)備的燒損。為保證變頻器可以正常且穩(wěn)定的運(yùn)行，需將這部分產(chǎn)生的熱量及時揮散。因此，變頻器在運(yùn)行過程中的冷卻問題將對整個系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性具有決定性意義。經(jīng)仔細(xì)研究，錦西石化采取的冷卻手段主要以自然風(fēng)降溫為主。變頻器頂端擁有一道總風(fēng)道，該總風(fēng)道可以通過變頻器頂端結(jié)構(gòu)的冷卻風(fēng)機(jī)利用吸進(jìn)的方式將變頻器的內(nèi)部熱量持續(xù)排出。那么，為何在此方案中僅設(shè)置1個總風(fēng)道，而不是增設(shè)若干臺轉(zhuǎn)動裝置，這也實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)簡單和故障率小的目的?；?0 ℃高溫環(huán)境下完成滿載散熱試驗(yàn)，從試驗(yàn)結(jié)果來看，變頻器溫度最大可以升至68 ℃。顯然，相比于設(shè)計最高溫度140 ℃要低很多，也就是說此方案的效果理想。

3 變頻器的技術(shù)原理與工作特性

3.1 系統(tǒng)組成

HARSVERT-A高壓變頻器的組成主要包括移相變壓器、功率元件和控制中心，單臺變頻器由21個功率元件組成，且每7個功率元件可串聯(lián)成為“組”。

3.2 功率元件組成

21個功率元件的組成情況幾乎一致，相互之間可以互換，可作為“交流——直流——交流”單相逆變回路，而整流側(cè)以二極管三相全橋的形式構(gòu)成，并通過IGBT逆變橋設(shè)備來完成正弦PWM控制工作。

3.3 輸入側(cè)組成

輸入側(cè)利用移相變壓器實(shí)現(xiàn)單元供電，每個移相變壓器副邊繞組又分成三組，產(chǎn)出42脈沖整流波形，這樣的移相疊加形成的整流波形可極大地改進(jìn)整個個系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的電流波形情況，并能夠確保系統(tǒng)處于滿載條件下其網(wǎng)側(cè)的功率因素可以趨近于1。另外，由于變壓器副邊饒組自身擁有良好的獨(dú)立性特征，功率元件完全可以與之形成一種相互隔離的關(guān)系，與普通的低壓變壓器相類似，方便利用現(xiàn)成技術(shù)。

3.4 輸出側(cè)組成

輸出側(cè)由功率元件U和V兩個輸出端子一并串聯(lián)形成一種星型的供電結(jié)構(gòu)，通過功率元件的PWM波形完成重新組合，也就是獲取相電階梯PWM整流波形。該整流波形具有正弦度好、DV/DT小和電機(jī)絕緣損率小等優(yōu)點(diǎn)，無需經(jīng)過輸出濾波裝置便可以確保輸出電纜的足夠長度，且電機(jī)也不需要通過降額的方式來保證正常運(yùn)作。另外，電機(jī)諧波的損耗率在一定程度上得到了控制，這樣一來，便可以有效避免電機(jī)機(jī)械振動幅度過大的問題，且有助于電機(jī)軸承與葉片之間的機(jī)械應(yīng)力消減。

3.5 控制中心

控制中心的核心構(gòu)件為高速單片機(jī)，利用現(xiàn)有的算法即可保障電機(jī)工作狀態(tài)達(dá)到最佳。一般講，控制中心由內(nèi)置PLC組成，它主要作為柜內(nèi)開關(guān)信號的邏輯關(guān)系處理所用，在生產(chǎn)現(xiàn)場中對于各類操作信號的狀態(tài)信號的協(xié)調(diào)組織擁有良好的控制效果?？刂浦行膭t由VME標(biāo)準(zhǔn)箱體組合而成，每個控制區(qū)域均采取了諸如FPGA、CPLD等規(guī)模較大的集成電路和局部表面焊接工藝。除此以外，控制中心與功率元件之間可通過光纖維通信手段完成高、低壓功能區(qū)的隔斷，系統(tǒng)安全得到了有效保障，并能增強(qiáng)系統(tǒng)的抗電磁干擾效率。

4 節(jié)能改造效果分析

4.1 工藝改造

4#鍋爐的引風(fēng)、送風(fēng)和二次風(fēng)機(jī)高壓變頻器經(jīng)改造以后，原風(fēng)道內(nèi)風(fēng)量調(diào)節(jié)達(dá)到開度100%，由此大大降低風(fēng)道阻力損耗。同時，4#鍋爐設(shè)備經(jīng)過節(jié)能改造以后其風(fēng)道振動頻率由此改變，由于電機(jī)仍處變頻工作狀態(tài)，運(yùn)轉(zhuǎn)頻率也會因此改變，引起風(fēng)道固有的共振頻率與工作頻率無法一致，以此避免共振的弊端。這樣一來，便徹底解決了風(fēng)道振動過大的問題，這也是錦西石化進(jìn)行風(fēng)機(jī)節(jié)能改造試驗(yàn)的意外收獲。

4.2 維護(hù)改造

經(jīng)變頻調(diào)整轉(zhuǎn)速以后，電機(jī)可以持續(xù)以30～40 Hz的工作頻率進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)，相較于普通風(fēng)機(jī)的工作頻率而言，由50 Hz下降至30～40 Hz，轉(zhuǎn)速大大降低。另外，風(fēng)機(jī)的啟動過程相對比較緩慢，這樣既可以保障整個系統(tǒng)的零部件和密封狀況，也可以延續(xù)軸承的使用壽命。不采用擋板進(jìn)行風(fēng)速調(diào)節(jié)，調(diào)風(fēng)擋板的壽命也可以延長，而相應(yīng)的檢修量也大大減少，檢修成本也得到了有效控制。

4.3 節(jié)能效果

錦西石化4#鍋爐的三組風(fēng)機(jī)經(jīng)變頻調(diào)速改造以后，節(jié)能效果非常顯著。通過數(shù)據(jù)說明：220蒸噸級鍋爐設(shè)備在負(fù)載140～200 t狀態(tài)下，三組風(fēng)機(jī)設(shè)備的節(jié)能效率可按照鍋爐設(shè)備的負(fù)載減小而穩(wěn)定增加。鍋爐設(shè)備在每生產(chǎn)年度中以140～150 t工作負(fù)載持續(xù)八個月，其中200 t負(fù)載運(yùn)行約兩個月，180 t負(fù)載運(yùn)行約一個月，而檢修維護(hù)時間則為一個月。節(jié)能改造之前4#鍋爐設(shè)備（包含三組風(fēng)機(jī)裝置）每個生產(chǎn)年度的總耗電量約1 863.13387×104 kV時，而節(jié)能改造后每個生產(chǎn)年度的總耗電量約941.15169×104 kV時，由此可以計算4#鍋爐設(shè)備在節(jié)能改造前后可以節(jié)省耗電約921.98219×104 kV，節(jié)約電量比例約為49.5%。換句話說，該企業(yè)僅用節(jié)能改造之前約50.5%的總耗電量即可完成相應(yīng)的化工生產(chǎn)任務(wù)。倘若我們以0.45元/kV時計算電費(fèi)，4#鍋爐設(shè)備所用三組風(fēng)機(jī)裝置經(jīng)變頻節(jié)能改造以后每個生產(chǎn)年度即可節(jié)省921.98219×104 kV時，相當(dāng)于節(jié)省企業(yè)成本約412.8920萬元。從實(shí)際生產(chǎn)來看，當(dāng)年能夠超額回收的生產(chǎn)成本相比于前五年的平均水平可以節(jié)支約412.9萬余元。

5 結(jié) 語

上文，根據(jù)2006年錦西煉油總廠下屬xx熱電企4#鍋爐設(shè)備所有三組風(fēng)機(jī)裝置經(jīng)變頻節(jié)能改造項(xiàng)目的一次重要總結(jié)，是中石油錦西煉油總廠下屬xx熱電企業(yè)領(lǐng)導(dǎo)管理意識中具有前瞻性的具體體現(xiàn)，也作為企業(yè)管理模式逐步實(shí)現(xiàn)精細(xì)化過渡的重要舉措。從這些方面看，實(shí)現(xiàn)變頻器節(jié)能技術(shù)在風(fēng)機(jī)中的應(yīng)用將是中石油錦西煉油總廠下屬xx熱電企業(yè)在高壓變頻節(jié)能改造方面邁出更具實(shí)際意義的一步。該項(xiàng)改造工藝可以極大程度上鼓勵企業(yè)職工的工作熱情，激發(fā)企業(yè)職工對于節(jié)能改造深層次認(rèn)知，既體現(xiàn)生產(chǎn)效率，也體現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益，儼然成為企業(yè)未來發(fā)展經(jīng)濟(jì)增長和效益增收的新突破點(diǎn)。與此同時，生產(chǎn)企業(yè)在節(jié)能方面的潛力還是非常大的，變頻節(jié)能改造技術(shù)的發(fā)展之路還很長，需要我們付出更多的努力和辛苦來奠定基礎(chǔ)。

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