高壓變頻器在鍋爐風(fēng)機上的應(yīng)用

耿慶魯，孫書會，戚龍軍（德州實華化工有限公司，山東德州253007）

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高壓變頻器在鍋爐風(fēng)機上的應(yīng)用

耿慶魯，孫書會，戚龍軍
（德州實華化工有限公司，山東德州253007）

摘要：石油化企業(yè)生產(chǎn)所需的風(fēng)機、水泵和空氣壓縮機大都處于電動機驅(qū)動恒速運轉(zhuǎn)狀態(tài)，如果將占絕對多數(shù)的非調(diào)速型電機改成變頻器調(diào)速運行，使其耗電量實現(xiàn)隨負荷大小而變化，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。

中國的電動機用電量占全國發(fā)電量的60%～70%，風(fēng)機、水泵設(shè)備年耗電量占全國電力消耗的1/3。風(fēng)機、水泵等設(shè)備傳統(tǒng)的調(diào)速方法是通過調(diào)節(jié)入口或出口的擋板、閥門開度來調(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、閥門的截流過程中。由于風(fēng)機、水泵類大多為平穩(wěn)轉(zhuǎn)矩負載，軸功率與轉(zhuǎn)速成立方關(guān)系，所以當(dāng)風(fēng)機、水泵轉(zhuǎn)速下降時，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、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、水泵設(shè)備，通過變頻調(diào)速節(jié)能技術(shù)，可以節(jié)約大量的電能。

變頻調(diào)速的特點是起動電流小，效率高，沒有因調(diào)速帶來的附加轉(zhuǎn)差損耗，可以實現(xiàn)軟起動和無級調(diào)速，方便的進行加減速控制，調(diào)速的范圍大、精度高、無級調(diào)速。容易實現(xiàn)直轄式控制和閉環(huán)控制，由于可以利用原鼠籠式電動機，所以特別適合于對舊設(shè)備的技術(shù)改造，它既保持了原電動機結(jié)構(gòu)簡單、可靠耐用、維護方便的優(yōu)點，又能達到節(jié)電的顯著效果，是風(fēng)機、水泵節(jié)能的較理想的方法。

驅(qū)動風(fēng)機、水泵，大多數(shù)為交流異步電機（大功率的多數(shù)為同步電機），異步電動機或同步電動機的轉(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機的轉(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)動交流電動機實現(xiàn)調(diào)節(jié)速度的。

日常使用的風(fēng)機、水泵設(shè)備額定的風(fēng)量、流量，設(shè)計上通常都超過實際需要的風(fēng)量、流量，又因為工藝要求需要在運行中變更風(fēng)量、流量，而目前采用擋板或閥門來調(diào)節(jié)風(fēng)量和流量的調(diào)節(jié)方式較為普遍。雖然方法簡單，但實際上是通過人為增加阻力的辦法達到調(diào)節(jié)的目的，這種節(jié)流調(diào)節(jié)方法浪費大量電能，回收這部分電能損耗會收到很大的節(jié)能效果。

當(dāng)風(fēng)量減少風(fēng)機轉(zhuǎn)速下降時，其電動機輸入功率迅速降低，例如風(fēng)量下降到80%，轉(zhuǎn)速（n）也下降到80%時，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，因此對風(fēng)量、流量調(diào)節(jié)范圍較大的風(fēng)機、水泵，采用調(diào)速控制來代替風(fēng)門或閥門調(diào)節(jié)，是實現(xiàn)節(jié)能的有效途徑。

投入變頻器后，由于風(fēng)機、水泵長期低于額定轉(zhuǎn)速的狀態(tài)之下運行，電機及風(fēng)機、水泵的軸承不易損壞，延長了使用壽命，電機的發(fā)熱量也減少了，維修量下降，停機時間減少，可節(jié)約大量的維修費用。

投入變頻器后，延長電機和風(fēng)機的使用壽命。一般風(fēng)機、水泵啟動時間長，啟動電流大（約6～8倍額定電流），對電機和風(fēng)機的機械沖擊力很大，嚴(yán)重影響其使用壽命。而采用變頻調(diào)速后，可以實現(xiàn)軟起動和軟制動，對電機幾乎不產(chǎn)生沖擊，可大大延長機械的使用壽命。

投入變頻器后，減少閥門機械和風(fēng)機、水泵葉輪的磨損。風(fēng)機、水泵經(jīng)常工作在比原來定速時低100～250 r/min的轉(zhuǎn)速下運行，因此，大大減少了葉輪的磨損，減少了風(fēng)機、水泵的振動，延長大修周期，節(jié)省檢修費用和時間。

2　使用變頻器的必要條件

使用變頻器，改變原始的擋板控制，不管是從生產(chǎn)工藝控制還是用電損耗、沖擊負荷要求、減少設(shè)備維護量以及自動化程度上都能帶來極大的改善。

（1）盡量減少初始投資，設(shè)計時應(yīng)考慮高壓變頻器功率大小、對場地要求。

（2）為提高經(jīng)濟效益，2臺風(fēng)機應(yīng)能共用一臺變頻器，以便一臺風(fēng)機檢修時，變頻器可以拖動另一臺風(fēng)機，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）提高自動化程度，質(zhì)量可靠、便于維護檢修。

3　變頻器改造方案介紹

針對上述條件要求，經(jīng)多方案比較，最終采用北京國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、移相級聯(lián)式多電平逆變技術(shù)、多重化輸出和模塊化設(shè)計方案，該系列高壓變頻器可在惡劣環(huán)境下長期穩(wěn)定運行，無需單獨加裝空調(diào)冷卻裝置。

3.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

移相級聯(lián)式高壓變頻器采用多個獨立功率單元（模塊）串聯(lián)的方式來實現(xiàn)高壓輸出，電網(wǎng)電壓經(jīng)過二次側(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，形成Y聯(lián)結(jié)結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)變壓變頻的高壓直接輸出，供給高壓電動機。額定輸出電壓為10 kV的變頻器，每相由8個額定電壓為750 V的功率單元串聯(lián)而成，結(jié)構(gòu)簡圖見圖1。輸出相電壓最高可達6 000 V，線電壓可達10 000 V，每個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)計大大提高了檢修的便利性。

圖1　高壓變頻器結(jié)構(gòu)簡圖

由圖1可見，10 kV為變壓器的24個二次繞組，采用延邊三角形聯(lián)結(jié)。分為8個不同相位，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，組成同一相位組的每8個二次繞組，分別給分屬于電動機三相的功率單元供電。

3.2變頻控制方案

采用一拖二手動工變頻旁路方案，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鍋爐運行時均可投入變頻，提高了變頻器利用率。

如果變頻運行一號電機，將旁路柜中隔離開關(guān)QS1、QS2閉合，QS3斷開，QS6閉合（二號可工頻開停）。如果變頻運行二號電機，將旁路柜中隔離開關(guān)QS4、QS5閉合，QS6斷開，QS3合上（一號可工頻開停）。這樣當(dāng)一臺風(fēng)機處于檢修狀態(tài)時，可手動切換另一臺風(fēng)機變頻運行。若變頻器故障可選擇均為工頻啟動，將QS1、QS2，QS4、QS5斷開，QS3，QS6閉合。然后用原工頻系統(tǒng)啟動。其中QS1、QS2與QS5，QS3、QS6與QS6應(yīng)實現(xiàn)相應(yīng)的機械閉鎖和電氣閉鎖，防止誤操作，見圖2。

圖2　變頻控制示意圖

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

4　使用變頻器后改造效果

以功率為560 kW引風(fēng)機為例，投入變頻器運行以來節(jié)能效果明顯，原有鍋爐爐膛負壓通過調(diào)整引風(fēng)機風(fēng)門開度來調(diào)整風(fēng)量，風(fēng)門執(zhí)行機構(gòu)經(jīng)常操作，磨損較快。風(fēng)門特性變化不能保持風(fēng)門開度與風(fēng)流量之間的線形關(guān)系，使得調(diào)節(jié)過程出現(xiàn)失誤，影響鍋爐運行穩(wěn)定性。采用變頻器后，風(fēng)門全開，由于變頻器始終保持高精度線形調(diào)節(jié)，為保證自動化運行創(chuàng)造了優(yōu)越條件，充分滿足了鍋爐的工藝調(diào)整要求。并且，轉(zhuǎn)速比原來工頻運行時相比下降了約70r/min，減少了風(fēng)機葉輪，軸承的磨損，延長了風(fēng)機和電機的大修時間。同時，由于實現(xiàn)軟啟動幾乎對設(shè)備無沖擊啟動，減小了對系統(tǒng)的沖擊，也可大大延長設(shè)備使用壽命。

560kW引風(fēng)機節(jié)電效果分析：考慮到鍋爐蒸發(fā)量對風(fēng)機負荷的影響，特選取鍋爐為滿負荷時的風(fēng)機負荷情況。下面是運行班組記錄見表1、表2。

表1　引風(fēng)機工頻技術(shù)參數(shù)

表2　變頻運行參數(shù)

通過上表比較得知，變頻投入前電流平均為Ia=23.8 A，擋板開度角65%。變頻投入后網(wǎng)側(cè)電流平均值為IA=18.2 A，開度角98%。通過公式計算，節(jié)電率約為23.53%。按照10 kV的線電壓和0.90的功率因數(shù)計算，每小時節(jié)電約87.29 kW·h。如果按生產(chǎn)性負載設(shè)備年運行7 000 h計算，電費按0.598元/kW·h計算，1臺引風(fēng)機的年節(jié)約電費36.54萬元，節(jié)電效果顯著。

5　結(jié)語

變頻調(diào)速裝置應(yīng)用于鍋爐風(fēng)機不僅節(jié)能，而且大大改善了控制品質(zhì)和運行工況，取得了顯著的社會效益和經(jīng)濟效益，使設(shè)備的運行方式更趨于合理，設(shè)備的自動化程度、控制水平進一步提高。雖然一次投資較大，節(jié)電回收周期為1年，但是所帶來的回報是巨大的、長期的，值得推廣。

變頻器在氯堿企業(yè)的各個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、壓縮機等?，F(xiàn)在變頻器正向著大容量，高精度，快響應(yīng)的方面發(fā)展，在提高自動化生產(chǎn)率，節(jié)能增效方面發(fā)揮著巨大作用。

參考文獻：

［1］王紅強．寧鋼熱軋冷卻風(fēng)機應(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

中圖分類號：TN773

文獻標(biāo)識碼：B

文章編號：1009-1785（2016）01-0019-03

收稿日期：2015-08-11