變頻器在化工廠鍋爐送風(fēng)系統(tǒng)的節(jié)能應(yīng)用

楊欣達(dá)

(中海石油華鶴煤化有限公司，黑龍江 鶴崗 154100)

某化工企業(yè)安裝有3部循環(huán)流化床鍋爐，裝配10kV高壓引風(fēng)機(jī)、一次風(fēng)機(jī)。為滿足鍋爐供風(fēng)需求，風(fēng)量調(diào)節(jié)采用擋板設(shè)計，從而導(dǎo)致風(fēng)道內(nèi)壓流大量損失于擋板之上，能耗高、經(jīng)濟(jì)效益差。為響應(yīng)國家節(jié)能減排的號召,降低企業(yè)用電成本，在不影響鍋爐運(yùn)行的前提下將供風(fēng)系統(tǒng)改為變頻調(diào)節(jié)，產(chǎn)生了較明顯的經(jīng)濟(jì)效益。

1 無諧波節(jié)能變頻器的原理及可靠性

1.1 無諧波節(jié)能變頻器與傳統(tǒng)脈沖變頻器比較

無諧波節(jié)能變頻器與傳統(tǒng)脈沖變頻器相比,具有集成度高、體積小、故障率低、易于維護(hù)、功率損耗小、節(jié)能等優(yōu)點。無諧波節(jié)能變頻器具有可靠的抗畸形波型變能力，能有效降低諧波對其他電力電子設(shè)備產(chǎn)生的干擾，同時避免和其他變頻設(shè)備發(fā)生串?dāng)_。凈化輸入的正弦波，改變了傳統(tǒng)應(yīng)用隔離變壓器濾波的模式，節(jié)約了成本投入。傳統(tǒng)12脈沖雙整流變頻器輸入電流反饋在電網(wǎng)上的諧波與新型無諧波節(jié)能變頻器的波形比較見圖1。

圖1 諧波失真波形比較

傳統(tǒng)12脈沖雙整流變頻器輸入電流的總失真率為9%，相較之下,無諧波節(jié)能變頻器輸入電流失真波形更平滑,僅為1%。可見,無諧波節(jié)能變頻器可有效減小整流設(shè)備對電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響[1]。

1.2 功率單元部分

無諧波節(jié)能變頻器之所以畸形波型變率低，其核心的部分是功率單元,其結(jié)構(gòu)原理見圖2，單元電壓750 V，根據(jù)負(fù)載額定電壓的大小,變頻器可由15(6.5kV)或24(10.5V)個功率單元組成，以產(chǎn)生多電平的PWM(脈寬調(diào)制)輸出波形。

每個功率單元輸入都被配置一個IGBT(絕緣柵雙極型晶閘管)6脈沖二極管整流器,由獨有的副邊繞組,每單元相差7.5°,變壓器提供輸入電源。電流通過功率單元的橋式整流電路變成直流電，在經(jīng)電容濾波后，提供給輸出側(cè)的逆變單元。功率單元的輸出端采用串聯(lián)連接方式，根據(jù)不同的電壓等級確定串聯(lián)功率單元數(shù)量。

圖2 典型功率單元整流逆變原理

1.3 無諧波節(jié)能變頻器結(jié)構(gòu)及基本原理

無諧波節(jié)能變頻器的輸入變壓器用不同的移相角繞制，變壓器采用延邊三角形接法，彼此間相差一定的電角度，可根據(jù)負(fù)載電壓等級的不同,繞制不同的電角度差。以中海石油華鶴煤化有限公司引風(fēng)機(jī)變頻器為例，引風(fēng)機(jī)額定電壓為10kV，其每相由8個變頻功率單元組成，變頻功率單元額定電壓為750V，每個功率單元彼此相差7.5°電角度，由此組成10kV的負(fù)載電壓。抵消了單個變頻功率單元造成的波形失真對電能質(zhì)量的污染，是以原邊才可以形成近乎完美的正弦波,形成優(yōu)于30脈沖或42～48脈沖變頻器的電源質(zhì)量。

1.4 無諧波節(jié)能變頻器可靠性

無諧波節(jié)能變頻器采用容錯保護(hù)模式增加工藝生產(chǎn)的連續(xù)性和穩(wěn)定性，容錯保護(hù)模式就是當(dāng)變頻器發(fā)生故障時,不是無選擇性地跳閘和關(guān)閉系統(tǒng)，而是向微機(jī)保護(hù)提供一個警告信號。微機(jī)保護(hù)通過評估變頻器故障類型做出適當(dāng)響應(yīng)調(diào)整，避免生產(chǎn)中斷。對于許多化工廠、風(fēng)機(jī)和廢水處理設(shè)備以及工藝設(shè)備來說，有了預(yù)警時間，可以根據(jù)變頻器故障情況決定是否中斷生產(chǎn)。

如圖3所示的無諧波節(jié)能變頻器穩(wěn)定性原理，引風(fēng)機(jī)8功率單元無諧波節(jié)能變頻器等效電路10.4kV輸出(相間)。假設(shè)A7、A8兩個變頻功率單元發(fā)生故障，故障后線電壓失衡(負(fù)載不能正常運(yùn)行)。無諧波節(jié)能變頻器通過其獨有的中性點漂移功能，在失去兩個變頻功率單元后,通過旁路分離故障變頻功率單元，無諧波節(jié)能變頻器可確保在250 ms(<500 ms)中自動旁路故障的功率單元,進(jìn)而調(diào)節(jié)電角度恢復(fù)輸出平衡(線電壓正常負(fù)載正常供電),保證工藝的穩(wěn)定連續(xù)性。

圖3 無諧波節(jié)能變頻器穩(wěn)定性原理

2 無諧波節(jié)能變頻器經(jīng)濟(jì)效益分析

2.1 無諧波節(jié)能變頻器節(jié)能概算

某化工企業(yè)有3套鍋爐供風(fēng)系統(tǒng),配套改造6臺電機(jī)，廠家為佳木斯電機(jī)廠，額定功率分別為引風(fēng)機(jī)(1000kW)3臺、一次風(fēng)機(jī)(900kW)3臺。自改造以來，定期對鍋爐供風(fēng)系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行收集。由于負(fù)荷有所變化，其運(yùn)行方式有所差異，變頻改造前后運(yùn)行工況見表1。

根據(jù)表1數(shù)據(jù)分析可知，按工藝設(shè)備正常運(yùn)行狀態(tài)160MW，年運(yùn)行365 d不受大修、檢修等時間影響。變頻節(jié)能改造后,單臺鍋爐年均節(jié)約電量預(yù)期值為670萬kW·h，整個變頻節(jié)能改造3臺鍋爐，合計年節(jié)約電量2 010萬kW·h，如果電價按0.2898元/kW·h(含稅)測算，則年節(jié)約效益為：

2010萬kW·h×0.2898 ≈ 582.5萬元

表1 不同工況下風(fēng)機(jī)變頻前后節(jié)能統(tǒng)計

2.1 無諧波節(jié)能變頻器投資概算

無諧波節(jié)能變頻器主要設(shè)備投資概算見表2。

表2 主要設(shè)備投資概算

2.3 無諧波節(jié)能變頻器應(yīng)用前景

如前所述，鍋爐變頻送風(fēng)系統(tǒng)收益期T=1036.51÷582.5=1.78(年)，即可收回成本，經(jīng)濟(jì)效益顯著。設(shè)備投用后,觀察變頻器設(shè)備錄波，無諧波節(jié)能變頻器THD(波形總諧波失真小于5%)。此外,安裝無諧波節(jié)能變頻系統(tǒng)可以起到軟啟的作用，減小電機(jī)啟動電流對系統(tǒng)電壓的沖擊影響。應(yīng)用無諧波節(jié)能變頻器還不會對電機(jī)產(chǎn)生附加發(fā)熱，對電機(jī)絕緣幾乎不會產(chǎn)生影響[2]。同時，即使電動機(jī)在低轉(zhuǎn)速時也不會對系統(tǒng)產(chǎn)生諧波擾動。無諧波節(jié)能變頻器還可結(jié)合工藝需求調(diào)節(jié)風(fēng)量，減少了軸承、葉片的磨損，降低了設(shè)備費(fèi)用和維護(hù)工作量，應(yīng)用前景十分良好。

3 結(jié)語

本次鍋爐送風(fēng)系統(tǒng)的變頻改造從節(jié)能經(jīng)濟(jì)效益、畸形波型變率、對電網(wǎng)電機(jī)的影響、變頻系統(tǒng)故障率等方面驗證了無諧波節(jié)能變頻器節(jié)能效益高、安全可靠的特點。若推廣至同類化工廠、發(fā)電廠、風(fēng)機(jī)和廢水處理等設(shè)備上使用，將給企業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益。