国产高压变频器在电厂风机节能改造中的应用

1  引言

   随着现代企业的不断进步和发展，效益大化是企业永恒的主题。利用新技术来提高企业生产装置的管理水平和节能降耗已是各企业优选的手段之一。高压变频节能技术随着国内一些生产厂家研制水平的不断提高，已接近世界同行业的**水平，并以产品性能稳定、价格适宜深得国内企业广泛接受和应用。
   巨化集团公司热电厂#8炉为280T/H锅炉，采用双引风机式，风机型号为Y4-60-11N022.5D，配置功率为630kW，电压为kV的三相交流异步电动机，风门采用档板调节，正常运行开度为50%左右，形成档板两侧风压差，造成节流损失;同时风机档板执行机构为大力矩电动执行机构，故障较多，风机自动率较低。为此我们对引风量调节进行变频调速技术改造，以达到节能降耗及提高调节自动化水平。现就改造过程中的一些工作情况介绍如下。

2 变频器容量的选择

   一般情况下变频器容量大小的选择与电动机容量相同，这样能满足电机在额定出力内进行不同转速的调节。但在现实生产工作中，根据实际运行工况来选择合适的变频器容量，既能满足生产需要，又能节省变频器投资及减少配套设施。我们根据我厂#8炉引风机的配置及正常运行工况，了解到当时设计人员考虑风道内装有脱硫装置以及档板开度在70%左右调节特性较好，所以配置了630kW的电机。同时我们也对额定工况下引风机功率进行了分析，在各种工况下引风机功率都不会大于350kW。我们认为如果采用变频调速，风门全开，节流损失会较大减少，风机的功率将更不会大于350kW。为此，选择容量为400kW的变频器应能满足上述风机在各种工况下不同转速调节的要求。

3  采用变频调速后的效益预测

   利用变频器作为风量的调节器，直接的效益就是节能降耗。各用户可根据自己的的改造对象进行初步分析计算，以了解改造后节能的投资回报率及风机运行的一些基本参数。
   采用变频调速的主要特点是消除或减少档板的节流损失，节能的效果与风机的性能、运行工况、档板的开度等有关。下面就例举我厂#8炉风机改造测算情况作一介绍。

3.1 引风机的性能曲线

    型号为Y4-60-11N022.5D，其风机性能参数如表1所示:
   

根据表1所给参数画出流量、压力曲线(AB)如图1所示。

 图1    引风机的流量、压力曲线

3.2 引风机的实际测量

我厂2002年9月9日的测试结果如表2。

3.3  利用相似理论分析风机采用变频后的参数

   图1中AB曲线是风机性能曲线，在近似额定转速下，表示风机流量与风压之间的关系。但在实际运行工况中表2所示，风机全压、流量参数只需在图1中C点运行。在没有改造前，风机电机转速不能变，只能靠风门节流。采用变频调节，风门全开，可根据工况所需的风机全压、流量来改变转速。根据风机相似理论，风机性能参数之间关系为:
Q/Q0=n/n0
P/P0=(n/n0)2(P/P0)
式中:Q—风机流量
    P—风机全压
    n—转速
    ρ—介质密度
根据上述关系以及表2所示的运行工况，风机变频后的运行性能曲线下移为图1(abc)所示，其关系式为:
Qa=QAn/n0　　　　　　　　      　　 (1)
Pa=PA(n/n0)2(ρ/ρ0)　　　　　  　　 　(2)
Qb=QBn/n0　　　　　　　　　　 　      　　　(3)
Pb=PB(n/n0)2(ρ/ρ0)　　　　　　　　　     　(4)

3.4 相关参数估算

    (1) 表2工况下转速计算:
    从图1(abc)性能曲线所示，为了方便计算，近似认为性能曲线成线性关系，即:
(Pc-Pb)/(Qc-Qb)= (Pa-Pb)/ (Qa-Qb)　    　　　(5)
由(1)~(5)式可求得变频后的风机转速为:

    (2) 风机全压效率估算:
    风机有效功率=全压*流量/1000
风机全压效率=有效功率/轴功率
由表1提供的工况A和工况B数据可得，风机的全压效率为0.785和0.726。因此变频调速后的风机全压效率可按0.75进行估算。
    (3) 变频调速后功率估算
    风机有效功率=全压×流量/1000
风机轴功率  =风机有效功率/全压效率
电功率      =风机轴功率/(变频器效率*电机效率)
其中:变频器效率取0.96，电机效率取0.95。
计算后参数汇总见表3。
3.5 效益估算

   对比变频调速前后的电功率:#1引风机减少电功率230kW，节电率为67.8%;#2引风机减少电功率195.65kW，节电率为61.7%。

以上是理想条件下的节电率。在实际运用中，为了考虑变频器故障切换为工频运行时，风门需保留它用。变频调节运行时风门尽管全开，还有一定的阻碍，影响计算结果。另外，各种运行工况的不同，节电效果也不一样。所以实际节电率要比以上估算结果有一定的出入。但从以上结果来看，节电显著，值得改造。

4 变频器性能的选择

   利用变频调节技术无疑要在原有的回路中加装一套变频调节设备，也就是说如该产品性能不好，将增加一个设备故障点,影响机炉的**稳定运行，为此变频调节器的性能选择至关重要。我们在选择时除了考虑一些常规的性能指标外，还着重注意了以下几点:设计上是否相对有其特点，选用的元件是否稳定、成熟;产生的谐波分量是否符合有关标准;电源短时中断恢复时对其影响程度;个别元件故障时能保持短时间的运行等功能。
    目前，市场上高压变频器产品较多，变频调节类型也有多种。一般说来，国外有的产品其元件及性能应较好，但价格较高，同时与用户意见的交流、售后服务较为困难。
   我们在对风机调节系统改造前，收集、了解了国内一些调节装置的资料，并进行了比较，后选择了北京利得华福技术有限公司的产品，其主要特点有:
    (1)该装置由移相变压器、功率单元和控制器组成。移相变压器副边绕组分为三相，21个功率单元，每相由7个功率单元串联构成，每个单元的主回路相对独立，可等效为一台单相低压变频器，便于采用现有的成熟技术。
    (2)每个功率单元电路为基本的交-直-交单相逆变电路，整流侧为二极管三相全桥，构成30脉冲整流方式，通过对IGBT逆变桥进行正弦PWM控制，得到每个单元的输出。然后将每相7个单元的输出串联成星形接法，通过对每个单元的PWM波形进行重组，得到阶梯正弦PWM波形。这种波形正弦度好，dv/dt小，谐波分量少于国家规定标准。
    (3) 当某一个单元出现故障时，内部软开关自动导通，将此单元旁路，由其他单元的继续运行。

5  引风机变频器的控制与调节

   我们所应用的HARSVERT-A06/050变频器可通过在控制柜门“远控/本控”开关的切换实现“本机控制”与“远方控制”。我厂“远方控制”与原有的DCS连接，在引风机控制画面中增加了变频器画面，与变频器输出接口联接，进行数据通讯，运行人员可以通过DCS中的画面对引风机和变频器的工作电流、转速以及运行、停止、故障等状态进行实时监控。另外，变频器的控制调节还通过负压调节器接受炉膛负压信号和来自送风系统的前馈信号，综合运算后经手、自动切换单元输出4~20mA到变频器的控制端，调节变频器输出电源的频率，从而改变电动机的转速，改变引风量，达到稳定炉膛负压的目的。
   与常规的控制调节系统比较，系统结构、运行操作方式基本不变，主要区别在于由调整引风门开度改为调节引风电动机转速。为了保证生产的连续运行，当一台变频器故障时，联跳相应引风机开关，短时出现单边运行。将故障变频器隔离后，引风电动机可切换为工频运行，风量仍由风门档板调节。

6 系统调试

   变频器安装后，投入系统运行前还需进行必要的调试，其目的主要是检查所选择的变频器其性能、功能是否达到设计要求以及满足实际生产需要。主要内容有:
(1) 具备条件:
a) 相关变频器工作的一、二次设备安装、组态完毕;
b) 变频器柜内变压器耐压试验、直流电阻测量合格;
c) 6kV电缆、变频器闸刀柜内支持瓷瓶、避雷器等试验合格;
d) 检查各接线正确、紧固;
e) 变频器参数设置正确;
f) 引风机等机务设备具备试车条件。
 (2) 试验项目:
a) 闸刀闭锁功能试验:主要检查出线闸刀和旁路闸刀的机械闭锁功能;“高压允许合闸”闭锁功能;防止带负荷拉合闸刀功能。
b)静态调试:将变频器控制电源送上，引风机开关处于试验状态。检查“本机控制”(触摸屏控制)、“远方控制”(DCS控制)时的开关动作状态及变频器面板、DCS画面上的各种状态显示是否正确对应。
c)动态调试:引风机开关、变频器柜将正式通电。分别检查“工频旁路”状态以及“变频控制”状态下，在DCS上或变频器面板上操作引风机、变频器的启、停、调是否正常，转速、电流是否下确;在“工频旁路”状态时与“变频控制”状态时的转向是否一致;在“变频控制”时人为模拟故障保护动作、信号是否正确。
d)带负荷试验:主要了解正常运行工况下引风机、变频器的风量、电流、转速(频率);检查变频器额定输出电流时的电机转速、变频器频率。以便确定变频器的“始动频率”值以及是否投用限流功能。
e) 动力电源切换试验:变频器在正常运行时,电源发生短时波动或工作厂用电中断备用电切换成功,这时变频器应不发生跳机。

7 变频改造后的效果

(1) 效益比较:
我厂#8炉#1、#2引风机于2003年7月1日改变频调节正式投用，7月8日测试数据如表4:

从表2、表4中可以看出，经变频改造后，在满足锅炉负荷约260T/H燃烧的情况下，风机输入功率明显减少，分别由339.00kW、317.00kW降到162.00kW、167.143kW;风机单位电耗也由1.282kWh/t、1.219kWh/t降到0.608kWh/t、0.623kWh/t，节电率分别为52.57%、48.89%，每年可节省厂用电200多万kWh。
(2) 改为变频调节后，对其它设备的影响有:
a) 避免了电动机启动时对电机的冲击损害。
b) 提高了引风机的自动控制能力。
c) 由于转速的降低,对风机的叶轮、轴承等寿命得以延长。

8 结束语

   我厂变频装置于2003年7月1日正式投运以来，由于其他原因变频器正常中经历了电源中断切换、单边引风机变频器运行等异常情况的考验。北京利得华福公司生产的高压变频器以其可靠的运行性能及良好的节能效果深得用户的信赖，值得大力推广和应用。

参考文献

[1] 浙江巨化集团公司热电厂#8炉引风机变频器改造资料。
[2] HARSVERT-A06/50型高压变频器说明书。