內容摘要：隨著(zhù)經(jīng)濟的發(fā)展，資源約束的矛盾日益凸顯，建設節約型社會(huì )，進(jìn)行節能降耗技術(shù)改 造，已成為各造紙企業(yè)的積極努力的方向。本文詳細介紹了延邊某紙業(yè)公司化機漿增壓風(fēng)機變頻改造設計與運行情況，并對改造后的經(jīng)濟效益進(jìn)行了分析。運行結果 證明在造紙生產(chǎn)酸法制漿過(guò)程中，利用高壓變頻技術(shù)具有卓越的技術(shù)性能和顯著(zhù)的經(jīng)濟效益，具有很好的推廣應用價(jià)值。

關(guān)鍵詞:增壓風(fēng)機  變頻器  節能降耗  經(jīng)濟效益  推廣價(jià)值

一、概述：

在制漿（化學(xué)法）和造紙生產(chǎn)過(guò)程中主要產(chǎn)生三類(lèi)廢水：黑（紅）液、中段廢水和紙機白水。黑（紅）液主要是蒸煮制漿廢水，中段水包括紙漿洗滌、篩選、漂白廢水，紙機白水為抄紙車(chē)間廢水。其中蒸煮廢水的環(huán)境污染最嚴重，占整個(gè)造紙工業(yè)污染的90%。

而酸法制漿產(chǎn)生的紅液是造紙業(yè)廢水處理的關(guān)鍵。造紙紅液處理的系統為MVR蒸發(fā)器。MVR蒸發(fā)器，是英文mechanical vapor recompression的簡(jiǎn)稱(chēng)。MVR是重新利用它自身產(chǎn)生的二次蒸汽的能量，從而減少對外界能源的需求的一項技術(shù)。

二次蒸汽，經(jīng)過(guò)壓縮機的壓縮，壓力和溫度得以升高，熱焓隨之增加，被送到蒸發(fā)器的加熱室當作加熱蒸汽即生蒸汽使用，使料液維持蒸發(fā)狀態(tài)，而加熱蒸汽本 身將熱量傳遞給物料本身冷凝成水。這樣，原來(lái)要廢棄的蒸汽就得到了充分的利用，回收了潛熱，又提高了熱效率。

目前該技術(shù)普遍應用于化工、制藥、造紙、污水處理、海水淡化等行業(yè)。

二、MVR蒸發(fā)器系統

 MVR蒸發(fā)器是重新利用它自身產(chǎn)生的二次蒸汽的能量，從而減少對外界能源的需求的一項技術(shù)。

其工作過(guò)程是低溫位的蒸汽經(jīng)壓縮機壓縮，溫度、壓力提高，熱焓增加，然后進(jìn)入換熱器冷凝，以充分利用蒸汽的潛熱。除開(kāi)車(chē)啟動(dòng)外，整個(gè)蒸發(fā)過(guò)程中無(wú)需生蒸汽。 

多效蒸發(fā)過(guò)程中，蒸發(fā)器某一效的二次蒸汽不能直接作為本效熱源，只能作為次效或次幾效的熱源。如作為本效熱源必須額外給其能量，使其溫度(壓力)提高。蒸汽噴射泵只能壓縮部分二次蒸汽，而MVR蒸發(fā)器則可壓縮蒸發(fā)器中所有的二次蒸汽. 

溶 液在一個(gè)降膜蒸發(fā)器里，通過(guò)物料循環(huán)泵在加熱管內循環(huán)。初始蒸汽用新鮮蒸汽在管外給熱，將溶液加熱沸騰產(chǎn)生二次汽，產(chǎn)生的二次汽由渦輪增壓風(fēng)機吸入，經(jīng)增 壓后，二次汽溫度提高，作為加熱熱源進(jìn)入加熱室循環(huán)蒸發(fā)。正常啟動(dòng)后，渦輪壓縮機將二次蒸汽吸入，經(jīng)增壓后變?yōu)榧訜嵴羝?，就這樣源源不斷進(jìn)行循環(huán)蒸發(fā)。蒸 發(fā)出的水分最終變成冷凝水排出

由于成本原因，單級離心壓縮機和高壓風(fēng)機被普遍用于機械蒸汽再壓縮系統。

蒸發(fā)風(fēng)機增加泵是紅液蒸發(fā)系統的核心部件，該裝置的可靠穩定運行是整套，紅液蒸發(fā)系統正常運行的根本保證。由于蒸發(fā)風(fēng)機增壓風(fēng)機泵在整套系統中的特殊功用，所以其是一個(gè)特殊的負載類(lèi)型，即非風(fēng)機又不能等同于普通泵類(lèi)負載，其對整個(gè)蒸發(fā)器生產(chǎn)過(guò)程中的工藝控制有很大影響。

三、化機漿蒸發(fā)風(fēng)機泵工作原理

化機漿蒸發(fā)風(fēng)機泵主要用于廠(chǎng)區廢液處理，現場(chǎng)工藝流程如圖1所示。

圖1現場(chǎng)工藝流程

工 作流程：蒸發(fā)風(fēng)機把高溫（大于100℃）的高溫蒸汽打入蒸發(fā)管道，然后把后級的蒸汽再抽回到蒸發(fā)器，如果蒸發(fā)器溫度低于100℃，那么由廠(chǎng)來(lái)的高溫蒸汽將 補充到蒸發(fā)風(fēng)機里，保持蒸汽溫度高于100℃。通過(guò)泵將預熱器加熱、濃縮處理的廢水引入到MVR蒸發(fā)器中，在熱交換器中，利用蒸汽對廢水進(jìn)行循環(huán)加熱、蒸 發(fā)、濃縮等處理，得到的蒸餾水回流到預熱器中，以用于預熱原液得到的濃縮液和蒸汽則進(jìn)入分離器中，通過(guò)分離器，分離出的蒸汽進(jìn)入壓縮機內，而分離出的濃縮 液則被直接回流至收集罐中，對濃縮液進(jìn)行處理可回收其中的有用物質(zhì)、達到污水零排放，保護環(huán)境。 

（1）預熱器待處理的原液在進(jìn)人蒸汽換熱器之前的溫度較低，為了充分利用系統內的熱能，需采用換熱器對原液進(jìn)行預加熱。

（2）蒸發(fā)器預熱后的原液通過(guò)進(jìn)料泵將其載入蒸發(fā)器，與經(jīng)蒸汽壓縮機壓縮升溫升壓后的蒸汽進(jìn)行換熱，使其迅速汽化蒸發(fā)。

（3）分離器：分離器是蒸汽和濃縮液進(jìn)行分離的裝置。

（4）壓縮機（風(fēng)機泵）是MVR系統的核心部件,它通過(guò)對系統內二次蒸汽進(jìn)行壓縮，提高其熱焓，然后再將溫度和壓力提高了的二次蒸汽作為熱源用于系統加熱 。

（5） 控制系統：工控機和PLC等構成了MVR蒸發(fā)器的實(shí)時(shí)控制系統。通過(guò)軟件編程，實(shí)時(shí)采集各種傳感器的狀態(tài)信號、從而自動(dòng)控制馬達的轉速、閥門(mén)的開(kāi)關(guān)和調節 液體的流速和流量、溫度和壓力的控制和調節等、使系統工作達到動(dòng)態(tài)平衡的狀態(tài)。同時(shí)該設備還具有自動(dòng)報警、自動(dòng)記錄參數和提供報表的各種功能。

（6）清洗系統溶液蒸發(fā)一段時(shí)間后，會(huì )發(fā)生結垢現象，結垢通過(guò)添加化學(xué)溶劑去除。

（7）真空系統：真空系統的作用是維持整個(gè)系統的真空度，從裝置中抽出部分空氣、不凝氣體以及溶液帶入的氣 體，以達到系統穩定的蒸發(fā)狀態(tài)。

四、變頻器調速節能原理

異步電動(dòng)機的轉速n與頻率f、電動(dòng)機轉差率s、電動(dòng)機磁極對數p有以下關(guān)系：

N＝60f(1-s)/p

由 以上公式可知，轉速n與頻率f成正比，只要改變頻率f即可改變電動(dòng)機的轉速，同時(shí)電動(dòng)機的輸出功率也會(huì )發(fā)生變化，n與f之間呈線(xiàn)性關(guān)系，當f在 0～50Hz變化時(shí)，轉速的調節范圍是非常寬的。當負荷變化而引風(fēng)機轉速降低時(shí)，則輸出功率也隨之遞減從流體力學(xué)的原理得知，使用感應電動(dòng)機驅動(dòng)的風(fēng)機負 載，軸功率P與流量Q，揚程H的關(guān)系為：

當電動(dòng)機的轉速由n1變化到n2時(shí),Q、H、P與轉速的關(guān)系如下:

可見(jiàn)流量Q和電機的轉速n是成正比關(guān)系的，而所需的軸功率P與轉速的立方成正比關(guān)系。所以當需要80％的額定流量時(shí)，通過(guò)調節電機的轉速至額定轉速的80％，即調節頻率到40Hz即可，這時(shí)所需功率將僅為原來(lái)的51.2％。

如圖2所示，從風(fēng)機的運行曲線(xiàn)圖來(lái)分析采用變頻調速后的節能效果。

圖2  增壓風(fēng)機的運行曲線(xiàn)圖

當 所需風(fēng)量、流量從Q1減小到Q2時(shí)，如果采用調節擋板的辦法，管網(wǎng)阻力將會(huì )增加，管網(wǎng)特性曲線(xiàn)上移，系統的運行工況點(diǎn)從A點(diǎn)變到新的運行工況點(diǎn)B點(diǎn)運行， 所需軸功率P2與面積H2×Q2成正比；如果采用調速控制方式，風(fēng)機轉速由n1下降到n2，其管網(wǎng)特性并不發(fā)生改變，但風(fēng)機的特性曲線(xiàn)將下移，因此其運行 工況點(diǎn)由A點(diǎn)移至C點(diǎn)。此時(shí)所需軸功率P3與面積HB×Q2成正比。從理論上分析，所節約的軸功率Delt(P)與（H2-HB）×（C-B）的面積成正 比。

考慮減速后效率下降和調速裝置的附加損耗，通過(guò)實(shí)踐的統計，風(fēng)機通過(guò)調速控制可節能10％～40％，有些風(fēng)機負載節能比例達50%以上。

五、英威騰GD5000系列高壓變頻器技術(shù)特點(diǎn)

深圳英威騰研發(fā)生產(chǎn)的GD5000系列高壓變頻器采用多單元串聯(lián)技術(shù)，有自身的基本功能，也有與其它廠(chǎng)家變頻器獨特的優(yōu)點(diǎn)，下面對GD5000系列高壓變頻器可靠性作一介紹：

自 2002年成立以來(lái)，已具有八年以上的生產(chǎn)變頻器設備及備品配件或類(lèi)似設備的生產(chǎn)經(jīng)驗，公司已于2006年1月通過(guò)IS09001質(zhì)量保證體系認證。變頻 裝置采用若干個(gè)低壓PWM變頻功率單元串聯(lián)的方式實(shí)現直接高壓輸出。具有對電網(wǎng)諧波污染極小，輸入功率因數高，輸出波形質(zhì)量好，不存在諧波引起的電機附加 發(fā)熱、轉矩脈動(dòng)、噪音、dv/dt及共模電壓等問(wèn)題的特性，不需加輸出濾波器，就可以使用普通的異步電機，不需要更換電機。變頻裝置內部通訊應采用光纖連 接，以提高通訊速率和抗干擾能力。

1) 在功率單元模塊設計上，針對不同電流范圍采用獨特進(jìn)出線(xiàn)設計，抗干擾能力更強；

2) 在結構設計和電氣設計上，全面采用抗電磁干擾措施，最有效保證變頻器的可靠運行。

3) 三核控制技術(shù)，高壓變頻器主控系統采用DSP＋FPGA+ARM和液晶觸摸屏巧妙配合，提供中文觸摸式操作界面，控制系統高度集成化，抗干擾能力強、功能更強大、控制更精準，增加了產(chǎn)品的可靠性。

4) 豐 富的控制功能，我司高壓變頻器繼承了其低壓控制的特點(diǎn)，控制功能非常豐富。表現在頻率控制方式非常靈活。分為A頻率控制與B頻率控制，A頻率控制可以有多 種控制源（包括PID控制、多段速控制都屬于這方面內容）；B頻率控制同樣有多種控制源，用戶(hù)可以靈活的選擇采用A頻率控制源，B頻率控制源還是 A+B，A、B中最大值。通過(guò)這種數學(xué)上的抽象，英威騰的高壓變頻器不僅能滿(mǎn)足簡(jiǎn)單場(chǎng)合的工藝控制的要求，還可以滿(mǎn)足特定場(chǎng)合的工藝控制要求。另外，對于 命令通道的選擇也同樣是豐富多樣的?？梢曰緷M(mǎn)足多種多樣的應用場(chǎng)景。

5) 模塊冗余配置，功率單元采用一定冗余配置。功率開(kāi)關(guān)器件按實(shí)際運行參數的2倍以上配置電流和電壓，如采用1700V高壓IGBT，器件參數余量大，可靠性較高。

6) 低諧波設計，額定負載時(shí)輸入側的（對電網(wǎng)的影響）諧波＜2％；輸出側的（對電機的影響）諧波＜2％；

7) DSP控制系統對調制波形優(yōu)化處理，確保輸出完美無(wú)諧波波形。

8) AVR功能，可以根據母線(xiàn)電壓的波動(dòng)自動(dòng)調節輸出PWM信號的占空比，從而減輕電網(wǎng)電壓波動(dòng)對于輸出電壓波動(dòng)的影響。

9) V/F控制的轉矩提升功能，提供低頻轉矩提升功能，其主要是用來(lái)解決低頻時(shí)定子電阻引起的電壓損失導致磁通不足的問(wèn)題。

10) 多種V/F曲線(xiàn)的選擇提供多種的V/F曲線(xiàn)形式（如：多點(diǎn)V/F曲線(xiàn)，1.3次冪、1.7次冪、2.0次冪V/F曲線(xiàn)），可以滿(mǎn)足各種不同的負載要求。

11) 輸入電壓適應性強，允許網(wǎng)側電壓在10%～-15%之間波動(dòng)。同時(shí)具有AVR功能，能夠根據母線(xiàn)電壓的波動(dòng)自動(dòng)調整輸出電壓。網(wǎng)側電壓在短時(shí)間小于85%～65％額定值或大于110%～120％額定值，高壓變頻調速系統不停機，保證電機持續運行。

12) 超長(cháng)瞬時(shí)掉電不停機，有效避免電網(wǎng)不穩定帶來(lái)的停機問(wèn)題，我司高壓變頻器采用更好的瞬停處理方式，可以做到適應電網(wǎng)晃電1S以上，不管是風(fēng)機，還是水泵，都可以做到該效果。如果風(fēng)機類(lèi)負載，最多可以電網(wǎng)晃電5S都沒(méi)有問(wèn)題。

13) 超 低頻轉速追蹤能力，有效保證掉電快速再啟動(dòng)，具有全頻段的轉速自動(dòng)跟蹤啟動(dòng)功能，不論電機掉電多久，不論電機在頻段高低時(shí)，都能自動(dòng)搜索跟蹤電動(dòng)機轉速， 按照設定加減速時(shí)間恢復正常運行狀態(tài)，不用顧慮電機的運行狀態(tài)，可以實(shí)現高壓電機即時(shí)的啟動(dòng)和停止控制，保證機組安全啟動(dòng)。

14) 對 稱(chēng)旁路功能，單元體雙旁路技術(shù)，系統可靠性更高，采用的是機械式旁路（外部旁路）與電子旁路（內部旁路）可選的策略，其中機械式旁路可在200ms完成功 率單元的自動(dòng)旁路，而電子旁路，因為都是電子元器件控制，其動(dòng)作時(shí)間就會(huì )很快，毫秒級就能完成旁路的動(dòng)作。并且不論是機械式旁路還是電子旁路，都經(jīng)過(guò)了嚴 格重載，小慣量負載的驗證的，完全可以可靠的旁路。

15) 雙上電限流電路設計，有效保護系統安全、延長(cháng)設備壽命，采用了硬件限流以及軟件限流技術(shù)，當有效保護了因為負載突變而導致的系統過(guò)流故障的問(wèn)題，提高了產(chǎn)品的可靠性

16) 抗輸出短路保護技術(shù)，系統在輸出線(xiàn)纜短路的時(shí)候，能夠迅速保護，不會(huì )造成別的不良后果。

六、改造方案

2015 年8月末延邊石峴雙鹿實(shí)業(yè)有限責任公司化機漿風(fēng)機泵增壓風(fēng)機進(jìn)行高壓變頻調速改造，本次改造對一臺電動(dòng)機進(jìn)行改造，采用一拖一自動(dòng)隔離方式，引風(fēng)機電動(dòng)機 可采用工、變頻兩種方式運行。經(jīng)過(guò)對比分析，選用深圳英威騰電氣股份有限公司生產(chǎn)的GD5000-A0400-06-S系列高壓變頻器，該裝置變頻器整流 器件為二極管，逆變器件為IGBT，控制方式采用無(wú)速度傳感器矢量控制，運行性能更加優(yōu)越。2015年8月新系統全部投入運行。

七、系統運行工藝描述

變 頻器的6kV電源經(jīng)變頻裝置輸入刀閘與接觸器后到高壓變頻裝置，變頻裝置輸出經(jīng)出線(xiàn)刀閘和接觸器送至電動(dòng)機；6kV電源還可經(jīng)旁路接觸器直接起動(dòng)電動(dòng)機。 進(jìn)出線(xiàn)刀閘與接觸器和旁路刀閘與接觸器的作用是：一旦變頻裝置出現故障，即可馬上斷開(kāi)進(jìn)出線(xiàn)刀閘與接觸器，將變頻裝置隔離，手動(dòng)合旁路接觸器，在工頻電源 下起動(dòng)電機運行。旁路柜具備五防閉鎖功能；具備工、變頻方式指示功能；帶電指示功能和帶電閉鎖柜門(mén)功能。

系統改造一次回路如圖3所示。為了充分保證系統的可靠性，給變頻器同時(shí)加裝工頻旁路裝置，變頻器異常時(shí)，變頻器停止運行，電機可以直接自動(dòng)（工藝要求手動(dòng)）切換到工頻運行狀態(tài)下運行，這樣可以保證機組的正常安全運行。

為了實(shí)現變頻器故障的保護，變頻器對6kV開(kāi)關(guān)QF進(jìn)行聯(lián)鎖，一旦變頻器故障，變頻器跳開(kāi)QF。當工頻旁路時(shí)，變頻器始終允許QF合閘，撤消對QF的跳閘信號，使電機能正常通過(guò)QF合閘工頻啟動(dòng)。

變 頻調速系統由用戶(hù)開(kāi)關(guān)、自動(dòng)旁路柜、GD5000系列高壓變頻器、高壓電機組成。旁路柜是由三個(gè)真空高壓接觸器KM1、KM2、KM3和高壓隔離開(kāi)關(guān) QS1、QS2組成。正常運行時(shí)QS1、QS2全部閉合，只有在檢修時(shí)斷開(kāi)。電機以變頻方式運行時(shí)， KM1、KM2閉合，QS3斷開(kāi)；電機以工頻方式運 行時(shí)，KM3閉合， KM1、KM2斷開(kāi)。變頻與工頻之間切換自動(dòng)/手動(dòng)完成。旁路柜嚴格按照“五防”聯(lián)鎖要求設計，變頻輸出開(kāi)關(guān)KM2和工頻開(kāi)關(guān)KM3 互鎖，完全能夠保證變頻調速系統安全運行。

由于在整個(gè)變頻調速系統中前級用戶(hù)開(kāi)關(guān)柜具有過(guò)載保護裝置，因而手動(dòng)旁路柜不會(huì )對電機進(jìn)行過(guò)載保護。同時(shí)用戶(hù)開(kāi)關(guān)柜必須按照8-10倍額定電流設置速斷保護值，確保躲過(guò)激磁涌流。

圖3  改造后的一次回路圖

節能改造后的經(jīng)濟效益分析

增壓風(fēng)機變頻改造后，高壓變頻器一次投運成功。達到了預期及節能以及控制上的要求?，F場(chǎng)實(shí)際運行照片如圖4所示。

圖4現場(chǎng)高壓變頻器

與原有工頻驅動(dòng)方式相比，目前擋板全開(kāi)，變頻器運行在40Hz，與之前擋板調節方式相比消耗功率有明顯降低。經(jīng)過(guò)統計綜合節電率可達25%

八、結束語(yǔ)

增壓風(fēng)機經(jīng)過(guò)變頻改造以后，節能效果非常明顯，而且啟動(dòng)頻率低，轉速低，電流小且平穩。實(shí)現了軟啟動(dòng)，避免了以前用工頻啟動(dòng)時(shí)的大電流大轉矩對電機、電纜、 開(kāi)關(guān)及機械設備的沖擊。不僅延長(cháng)了電機等設備的壽命，也減輕了軸承的磨損，提高了安全供電的可靠性。

建議在造紙廠(chǎng)新建項目、技術(shù)改造項目中全面推廣應用變頻技術(shù)，淘汰擋板、閥門(mén)等獲利后低效調節方式，最大限度較少能源消耗和污染物排放，提交能源利用率，為我國節能減排做出貢獻。

參考文獻

[1] GD5000系列高壓變頻器使用說(shuō)明書(shū).深圳市英威騰電氣股份有限公司。

[2]GD5000系列高壓變頻器調試指導書(shū).深圳市英威騰電氣股份有限公司。