徐國華 （1976-）

    男，大學(xué)本科，助理工程師，從事熱電廠(chǎng)電儀方面的工作。



    摘   要：本文主要介紹了Zinvert高壓變頻調速系統的工作原理和控制系統的組成，分析了廣東溢達紡織有限公司熱電廠(chǎng)目前引風(fēng)機的現狀和存在的不足。將高壓變頻器成功應用在了3臺75t/h循環(huán)流化床鍋爐引風(fēng)機電機上，給電廠(chǎng)帶來(lái)了較大的經(jīng)濟效益，更重要的是減少了環(huán)境污染，達到了節能減排的目的。

    關(guān)鍵詞：高壓變頻器；鍋爐引風(fēng)機；節能

    Abstract: 3 sets of 10KV high voltage frequency inverters have been successfully applied to exhaust blowers for 75t/h CFB boilers at the Thermo-power Plant of Guagndong Esquel Textile Company. The application not only brings good financial return due to energy saving, but also reduces pollution. In this paper, the principle of Zinvert frequency inverter and the control system are introduced. The current running status and existing problems are also analyzed.

    Key words: High voltage frequency inverter;  exhaust blower; energy saving

    1 概述

    我國有超過(guò)5億千瓦的電機，他們每年要消耗800億～1000億千瓦時(shí)的能量，占工業(yè)能源消耗量的75％，總能源消耗量的60％。其中，70％用來(lái)驅動(dòng)送風(fēng)機和電泵、總量達2.5億千瓦的電機，都應該使用變速驅動(dòng)。但實(shí)際上，只有20％使用了變速驅動(dòng)，巨大的電能浪費不言而喻。然而，我國高壓電動(dòng)機存在“大馬拉小車(chē)”的現象主要是設計上的原因，另外，在某些場(chǎng)合即使裕度選得不是很大，但由于負荷波動(dòng)大，電動(dòng)機不能跟隨負荷的波動(dòng)進(jìn)行調節，能源被大量浪費，并且造成了嚴重的環(huán)境污染。

    加強節能減排是實(shí)現科學(xué)發(fā)展觀(guān)、構建社會(huì )主義和諧社會(huì )的必然選擇，是實(shí)現經(jīng)濟社會(huì )可持續發(fā)展、實(shí)現人與自然和諧共存的必然要求，更是新時(shí)期下實(shí)現改革開(kāi)放以及社會(huì )主義現代化建設又好又快發(fā)展的必然前提。因此，我們要充分認識節能減排的重要性，切實(shí)加強節能減排工作的實(shí)施力度，但是實(shí)現節能減排目標面臨的形勢十分嚴峻，只有全民行動(dòng)起來(lái)，堅持節約發(fā)展、清潔發(fā)展、安全發(fā)展，才能實(shí)現經(jīng)濟又好又快發(fā)展。近年來(lái)國家出臺一系列相關(guān)政策，鼓勵各企事業(yè)單位采用低能耗型產(chǎn)品和采取積極手段進(jìn)行節能技術(shù)改造，效果明顯，廠(chǎng)用電率明顯下降，大大降低了發(fā)電成本，同時(shí)由于采用變頻調節技術(shù)，風(fēng)機水泵等設備轉速降低，設備的磨損減少，延長(cháng)了設備的使用壽命，減少了維修成本。

    2 變頻改造的可行性分析

   2.1 熱電廠(chǎng)引風(fēng)機現狀

   鍋爐引風(fēng)機、電機參數見(jiàn)表1。

                 表1

                

注：全年運行于擋板開(kāi)度35%～45％，電機運行電流14～15A。

    由于生產(chǎn)工藝需求，要保證鍋爐正常運行，需保證爐膛內氣體壓力為－200pa～＋50pa。此時(shí)引風(fēng)機進(jìn)風(fēng)口擋板開(kāi)度平均維持在35%～45％左右，擋板入口風(fēng)壓為－2400pa左右，出口風(fēng)壓為－2400－P0帕（P0為擋板前后壓差，采用變頻調速后，擋板全開(kāi)，壓差為零），風(fēng)量為69000m3/h。引風(fēng)機入口風(fēng)壓為－2400－P0帕，出口風(fēng)壓為－2400－P0＋P1帕（P1為引風(fēng)機提升的氣體壓力即風(fēng)機前后壓差）。

    目前引風(fēng)機采用入口擋板調節，以維持爐膛以及管道的氣壓。雖然能節省一部分能量，但由于擋板前后的壓力差P0很大，具體數值需根據風(fēng)機的特性曲線(xiàn)來(lái)推算或在現場(chǎng)經(jīng)過(guò)實(shí)際測量得來(lái)，有很大一部分能量消耗在擋風(fēng)板上。同時(shí)由于擋板開(kāi)度很小，風(fēng)機運行在低效率區，也浪費了很大一部分能量，因此存在較大的節能空間。

    2.2 變頻改造前后運狀況分析

    變頻改造雖然可以達到節能的效果，但首先必須要保證原有的生產(chǎn)工藝要求，即保證爐膛內的負壓在－200Pa～＋50 Pa之間。

    對引風(fēng)機進(jìn)行改造后，入口擋板全開(kāi)，電機在低速運行，在這種情況下只要滿(mǎn)足以下兩點(diǎn)即可保證鍋爐的正常運行：

   · 改造后保證原引風(fēng)機入口擋板處風(fēng)量仍為69000 m3/h，氣壓仍為－2400 Pa左右;

   ·  風(fēng)機出口風(fēng)壓高于綜合考慮煙塵密度，煙囪高度，管道阻力的一個(gè)靜壓值。

    如圖1所示，K1為風(fēng)機在工頻轉速下的特性曲線(xiàn)，K2為風(fēng)機在變頻轉速下的特性曲線(xiàn)。L0為擋板開(kāi)度為35％～45％時(shí)的管道阻力曲線(xiàn)，L 1為擋板全開(kāi)時(shí)管道的阻力曲線(xiàn)，A、B分別為改造前后風(fēng)機的運行點(diǎn)。橫坐標表示風(fēng)量，縱坐標表示風(fēng)壓。
                           

                                       圖1

    結合管道中幾個(gè)重要的點(diǎn)來(lái)看改造后的情況。
    

              

                                     圖2

    如圖2所示，變頻改造后通過(guò)設定風(fēng)機的轉速，保證流量仍為69000m3/h。從風(fēng)機入口擋板前位置來(lái)看，其壓力仍為－2400Pa，因此并不改變鍋爐系統原有的運行工況。由于擋板全開(kāi)，風(fēng)機入口風(fēng)壓由改造前的－2400－P1升至改造后的－2400Pa，因此風(fēng)機所需要提升的風(fēng)壓P3也比改造前要小，而且由于流量不變，將擋板和風(fēng)機當作一個(gè)整體來(lái)考慮的話(huà)，風(fēng)機的出口風(fēng)壓將保持在改造前的數值。也就是說(shuō)－2400＋P3等于－2400－P1＋P2，即P2－P3＝P1，即P3=p2-p1，風(fēng)機所需要提升的風(fēng)壓降低了P1，P1即改造前擋板前后的壓差，改造后即省去由擋板前后壓差造成的能量損失，同時(shí)由于風(fēng)機在改造前運行在低效區，改造后將運行在高效區，這也節省部分能量。因此變頻改造后，既不會(huì )影響原有鍋爐的燃燒系統，可保證爐膛負壓，同時(shí)也可以保證煙氣完全排入高空。

    如圖1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。當所需風(fēng)量為69000m3/h時(shí)，即額定工況運行時(shí)，如果采用擋板調節法，擋板開(kāi)度為45%，管網(wǎng)阻力較大，管網(wǎng)特性曲線(xiàn)較陡，系統的運行工況點(diǎn)為A點(diǎn)。當所需風(fēng)量小于69000m3/h時(shí)，運行工況在A(yíng)點(diǎn)之前，P2增大，根據公式計算，電機消耗功率明顯增大。

    如果采用變頻調速控制方式，擋板全開(kāi)，其管網(wǎng)阻力較小，如圖1所示，管網(wǎng)阻力曲線(xiàn)由L0下移到L1。為保證風(fēng)量不變，風(fēng)機轉速由K1下降到K2，運行工況點(diǎn)由A點(diǎn)移至B點(diǎn)，此時(shí)由于擋板全開(kāi)，查風(fēng)機的效率曲線(xiàn)，風(fēng)機的效率提高，綜合效率η2大于η1，而且P3小于P2，兩者之差為擋板前后壓差P1，因此采用調速控制后可大大降低電機消耗功率。

    經(jīng)以上分析，對引風(fēng)機進(jìn)行變頻節能改造是完全可行的。

    3 高壓變頻工作原理與改造注意事項

    通過(guò)市場(chǎng)多次調研之后，該廠(chǎng)最終選擇了廣州智光電機有限公司的Zinvert智能高壓變頻器，它的主要特點(diǎn)是采用了功率單元串聯(lián)技術(shù)解決電氣元件的耐壓?jiǎn)?wèn)題，另外，它采用了先進(jìn)的多級H橋單元模塊結構，通過(guò)高速光纖數字通信技術(shù)，實(shí)現高壓主回路與控制系統的隔離，抗電磁干擾，可靠性高，為直接高壓輸出型變頻調速系統。

    3.1 電氣工作原理

    Zinvert系列智能高壓變頻調速系統主要由變壓器、功率逆變柜及控制柜組成，實(shí)際使用時(shí)還可按用戶(hù)要求配套旁路切換柜。變壓器副邊繞組相互隔離，并采用移相延邊三角形接法，保證系統工作在20%負載以上時(shí)電網(wǎng)側功率因素保持在0.96以上。

    Zinvert系列變頻器核心元件是功率單元，功率單元主要由三相橋式整流器、濾波電容器組、IGBT逆變橋（H橋）構成，同時(shí)還包括功率器件驅動(dòng)、保護、信號采集、光纖通訊等功能組成的控制電路，通過(guò)控制IGBT的工作狀態(tài)，輸出PWM電壓波形。
該廠(chǎng)現在每臺鍋爐引風(fēng)機高壓變頻器由27個(gè)ZINVU-020/17B01功率單元經(jīng)過(guò)移相串聯(lián)組成，每相9個(gè)，電壓疊加原理類(lèi)同于“電池組疊加”技術(shù)，如圖3所示。
                         

                                        圖3

    3.2 控制系統組成

     Zinvert系列智能高壓變頻器的控制系統采用開(kāi)環(huán)恒壓頻比控制，具有結構簡(jiǎn)單、工作可靠，主控制部分以雙數字信號處理器（DSP）為控制核心，輔以可編程邏輯器件（CPLD/FPGA）、AD采樣和模擬輸入輸出單元、數字量輸入輸出接口。由液晶（LCD）顯示器、LED指示和鍵盤(pán)組成的人機界面。單元的控制部分以可編程邏輯器件為核心，配合專(zhuān)用的IGBT驅動(dòng)和保護模塊和檢測回路。主控制部分和單元控制部分的控制信號通過(guò)光纖進(jìn)行信號傳輸，有效避免電磁干擾，增強系統的可靠性。

    3.3 變頻改造中的問(wèn)題處理與運行注意事項

    改造后，前后出現了一些問(wèn)題，具體反應在以下幾個(gè)方面：

    （1）轉速同步問(wèn)題：當鍋爐工頻運行過(guò)程中，同步無(wú)擾切換到變頻時(shí)，變頻器突然跳閘，切換失敗。檢查發(fā)現，變頻器主控制器程序出錯，變頻器上高壓后，主控制器首先應該檢測電機轉速，重新刷寫(xiě)程序后轉速同步正常，工頻與變頻滿(mǎn)足無(wú)擾切換。

    （2）零序干擾問(wèn)題：由于受相電壓的干擾，零序電壓最高達到了600V，超過(guò)了500V的保護值，所以變頻運行時(shí)，發(fā)生過(guò)多次零序保護跳機的情況。筆者仔細查看了二次回路，和廠(chǎng)家圖紙比較也沒(méi)問(wèn)題，最后將零序電壓測量部分的線(xiàn)路單獨布線(xiàn)，屏蔽單獨接地，得到解決。分析原因可能是A、B、C三相電壓二次測量回路和零序電壓測量回路共一條屏蔽電纜所致，現在廠(chǎng)家也同意更改圖紙消除隱患。

    （3）變壓器容量問(wèn)題：當引風(fēng)機變頻器運行在40Hz以上時(shí)，變壓器線(xiàn)圈繞組發(fā)熱量很大，溫度接近90℃，雖然根據廠(chǎng)商參數，變壓器最高可以運行在125℃，但仍建議按照廠(chǎng)家根據電機容量選擇變頻器的容量時(shí)應再升高一個(gè)等級，讓變頻器運行在80%左右的容量負荷比較可靠。

    （4）功率單元柜的高壓電容：變頻器在啟動(dòng)和停止過(guò)程中對功率單元柜中的高壓電容沖擊特別的大，容易損壞，建議升速率和降速率嚴格控制在10Hz/分鐘，防沖擊電壓對功率單元的損壞。

    （5）變頻器的工作環(huán)境：環(huán)境對高壓變頻器影響特別大，一定要將環(huán)境溫度控制在30℃左右，因為功率單元和變壓器運行過(guò)程中發(fā)熱量大，通過(guò)內部的對流風(fēng)扇進(jìn)行散熱，另外就是做到基本上無(wú)灰塵，因為功率單元柜的運行信息與主控制器是通過(guò)光纖通信的，當光纖頭積灰就會(huì )造成通信故障，從而導致跳機。

    （6）設旁路開(kāi)關(guān)：當變頻器出現故障時(shí)，為了不影響鍋爐的運行，設置高壓旁路開(kāi)關(guān)是必須的。
只要做到以上幾點(diǎn)，就能保證變頻器常期穩定運行。

    4 變頻改造后效果分析

    4.1 系統功率因素大大提高

    電機變頻改造前，額定功率因素為0.8，需要消耗電廠(chǎng)大量的無(wú)功，變頻改造后，由于Zinvert系統中整流變壓器副邊繞組采用移相延邊三角形接法，功率因素能保持在0.96以上，減少了線(xiàn)路損耗，為電網(wǎng)系統做出了貢獻。

    4.2 經(jīng)濟效率和回收期

    變頻改造前，鍋爐引風(fēng)機電機實(shí)際平均消耗的電功率為P＝31/2IUCOSφ=1.732×14.5×10.5×0.8≈211KW。

    變頻改造后為保證爐膛負壓，因此必需通過(guò)設定頻率，風(fēng)機在一定的轉速下流量仍保持為69000m3/h，此時(shí)風(fēng)機入口風(fēng)壓仍為－2400Pa，風(fēng)機出口風(fēng)壓仍保持為變頻改造前的大小，平均一次電流為8A，變頻改造后電機平均消耗的電功率為：P＝31/2IUCOSφ=1.732×8×10.5×0.96≈140kW（其中0.96為電機功率因素）。所以，每臺變頻器年節省電費為（211－140）×0.7×7200≈35.8萬(wàn)元（按全年運行7200h計，溢達電廠(chǎng)負荷大，每月平均下網(wǎng)200萬(wàn)度左右，所以電價(jià)按溢達公司平均下網(wǎng)0.7元/kwh計算），三臺鍋爐引風(fēng)機高壓變頻改造后年節省費用為35.8×3 = 107.4萬(wàn)元。

    每臺變頻器投資68萬(wàn)元，三臺鍋爐共投資204萬(wàn)元，回收期為204÷107.4=1.9年。

    現在熱電廠(chǎng)供電標煤耗為480克/度，一年三臺鍋爐引風(fēng)機變頻器節電（211-140）×7200×3=1533600度，即節約標煤1533600×0.48×0.001=736.128噸，根據國家環(huán)保局的測量數據，1噸標準煤產(chǎn)生2.493噸溫室氣體，所以三臺鍋爐變頻改造后少排放溫室氣體質(zhì)量736.128×2.493≈1835.2噸，達到了節能減排的目的。
  
    5 結論

    廣東溢達紡織有限公司熱電廠(chǎng)3臺鍋爐引風(fēng)機在珠三角范圍內率先采用高壓變頻改造后，系統運行穩定，設備可靠，取得了明顯的節電效果，獲得很好的經(jīng)濟效益。同時(shí)，變頻改造后節約了廠(chǎng)用電，還減少了對環(huán)境的污染，也為廣東溢達紡織有限公司致力打造綠色鏈紡織品的跨世紀目標做出了貢獻，接下來(lái)，還將對電廠(chǎng)循環(huán)水泵，鍋爐送風(fēng)機和循環(huán)水泵逐步進(jìn)行變頻改造。

    參考文獻：

    [1] 雷孝恩. 大氣污染數值預報基礎和模式[M]. 北京: 氣象出版社.

    [2] 杜賢國，郭培彬，韓文昭. 高壓變頻器在冷卻水循環(huán)泵上的應用[J]. 變頻器世界，2005(7).




                                                                    源自：《自動(dòng)化博覽》