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摘要：本文通過對(duì)中國(guó)石油錦西煉油化工總廠熱電公司4#爐引、送、二次風(fēng)機(jī)的高壓變頻節(jié)能改造的介紹，詳細(xì)敘述了改造的目的、技術(shù)方案、改造過程和原理特性。具體分析了改造效果，特別是經(jīng)濟(jì)效果。最后闡明節(jié)能改造的意義，是企業(yè)由粗放型的管理向資源節(jié)約型管理轉(zhuǎn)變的有效途徑，是企業(yè)增效的新亮點(diǎn)。
關(guān)鍵詞：變頻 改造 節(jié)能 增效

1.前言
中國(guó)石油錦西煉油化工總廠熱電公司有75噸鍋爐3臺(tái)，220噸鍋爐3臺(tái)。其中1、2、3#爐是75噸鍋爐，4、5、6#爐是220噸鍋爐。6臺(tái)鍋爐全部采用了引風(fēng)、送風(fēng)和二次風(fēng)機(jī)，這些風(fēng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)是按照最大額定負(fù)荷設(shè)計(jì)的，而鍋爐一年中能在最大額定負(fù)荷段狀態(tài)下運(yùn)行的時(shí)間卻很少，大部分時(shí)間運(yùn)行在三分之二負(fù)荷段上。這樣，鍋爐對(duì)實(shí)際風(fēng)的需要量卻不是所設(shè)計(jì)的最大風(fēng)量，而應(yīng)該是隨著負(fù)荷改變而改變的變化風(fēng)量。為了滿足鍋爐對(duì)變化風(fēng)量的要求，我們傳統(tǒng)工藝一直采用調(diào)整風(fēng)道檔板開度的辦法，這種辦法能夠改變和調(diào)整風(fēng)量，卻無法調(diào)整驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和按比例節(jié)能，造成了工業(yè)生產(chǎn)中能源的大量浪費(fèi)和生產(chǎn)成本的上升。

2.改造目的
為了降低生產(chǎn)成本，降低能耗，適應(yīng)我國(guó)關(guān)于能源節(jié)約與資源綜合利用“十五”規(guī)劃的要求，采用低消耗、低排放、高效率的持續(xù)發(fā)展理念的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)模式，應(yīng)用變頻節(jié)能技術(shù)來改造傳統(tǒng)工藝的技術(shù)缺憾。我公司經(jīng)過對(duì)低壓變頻技術(shù)的廣泛成熟的應(yīng)用，獲取了較大的節(jié)能效果和維護(hù)經(jīng)驗(yàn)。隨著高壓變頻器技術(shù)產(chǎn)品的成熟與穩(wěn)定應(yīng)用，我們把這一節(jié)能成果又進(jìn)一步擴(kuò)大到了高壓電機(jī)上，并于2006年5月份對(duì)4#爐三臺(tái)風(fēng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行了高壓變頻器改造。

3、4#爐風(fēng)機(jī)工作額定參數(shù)

3.實(shí)施的改造方案
3.1 變頻器的選型方案
由于高壓變頻改造所實(shí)施的具體方案與變頻器的選型有直接的關(guān)系,所以我公司首先進(jìn)行了變頻器的選型考察，經(jīng)過仔細(xì)認(rèn)真地比較和公開招標(biāo)，最后國(guó)產(chǎn)產(chǎn)品——北京利德華福HARSVERT-A高壓變頻器以其優(yōu)良的質(zhì)量，齊全的技術(shù)性能和周到的售后服務(wù)一舉中標(biāo)。
3.2 主回路方案
根據(jù)我公司風(fēng)機(jī)負(fù)荷的重要性，我們決定采用的變頻控制為一拖一方案，就是一臺(tái)變頻器帶一臺(tái)風(fēng)機(jī)電機(jī)。為了增加運(yùn)行的可靠性和安全性，又增設(shè)了工頻旁路回路。具體的設(shè)計(jì)方案如圖1所示：

圖1：一次主回路接線圖
QF為用戶的真空斷路器，QS1、QS2、QS3為3臺(tái)高壓隔離刀閘。在QS1和QS2之間是高壓變頻器，QS3為旁路刀閘。當(dāng)電機(jī)需變頻運(yùn)行時(shí)，應(yīng)首先將QS3拉開，然后合QS1和QS2刀閘，最后再合真空斷路器QF使變頻器得電并啟動(dòng)變頻器以驅(qū)動(dòng)電機(jī)。當(dāng)電機(jī)需工頻運(yùn)行時(shí)，應(yīng)將QS1和QS2刀閘拉開，將QS3旁路刀閘合入，最后合真空斷路器QF以直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)工頻運(yùn)行。此運(yùn)行方式為變頻器故障或檢修等特殊情況下用工頻來保證設(shè)備運(yùn)行的備用工作方式。
上述方案為手動(dòng)旁路的典型方案，要求QS2和QS3不能同時(shí)閉合，并在機(jī)械上實(shí)現(xiàn)安全互鎖。
為了實(shí)現(xiàn)對(duì)故障變頻器的保護(hù)，變頻器故障狀態(tài)下發(fā)出跳閘指令，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的高壓真空斷路器QF進(jìn)行連鎖跳閘，以使變頻器斷開電源。同時(shí)三把刀閘都與斷路器QF電氣互鎖，只有在斷路器分離時(shí)才能操作刀閘，保證了安全操作。
3.3 控制方案
根據(jù)我公司的實(shí)際情況，我們對(duì)變頻器采用三種控制方案，分別是遠(yuǎn)程DCS閉環(huán)自動(dòng)控制、遠(yuǎn)程DCS開環(huán)手動(dòng)控制和就地手動(dòng)控制。
3.4 冷卻方案
變頻器的工作過程是將交流電整流成直流電，再將直流逆變成交流的過程。在這一過程中，電子功率器件自身要發(fā)出一定的熱量（2%），這些熱量會(huì)使設(shè)備的溫度不斷上升，并燒損設(shè)備本身。為了使變頻器正常穩(wěn)定工作，就必須將變頻器發(fā)出的熱量及時(shí)排散掉。因此變頻器冷卻問題對(duì)變頻器運(yùn)行的穩(wěn)定十分重要。經(jīng)過認(rèn)真的研究，我們采用了最簡(jiǎn)單、最有效、最穩(wěn)定的冷卻方案——自然風(fēng)冷方案。就是在變頻器頂部安裝一個(gè)總風(fēng)道，用這個(gè)風(fēng)道將變頻器自身頂部的冷卻風(fēng)機(jī)從室內(nèi)吸入的自然空氣所帶的變頻器內(nèi)部熱量不斷地排放到室外。這種方案只做一個(gè)風(fēng)道，不增加任何轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備，因此簡(jiǎn)單可靠，故障因素少。經(jīng)過在40℃室溫條件下做滿載散熱能力試驗(yàn)，結(jié)果變頻器的溫度最高到68℃，與設(shè)計(jì)的最高溫升140度相比，結(jié)果是非常理想的。

4.變頻器的工作原理與特性
4.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
HARSVERT-A系列6kV高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)見圖2，由移相變壓器、功率單元和控制器組成。每臺(tái)變頻器有21個(gè)功率單元，每7個(gè)功率單元串聯(lián)構(gòu)成一相。

圖2：高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
4.2 功率單元結(jié)構(gòu)
每個(gè)功率單元結(jié)構(gòu)上完全一致，可以互換，其電路結(jié)構(gòu)見下圖3，為基本的交-直-交單相逆變電路，整流側(cè)為二極管三相全橋，通過對(duì)IGBT逆變橋進(jìn)行正弦PWM控制，可得如圖4所示的波形。
4.3 輸入側(cè)結(jié)構(gòu)
輸入側(cè)由移相變壓器給每個(gè)單元供電，移相變壓器的副邊繞組分為三組，構(gòu)成42脈沖整流方式，這種多級(jí)移相疊加的整流方式可以大大改善網(wǎng)絡(luò)的電流波形，使其負(fù)載下網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)接近1。
另外，由于變壓器副邊繞組的獨(dú)立性，使每個(gè)功率單元的主回路相對(duì)獨(dú)立，類似常規(guī)低壓變壓器，便于采用現(xiàn)有的成熟技術(shù)。
4.4 輸出側(cè)結(jié)構(gòu)
參見圖2和圖3。輸出側(cè)由每個(gè)單元的U、V輸出端子相互串接而成星型接法給電機(jī)供電，通過對(duì)每個(gè)單元的PWM波形進(jìn)行重組，可以得到如圖5所示的階梯PWM波形。這種波形正弦度好，dv/dt小，可減少對(duì)電纜和電機(jī)的絕緣損壞，無須輸出濾波器就可以使輸出電纜長(zhǎng)度很長(zhǎng)，電機(jī)不需要降額使用，可直接用于舊設(shè)備的改造。同時(shí)，電機(jī)的諧波損耗大大減少，消除了由此引起的機(jī)械振動(dòng)，減小了軸承和葉片的機(jī)械應(yīng)力。
當(dāng)某一個(gè)單元出現(xiàn)故障時(shí)，通過使圖3中的繼電器K閉合，可以將此單元旁路出系統(tǒng)而不影響其它單元的運(yùn)行，變頻器可持續(xù)降額運(yùn)行，如此可減少很多場(chǎng)合下停機(jī)造成的損失。

圖3：功率單元電路結(jié)構(gòu)

圖4：?jiǎn)卧敵龅腜WM波形

圖5：系統(tǒng)輸出的相電壓階梯PWM波形
4.5 控制器
控制器核心由高速單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)，精心設(shè)計(jì)的算法可以保證電機(jī)達(dá)到最優(yōu)的運(yùn)行性能?？刂破鬟€包括一臺(tái)內(nèi)置的PLC，用于柜體內(nèi)開關(guān)信號(hào)的邏輯處理，以及與現(xiàn)場(chǎng)各種操作信號(hào)和狀態(tài)信號(hào)的協(xié)調(diào)。增強(qiáng)了系統(tǒng)的靈活性。
控制器結(jié)構(gòu)上采用VME標(biāo)準(zhǔn)箱體結(jié)構(gòu)，各控制單元板采用FPGA、CPLD等大規(guī)模集成電路和表面焊接技術(shù)，系統(tǒng)具有極高的可靠性。
另外，控制器與功率單元之間采用光纖通訊技術(shù)，低壓部分和高壓部分完全可靠隔離，系統(tǒng)具有極高的安全性，同時(shí)具有很好的抗電磁干擾性能。

5.改造效果
5.1 改造后的工藝效果
4#爐引、送、二次風(fēng)機(jī)高壓變頻改造后，將原風(fēng)道中用開度大小來調(diào)整風(fēng)道風(fēng)量的檔板開到了100%。這樣大大減小了風(fēng)的阻力損耗。另外完全改變了風(fēng)在管道中的振動(dòng)頻率，由于風(fēng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)在變頻狀態(tài)下工作，工作頻率在不斷的變化中，使風(fēng)道的固有共振頻率很難與工作頻率一致，從而避免了共振現(xiàn)象的產(chǎn)生，解決了風(fēng)道在工頻狀態(tài)下振動(dòng)大的問題。這樣風(fēng)道時(shí)常被振開裂的難題被自然解決了，也是我們此次改造的意外收獲。
5.2 改造后對(duì)電網(wǎng)的沖擊效果
當(dāng)電機(jī)通過工頻直接啟動(dòng)時(shí)，它將會(huì)產(chǎn)生7-8倍的電機(jī)額定電流。這個(gè)電流值將大大增加電機(jī)繞組的電應(yīng)力并產(chǎn)生熱量，從而降低電機(jī)的壽命。而采用變頻后，電機(jī)實(shí)現(xiàn)了軟啟動(dòng)，可以在零速零電壓?jiǎn)?dòng)（當(dāng)然可以適當(dāng)加轉(zhuǎn)矩提升），直到達(dá)到工作電流為止。一旦頻率和電壓的關(guān)系建立，變頻器就可以按照V/f或矢量控制方式帶動(dòng)負(fù)載進(jìn)行工作，對(duì)電網(wǎng)幾乎沒有沖擊。
5.3 改造后的維護(hù)強(qiáng)度效果
采用變頻調(diào)速后，驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)基本工作在30Hz到40Hz的頻率范圍內(nèi)，與工頻50Hz相比，降低了風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。另外啟動(dòng)時(shí)的緩慢升速過程也使整套風(fēng)機(jī)機(jī)械設(shè)備的零部件、密封和軸承等的使用壽命大大延長(zhǎng)。不用檔板調(diào)風(fēng)，調(diào)風(fēng)檔板的使用壽命大大延長(zhǎng)，使檢修維護(hù)工作量減少，更降低了檢修工作強(qiáng)度和費(fèi)用。
5.4 改造后的節(jié)能效果
我公司4#爐3臺(tái)風(fēng)機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)速改造后，在收到上述諸多改造工藝效果的同時(shí)，更獲得了重大的節(jié)能效果。詳見下列改造前后生產(chǎn)參數(shù)對(duì)照表，此表數(shù)據(jù)來源于改造前后的生產(chǎn)報(bào)表：
4#爐變頻改造前后節(jié)能對(duì)照表



注：改造前功率因數(shù)為0.85；改造后功率因數(shù)為0.97。

從上表中數(shù)據(jù)可知，220噸鍋爐在從140噸到200噸運(yùn)行過程中，三臺(tái)風(fēng)機(jī)的節(jié)電效果隨鍋爐負(fù)荷的增加而下降，隨鍋爐負(fù)荷的減小而上升。而我公司鍋爐每年中運(yùn)行在140噸到150噸大約有8個(gè)月，運(yùn)行在200噸大約有2個(gè)月，運(yùn)行在180噸大約有1個(gè)月，檢修時(shí)間大約有1個(gè)月。改造前4#爐每年三臺(tái)風(fēng)機(jī)用總電量約為1863.13387萬度（k