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    徐國華 （1976-）

    男，大學本科，助理工程師，從事熱電廠電儀方面的工作。



    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目前引風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循環流化床鍋爐引風機電機上，給電廠帶來了較大的經濟效益，更重要的是減少了環境污染，達到了節能減排的目的。

    關鍵詞：高壓變頻器；鍋爐引風機；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5億千瓦的電機，他們每年要消耗800億～1000億千瓦時的能量，占工業能源消耗量的75％，總能源消耗量的60％。其中，70％用來驅動送風機和電泵、總量達2.5億千瓦的電機，都應該使用變速驅動。但實際上，只有20％使用了變速驅動，巨大的電能浪費不言而喻。然而，我國高壓電動機存在“大馬拉小車”的現象主要是設計上的原因，另外，在某些場合即使裕度選得不是很大，但由于負荷波動大，電動機不能跟隨負荷的波動進行調節，能源被大量浪費，并且造成了嚴重的環境污染。

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

    2 變頻改造的可行性分析

   2.1 熱電廠引風機現狀

   鍋爐引風機、電機參數見表1。

                 表1

                

注：全年運行于擋板開度35%～45％，電機運行電流14～15A。

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

    目前引風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，具體數值需根據風機的特性曲線來推算或在現場經過實際測量得來，有很大一部分能量消耗在擋風板上。同時由于擋板開度很小，風機運行在低效率區，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工藝要求，即保證爐膛內的負壓在－200Pa～＋50 Pa之間。

    對引風機進行改造后，入口擋板全開，電機在低速運行，在這種情況下只要滿足以下兩點即可保證鍋爐的正常運行：

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

   ·  風機出口風壓高于綜合考慮煙塵密度，煙囪高度，管道阻力的一個靜壓值。

    如圖1所示，K1為風機在工頻轉速下的特性曲線，K2為風機在變頻轉速下的特性曲線。L0為擋板開度為35％～45％時的管道阻力曲線，L 1為擋板全開時管道的阻力曲線，A、B分別為改造前后風機的運行點。橫坐標表示風量，縱坐標表示風壓。
                           

                                       圖1

    結合管道中幾個重要的點來看改造后的情況。
    

              

                                     圖2

    如圖2所示，變頻改造后通過設定風機的轉速，保證流量仍為69000m3/h。從風機入口擋板前位置來看，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，風機入口風壓由改造前的－2400－P1升至改造后的－2400Pa，因此風機所需要提升的風壓P3也比改造前要小，而且由于流量不變，將擋板和風機當作一個整體來考慮的話，風機的出口風壓將保持在改造前的數值。也就是說－2400＋P3等于－2400－P1＋P2，即P2－P3＝P1，即P3=p2-p1，風機所需要提升的風壓降低了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，同時由于風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，既不會影響原有鍋爐的燃燒系統，可保證爐膛負壓，同時也可以保證煙氣完全排入高空。

    如圖1所示，從風機的運行曲線圖來分析采用變頻調速后的節能效果。當所需風量為69000m3/h時，即額定工況運行時，如果采用擋板調節法，擋板開度為45%，管網阻力較大，管網特性曲線較陡，系統的運行工況點為A點。當所需風量小于69000m3/h時，運行工況在A點之前，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，其管網阻力較小，如圖1所示，管網阻力曲線由L0下移到L1。為保證風量不變，風機轉速由K1下降到K2，運行工況點由A點移至B點，此時由于擋板全開，查風機的效率曲線，風機的效率提高，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。

    經以上分析，對引風機進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

    通過市場多次調研之后，該廠最終選擇了廣州智光電機有限公司的Zinvert智能高壓變頻器，它的主要特點是采用了功率單元串聯技術解決電氣元件的耐壓問題，另外，它采用了先進的多級H橋單元模塊結構，通過高速光纖數字通信技術，實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，實際使用時還可按用戶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%負載以上時電網側功率因素保持在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，同時還包括功率器件驅動、保護、信號采集、光纖通訊等功能組成的控制電路，通過控制IGBT的工作狀態，輸出PWM電壓波形。
該廠現在每臺鍋爐引風機高壓變頻器由27個ZINVU-020/17B01功率單元經過移相串聯組成，每相9個，電壓疊加原理類同于“電池組疊加”技術，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環恒壓頻比控制，具有結構簡單、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，配合專用的IGBT驅動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光纖進行信號傳輸，有效避免電磁干擾，增強系統的可靠性。

    3.3 變頻改造中的問題處理與運行注意事項

    改造后，前后出現了一些問題，具體反應在以下幾個方面：

    （1）轉速同步問題：當鍋爐工頻運行過程中，同步無擾切換到變頻時，變頻器突然跳閘，切換失敗。檢查發現，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，重新刷寫程序后轉速同步正常，工頻與變頻滿足無擾切換。

    （2）零序干擾問題：由于受相電壓的干擾，零序電壓最高達到了600V，超過了500V的保護值，所以變頻運行時，發生過多次零序保護跳機的情況。筆者仔細查看了二次回路，和廠家圖紙比較也沒問題，最后將零序電壓測量部分的線路單獨布線，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，現在廠家也同意更改圖紙消除隱患。

    （3）變壓器容量問題：當引風機變頻器運行在40Hz以上時，變壓器線圈繞組發熱量很大，溫度接近90℃，雖然根據廠商參數，變壓器最高可以運行在125℃，但仍建議按照廠家根據電機容量選擇變頻器的容量時應再升高一個等級，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：變頻器在啟動和停止過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）變頻器的工作環境：環境對高壓變頻器影響特別大，一定要將環境溫度控制在30℃左右，因為功率單元和變壓器運行過程中發熱量大，通過內部的對流風扇進行散熱，另外就是做到基本上無灰塵，因為功率單元柜的運行信息與主控制器是通過光纖通信的，當光纖頭積灰就會造成通信故障，從而導致跳機。

    （6）設旁路開關：當變頻器出現故障時，為了不影響鍋爐的運行，設置高壓旁路開關是必須的。
只要做到以上幾點，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，需要消耗電廠大量的無功，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，減少了線路損耗，為電網系統做出了貢獻。

    4.2 經濟效率和回收期

    變頻改造前，鍋爐引風機電機實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，因此必需通過設定頻率，風機在一定的轉速下流量仍保持為69000m3/h，此時風機入口風壓仍為－2400Pa，風機出口風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≈35.8萬元（按全年運行7200h計，溢達電廠負荷大，每月平均下網200萬度左右，所以電價按溢達公司平均下網0.7元/kwh計算），三臺鍋爐引風機高壓變頻改造后年節省費用為35.8×3 = 107.4萬元。

    每臺變頻器投資68萬元，三臺鍋爐共投資204萬元，回收期為204÷107.4=1.9年。

    現在熱電廠供電標煤耗為480克/度，一年三臺鍋爐引風機變頻器節電（211-140）×7200×3=1533600度，即節約標煤1533600×0.48×0.001=736.128噸，根據國家環保局的測量數據，1噸標準煤產生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3臺鍋爐引風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，獲得很好的經濟效益。同時，變頻改造后節約了廠用電，還減少了對環境的污染，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，還將對電廠循環水泵，鍋爐送風機和循環水泵逐步進行變頻改造。

    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泵上的應用[J]. 變頻器世界，2005(7).




                                                                    源自：《自動化博覽》