摘要： 本文通過對中國石油錦西煉油化工總廠熱電公司4#爐引、送、二次風(fēng)機的高壓變頻節(jié)能改造的介紹，詳細敘述了改造的目的、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。

　　關(guān)鍵詞：變頻 改造 節(jié)能 增效

　　1.前言

　　中國石油錦西煉油化工總廠熱電公司有75噸鍋爐3臺，220噸鍋爐3臺。其中1、2、3#爐是75噸鍋爐，4、5、6#爐是220噸鍋爐。6臺鍋爐全部采用了引風(fēng)、送風(fēng)和二次風(fēng)機，這些風(fēng)機的驅(qū)動電機是按照最大額定負荷設(shè)計的，而鍋爐一年中能在最大額定負荷段狀態(tài)下運行的時間卻很少，大部分時間運行在三分之二負荷段上。這樣，鍋爐對實際風(fēng)的需要量卻不是所設(shè)計的最大風(fēng)量，而應(yīng)該是隨著負荷改變而改變的變化風(fēng)量。為了滿足鍋爐對變化風(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)動電機的轉(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)濟增長模式，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)能效果和維護經(jīng)驗。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)能成果又進一步擴大到了高壓電機上，并于2006年5月份對4#爐三臺風(fēng)機的驅(qū)動電動機進行了高壓變頻器改造。

　　3、4#爐風(fēng)機工作額定參數(shù)

風(fēng)機名稱	電機型號	額定電壓	額定電流	額定功率	功率因數(shù)	額定轉(zhuǎn)數(shù)
一次風(fēng)機	YFKK5004-4	6000V	131A	1120kW	0.85	1490r/min
二次風(fēng)機	YFKK5001-4	6000V	94A	800kW	0.85	1490r/min
1#引風(fēng)機	YFKK4505-6W	6000V	61A	500kW	0.85	990r/min

3.實施的改造方案

　　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,所以我公司首先進行了變頻器的選型考察，經(jīng)過仔細認真地比較和公開招標，最后國產(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。

　　3.2 主回路方案

　　根據(jù)我公司風(fēng)機負荷的重要性，我們決定采用的變頻控制為一拖一方案，就是一臺變頻器帶一臺風(fēng)機電機。為了增加運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)計方案如圖1所示：

　　QF為用戶的真空斷路器，QS1、QS2、QS3為3臺高壓隔離刀閘。在QS1和QS2之間是高壓變頻器，QS3為旁路刀閘。當電機需變頻運行時，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變頻器以驅(qū)動電機。當電機需工頻運行時，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)動電機工頻運行。此運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)備運行的備用工作方式。

　　上述方案為手動旁路的典型方案，要求QS2和QS3不能同時閉合，并在機械上實現(xiàn)安全互鎖。

　　為了實現(xiàn)對故障變頻器的保護，變頻器故障狀態(tài)下發(fā)出跳閘指令，對現(xiàn)場的高壓真空斷路器QF進行連鎖跳閘，以使變頻器斷開電源。同時三把刀閘都與斷路器QF電氣互鎖，只有在斷路器分離時才能操作刀閘，保證了安全操作。

　　3.3 控制方案

　　根據(jù)我公司的實際情況，我們對變頻器采用三種控制方案，分別是遠程DCS閉環(huán)自動控制、遠程DCS開環(huán)手動控制和就地手動控制。

　　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)出的熱量及時排散掉。因此變頻器冷卻問題對變頻器運行的穩(wěn)定十分重要。經(jīng)過認真的研究，我們采用了最簡單、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總風(fēng)道，用這個風(fēng)道將變頻器自身頂部的冷卻風(fēng)機從室內(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。這種方案只做一個風(fēng)道，不增加任何轉(zhuǎn)動設(shè)備，因此簡單可靠，故障因素少。經(jīng)過在40℃室溫條件下做滿載散熱能力試驗，結(jié)果變頻器的溫度最高到68℃，與設(shè)計的最高溫升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。每臺變頻器有21個功率單元，每7個功率單元串聯(lián)構(gòu)成一相。

　　4.2 功率單元結(jié)構(gòu)

　　每個功率單元結(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IGBT逆變橋進行正弦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立性，使每個功率單元的主回路相對獨立，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)由每個單元的U、V輸出端子相互串接而成星型接法給電機供電，通過對每個單元的PWM波形進行重組，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，可減少對電纜和電機的絕緣損壞，無須輸出濾波器就可以使輸出電纜長度很長，電機不需要降額使用，可直接用于舊設(shè)備的改造。同時，電機的諧波損耗大大減少，消除了由此引起的機械振動，減小了軸承和葉片的機械應(yīng)力。

　　當某一個單元出現(xiàn)故障時，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行，變頻器可持續(xù)降額運行，如此可減少很多場合下停機造成的損失。

4.5 控制器

　　控制器核心由高速單片機來實現(xiàn)，精心設(shè)計的算法可以保證電機達到最優(yōu)的運行性能。控制器還包括一臺內(nèi)置的PLC，用于柜體內(nèi)開關(guān)信號的邏輯處理，以及與現(xiàn)場各種操作信號和狀態(tài)信號的協(xié)調(diào)。增強了系統(tǒng)的靈活性。

　　控制器結(jié)構(gòu)上采用VME標準箱體結(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)在管道中的振動頻率，由于風(fēng)機的驅(qū)動電機在變頻狀態(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)下振動大的問題。這樣風(fēng)道時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 改造后對電網(wǎng)的沖擊效果

　　當電機通過工頻直接啟動時，它將會產(chǎn)生7-8倍的電機額定電流。這個電流值將大大增加電機繞組的電應(yīng)力并產(chǎn)生熱量，從而降低電機的壽命。而采用變頻后，電機實現(xiàn)了軟啟動，可以在零速零電壓啟動（當然可以適當加轉(zhuǎn)矩提升），直到達到工作電流為止。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負載進行工作，對電網(wǎng)幾乎沒有沖擊。

　　5.3 改造后的維護強度效果

　　采用變頻調(diào)速后，驅(qū)動電動機基本工作在30Hz到40Hz的頻率范圍內(nèi)，與工頻50Hz相比，降低了風(fēng)機的轉(zhuǎn)速。另外啟動時的緩慢升速過程也使整套風(fēng)機機械設(shè)備的零部件、密封和軸承等的使用壽命大大延長。不用檔板調(diào)風(fēng)，調(diào)風(fēng)檔板的使用壽命大大延長，使檢修維護工作量減少，更降低了檢修工作強度和費用。

　　5.4 改造后的節(jié)能效果

　　我公司4#爐3臺風(fēng)機進行變頻調(diào)速改造后，在收到上述諸多改造工藝效果的同時，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)對照表，此表數(shù)據(jù)來源于改造前后的生產(chǎn)報表：

主汽流量T/H	一次風(fēng)機電流			二次風(fēng)機電流			引風(fēng)機電流			差值電流總和 　　（A）	差值功率總和 　　（kW）
	改造前 　　（A）	改造后 　　（A）	有功差值 　　（kW）	改造前 　　（A）	改造后 　　（A）	有功差值 　　（kW）	改造前 　　（A）	改造后 　　（A）	有功差值 　　（kW）
140	123	50.1	610.5	77	30.3	393.5	50	18.4	269.0	151.2	1273.0
145	123	50.6	605.2	77	30.8	388.2	50	19.1	261.6	149.5	1255.0
150	124	53.7	581.7	78	31.4	391.1	51	20.1	260.3	146.8	1233.1
155	124	55.1	566.9	79	32.8	385.6	52	21.6	253.7	145.5	1206.1
160	125	60.2	522.2	80	35.1	370.5	52	27.4	192.3	133.3	1085.0
165	125	60.9	514.8	82	36	379.5	52	28.9	176.4	133.2	1070.7
170	126	61.1	521.9	82	37.5	363.6	52	34.1	121.4	127.3	1006.9
180	126	61.1	521.9	82	38.3	355.2	52	38.2	78.0	122.4	955.1
190	129	62	540.2	82	39	347.8	52	43	27.2	119	915.2
200	131	62	558.8	82	39.7	340.3	52	45	6.0	118.3	905.1

　　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噸運行過程中，三臺風(fēng)機的節(jié)電效果隨鍋爐負荷的增加而下降，隨鍋爐負荷的減小而上升。而我公司鍋爐每年中運行在140噸到150噸大約有8個月，運行在200噸大約有2個月，運行在180噸大約有1個月，檢修時間大約有1個月。改造前4#爐每年三臺風(fēng)機用總電量約為1863.13387萬度（kW?h），改造后每年三臺風(fēng)機總用電量約為941.15169萬度（kW?h），故4#爐變頻改造后比改造前每年可節(jié)約電能約921.98219萬度（kW?h），節(jié)電率約為49.5%。也就是說，我們只用改造前50.5%的用電量就能完成改造前的生產(chǎn)任務(wù)。如果每度電銷售價格以0.45元計，那么我公司4#爐三臺風(fēng)機變頻改造后每年可節(jié)約的9219821.9度(kW?h)廠用電，相當于節(jié)支414.89198萬元。在當年超額收回了投資成本，之后可每年為我廠節(jié)支414.9萬元。

　　6.結(jié)束語

　　4#爐三臺風(fēng)機的高壓變頻節(jié)能改造，是我們總廠2006年的一項重要改造項目。是我們企業(yè)領(lǐng)導(dǎo)經(jīng)濟管理意識的前瞻性體現(xiàn)，是企業(yè)由粗放型管理向資源節(jié)約型管理過渡的具體舉措，是我廠在高壓變頻節(jié)能改造方面邁出的又一具有實質(zhì)性意義的一步。其改造后的工藝效果和節(jié)能效果極大地鼓舞了公司全體職工的工作積極性，有效激發(fā)了職工對節(jié)能工作重要性的認識。其經(jīng)濟效果之顯著，已經(jīng)成為我們企業(yè)增效的新亮點。同時說明我們企業(yè)生產(chǎn)節(jié)能的潛力是巨大的，我們在變頻節(jié)能改造的道路上還有很長的路要走，還有很多的工作要做。

　　參考文獻：

　　北京利德華福電氣技術(shù)有限公司 高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)HARSVERT-A系列技術(shù)手冊

　　作者簡介：

　　張文鴻，男，1966年10月出生，1990年畢業(yè)于沈陽高等電力專科學(xué)校。在中國石油錦西煉油化工總廠熱電公司電氣車間工作，電氣工程師。技術(shù)成果有高壓靜電除塵器頂部振打監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用等。負責4#爐高壓變頻器的整套控制和現(xiàn)場安裝設(shè)計，施工安裝及調(diào)試的全部工作。

　　中國石油錦西煉油化工總廠熱電公司　　張文鴻