1 引言

　　我國(guó)的電動(dòng)機(jī)用電量約占全國(guó)發(fā)電量的60％～70％，風(fēng)機(jī)、水泵設(shè)備年耗電量約占全國(guó)電力消耗的1/3，造成這種狀況的主要原因是：風(fēng)機(jī)、水泵等設(shè)備傳統(tǒng)的調(diào)節(jié)方法是通過調(diào)節(jié)入口或出口的擋板、閥門開度來調(diào)節(jié)給風(fēng)量和給水量，其輸出功率大量地消耗在擋板、閥門的截流過程中。由于風(fēng)機(jī)、水泵類大多為平方轉(zhuǎn)矩負(fù)載，軸功率與轉(zhuǎn)速成立方關(guān)系，所以當(dāng)風(fēng)機(jī)、水泵轉(zhuǎn)速下降時(shí)，消耗的功率也大大下降，因此節(jié)能潛力非常大，最有效的節(jié)能措施就是采用變頻調(diào)速器來調(diào)節(jié)流量、風(fēng)量，應(yīng)用變頻器節(jié)電率一般為20％～50％，而且通常在設(shè)計(jì)中，用戶水泵電機(jī)設(shè)計(jì)的容量比實(shí)際需要高出很多，存在“大馬拉小車”的現(xiàn)象，效率低下，造成電能的大量浪費(fèi)。因此推廣交流變頻調(diào)速裝置效益顯著。

2 改造前引風(fēng)機(jī)運(yùn)行能耗分析

　　某熱電廠為2臺(tái)410t/h循環(huán)流化床（cfb）鍋爐，總裝機(jī)容量為100mw汽輪發(fā)電機(jī)組，主要向某大型化工廠提供熱電供應(yīng)，供電標(biāo)煤耗為360g/kw·h，高于行業(yè)平均水平。2臺(tái)cfb鍋爐各掛有2臺(tái)高壓引風(fēng)機(jī)，型號(hào)為ykk630-6w-1250kw，變頻改造前，額定1250kw的引風(fēng)機(jī)電機(jī)正常運(yùn)行負(fù)荷為830kw左右，其輸出功率通過風(fēng)門開度進(jìn)行調(diào)節(jié)，正常狀況下，風(fēng)門開度基本維持在40%左右，相當(dāng)大的一部分電能消耗在風(fēng)門擋板上，能源浪費(fèi)嚴(yán)重，節(jié)能潛力巨大。

3 節(jié)能改造原理分析

　　3.1 通用高壓變頻器簡(jiǎn)介

　　在交流異步電機(jī)的諸多調(diào)速方法中，變頻調(diào)速的性能最好，調(diào)速范圍大，靜態(tài)穩(wěn)定性好，運(yùn)行效率高。通用變頻器的工作原理如圖1所示。

　　圖1中，整流器的作用是把三相（或單相）的交流電整流成直流電。逆變器的作用是有規(guī)律地控制逆變器中主開關(guān)器件的通與斷，可以得到任意頻率的三相交流電輸出。中間直流環(huán)節(jié)和電動(dòng)機(jī)之間總會(huì)有無功功率的變換，這種無功能量要靠中間直流環(huán)節(jié)的儲(chǔ)能元件（電容器或電抗器）來緩沖?？刂齐娐罚撼Ｓ蛇\(yùn)算電路、檢測(cè)電路、控制信號(hào)的輸入、輸出電路和驅(qū)動(dòng)電路等構(gòu)成，主要任務(wù)是完成對(duì)逆變器的開關(guān)控制、對(duì)整流器的電壓控制以及完成各種保護(hù)功能等。

　　3.2 西門子羅賓康完美無諧波變頻器原理

　　本次設(shè)備改造選用了西門子羅賓康完美無諧波變頻器，型號(hào)為ph-6-6-1250，變頻器的電路圖如圖2所示。輸入隔離變壓器t1的每一個(gè)次級(jí)僅供給一個(gè)功率單元，每個(gè)功率單元通過光纖接收調(diào)制信息以產(chǎn)生負(fù)載所需要的輸出電源頻率，每個(gè)功率單元可分為整流部分、直流環(huán)節(jié)和逆變部分。

　　單個(gè)功率單元原理圖如圖3所示，igbt工作原理如圖4。當(dāng)igbt q1、q4同時(shí)閉合時(shí)，電機(jī)上的電壓為a點(diǎn)高，b點(diǎn)低；igbt其重要q2、q3同時(shí)閉合時(shí)，則電機(jī)上的電壓為a點(diǎn)低b點(diǎn)高。這樣和連續(xù)不斷地交替開合，在電機(jī)兩端就形成了一交變電壓，也就是交流電。西門子完美無諧波變頻器通過將多個(gè)低壓功率單元（690v）的輸出疊加起來得到近似于正弦波的中壓（6kv）波形。圖5為3個(gè)功率單元疊加后輸出的近似正弦波波形。

　　3.3 引風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速節(jié)電原理的計(jì)算

　　以2#爐引風(fēng)機(jī)作為例，先分析改造前2＃cfb爐2臺(tái)引風(fēng)機(jī)（2a、2b）的運(yùn)行工況和基本參數(shù)，如表1所示。

　?。?）2a引風(fēng)機(jī)改造前工頻運(yùn)行功率

　　p1 =u×i×1.732×cosφ

　?。?.3×90×1.732×0.85

　?。?35kw

　　其中運(yùn)行功率因數(shù)cosφ取0.85。

　?。?）2a引風(fēng)機(jī)改造后變頻運(yùn)行預(yù)計(jì)功率

　　按當(dāng)?shù)?.72元/kw·h平均外購(gòu)電價(jià)（含稅）和全年330天運(yùn)行時(shí)間計(jì)算：

　　2a引風(fēng)機(jī)每年節(jié)約電費(fèi)約（835-436）×24×330×0.72＝227.5萬元

　　將2a引風(fēng)機(jī)改造前后的用電消耗數(shù)據(jù)對(duì)比，列表如表2所示。

4 工程應(yīng)用

　　4.1 引風(fēng)機(jī)變頻控制方案的確定

　　基于上節(jié)分析，該熱電廠對(duì)2臺(tái)爐的各一臺(tái)引風(fēng)機(jī)進(jìn)行變頻改造。同時(shí)，為滿足化工廠連續(xù)供熱供電的要求，該引風(fēng)機(jī)高壓變頻器應(yīng)具備在線工、變頻互相切換功能，即變頻器故障可以自動(dòng)切到工頻運(yùn)行，變頻修復(fù)后，可以人工切回變頻運(yùn)行，而不影響鍋爐連續(xù)正常運(yùn)行。

　　引風(fēng)機(jī)變頻改造后的一次系統(tǒng)圖如圖6所示，dl是廠用變電所732#柜斷路器；j1、j2、j3是與變頻器配合使用實(shí)現(xiàn)工頻/變頻互相切換的斷路器，變頻控制方案如下：

　　（1）j1和j2閉合，j3斷開為變頻狀態(tài)；j1和j2斷開，j3閉合為工頻狀態(tài)。

　?。?）可通過dcs控制變頻器輸出頻率。當(dāng)選擇自動(dòng)時(shí)，按爐膛負(fù)壓設(shè)定值自動(dòng)調(diào)節(jié)輸出；選擇手動(dòng)時(shí)，輸出值由操作人員手動(dòng)輸入，輸入值為0～100％，對(duì)應(yīng)于變頻器輸出0～50hz。

　　（3）人工變頻轉(zhuǎn)工頻：由dcs發(fā)信號(hào)，使j1和j2跳閘后，再使j3合閘，完成后，需要人工在dcs畫面對(duì)變頻轉(zhuǎn)工頻復(fù)位，變頻轉(zhuǎn)工頻完成。

　?。?）變頻器故障時(shí)轉(zhuǎn)工頻：出現(xiàn)變頻器故障時(shí)dcs系統(tǒng)立即發(fā)出報(bào)警，把入口風(fēng)門回關(guān)到一定開度（40%），同時(shí)變頻器故障時(shí)發(fā)信號(hào)使j1和j2跳閘以及時(shí)間繼電器sj得電，延時(shí)使j3合閘，變頻轉(zhuǎn)工頻完成。此時(shí)爐膛負(fù)壓會(huì)有一定波動(dòng)，操作人員可以進(jìn)行人工干預(yù)，確保鍋爐壓力平穩(wěn)。

　?。?）工頻轉(zhuǎn)變頻：由dcs發(fā)信號(hào)使j3分閘，j1合閘。延時(shí)2s后，j2合閘（躲開電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)的影響），工頻轉(zhuǎn)變頻完成。

　　（6）引風(fēng)機(jī)變頻控制操作流程方案，如圖7所示。

　　4.2 調(diào)試情況

　　4.2.1 第一次調(diào)試（電機(jī)空載）

　?。?）變頻切工頻試驗(yàn)：人工從遠(yuǎn)方dcs發(fā)變頻切工頻命令，j1、j2斷路器跳閘，j3斷路器合閘，電機(jī)由變頻轉(zhuǎn)入工頻運(yùn)行，切換成功，電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)正常。

　?。?）工頻切變頻試驗(yàn)（第一次）：dcs發(fā)工頻切變頻命令，j3跳閘，j1、j2合閘，j1、j2合閘后，變頻器的過電流（ioc）報(bào)警動(dòng)作，再次跳開j1、j2后合j3切回工頻運(yùn)行。工頻切變頻不成功。

　?。?）我們考慮可能是電動(dòng)機(jī)的反電勢(shì)與j1上側(cè)電源不同期，造成變頻器ioc動(dòng)作，于是將j2合閘輔助觸點(diǎn)串入j1，使j2合閘后j1才能合閘。

　?。?）工頻切變頻試驗(yàn)（第二次）：電機(jī)啟動(dòng)后，人工跳j3，合j2，此時(shí)未合上j1，隨即變頻器輸出“ioc”報(bào)警，因變頻故障自動(dòng)回切工頻，因此可以證明，“ioc”來自j1合閘及變頻器啟動(dòng)之前。

　?。?）經(jīng)過上一步可以確認(rèn)，ioc報(bào)警是由于電動(dòng)機(jī)的反向電動(dòng)勢(shì)造成的，為躲開電機(jī)反電勢(shì)的影響，我們對(duì)控制回路進(jìn)行改造，串入時(shí)間繼電器sj，即j3跳閘后，延時(shí)合j1、j2，初步整定延時(shí)時(shí)間為4s。

　?。?）工頻切變頻試驗(yàn)（第三次）：由dcs發(fā)工頻切變頻命令，切換成功，由于是此時(shí)電機(jī)為旋轉(zhuǎn)負(fù)載，變頻器對(duì)運(yùn)轉(zhuǎn)的電機(jī)進(jìn)行捕捉再起動(dòng)，時(shí)間較長(zhǎng)，經(jīng)過約50s，電機(jī)才達(dá)到了正常額定轉(zhuǎn)速1000r/min，不能滿足爐膛壓力（±2.5kpa）的需要。

　　（7）工頻切變頻試驗(yàn)（第四次）：將sj延時(shí)時(shí)間調(diào)整為5s，第四次dcs發(fā)工頻切變頻命令，切換成功，但變頻器捕捉再起動(dòng)時(shí)間更長(zhǎng)，經(jīng)過約100s，電機(jī)才達(dá)到了正常額定轉(zhuǎn)速1000r/min，不能滿足爐膛壓力的需要。

　　4.2.2 第二次調(diào)試（電機(jī)空載）

　　經(jīng)過研究變頻器的說明書，變頻器具有應(yīng)對(duì)旋轉(zhuǎn)負(fù)載的特性，允許變頻器測(cè)定已經(jīng)處于運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)的電機(jī)的速度，變頻器可以向電機(jī)提供與旋轉(zhuǎn)電機(jī)頻率相同的輸出電壓，使得變頻器供電時(shí)對(duì)電機(jī)的沖擊最小。旋轉(zhuǎn)負(fù)載特性分為2個(gè)階段。在第一階段，旋轉(zhuǎn)負(fù)載操作自動(dòng)進(jìn)行，用戶無須作任何調(diào)整。變頻器監(jiān)測(cè)電機(jī)磁通并能立即啟動(dòng)電機(jī)。這一階段在電機(jī)磁通能在檢測(cè)到時(shí)前一直持續(xù)。其典型情況，如果變頻器禁止和重啟動(dòng)的時(shí)間間隔為3

　　到4個(gè)電機(jī)時(shí)間常數(shù)，則變頻器能瞬間重啟動(dòng)。第二階段包含一個(gè)掃描特性，在此期間，頻率不同的固定電流加到電機(jī)上。變頻器監(jiān)測(cè)電機(jī)磁通，當(dāng)電機(jī)磁通達(dá)到磁通閾值時(shí)，假定變頻器所加頻率等于電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度，這個(gè)階段需要對(duì)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，以使“掃描功能”能夠正常。也就是說，變頻器若在3～4個(gè)電機(jī)時(shí)間常數(shù)內(nèi)再起動(dòng)，能夠立即起動(dòng)，于是，我們認(rèn)為是sj延時(shí)過長(zhǎng)引起變頻器捕捉再起動(dòng)時(shí)間慢。

　　修改控制參數(shù)，跳開j3后延時(shí)2s再合j1、j2，變頻器自檢時(shí)間約3s。

　　工頻切變頻試驗(yàn)（第五次）：工頻切變頻啟動(dòng)成功，變頻器立即自起，迅速升速至600r/min，變頻輸出由0hz加速至45hz用時(shí)20.9s，基本可以滿足爐膛壓力的需要。

　　4.2.3 第三次調(diào)試（電機(jī)帶負(fù)載）

　　在2#爐一次、二次風(fēng)機(jī)、2臺(tái)引風(fēng)機(jī)、高壓返料風(fēng)機(jī)全部開啟、未投煤，鍋爐負(fù)荷100t/h的工況下，對(duì)工頻切變頻控制回路進(jìn)行改造調(diào)試：跳j3后立即合j1，延時(shí)2s合j2，縮短變頻器起動(dòng)的時(shí)間，已接近鍋爐的實(shí)際工況試驗(yàn)。調(diào)試情況如下：

　?。?）變頻切工頻試驗(yàn)：在dcs發(fā)命令進(jìn)行手動(dòng)切換，命令發(fā)出后j1、j2跳閘，j3合閘，變頻切工頻成功。

　?。?）工頻切變頻試驗(yàn)：試驗(yàn)前工藝風(fēng)門開度為40％，電機(jī)電流128a，變頻輸出給定為100％，由dcs發(fā)工頻切變頻命令，命令出口后，10s內(nèi)變頻器啟動(dòng)，升速到設(shè)定轉(zhuǎn)速，切換過程中，爐膛負(fù)壓在-0.6kpa～0.5kpa之間波動(dòng)，爐膛聯(lián)鎖停爐的壓力設(shè)定值為±2.5kpa以內(nèi)，鍋爐運(yùn)轉(zhuǎn)正常，切換成功。

　?。?）模擬變頻器故障切工頻：試驗(yàn)前工藝風(fēng)門開度100％，爐膛壓力-0.1kpa，2b＃引風(fēng)機(jī)風(fēng)門投自動(dòng)，人為按下變頻器急停按鈕，j1、j2跳閘，j3延時(shí)12s合閘，爐膛壓力在0.4kpa～0.88kpa之間波動(dòng)，2b＃引風(fēng)機(jī)擋板從0打開至12％，之后又回關(guān)至9％，切換成功。

　?。?）工頻切變頻：切換前參數(shù)為風(fēng)門開度40％，電機(jī)電流128a，頻率設(shè)定100％，dcs發(fā)出指令到切換完成恢復(fù)穩(wěn)定用時(shí)34s，爐膛壓力在0～1.3kpa之間波動(dòng)，切換成功。

　?。?）變頻切工頻：切換前參數(shù)為風(fēng)門開度100％，爐膛壓力0kpa，切換指令發(fā)出后，j1、j2跳閘，j3延時(shí)13.8s合閘，爐膛壓力在0～1.06kpa之間波動(dòng)，切換成功。

　　（6）工頻切變頻：切換前引風(fēng)機(jī)風(fēng)門開度40％，電機(jī)電流128a，變頻器給定100％，2b＃引風(fēng)機(jī)風(fēng)門投手動(dòng)，爐膛壓力0kpa，切換命令發(fā)出后，j3跳閘，j1合閘，延時(shí)2s后j2合閘經(jīng)32s變頻器完成啟動(dòng)到電機(jī)轉(zhuǎn)速完全恢復(fù)，切換過程中爐膛壓力最高為0.8kpa，切換成功。

　?。?）上述3次變頻切工頻，3次工頻切變頻，調(diào)試結(jié)果均取得成功，可以保證切換過程中引風(fēng)機(jī)連續(xù)運(yùn)行，鍋爐壓力波動(dòng)在允許范圍內(nèi)。但應(yīng)指出以上是在鍋爐未投煤，負(fù)荷100t/h的工況下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，若在鍋爐滿負(fù)荷410t/h運(yùn)行工況下，工/變頻的在線相互切換需經(jīng)實(shí)際驗(yàn)證。

5 改造后效能分析及經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)

　　2009年2月，2a引風(fēng)機(jī)變頻器投用后，經(jīng)過三個(gè)月的連續(xù)運(yùn)行，情況一直十分穩(wěn)定，節(jié)電效果十分明顯，分析如下：

　　（1）2a#引風(fēng)機(jī)電機(jī)功率由原來830kw下降至400kw左右，2b＃引風(fēng)機(jī)電機(jī)負(fù)荷保持不變，扣除變頻器室空調(diào)等耗電20kw，相對(duì)于變頻改造前，該電機(jī)運(yùn)行一天可節(jié)電：（830-400-20）×24=9840kw·h，每年（按運(yùn)行330天算）可節(jié)約電能：9840×330天= 3247200 kw·h，按平均外購(gòu)電價(jià)約0.72元/kw·h（含稅）算，每年可節(jié)約電費(fèi)233.8萬元，完全達(dá)到了預(yù)期的節(jié)電效果。

　?。?）變頻改造后，該廠供電標(biāo)煤耗由360g/kw.h，下降了0.8g/kw·h，一方面提高了技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)水平，另一方面按年發(fā)電5億kw·h算，煤價(jià)按600元/t算，全年可節(jié)約用煤400t，節(jié)約燃料成本約24萬元。

　?。?）按照單臺(tái)變頻器投資約250萬元，不到一年即可收回全部投資。另一臺(tái)cfb鍋爐的1a引風(fēng)機(jī)的變頻改造將在2009年下半年cfb鍋爐檢修時(shí)進(jìn)行。

6 結(jié)束語

　　通過以上分析，可以得出以下結(jié)論：

　?。?）風(fēng)機(jī)經(jīng)過變頻改造后，節(jié)電效果十分明顯，雖然一次投資大些，但一年的投資回收期足可以彌補(bǔ)一次投資大的不足。該熱電廠1臺(tái)引風(fēng)機(jī)改造后，cfb鍋爐另1臺(tái)引風(fēng)機(jī)的風(fēng)門開度只有40%左右，另外，一次風(fēng)機(jī)的風(fēng)門開度為58%，二次風(fēng)機(jī)的風(fēng)門開度為43%，能耗依然嚴(yán)重，節(jié)電潛力很大，建議盡早投資改造為變頻運(yùn)行。

　　（2）本次引風(fēng)機(jī)變頻改造，滿足了該熱電廠為化工廠連續(xù)供熱供電的要求，實(shí)現(xiàn)了在線工/變頻互相切換功能，完全可以保證電廠鍋爐連續(xù)正常運(yùn)行，解決了電廠變頻器無法在線從工頻切回變頻的難題，特別適用于長(zhǎng)周期連續(xù)運(yùn)行的熱電廠。