1、概述

某公司#2鍋爐燃燒需要的氧量是通過兩臺送風機、兩臺引風機的風量調節(jié)配合來實現的。在高壓變頻器改造前，送風機運行在工頻下，通過擋板控制送風量。引風機通過調整電機極數和液力耦合器開度方式調整引風量，平時隨季度負荷的變化需多次停引風機進行電機變級操作。

1.1 送風機簡介

1.1.1 送風機主要參數：

1.1.2 送風機電機主要技術參數

1.1.3  送風機全年運行工況

1.2 引風機簡介

1.2.1 引風機主要技術參數

1.2.2  引風機電機采用雙速控制，主要技術參數

1.2.3  引風機全年運行工況

2. 高壓變頻器在送、引風機上應用的理論分析

2.1節(jié)能測算

2.1.1根據流體力學的原理：流量與轉速成正比、壓力與轉速的平方成正比、軸功率與轉速的立方成正比,用公式表示如下:

Q1/Q2 = n1/n2

H1/H2 = (n1/n2)2

P1/P2 = (n1/n2)3

  (其中,Q為流量,n為轉速,H為壓力,P為軸功率)

上述公式可以推算出,如果在采用了高壓變頻器對電機進行調速后。在滿足現有的壓力情況下電機的降速空間越大那么降低的功率消耗就越大。

2.1.2  送風機變頻改造后節(jié)能預測

僅以#2爐A送風機為例進行測算:

擋板開度為50%時，出口風壓2.6kPa，電機實際電流I:28.5A，電壓U:6kV，功率因數取COSΦ:0.84

P實際 =1.732×U×I×COSΦ

    =1.732×6×28.5×0.84

    =249kW

P變頻后= P軸×（實際壓力/額定壓力）1.5/η高壓變頻器/η電機

 =313kW×（2.6KPa/6.345KPa）1.5/0.96/0.928

=313kW×0.263/0.96/0.928

=92kW

其中, P軸=313, η高壓變頻器=0.96(根據高壓變頻器參數), η電機=額定功率/1.732/額定電壓/功率因數/額定電流=0.928

通過上述運算可得:

P節(jié)約= P實際- P變頻后

P節(jié)約= P實際- P變頻后=249-92=157kW

改用變頻后預計送風機單臺風機每小時節(jié)約用電157kWh。

引風機變頻改造后節(jié)能預測

因為引風機采用了雙速電機，當電機運行轉速為750r/min,液偶實際輸出轉速約657 r/min，根據風機的特性，輸入的額定轉速降低，風機的特性曲線大幅度改變，額定的風壓和風量應該按流體力學的比例關系降低，即額定風量由252922m3/h約降為188797m3/h，額定壓力由5.992kPa降為3.338kPa，風機的軸功率應由521kW約降為396kW，計算如下：

P變頻后= P軸×（實際轉速/額定轉速）3/η高壓變頻器/η電機

 =396kW×（657/739）3/0.96/0.937

=396kW×0.7/0.96/0.937

=308kW

其中, P軸=396, η高壓變頻器=0.96(根據高壓變頻器參數), η電機=額定功率/1.732/額定電壓/功率因數/額定電流=0.937

在該工況下，引風機實際功率P實際約365kW，通過上述運算可得:

P節(jié)約= P實際- P變頻后

P節(jié)約= P實際- P變頻后=365-308=57kW。

改用變頻后單臺引風機預計每小時節(jié)約用電57kWh。

2.2  系統(tǒng)優(yōu)化空間分析

2.2.1  #2爐A、B引風機是通過電機變級和調整液力耦合器開度的方式調整引風機轉速，通過高壓變頻改造后可以更進一步節(jié)能，通過變頻改造避免在異常方式下對引風機電機進行變級操作。

2.2.2  采用擋板調節(jié)不僅增大了系統(tǒng)的節(jié)流損失，而且由于調節(jié)不連續(xù)，系統(tǒng)風壓很容易出現波動。對風機進行變頻改造，可一勞永逸解決解決以上問題，還可提高自動控制水平，通過節(jié)能收回投資。同時利用高壓變頻器的軟啟動功能及平滑調速的特點，可實現系統(tǒng)的平穩(wěn)調節(jié)，穩(wěn)定系統(tǒng)的工作狀態(tài)，延長鍋爐各部件的使用壽命。

2.2.3 送、引風機都改變頻控制后可實現#2鍋爐爐膛負壓的自動調節(jié)，滿足華潤控股安評整改對自動投入的要求。

2.2.4  降低電機啟動電流：變頻改造前電機啟動電流一般為額定電流的6～8倍，而通過高壓變頻器可實現高壓電機的軟啟動，降低電機啟動電流，延長電機使用壽命，降低電機啟動對電網的沖擊。

2.2.5 提高電機運行功率因數：變頻改造前，風機電動機運行的功率因數在0.85左右，變頻改造后風機電動機運行功率因數均在0.96以上，無需增加無功補償裝置即可降低供電容量，具備良好的潛在效益。

2.2.6 降低噪音：由于擋板調節(jié)運行時，風對擋板造成巨大沖擊，不僅對設備損壞嚴重，而且噪音大，對運行人員健康造成影響，而采用變頻調節(jié)后，電機在低速運行時噪音降低，去除了由于風對擋板沖擊而造成的噪音，改善了運行人員的工作環(huán)境。

3.  高壓變頻器在鍋爐送、引風機上實際應用

2014年08月#2爐A、B送風機高壓變頻器正式投入運行，2015年04月#2爐A、B引風機高壓變頻器正式投入運行。

3.1 高壓變頻器應用簡介

3.1.1 送風機高壓變頻器安裝

3.1.1.1 在檢修大廳東側4米層位置用鋼架結構支起7m×7m樓板，樓板承重大于8噸。樓板預制#10槽鋼用于固定高壓變頻器柜和旁路柜、輔助電源柜，空調底座。槽鋼頂部平面露出樓面1cm，槽鋼和主廠房主接地網2點以上可靠接地，接地電阻不大于4歐姆。

3.1.1.2 在高壓變頻器小室的南側水泥墻預留面積3m2入風口，入風口墻外采用百葉窗防雨，內部采用雙層隔灰濾網隔方便更換過濾棉。預留2個0.8m2出風口用做#2B送風機高壓變頻器排風，南墻底部預留3個空調冷卻介質銅管和出水口的孔洞。

3.1.1.3  高壓變頻器小室東側和北側采用防火活動板作為墻面，北側活動板預留2個0.8m2出風口用做#2A送風機高壓變頻器排風。

3.1.1.4 高壓變頻器小室加裝三臺5P制冷空調，空調和高壓變頻器輔助電源采用雙電源手動切換方式。

3.1.1.5 利用原有#2爐A、B送風機在6KVⅡ段配電間電源開關，在電機與開關之間增設一套變頻裝置。高壓變頻器柜、旁路柜、輔助電源柜與底部槽鋼通過多點焊接，可靠連接。高壓斷路器與高壓變頻器之間、高壓變頻器與電機之間均為高壓動力電纜連接，電纜充分利舊。

3.1.1.6 高壓變頻器、控制電源柜、旁路柜的電纜全部采用柜頂進線柜頂出線方式，地面鋪設高壓絕緣墊。

3.1.1.7 高壓電纜交接和預防性試驗合格。

3.1.1.8 高壓變頻器調節(jié)與監(jiān)控全部由DCS實現，高壓變頻器小室裝遠程溫度測點，裝溫濕度計。

3.1.1.9 原有擋板及控制回路保留。

3.1.2 引風機高壓變頻器安裝

3.1.2.1 #2爐A、B引風機高壓變頻器安裝于灰控樓0米層房內，房間尺寸寬6.1m，長6.7m，高4m。冷卻方式采用通過風道排出室外，并加裝三臺5P制冷空調強制冷卻。空調和高壓變頻器輔助電源、小室照明、插座電源集中安裝在同一輔助控制柜內，該電源柜的電源采用雙電源手動切換方式.

3.1.2.2 利用原有#2爐引風機在6KVⅡ段配電間電源開關，在電機與開關之間增設一套變頻裝置。高壓斷路器與高壓變頻器之間的高壓電纜利舊，高壓變頻器與電機之間電纜重新敷設。

3.1.2.3 高壓變頻器柜體接地部分與主廠房接地系統(tǒng)相連。采用40*5mm接地鍍鋅扁鋼，接地線為50mm²，接地電阻小于4歐姆。輸入輸出電纜的屏蔽層接高壓變頻器的總接地點。

3.1.2.4 高壓變頻器柜體基礎應平整，基礎結構采用＃10槽鋼，基礎型鋼埋在基礎里，其頂部平面比地平面高1cm，基礎型鋼可靠接地，柜體安裝并焊接在基礎型鋼上，保證基礎鋼和高壓變頻器柜體可靠連接。

3.1.2.5 高壓變頻器小室開挖深800mm，寬600mm的電纜溝將高壓變頻器柜和小室南墻處的電纜溝相連，電纜溝內水平每1500mm預制一副雙層電纜支架，上層支架用于敷設動力電纜，下層支架用于敷設控制電纜，支架頂層距離地面不小于300mm，層間距不小于300mm，電纜溝支架導體部分需用40*5mm的扁鋼連接，和我司主接地網相連，接地電阻小于4歐姆。

3.1.2.6  電纜溝用于放置電纜溝蓋板的折口需用角鋼包邊，電纜溝蓋板的包邊需用角鋼包邊，工藝美觀。

3.1.2.7 高壓變頻器小室原有的大窗戶需拆除改造成進風濾網，將高壓變頻器小室和電機庫相連的北門封堵，預留空間用于嵌入一臺5P空調室內機。高壓變頻器小室西墻開孔，預留空間嵌入一臺5P空調室內機。

3.1.2.8 高壓變頻器小室墻面底部打3個孔，用于敷設空調室內機和室外機的連接部分。

3.1.2.9 電纜溝需做好防雨水倒灌措施，高壓變頻器小室地面敷設整塊高壓絕緣墊，應有效防止高壓變頻器小室的負壓將電纜溝內潮氣吸入。

3.1.2.10  引風機原使用的液力耦合器拆除，電機基礎前移，使電機和引風機風葉連接，電機原用于穿設電纜的套管應同步前移。

3.1.2.11 高壓電纜交接和預防性試驗合格。

3.1.2.12 引風機高壓電機全部改成高速接線方式。

3.1.2.13高壓變頻器調節(jié)與監(jiān)控全部由DCS實現。

3.1.2.14高壓變頻器室需增加環(huán)境溫度測量，采用PT100測量元件，裝溫濕度計。

3.1.2.15 原有擋板及控制回路保留。

3.1.2.16 送、引風機電機進行變頻改造后，原先DCS系統(tǒng)對送、引風系統(tǒng)的控制方式發(fā)生了根本改變，對所有設計系統(tǒng)的順控、自動邏輯和畫面進行全面修改，增加變頻模式下操作、順控啟停、事故聯鎖、協(xié)調控制等功能。

3.2 送、引風機高壓變頻器系統(tǒng)簡介[2]

3.2.1送、引風機高壓變頻器均使用北京合康的HIVERT系列產品，采用手動旁路方式，如下圖1所示：

圖1 高壓變頻器主回路圖

3.2.1.1 手動旁路系統(tǒng)中有三個隔離開關QS1、QS21和QS22，其中QS21和QS22為一個雙刀雙投的隔離開關。雙刀雙投隔離開關的特點是兩個方向只能合其一，實現自然的機械互鎖，防止誤操作將工頻電源反送到高壓變頻器輸出側而導致高壓變頻器損壞。

3.2.1.2 變頻運行：QS1、QS22閉合，QS21斷開，由合閘斷路器QF為高壓變頻器供電，再通過高壓變頻器本地或遠程啟動電機變頻運行。

3.2.1.3 工頻定速運行：QS1、QS22斷開，QS21閉合，由合閘斷路器QF直接啟動電機定速運行。

3.2.1.4 高壓變頻器維護、修理：QS1、QS22斷開，高壓變頻器與高壓電源完全隔離。

3.2.1.5 旁路系統(tǒng)與上級高壓斷路器QF有聯鎖關系，旁路系統(tǒng)隔離開關未合到位時，不允許QF合閘；QF合閘時，絕對不允許操作隔離開關，以防止出現拉弧現象，確保操作人員和設備的安全。隔離開關與QF的聯鎖通過操作手柄上的電磁鎖實現，在QF合閘狀態(tài)下，操作手柄被鎖死。

3.2.1.6 為了保護高壓變頻器，在高壓變頻器與斷路器QF之間還有電氣聯鎖，聯鎖信號有：

3.2.1.6.1 合閘閉鎖：將高壓變頻器“合閘允許”信號與旁路系統(tǒng)“工頻投入”信號并聯后，串聯于高壓開關合閘回路。在變頻投入狀態(tài)下，高壓變頻器故障或不就緒時，斷路器QF合閘不允許；旁路投入狀態(tài)時，合閘閉鎖無效。

3.2.1.6.2 故障分閘：將高壓變頻器“分閘信號”與旁路系統(tǒng)“變頻投入”信號串聯后，并聯于高壓開關分閘回路。在變頻投入狀態(tài)下，當高壓變頻器出現故障時，分斷高壓變頻器高壓輸入；旁路投入狀態(tài)下，高壓變頻器故障分閘無效。

3.2.1.7 高壓開關保護整定：按避開高壓變頻器移相變壓器的速斷電流整定。

3.2.2 該高壓變頻器采用功率單元串聯疊波技術，空間矢量控制的正弦波PWM調制方法，全中文操作界面和IGBT功率器件，如下圖2所示：

圖2 HIVERT高壓變頻器控制系統(tǒng)圖

3.3  主要保護功能

3.3.1 輕故障分類與報警

輕故障時，系統(tǒng)發(fā)出報警信號，故障指示燈閃爍。輕故障包括：

3.3.1.1 變壓器超溫報警

3.3.1.2 單元柜超溫報警

3.3.1.3 柜門打開

系統(tǒng)對輕故障不作記憶處理，僅做故障指示，故障消失后報警自動取消。高壓變頻器運行中出現輕故障報警，系統(tǒng)不停機。停機時出現輕故障報警，高壓變頻器可以繼續(xù)啟動操作。

3.3.2重故障分類與報警

系統(tǒng)發(fā)生下列故障時,按照重故障處理：

3.3.2.1 外部故障

3.3.2.2 變壓器過熱

3.3.2.3 電機過流

3.3.2.4 柜溫過熱

3.3.2.5 單元故障

3.3.2.6 高壓變頻器過流

3.3.2.7 高壓失電

3.3.2.8 接口板故障

3.3.2.9 控制器不通訊

3.3.2.10 接口板不通訊

3.3.2.11 系統(tǒng)超速

3.3.2.12 主控板故障

其中單元故障包括：缺相故障、過熱、驅動故障、光纖故障。

重故障報警時，系統(tǒng)發(fā)出報警信號和故障指示，同時給出高壓分斷指令，并對故障指示、高壓分斷指令作記憶處理。即便故障消失，故障指示、高壓分斷指令依然保持。待故障排除并對系統(tǒng)復位后，高壓變頻器恢復到系統(tǒng)待機狀態(tài)。系統(tǒng)發(fā)生重故障報警，高壓變頻器進線高壓電源將自動分斷。

3.4 節(jié)能效果分析

為對#2爐送、引風機用電數據進行了一個月的采樣，數據如表1所示。

表1 #2爐送、引風機對比數據

送、引風機高壓變頻器改造后較同期每月節(jié)約用電23.3萬kWh（節(jié)電量按單耗下降值與蒸發(fā)量乘積來計算，蒸發(fā)量取小值），#2爐引風機單耗下降0.86kWh/t，#2爐送風機單耗下降0.71kWh/t，廠用電率約下降0.31%，全年折算節(jié)電約280萬kWh。

4. 高壓變頻器在送、引風機上應用后總結

4.1 #2爐送、引風機高壓變頻器總投資約135萬元，每月為公司節(jié)約11.65萬元，上網電價按0.5元/kWh計算，預計12個月左右收回成本，節(jié)能效果非常明顯。

4.2 把握高壓變頻器抵抗電網干擾能力

當雷雨天時最可能發(fā)生電網電壓波動，對高壓變頻器來說就存在一個“低電壓穿越”難題。對此我司送、引風機使用的高壓變頻器有如下功能：

4.2.1 當系統(tǒng)電壓在額定電壓的115%至80%（含）時，高壓變頻器可正常輸出，不受影響。

4.2.2 當系統(tǒng)電壓在額定電壓的80%至60%（含）時，高壓變頻器電流輸出會增加，此時高壓變頻器可配合“限流功能”（限流系數可參數調整），自動降低轉速，降低輸出功率，當負載為風機類負載時，此功能能發(fā)揮更好的效果，高壓變頻器可以借助負載側的能量回灌的功能，使高壓變頻器在短時間內維持運行而不跳閘。

4.2.3 當系統(tǒng)電壓在額定電壓的60%以下時，如果持續(xù)時間不超過1S，高壓變頻器的 “瞬時停電功能”啟動，在極短時間內調整IGBT觸發(fā)角度，瞬時將電機由原來的拖動狀態(tài)變化到再生狀態(tài)，使負載的能力回灌到高壓變頻器中，高壓變頻器可借此能量在0-1000ms內正常運行而不會跳閘保護。

4.2.4 當系統(tǒng)電壓在額定電壓的60%以下時，如果持續(xù)時間超過1s至99s內，高壓變頻器可配合 “高壓失電自啟動”功能，使高壓變頻器處于靜默狀態(tài)，不發(fā)任何故障信號，如果高壓在1s至99s送電正常，高壓變頻器仍然按照原有的控制方式運行，并且高壓變頻器自動檢測電機的轉速，并按照電機的轉速自動運行到相應的運行頻率上。

4.2.5 在經歷多次外網電壓波動情況，我廠送、引風機高壓變頻器均通過了考驗。

4.3 嚴格控制高壓變頻器的運行環(huán)境

4.3.1 我司送、引風機高壓變頻器均采用外循環(huán)方式。高壓變頻器“三分靠修理，七分靠保養(yǎng)”，對環(huán)境的要求比較嚴格。

4.3.2 在高壓變頻器小室設計的時候就將高壓變頻器入口盡量擴大，裝設空氣初效過濾棉，并執(zhí)行高壓變頻器小室濾網15天更換一次，高壓變頻器本體濾網30天更換一次。

4.3.3 高壓變頻器小室出風風道略微朝下安裝，防止雨水倒灌，同時避開進風口，防止熱空氣短路。

4.3.4 高壓變頻器小室定期清掃，小室內部裝設空調，當環(huán)境溫度高時，啟動空調強制除濕冷卻。

4.3.5 高壓變頻器長時間停用后再啟動，要求通風機運行15分鐘以后才能啟動高壓變頻器，這樣做可以提前發(fā)現冷卻系統(tǒng)缺陷，讓高壓變頻器內部儲能元件得到緩沖，還可以吸出高壓變頻器內部的潮氣，提高變頻器的使用壽命。

4.3.6 平時巡檢用A4紙檢查高壓變頻器本體濾網吸風能力，及時發(fā)現通風系統(tǒng)缺陷。

4.4 #2爐引風機成功實現自動控制

4.4.1 #2爐引風機將爐膛壓力的平均值作為跟蹤量，通過PID調節(jié)自動調節(jié)引風機的轉速。

4.4.2 對爐膛壓力信號加阻尼，優(yōu)化PID調節(jié)模型中的微積分系數，成功解決了爐膛壓力控制不穩(wěn)定的難題。

4.5 通過高壓變頻器改造后，電氣專業(yè)再也不需要在異常工況下對引風機電機進行變級作業(yè)，提高了系統(tǒng)和人員的安全可靠系數。

4.6 在對#2爐引風機進行高壓變頻器改造的同時，機務對#2鍋爐空預器進行了清洗，#2爐風煙系統(tǒng)阻力減輕后對引風機單耗下降也有較大的幫助。

4.7 在應用高壓變頻器之前，擋板控制可靠性高，設備故障率低，但是系統(tǒng)損耗很大。液力耦合器調速控制可以改變風機的轉速，有著較好的節(jié)能效果，但設備本身耗能較大，噪聲大，維修麻煩，不適宜應用在關鍵設備上。[1]

4.8  高壓變頻器是高新技術，控制靈活，應用方便，可遠程通信控制，DCS聯網控制，效率高，在維護得當的情況下壽命長，所以在風機水泵等二次方遞減轉矩負載中逐步取代傳統(tǒng)調速設備。高壓變頻器在風機水泵中應用時需考慮設備都有裕量，否則節(jié)能空間和生產工藝都要打折扣。

4.9 送、引風機均為離心風機，葉片直徑較大。停機時會產生很大的慣量，利用通用高壓變頻器減速停機，就必須要求高壓變頻器具有良好的制動能力和抑制直流母線電壓過高能力，在實際使用過程中要合理設置高壓變頻器的加減速時間，防止報故障。

4.10 在改造后的控制系統(tǒng)中，應保留原控制系統(tǒng)，并裝工頻和變頻切換裝置，防止當高壓變頻器發(fā)生故障或定期保養(yǎng)時影響系統(tǒng)的正常運行。

4.11 如原系統(tǒng)風阻大，風機裕度較小時，應加大高壓變頻器容量，使高壓變頻器可以在較高頻率下運行，保障系統(tǒng)有足夠的風量，否則高壓變頻器可能在額定頻率附近，系統(tǒng)效率反而降低，失去采用高壓變頻器的意義。但如果高壓變頻器長期在低速區(qū)，系統(tǒng)效率也不高，反而會引起其他問題

4.12  高壓變頻器啟動前要控制風機的倒轉速度不超過額定轉速的10%，否則容易導致高壓變頻器啟動困難，很可能報過流故障，影響高壓變頻器的使用壽命。

參考文獻：

[1] 高壓變頻器應用—專業(yè)技能入門與精通，機械工業(yè)出版社

[2] HIVERT通用高壓變頻器用戶手冊，北京合康億盛變頻科技股份有限公司