1、引言

我國的電動機(jī)用電量約占全國發(fā)電量的60％～70％，風(fēng)機(jī)、水泵設(shè)備年耗電量約占全國電力消耗的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，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)計中，用戶水泵電機(jī)設(shè)計的容量比實(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cfb鍋爐各掛有2臺高壓引風(fēng)機(jī)，型號為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)和電動機(jī)之間總會有無功功率的變換，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、檢測電路、控制信號的輸入、輸出電路和驅(qū)動電路等構(gòu)成，主要任務(wù)是完成對逆變器的開關(guān)控制、對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的每一個次級僅供給一個功率單元，每個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，每個功率單元可分為整流部分、直流環(huán)節(jié)和逆變部分。

單個功率單元原理圖如圖3所示，igbt工作原理如圖4。當(dāng)igbtq1、q4同時閉合時，電機(jī)上的電壓為a點(diǎn)高，b點(diǎn)低；igbt其重要q2、q3同時閉合時，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)電原理的計算

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

（1）2a引風(fēng)機(jī)改造前工頻運(yùn)行功率

p1=u×i×1.732×cosφ

＝6.3×90×1.732×0.85

＝835kw

其中運(yùn)行功率因數(shù)cosφ取0.85。

（2）2a引風(fēng)機(jī)改造后變頻運(yùn)行預(yù)計功率

按當(dāng)?shù)?.72元/kw·h平均外購電價（含稅）和全年330天運(yùn)行時間計算：

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2臺爐的各一臺引風(fēng)機(jī)進(jìn)行變頻改造。同時，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)。

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

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

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

（5）工頻轉(zhuǎn)變頻：由dcs發(fā)信號使j3分閘，j1合閘。延時2s后，j2合閘（躲開電機(jī)反電動勢的影響），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）

（1）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。

（2）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）報警動作，再次跳開j1、j2后合j3切回工頻運(yùn)行。工頻切變頻不成功。

（3）我們考慮可能是電動機(jī)的反電勢與j1上側(cè)電源不同期，造成變頻器ioc動作，于是將j2合閘輔助觸點(diǎn)串入j1，使j2合閘后j1才能合閘。

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

（5）經(jīng)過上一步可以確認(rèn)，ioc報警是由于電動機(jī)的反向電動勢造成的，為躲開電機(jī)反電勢的影響，我們對控制回路進(jìn)行改造，串入時間繼電器sj，即j3跳閘后，延時合j1、j2，初步整定延時時間為4s。

（6）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，由于是此時電機(jī)為旋轉(zhuǎn)負(fù)載，變頻器對運(yùn)轉(zhuǎn)的電機(jī)進(jìn)行捕捉再起動，時間較長，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延時時間調(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時間更長，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)對旋轉(zhuǎn)負(fù)載的特性，允許變頻器測定已經(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，使得變頻器供電時對電機(jī)的沖擊最小。旋轉(zhuǎn)負(fù)載特性分為2個階段。在第一階段，旋轉(zhuǎn)負(fù)載操作自動進(jìn)行，用戶無須作任何調(diào)整。變頻器監(jiān)測電機(jī)磁通并能立即啟動電機(jī)。這一階段在電機(jī)磁通能在檢測到時前一直持續(xù)。其典型情況，如果變頻器禁止和重啟動的時間間隔為3

到4個電機(jī)時間常數(shù)，則變頻器能瞬間重啟動。第二階段包含一個掃描特性，在此期間，頻率不同的固定電流加到電機(jī)上。變頻器監(jiān)測電機(jī)磁通，當(dāng)電機(jī)磁通達(dá)到磁通閾值時，假定變頻器所加頻率等于電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度，這個階段需要對參數(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個電機(jī)時間常數(shù)內(nèi)再起動，能夠立即起動，于是，我們認(rèn)為是sj延時過長引起變頻器捕捉再起動時間慢。

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

工頻切變頻試驗(yàn)（第五次）：工頻切變頻啟動成功，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2s合j2，縮短變頻器起動的時間，已接近鍋爐的實(shí)際工況試驗(yàn)。調(diào)試情況如下：

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

（2）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，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，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。

（3）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，人為按下變頻器急停按鈕，j1、j2跳閘，j3延時12s合閘，爐膛壓力在0.4kpa～0.88kpa之間波動，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。

（4）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34s，爐膛壓力在0～1.3kpa之間波動，切換成功。

（5）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13.8s合閘，爐膛壓力在0～1.06kpa之間波動，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，爐膛壓力0kpa，切換命令發(fā)出后，j3跳閘，j1合閘，延時2s后j2合閘經(jīng)32s變頻器完成啟動到電機(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。

（7）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)性評價

2009年2月，2a引風(fēng)機(jī)變頻器投用后，經(jīng)過三個月的連續(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=3247200kw·h，按平均外購電價約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。

（2）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。

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

6、結(jié)束語

通過以上分析，可以得出以下結(jié)論：

（1）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臺引風(fēng)機(jī)改造后，cfb鍋爐另1臺引風(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，特別適用于長周期連續(xù)運(yùn)行的熱電廠。