变频器节能技术在风机中的应用

丁大为

摘 要：伴随着我国电子技术和微电子技术的不断发展，结合现代信息技术和现代控制理论在变频调速装置中的应用越来越官方。从目前我国电力资源十分紧张的情况来看，变频调速技术俨然成为现代电力传动的发展趋势，优越的变频调速性能可保障变频器在工业生产中的节能作用越来越突出。鉴于此，文章将针對风机改造变频器控制，有机结合电机调速技术、现代电子技术、微电子技术和计算机操作技术，根据生产工艺即时调整风量变化，自动调整风速，保证电机转速的经济运行，以此实现节能的目的。

关键词：变频器；节能技术；风机；应用

中图分类号：TM921.51 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2015）30-0057-02

中石油锦西炼油总厂下属xx热电企业旗下坐拥三组70蒸吨级锅炉设备。其中，1#、2#和3#为75蒸吨级锅炉设备，4#、5#和6#为220蒸吨级锅炉设备。这六台锅炉设备均采用引风、送风和二次风机，其驱动电机则以最大的额定负荷完成设计。然后，在每个生产年度中，所有锅炉装置都存在最大额定负荷工作时间短的问题，且绝大部分化工任务的生产过程都以三分之二最大额定负荷进行运作。这样看来，锅炉设备在风量方面也并不要求一定达到风机的最大设计量。为实现锅炉设备的实际风量需求，该企业主要利用风道挡板的手段来适当调整风机风量，但无法解决的问题在于风机转速的合理控制，这样造成了工业生产动力方面的浪费，也是工业成本偏高的一个重要原因。

1 风机变频器改造的目的

为有效压缩工业生产的投入成本和降低能源浪费，按照我国“十五”规划的具体要求，多以“低耗、低排和高效”作为企业持续健康发展的经济管理理念，采取变频节能技术用于风机改造，从而弥补一定工艺缺陷。中石油锦西石化利用低压变频器改造风机在节能方面还是取得了一定效果，且伴随着我国高压变频技术水平的不断提高，变频器节能技术在风机中的应用将取得更大的突破。那么，下面本文将根据2006年中石油锦西炼油总厂下属xx热电企业4#锅炉设备的风机改造情况作详细分析与论述。

2 高压变频器在风机中实施改造的工作方案

2.1 变频器选型

因高压变频器在风机改造工作中所实施的方案和变频器选项具有直接联系，所以对于多种品牌的变频器锦西石化进行了相关的调研考察工作，经认真分析与招标，最终选用国产系列利德福HARSVERT-A高压变频器。

2.2 主回路改造方案

中石油锦西炼油总厂下属xx热电企业4#锅炉设备的风机工作方式为变频管控“一拖一”，即1台变频器带动1台风机。为保证系统运行的安全稳定性，可合理增设工频旁路回路。其中，真空断路器为QF，三组高压隔离刀闸分别为QS1、QS2和QS3。QS1与QS2之间设置高压变频器，而QS3作为旁路刀闸。倘若电机执行变频运行命令，开启QS3，关闭QS1、QS2（高压隔离刀闸），再关闭QF（真空断路装置），以变频器通电为前提开启变频器和电机。电机得到工频运行指令，开启QS1、QS2，同时关闭QS3（旁路刀闸），并开启QF（真空断路器）即可完成电机的工频运行。该种运作形式是基于变频器已经发生故障或检修状态中以工频运行方式来维持系统的正常运行。

以上改造方案是较为典型的手动旁路，它要求QS2和QS3二者不可同时闭合，且在生产过程中安全互锁。为保证对故障变频器的安全防护，变频器在发生故障以后会立即发出跳闸的指令，对于工作现场的高压真空断裂器QF则完成联锁跳闸动作，以此确保变频器可以即时与电源隔离。三组刀闸（QS1、QS2和QS3）和真空断路器QF在电气连接方面形成互锁，仅可在真空断路器QF被完全隔离后才可操作刀闸，安全性能得到保障。

2.3 控制方式

基于目前该企业化工生产的技术水平来看，风机变频器均采用远程DCS闭环自控、远程DCS开环自控和就地控制（手动）三种方式。

2.4 冷却手段

变频器的技术原理在于“交流→直流”、“直流→交流”两个相互转化的过程。两个过程中功率元件的自身温度都会上升，严重者造成设备的烧损。为保证变频器可以正常且稳定的运行，需将这部分产生的热量及时挥散。因此，变频器在运行过程中的冷却问题将对整个系统运行的稳定性具有决定性意义。经仔细研究，锦西石化采取的冷却手段主要以自然风降温为主。变频器顶端拥有一道总风道，该总风道可以通过变频器顶端结构的冷却风机利用吸进的方式将变频器的内部热量持续排出。那么，为何在此方案中仅设置1个总风道，而不是增设若干台转动装置，这也实现了结构简单和故障率小的目的。基于40 ℃高温环境下完成满载散热试验，从试验结果来看，变频器温度最大可以升至68 ℃。显然，相比于设计最高温度140 ℃要低很多，也就是说此方案的效果理想。

3 变频器的技术原理与工作特性

3.1 系统组成

HARSVERT-A高压变频器的组成主要包括移相变压器、功率元件和控制中心，单台变频器由21个功率元件组成，且每7个功率元件可串联成为“组”。

3.2 功率元件组成

21个功率元件的组成情况几乎一致，相互之间可以互换，可作为“交流——直流——交流”单相逆变回路，而整流侧以二极管三相全桥的形式构成，并通过IGBT逆变桥设备来完成正弦PWM控制工作。

3.3 输入侧组成

输入侧利用移相变压器实现单元供电，每个移相变压器副边绕组又分成三组，产出42脉冲整流波形，这样的移相叠加形成的整流波形可极大地改进整个个系统网络的电流波形情况，并能够确保系统处于满载条件下其网侧的功率因素可以趋近于1。另外，由于变压器副边饶组自身拥有良好的独立性特征，功率元件完全可以与之形成一种相互隔离的关系，与普通的低压变压器相类似，方便利用现成技术。

3.4 输出侧组成

输出侧由功率元件U和V两个输出端子一并串联形成一种星型的供电结构，通过功率元件的PWM波形完成重新组合，也就是获取相电阶梯PWM整流波形。该整流波形具有正弦度好、DV/DT小和电机绝缘损率小等优点，无需经过输出滤波装置便可以确保输出电缆的足够长度，且电机也不需要通过降额的方式来保证正常运作。另外，电机谐波的损耗率在一定程度上得到了控制，这样一来，便可以有效避免电机机械振动幅度过大的问题，且有助于电机轴承与叶片之间的机械应力消减。

3.5 控制中心

控制中心的核心构件为高速单片机，利用现有的算法即可保障电机工作状态达到最佳。一般讲，控制中心由内置PLC组成，它主要作为柜内开关信号的逻辑关系处理所用，在生产现场中对于各类操作信号的状态信号的协调组织拥有良好的控制效果。控制中心则由VME标准箱体组合而成，每个控制区域均采取了诸如FPGA、CPLD等规模较大的集成电路和局部表面焊接工艺。除此以外，控制中心与功率元件之间可通过光纤维通信手段完成高、低压功能区的隔斷，系统安全得到了有效保障，并能增强系统的抗电磁干扰效率。

4 节能改造效果分析

4.1 工艺改造

4#锅炉的引风、送风和二次风机高压变频器经改造以后，原风道内风量调节达到开度100%，由此大大降低风道阻力损耗。同时，4#锅炉设备经过节能改造以后其风道振动频率由此改变，由于电机仍处变频工作状态，运转频率也会因此改变，引起风道固有的共振频率与工作频率无法一致，以此避免共振的弊端。这样一来，便彻底解决了风道振动过大的问题，这也是锦西石化进行风机节能改造试验的意外收获。

4.2 维护改造

经变频调整转速以后，电机可以持续以30～40 Hz的工作频率进行运转，相较于普通风机的工作频率而言，由50 Hz下降至30～40 Hz，转速大大降低。另外，风机的启动过程相对比较缓慢，这样既可以保障整个系统的零部件和密封状况，也可以延续轴承的使用寿命。不采用挡板进行风速调节，调风挡板的寿命也可以延长，而相应的检修量也大大减少，检修成本也得到了有效控制。

4.3 节能效果

锦西石化4#锅炉的三组风机经变频调速改造以后，节能效果非常显著。通过数据说明：220蒸吨级锅炉设备在负载140～200 t状态下，三组风机设备的节能效率可按照锅炉设备的负载减小而稳定增加。锅炉设备在每生产年度中以140～150 t工作负载持续八个月，其中200 t负载运行约两个月，180 t负载运行约一个月，而检修维护时间则为一个月。节能改造之前4#锅炉设备（包含三组风机装置）每个生产年度的总耗电量约1 863.13387×104 kV时，而节能改造后每个生产年度的总耗电量约941.15169×104 kV时，由此可以计算4#锅炉设备在节能改造前后可以节省耗电约921.98219×104 kV，节约电量比例约为49.5%。换句话说，该企业仅用节能改造之前约50.5%的总耗电量即可完成相应的化工生产任务。倘若我们以0.45元/kV时计算电费，4#锅炉设备所用三组风机装置经变频节能改造以后每个生产年度即可节省921.98219×104 kV时，相当于节省企业成本约412.8920万元。从实际生产来看，当年能够超额回收的生产成本相比于前五年的平均水平可以节支约412.9万余元。

5 结 语

上文，根据2006年锦西炼油总厂下属xx热电企4#锅炉设备所有三组风机装置经变频节能改造项目的一次重要总结，是中石油锦西炼油总厂下属xx热电企业领导管理意识中具有前瞻性的具体体现，也作为企业管理模式逐步实现精细化过渡的重要举措。从这些方面看，实现变频器节能技术在风机中的应用将是中石油锦西炼油总厂下属xx热电企业在高压变频节能改造方面迈出更具实际意义的一步。该项改造工艺可以极大程度上鼓励企业职工的工作热情，激发企业职工对于节能改造深层次认知，既体现生产效率，也体现经济效益，俨然成为企业未来发展经济增长和效益增收的新突破点。与此同时，生产企业在节能方面的潜力还是非常大的，变频节能改造技术的发展之路还很长，需要我们付出更多的努力和辛苦来奠定基础。

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