高压变频器在锅炉风机上的应用

耿庆鲁，孙书会，戚龙军（德州实华化工有限公司，山东德州253007）



高压变频器在锅炉风机上的应用

耿庆鲁，孙书会，戚龙军
（德州实华化工有限公司，山东德州253007）

摘要：石油化企业生产所需的风机、水泵和空气压缩机大都处于电动机驱动恒速运转状态，如果将占绝对多数的非调速型电机改成变频器调速运行，使其耗电量实现随负荷大小而变化，则可节约大量能源，产生显著的节能效果。

关键词：变频器；调速；节能；变频器应用

变频器是一种利用电力半导体器件的通断作用将工频交流电源变换为另一频率交流电源的电能控制装置。变频器的控制方式主要有：平压控制方式即U/F=K技术、矢量控制方式即VECTOR技术、直接转矩控制方式即DTC技术等。

中国的电动机用电量占全国发电量的60%～70%，风机、水泵设备年耗电量占全国电力消耗的1/3。风机、水泵等设备传统的调速方法是通过调节入口或出口的挡板、阀门开度来调节给风量和给水量，其输入功率大，大量的能源消耗在挡板、阀门的截流过程中。由于风机、水泵类大多为平稳转矩负载，轴功率与转速成立方关系，所以当风机、水泵转速下降时，消耗的功率也大大下降，节能潜力非常大，最有效的节能措施就是采用变频调速器来调节流量，应用变频器节电率为20%～50%，效益显著。因此，国家大力提倡节能措施并着重推荐了变频调速节能技术。

1　风机、水泵使用变频器的节能分析

在氯碱企业中，有大量的风机、水泵设备，通过变频调速节能技术，可以节约大量的电能。

变频调速的特点是起动电流小，效率高，没有因调速带来的附加转差损耗，可以实现软起动和无级调速，方便的进行加减速控制，调速的范围大、精度高、无级调速。容易实现直辖式控制和闭环控制，由于可以利用原鼠笼式电动机，所以特别适合于对旧设备的技术改造，它既保持了原电动机结构简单、可靠耐用、维护方便的优点，又能达到节电的显著效果，是风机、水泵节能的较理想的方法。

驱动风机、水泵，大多数为交流异步电机（大功率的多数为同步电机），异步电动机或同步电动机的转速与电源的频率f成正比，改变定子供电频率就改变了电动机的转速，变频调速装置就是将电网50 Hz的交流电，变成频率可调、电压可调的交流电去驱动交流电动机实现调节速度的。

日常使用的风机、水泵设备额定的风量、流量，设计上通常都超过实际需要的风量、流量，又因为工艺要求需要在运行中变更风量、流量，而目前采用挡板或阀门来调节风量和流量的调节方式较为普遍。虽然方法简单，但实际上是通过人为增加阻力的办法达到调节的目的，这种节流调节方法浪费大量电能，回收这部分电能损耗会收到很大的节能效果。

当风量减少风机转速下降时，其电动机输入功率迅速降低，例如风量下降到80%，转速（n）也下降到80%时，其轴功率则下降到额定功率的51%；若风量下降到50%，轴功率将下降到额定功率的13%，其节电潜力非常大。其原理也基本适用于水泵，因此对风量、流量调节范围较大的风机、水泵，采用调速控制来代替风门或阀门调节，是实现节能的有效途径。

投入变频器后，由于风机、水泵长期低于额定转速的状态之下运行，电机及风机、水泵的轴承不易损坏，延长了使用寿命，电机的发热量也减少了，维修量下降，停机时间减少，可节约大量的维修费用。

投入变频器后，延长电机和风机的使用寿命。一般风机、水泵启动时间长，启动电流大（约6～8倍额定电流），对电机和风机的机械冲击力很大，严重影响其使用寿命。而采用变频调速后，可以实现软起动和软制动，对电机几乎不产生冲击，可大大延长机械的使用寿命。

投入变频器后，减少阀门机械和风机、水泵叶轮的磨损。风机、水泵经常工作在比原来定速时低100～250 r/min的转速下运行，因此，大大减少了叶轮的磨损，减少了风机、水泵的振动，延长大修周期，节省检修费用和时间。

2　使用变频器的必要条件

使用变频器，改变原始的挡板控制，不管是从生产工艺控制还是用电损耗、冲击负荷要求、减少设备维护量以及自动化程度上都能带来极大的改善。

（1）尽量减少初始投资，设计时应考虑高压变频器功率大小、对场地要求。

（2）为提高经济效益，2台风机应能共用一台变频器，以便一台风机检修时，变频器可以拖动另一台风机，以提高变频器的利用率。

（3）采取必要措施，降低网侧谐波影响。

（4）提高自动化程度，质量可靠、便于维护检修。

3　变频器改造方案介绍

针对上述条件要求，经多方案比较，最终采用北京国电四维清洁能源技术有限公司SWdrive-MV系列高压变频器，变频器采用MV-IGBT元件、移相级联式多电平逆变技术、多重化输出和模块化设计方案，该系列高压变频器可在恶劣环境下长期稳定运行，无需单独加装空调冷却装置。

3.1系统结构

移相级联式高压变频器采用多个独立功率单元（模块）串联的方式来实现高压输出，电网电压经过二次侧多重化的隔离变压器降压后给功率单元供电，功率单元为三组输入、单组输出的交—直—交SPWM电压源型逆变器结构。将相邻功率单元的输出端串联起来，形成Y联结结构，实现变压变频的高压直接输出，供给高压电动机。额定输出电压为10 kV的变频器，每相由8个额定电压为750 V的功率单元串联而成，结构简图见图1。输出相电压最高可达6 000 V，线电压可达10 000 V，每个功率单元承受全部的输出电流，但只提供1/8的相电压和1/24的输出功率。模块化的设计大大提高了检修的便利性。

图1　高压变频器结构简图

由图1可见，10 kV为变压器的24个二次绕组，采用延边三角形联结。分为8个不同相位，互差7.50电角度，形成48脉波的二极管整流电路结构，所以理论上47次以下的谐波都可以消除，输入电流波形接近正弦波，总的谐波电流失真低于1%。在变压器二次绕组分配时，组成同一相位组的每8个二次绕组，分别给分属于电动机三相的功率单元供电。

3.2变频控制方案

采用一拖二手动工变频旁路方案，根据锅炉检修周期，一拖二方式能极大节省投资，且1/2锅炉运行时均可投入变频，提高了变频器利用率。

如果变频运行一号电机，将旁路柜中隔离开关QS1、QS2闭合，QS3断开，QS6闭合（二号可工频开停）。如果变频运行二号电机，将旁路柜中隔离开关QS4、QS5闭合，QS6断开，QS3合上（一号可工频开停）。这样当一台风机处于检修状态时，可手动切换另一台风机变频运行。若变频器故障可选择均为工频启动，将QS1、QS2，QS4、QS5断开，QS3，QS6闭合。然后用原工频系统启动。其中QS1、QS2与QS5，QS3、QS6与QS6应实现相应的机械闭锁和电气闭锁，防止误操作，见图2。

图2　变频控制示意图

本地与远方控制可通过转换开关切换，本地控制利用系统控制器上的键盘、控制柜上的按钮、电位器旋钮等就地控制；远方控制系统提供数字和模拟输入接口，由中控室DCS实现控制。

4　使用变频器后改造效果

以功率为560 kW引风机为例，投入变频器运行以来节能效果明显，原有锅炉炉膛负压通过调整引风机风门开度来调整风量，风门执行机构经常操作，磨损较快。风门特性变化不能保持风门开度与风流量之间的线形关系，使得调节过程出现失误，影响锅炉运行稳定性。采用变频器后，风门全开，由于变频器始终保持高精度线形调节，为保证自动化运行创造了优越条件，充分满足了锅炉的工艺调整要求。并且，转速比原来工频运行时相比下降了约70r/min，减少了风机叶轮，轴承的磨损，延长了风机和电机的大修时间。同时，由于实现软启动几乎对设备无冲击启动，减小了对系统的冲击，也可大大延长设备使用寿命。

560kW引风机节电效果分析：考虑到锅炉蒸发量对风机负荷的影响，特选取锅炉为满负荷时的风机负荷情况。下面是运行班组记录见表1、表2。

表1　引风机工频技术参数

表2　变频运行参数

通过上表比较得知，变频投入前电流平均为Ia=23.8 A，挡板开度角65%。变频投入后网侧电流平均值为IA=18.2 A，开度角98%。通过公式计算，节电率约为23.53%。按照10 kV的线电压和0.90的功率因数计算，每小时节电约87.29 kW·h。如果按生产性负载设备年运行7 000 h计算，电费按0.598元/kW·h计算，1台引风机的年节约电费36.54万元，节电效果显著。

5　结语

变频调速装置应用于锅炉风机不仅节能，而且大大改善了控制品质和运行工况，取得了显著的社会效益和经济效益，使设备的运行方式更趋于合理，设备的自动化程度、控制水平进一步提高。虽然一次投资较大，节电回收周期为1年，但是所带来的回报是巨大的、长期的，值得推广。

变频器在氯碱企业的各个方面都可得到广泛应用，包括各种供水泵、回水泵、酸泵、碱泵、物料泵、压缩机等。现在变频器正向着大容量，高精度，快响应的方面发展，在提高自动化生产率，节能增效方面发挥着巨大作用。

参考文献：

［1］王红强．宁钢热轧冷却风机应用变频调速的节能分析．浙江冶金，2011（2）：25－26．

Application of high voltage inverter in boiler fan

GENG Qing-lu，SUN Shu-hui，QI Long-jun
（Dezhou Shihua Chemical Co.，Ltd.，Dezhou 253007，China）

Abstract：The fans，pumps and air compressors in petrochemical enterprises are in the motor drive constant speed running state，if the absolute majority of the non speed motor to change the frequency converter，so that the power consumption to achieve with the load size and change，you can save a lot of energy，will produce a significant energy saving effect.

Key words：frequency converter；adjust speed；energy saving；inverter application

中图分类号：TN773

文献标识码：B

文章编号：1009-1785（2016）01-0019-03

收稿日期：2015-08-11