摘 要： 本文介紹中低壓變頻器在火電廠風(fēng)機(jī)、水泵變頻改造上的應(yīng)用及其效果。
關(guān)鍵詞：變頻器 節(jié)能
Abstract: The paper introduces the applications of the low and medium voltage inverter with the fan and pump in the thermal power plant.
Keyword: inverter save energy retrieving term of investment
0 序言
變頻調(diào)速在節(jié)能、調(diào)速精度、調(diào)速范圍等方面具有同其它調(diào)速裝置無(wú)法比擬的優(yōu)越性，以及可以方便實(shí)現(xiàn)同自動(dòng)化控制系統(tǒng)（如DCS系統(tǒng)等）的通訊，使其在各領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。本文以我公司最近幾年應(yīng)用變頻調(diào)速進(jìn)行技術(shù)改造的幾個(gè)成功事例進(jìn)行介紹和總結(jié)，由此說(shuō)明變頻器裝置在各行業(yè)技術(shù)改造中的廣闊應(yīng)用前景。
1鍋爐風(fēng)機(jī)電機(jī)應(yīng)用變頻器調(diào)速控制
1．1 鍋爐二次風(fēng)機(jī)電機(jī)應(yīng)用變頻器調(diào)速控制
我公司鍋爐為75（T/H）循環(huán)流化床鍋爐，每臺(tái)鍋爐配置引風(fēng)機(jī)、一次風(fēng)機(jī)(送風(fēng)機(jī))、二次風(fēng)機(jī)各一臺(tái)，各電機(jī)主要技術(shù)參數(shù)如下：
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型號(hào) |
容量（kW） |
電壓（V） |
額定電流（A） |
| 引風(fēng)機(jī) |
Y400—6 |
400 |
6000 |
47.3 |
| 一次風(fēng)機(jī) |
Y355—4 |
250 |
6000 |
29.3 |
| 二次風(fēng)機(jī) |
Y315L1—4 |
160 |
380 |
289 |
在進(jìn)行變頻器改造以前,各風(fēng)機(jī)在正常情況下的運(yùn)行數(shù)據(jù)，以2000年全年運(yùn)行情況統(tǒng)計(jì)如下：
| 一 次 風(fēng) 機(jī) |
| 平均電流 |
平均開(kāi)度 |
最大開(kāi)度 |
最大電流 |
最小電流 |
21(A)
|
50% |
55% |
23(A) |
20(A) |
| 引 風(fēng) 機(jī) |
| 25(A) |
48% |
50% |
28(A) |
24(A) |
| 二次風(fēng)機(jī) |
| 135(A) |
45% |
50% |
140(A) |
130(A) |
我們知道，由于鍋爐在正常運(yùn)行中的燃料構(gòu)成、熱負(fù)荷、電負(fù)荷以及季節(jié)等變化因數(shù)較大，因此，鍋爐燃燒所需要的空氣量在各個(gè)不同的情況下，也相應(yīng)有較大的變化，然而，鍋爐配置的風(fēng)機(jī)是按鍋爐最大出力情況下的所需最大風(fēng)量來(lái)設(shè)計(jì)，并必須考慮鍋爐在事故情況下一定的風(fēng)量裕度，所以，風(fēng)機(jī)電機(jī)功率的配置一般都較大，從表中的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可看出，鍋爐風(fēng)機(jī)檔板的平均開(kāi)度，在正常情況下引風(fēng)機(jī)為48%左右，二次風(fēng)機(jī)僅為45%左右。用檔板調(diào)節(jié)控制，大量電能浪費(fèi)克服擋板的阻力上，造成廠用電率高，影響機(jī)組的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。
2000年底，我們首先選擇在1#爐的二次風(fēng)機(jī)上進(jìn)行改造嘗試，并考慮到二次風(fēng)機(jī)電機(jī)功率設(shè)計(jì)時(shí)配置裕量較大，我們有意選擇132kW功率的變頻器來(lái)控制160kW功率的電機(jī)，變頻器的型號(hào)為三菱FR—F540L—132K，電壓等級(jí)為380V，變頻器于2001年元月安裝調(diào)試完畢并投入運(yùn)行，通過(guò)一段時(shí)間的運(yùn)行測(cè)試，二次風(fēng)機(jī)工頻電流由原來(lái)的平均135（A）下降到現(xiàn)在的平均70—75（A），節(jié)能效果相當(dāng)顯著，并且變頻器技術(shù)性能完全滿足鍋爐運(yùn)行工藝的要求（主要是風(fēng)壓、風(fēng)量、加減風(fēng)的速率等），根據(jù)電度表測(cè)定，節(jié)能效率在45%左右,基本上一年可以收回投資。并且電機(jī)在啟動(dòng)、運(yùn)行調(diào)節(jié)、控制操作等方面都得到極大的改善。由于效益顯著，在2001年2月，我公司又對(duì)2#、3#爐二次風(fēng)機(jī)也進(jìn)行了變頻器改造，運(yùn)行至今情況良好。在對(duì)鍋爐二次風(fēng)機(jī)電機(jī)旁路設(shè)計(jì)上，我們采用的是雙投閘刀，用手動(dòng)切換方式，在實(shí)際使用中效果也很好，不僅投資節(jié)約，而且接線簡(jiǎn)單、可靠，安裝也相當(dāng)方便，二次風(fēng)機(jī)變頻器接線如圖（1）。
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| 圖1 -- 二次風(fēng)機(jī)變頻器接線圖 |
2 鍋爐引風(fēng)機(jī)電機(jī)應(yīng)用變頻器調(diào)速控制
 在鍋爐二次風(fēng)機(jī)上變頻器調(diào)節(jié)裝置改造成功后，使我們看到變頻器技術(shù)改造的巨大節(jié)能潛能和良好的效益，2002年12月，我們?cè)?#鍋爐引風(fēng)機(jī)上進(jìn)行高壓變頻器調(diào)速系統(tǒng)改造，經(jīng)過(guò)多方面技術(shù)考察、比較，我們認(rèn)為北京利德華福技術(shù)有限公司生產(chǎn)的HARSVERT-A06/050變頻器在性能價(jià)格比上有較好優(yōu)勢(shì)，并且產(chǎn)品在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)應(yīng)用也比較廣泛，售后服務(wù)全面周到， 圖2—引風(fēng)機(jī)變頻器接線圖 HARSVERT-A06/050變頻調(diào) 速系統(tǒng)采用多級(jí)模塊串聯(lián)，交直交、高-高型電路，電源變換器采用30脈沖，二極管三相全橋，輸出采用IGBT 逆變橋串連型式，原電動(dòng)機(jī)電源直接作為變頻器輸入電源，再通過(guò)變頻器輸出連接到電機(jī)，為充分保證系統(tǒng)的可靠性，變頻器同時(shí)加裝了工頻旁路裝置，變頻器異常時(shí)退出運(yùn)行，電機(jī)可以直接手動(dòng)切換到工頻運(yùn)行下運(yùn)行。旁路由3個(gè)高壓隔離開(kāi)關(guān)QS1、QS2和QS3組成（見(jiàn)圖2，其中QF為原高壓開(kāi)關(guān)柜內(nèi)的斷路器）。在變頻運(yùn)行時(shí)，QS1 和QS2閉合，QS3 斷開(kāi)；工頻運(yùn)行時(shí)，QS3閉合，QS1和QS2斷開(kāi)。
變頻調(diào)速由安裝在鍋爐操作臺(tái)上的啟動(dòng)、停機(jī)、轉(zhuǎn)速調(diào)整開(kāi)關(guān)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，并可同DCS系統(tǒng)接口，通過(guò)DCS實(shí)現(xiàn)變頻器的調(diào)速控制，變頻調(diào)速裝置還提供報(bào)警指示、故障指示、待機(jī)狀態(tài)、運(yùn)行狀態(tài)、旁路狀態(tài)、高壓合閘允許、高壓緊急分?jǐn)嗟缺Ｗo(hù)信息以及轉(zhuǎn)速給定值和風(fēng)機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速值等必要指示，以便操作人員進(jìn)行操作控制。
設(shè)備從2003年4月24日到貨至4月28日安裝調(diào)試結(jié)束，總共4天時(shí)間，還進(jìn)行了一系列的動(dòng)態(tài)試驗(yàn)，如：變頻器50Hz滿載運(yùn)行試驗(yàn)、電機(jī)—風(fēng)機(jī)系統(tǒng)臨界振動(dòng)實(shí)驗(yàn)、母線電壓波動(dòng)試驗(yàn)、變頻器與高壓開(kāi)關(guān)的聯(lián)鎖試驗(yàn)、連續(xù)快速增減負(fù)荷試驗(yàn)等，一切正常后，再進(jìn)行連續(xù)的72小時(shí)試運(yùn)行，至5月1日投入正常工作運(yùn)行，設(shè)備運(yùn)行至今一切正常，沒(méi)有發(fā)生過(guò)任何異常情況。
在變頻器改造以前，根據(jù)統(tǒng)計(jì)情況，鍋爐引風(fēng)機(jī)的運(yùn)行工頻電流在25A左右，通過(guò)變頻器調(diào)節(jié)裝置改造后，目前在鍋爐相同運(yùn)行情況下，鍋爐引風(fēng)機(jī)在變頻后的電流為9—10A左右，平均降低電流達(dá)到15—16A。根據(jù)計(jì)算，平均節(jié)電128—136wh/h ，考慮裝置自耗電及將來(lái)空調(diào)用電16kwh/h，總體節(jié)電可達(dá)到112—120 kwh/h，節(jié)電率達(dá)到53%—56%，經(jīng)濟(jì)效益相當(dāng)顯著。因此，鍋爐引風(fēng)機(jī)高壓變頻器節(jié)能技術(shù)改造項(xiàng)目是相當(dāng)成功的，我公司將進(jìn)一步計(jì)劃對(duì)其它鍋爐引風(fēng)機(jī)也進(jìn)行變頻器調(diào)節(jié)裝置改造，以取得更大經(jīng)濟(jì)效益。
3 補(bǔ)水泵電機(jī)應(yīng)用變頻器進(jìn)行補(bǔ)水調(diào)節(jié)控制
我公司熱電廠日消耗水量約6000—7000噸，主要用于凈化水處理、工業(yè)用水和生活用水，泵房共有補(bǔ)水泵三臺(tái)，其電動(dòng)機(jī)的技術(shù)參數(shù)分別為：
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型號(hào) |
功率 |
額定電流 |
流量 |
| 1#泵 |
Y225S—4 |
37kW |
70.4A |
400噸 |
| 2#泵 |
Y225S—4 |
37kW |
70.4A |
400噸 |
| 3#泵 |
Y180M—4 |
18.5kW |
36.5A |
200噸 |
一方面，3#泵出力太小，不能滿足日耗水需要，而1#、2#泵的出力又太大，水泵不好控制和調(diào)節(jié)，使得電機(jī)啟停過(guò)于頻繁。另一方面，從凈水器的凈水效果來(lái)看，最理想的凈化方法應(yīng)該是保持一定水量進(jìn)行連續(xù)供水，這樣凈水效率高，效果也好。如果水泵經(jīng)常啟動(dòng)、停止，易造成斷水的嚴(yán)重后果。凈水器停運(yùn)期間，凈水器內(nèi)的塑料斜管暴露在陽(yáng)光下的時(shí)間過(guò)長(zhǎng)容易老化，影響塑料斜管的使用壽命，如果凈水器停運(yùn)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，再使用時(shí)則需要重新經(jīng)過(guò)反洗，這樣對(duì)用水的浪費(fèi)相當(dāng)大，再者，補(bǔ)水泵房至凈水器大約有600米距離，并且管道敷設(shè)較淺，在冬季發(fā)生過(guò)管道破裂現(xiàn)象，以上這些都是由于停水時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，管道內(nèi)的積水不流動(dòng)，在低溫下造成結(jié)凍引起。為此，我們對(duì)1#、2#補(bǔ)水泵電機(jī)進(jìn)行變頻器調(diào)節(jié)改造，以期達(dá)到控制水泵供水連續(xù)性的目的。變頻器選用三菱FR—F540L—37，電壓等級(jí)為380V。
補(bǔ)水泵改用變頻器調(diào)節(jié)補(bǔ)水，不僅僅在于考慮它對(duì)電機(jī)的節(jié)能效益，更重要的是從生產(chǎn)設(shè)備運(yùn)行安全角度考慮，改造后的運(yùn)行情況良好，提高了凈水器的凈水效果。并實(shí)現(xiàn)連續(xù)供水的目的，我們對(duì)補(bǔ)水泵變頻器控制的工藝要求，按照以下方案進(jìn)行設(shè)計(jì)（接線如圖3）。
3．1 為充分利用變頻器，我們采用一臺(tái)變頻器來(lái)實(shí)現(xiàn)兩臺(tái)電機(jī)的調(diào)速控制；
3．2 兩臺(tái)補(bǔ)水泵均可實(shí)現(xiàn)變速、定速兩種方式運(yùn)行，變頻器在同一時(shí)間只能作一臺(tái)電機(jī)的變頻電源，所以每臺(tái)電機(jī)啟動(dòng)、停止必須相互閉鎖，用邏輯電路控制，保證可靠切換，出口采用雙投閘刀切換；
3．3 二臺(tái)補(bǔ)水泵工作時(shí)，其中一臺(tái)由工頻供電作定速運(yùn)行，另一臺(tái)由變頻器供電作變速運(yùn)行，同一臺(tái)電機(jī)的變速、定速運(yùn)行由交流接觸器相互閉鎖，即在變速運(yùn)行時(shí)，定速合不上，如下圖中，1C1與1C2及2C1與2C2不允許同時(shí)合上；
3．4 為確保工藝控制安全、可靠，變頻器及兩臺(tái)電機(jī)的控制、保護(hù)、測(cè)量單元全部集中在就地控制柜內(nèi)，控制調(diào)節(jié)通過(guò)屏蔽信號(hào)電纜引接到控制室；
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| 圖3---補(bǔ)水泵電機(jī)變頻器接線，虛框內(nèi)為改造增加部分 |
4 變頻器調(diào)速改造中應(yīng)注意的一些技術(shù)問(wèn)題
熱電廠充分利用變頻器進(jìn)行節(jié)能技術(shù)改造，不僅能提高經(jīng)濟(jì)效益，而且能產(chǎn)生巨大的社會(huì)效益，促進(jìn)企業(yè)的技術(shù)進(jìn)步。但在技術(shù)上，要根據(jù)不同的生產(chǎn)設(shè)備，選擇相應(yīng)特性的變頻器，如在對(duì)鍋爐風(fēng)機(jī)進(jìn)行變頻器改造中，注意除必須考慮變頻器的提速、降速特性是否滿足燃燒工藝的要求以外，還同時(shí)在技術(shù)上必須要考慮下列問(wèn)題，以免帶來(lái)投資的損失。
4．1 鍋爐的安全運(yùn)行是全廠動(dòng)力的根本保證，雖然變頻調(diào)速裝置是可靠的，但一旦出現(xiàn)問(wèn)題，必須確保鍋爐安全供汽，所以，必須實(shí)現(xiàn)工頻--變頻運(yùn)行的切換系統(tǒng)（旁路系統(tǒng)），在生產(chǎn)過(guò)程中，采用手工切換如能滿足設(shè)備運(yùn)行工藝要求，建議盡量不要選用自動(dòng)旁路，對(duì)一般的小功率電機(jī)，采用雙投閘刀方式作為手動(dòng)、自動(dòng)切換手段也是比較理想的方法。
4．2 對(duì)于大慣量負(fù)荷的電機(jī)（如鍋爐引風(fēng)機(jī)），在變頻改造后，要注意風(fēng)機(jī)可能存在扭曲共振現(xiàn)象，運(yùn)行中，一旦發(fā)生共振，將嚴(yán)重?fù)p壞風(fēng)機(jī)和拖動(dòng)電機(jī)。所以，必須計(jì)算或測(cè)量風(fēng)機(jī)--電機(jī)連接軸系扭振臨界轉(zhuǎn)速以及采取相應(yīng)的技術(shù)措施（如設(shè)置頻率跳躍功能避開(kāi)共振點(diǎn)、軟連接及機(jī)座加震動(dòng)吸收橡膠等）。
4．3 采用變頻調(diào)速控制后，如果變頻器長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行在1/2工頻以下，隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速的下降，電機(jī)散熱能力也下降，同時(shí)電機(jī)發(fā)熱量也隨之減少。所以電機(jī)的本身溫度其實(shí)是下降的，仍舊能夠正常運(yùn)行而不至溫度過(guò)高。
4．4 變頻器不能由輸出口反向送電，在電氣回路設(shè)計(jì)中必須注意，如引風(fēng)機(jī)高壓變頻器接線圖中，要求QS2和QS3不能同時(shí)閉合，在補(bǔ)水泵變頻器改造接線圖中，要求1C1與1C2及2C1與2C2不允許同時(shí)合上，不僅要求在電氣二次回路中實(shí)現(xiàn)電氣的連鎖，同時(shí)要求在機(jī)械上實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)互鎖，以確保變頻器的運(yùn)行安全。
4．5 低壓變頻器，由于體積較小，在改造中的安裝地點(diǎn)選擇比較容易些。但對(duì)于高壓變頻器系統(tǒng)，體積相對(duì)較大，一般由4—5面柜體組成，對(duì)改造項(xiàng)目來(lái)講，一般都需要重新建造變頻器室。因此，選擇變頻器室位置，既要考慮離電機(jī)設(shè)備不能太遠(yuǎn)，又要考慮周圍環(huán)境對(duì)變頻器運(yùn)行可能造成的影響。變頻器的安裝和運(yùn)行環(huán)境要求較高，為了使變頻器能長(zhǎng)期穩(wěn)定和可靠運(yùn)行，對(duì)安裝變頻器室的室內(nèi)環(huán)境溫度要求最好控制在0--40℃之間，如果溫度超過(guò)允許值，應(yīng)考慮配備相應(yīng)的空調(diào)設(shè)備。同時(shí)，室內(nèi)不應(yīng)有較大灰塵、腐蝕或爆炸性氣體、導(dǎo)電粉塵等。
4．6 要保證變頻器柜體和廠房大地的可靠連接，保證人員和設(shè)備安全。為防止信號(hào)干擾，控制系統(tǒng)最好埋設(shè)獨(dú)立的接地系統(tǒng)，對(duì)接地電阻的要求不大于4Ω。到變頻器的信號(hào)線，必須采用屏蔽電纜，屏蔽線的一端要求可靠接地。
4．7 在選擇變頻器時(shí)，根據(jù)設(shè)備實(shí)際運(yùn)行情況，可以考慮采用降低一檔功率的做法，如我公司在二次風(fēng)機(jī)中就采用132 kW變頻器控制160 kW 功率的電動(dòng)機(jī)，運(yùn)行中情況也一直良好。
5 結(jié)束語(yǔ)
隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，變頻器的各項(xiàng)技術(shù)性能也得
到拓寬和提高，在熱電行業(yè)中，風(fēng)機(jī)水泵類負(fù)荷較多，充分應(yīng)用變頻器進(jìn)行節(jié)能改造已經(jīng)逐漸被大家所接受。對(duì)于目前低壓變頻器，投資較低、效益高，一年左右就可以收回投資而被廣泛應(yīng)用。但相對(duì)高壓變頻器，價(jià)格還較高，測(cè)試投資回收期限，一般需要兩年左右時(shí)間。但隨著目前國(guó)產(chǎn)高壓變頻器的迅速發(fā)展，使得變頻器的性能價(jià)格比大大提高，為利用變頻器進(jìn)行節(jié)能技術(shù)改造提供了更加廣闊的前景。
參考文獻(xiàn)：
〔1〕 變頻調(diào)速應(yīng)用百例/王占奎 等編 —--北京 科學(xué)出版社出版，1999.4
〔2〕 變頻器應(yīng)用手冊(cè)/吳忠智 吳加林 編著-- 2版 ----北京 機(jī)械工業(yè)出版社，2002.7
作者簡(jiǎn)介：金星，男，1988年7月畢業(yè)于湖北宜昌葛洲壩水電工程學(xué)院，工程學(xué)士。參加過(guò)浙江遂昌一級(jí)水電站4×2MW水輪發(fā)電機(jī)組、浙江溫州發(fā)電廠2×125MW機(jī)組、寧海熱電廠2×12.5MW機(jī)組、寧波熱電股份有限公司2×15MW+1×7.5MW等工程建設(shè)。現(xiàn)為寧波熱電股份有限公司主任工程師。主要從事電氣設(shè)計(jì)、運(yùn)行維護(hù)等管理工作。對(duì)變頻器、電氣綜合自動(dòng)化系統(tǒng)、可編程控制器（PLC）系統(tǒng)等技術(shù)改造、應(yīng)用方面有一定研究。
發(fā)表論文主要有《發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子絕緣下降原因分析及防范》、《可編程控制器PLC在輸煤系統(tǒng)中的應(yīng)用》、《高壓電機(jī)故障原因分析及防范》等。
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