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中國石油錦西煉油化工總廠熱電公司 張文鴻
摘要： 本文通過對中國石油錦西煉油化工總廠熱電公司4#爐引、送、二次風機的高壓變頻節(jié)能改造的介紹，詳細敘述了改造的目的、技術(shù)方案、改造過程和原理特性。具體分析了改造效果，特別是經(jīng)濟效果。最后闡明節(jié)能改造的意義，是企業(yè)由粗放型的管理向資源節(jié)約型管理轉(zhuǎn)變的有效途徑，是企業(yè)增效的新亮點。
關(guān)鍵詞：變頻 改造 節(jié)能 增效
1.前言
中國石油錦西煉油化工總廠熱電公司有75噸鍋爐3臺，220噸鍋爐3臺。其中1、2、3#爐是75噸鍋爐，4、5、6#爐是220噸鍋爐。6臺鍋爐全部采用了引風、送風和二次風機，這些風機的驅(qū)動電機是按照最大額定負荷設(shè)計的，而鍋爐一年中能在最大額定負荷段狀態(tài)下運行的時間卻很少，大部分時間運行在三分之二負荷段上。這樣，鍋爐對實際風的需要量卻不是所設(shè)計的最大風量，而應(yīng)該是隨著負荷改變而改變的變化風量。為了滿足鍋爐對變化風量的要求，我們傳統(tǒng)工藝一直采用調(diào)整風道檔板開度的辦法，這種辦法能夠改變和調(diào)整風量，卻無法調(diào)整驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)速和按比例節(jié)能，造成了工業(yè)生產(chǎn)中能源的大量浪費和生產(chǎn)成本的上升。
2.改造目的
為了降低生產(chǎn)成本，降低能耗，適應(yīng)我國關(guān)于能源節(jié)約與資源綜合利用“十五”規(guī)劃的要求，采用低消耗、低排放、高效率的持續(xù)發(fā)展理念的經(jīng)濟增長模式，應(yīng)用變頻節(jié)能技術(shù)來改造傳統(tǒng)工藝的技術(shù)缺憾。我公司經(jīng)過對低壓變頻技術(shù)的廣泛成熟的應(yīng)用，獲取了較大的節(jié)能效果和維護經(jīng)驗。隨著高壓變頻器技術(shù)產(chǎn)品的成熟與穩(wěn)定應(yīng)用，我們把這一節(jié)能成果又進一步擴大到了高壓電機上，并于2006年5月份對4#爐三臺風機的驅(qū)動電動機進行了高壓變頻器改造。
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風機名稱 |
電機型號 |
額定電壓 |
額定電流 |
額定功率 |
功率因數(shù) |
額定轉(zhuǎn)數(shù) |
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一次風機 |
YFKK5004-4 |
6000V |
131A |
1120kW |
0.85 |
1490r/min |
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二次風機 |
YFKK5001-4 |
6000V |
94A |
800kW |
0.85 |
1490r/min |
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1#引風機 |
YFKK4505-6W |
6000V |
61A |
500kW |
0.85 |
990r/min |
3.實施的改造方案
3.1 變頻器的選型方案
由于高壓變頻改造所實施的具體方案與變頻器的選型有直接的關(guān)系,所以我公司首先進行了變頻器的選型考察，經(jīng)過仔細認真地比較和公開招標，最后國產(chǎn)北京利德華福HARSVERT-A高壓變頻器以其優(yōu)良的質(zhì)量，齊全的技術(shù)性能和周到的售后服務(wù)一舉中標。
3.2 主回路方案
根據(jù)我公司風機負荷的重要性，我們決定采用的變頻控制為一拖一方案，就是一臺變頻器帶一臺風機電機。為了增加運行的可靠性和安全性，又增設(shè)了工頻旁路回路。具體的設(shè)計方案如圖1所示：
 圖1：一次主回路接線圖  圖2：高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
QF為用戶的真空斷路器，QS1、QS2、QS3為3臺高壓隔離刀閘。在QS1和QS2之間是高壓變頻器，QS3為旁路刀閘。當電機需變頻運行時，應(yīng)首先將QS3拉開，然后合QS1和QS2刀閘，最后再合真空斷路器QF使變頻器得電并啟動變頻器以驅(qū)動電機。當電機需工頻運行時，應(yīng)將QS1和QS2刀閘拉開，將QS3旁路刀閘合入，最后合真空斷路器QF以直接驅(qū)動電機工頻運行。此運行方式為變頻器故障或檢修等特殊情況下用工頻來保證設(shè)備運行的備用工作方式。
上述方案為手動旁路的典型方案，要求QS2和QS3不能同時閉合，并在機械上實現(xiàn)安全互鎖。
為了實現(xiàn)對故障變頻器的保護，變頻器故障狀態(tài)下發(fā)出跳閘指令，對現(xiàn)場的高壓真空斷路器QF進行連鎖跳閘，以使變頻器斷開電源。同時三把刀閘都與斷路器QF電氣互鎖，只有在斷路器分離時才能操作刀閘，保證了安全操作。
3.3 控制方案
根據(jù)我公司的實際情況，我們對變頻器采用三種控制方案，分別是遠程DCS閉環(huán)自動控制、遠程DCS開環(huán)手動控制和就地手動控制。
3.4 冷卻方案
變頻器的工作過程是將交流電整流成直流電，再將直流逆變成交流的過程。在這一過程中，電子功率器件自身要發(fā)出一定的熱量（2%），這些熱量會使設(shè)備的溫度不斷上升，并燒損設(shè)備本身。為了使變頻器正常穩(wěn)定工作，就必須將變頻器發(fā)出的熱量及時排散掉。因此變頻器冷卻問題對變頻器運行的穩(wěn)定十分重要。經(jīng)過認真的研究，我們采用了最簡單、最有效、最穩(wěn)定的冷卻方案——自然風冷方案。就是在變頻器頂部安裝一個總風道，用這個風道將變頻器自身頂部的冷卻風機從室內(nèi)吸入的自然空氣所帶的變頻器內(nèi)部熱量不斷地排放到室外。這種方案只做一個風道，不增加任何轉(zhuǎn)動設(shè)備，因此簡單可靠，故障因素少。經(jīng)過在40℃室溫條件下做滿載散熱能力試驗，結(jié)果變頻器的溫度最高到68℃，與設(shè)計的最高溫升140度相比，結(jié)果是非常理想的。
4.變頻器的工作原理與特性
4.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
HARSVERT-A系列6KV高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)見圖2，由移相變壓器、功率單元和控制器組成。每臺變頻器有21個功率單元，每7個功率單元串聯(lián)構(gòu)成一相。
4.2 功率單元結(jié)構(gòu)
每個功率單元結(jié)構(gòu)上完全一致，可以互換，其電路結(jié)構(gòu)見下圖3，為基本的交-直-交單相逆變電路，整流側(cè)為二極管三相全橋，通過對IGBT逆變橋進行正弦PWM控制，可得如圖4所示的波形。
4.3 輸入側(cè)結(jié)構(gòu)
輸入側(cè)由移相變壓器給每個單元供電，移相變壓器的副邊繞組分為三組，構(gòu)成42脈沖整流方式，這種多級移相疊加的整流方式可以大大改善網(wǎng)絡(luò)的電流波形，使其負載下網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)接近1。
另外，由于變壓器副邊繞組的獨立性，使每個功率單元的主回路相對獨立，類似常規(guī)低壓變壓器，便于采用現(xiàn)有的成熟技術(shù)。
4.4 輸出側(cè)結(jié)構(gòu)
參見圖2和圖3。輸出側(cè)由每個單元的U、V輸出端子相互串接而成星型接法給電機供電，通過對每個單元的PWM波形進行重組，可以得到如圖5所示的階梯PWM波形。這種波形正弦度好，dv/dt小，可減少對電纜和電機的絕緣損壞，無須輸出濾波器就可以使輸出電纜長度很長，電機不需要降額使用，可直接用于舊設(shè)備的改造。同時，電機的諧波損耗大大減少，消除了由此引起的機械振動，減小了軸承和葉片的機械應(yīng)力。
當某一個單元出現(xiàn)故障時，通過使圖3中的繼電器K閉合，可以將此單元旁路出系統(tǒng)而不影響其它單元的運行，變頻器可持續(xù)降額運行，如此可減少很多場合下停機造成的損失。
 圖3：功率單元電路結(jié)構(gòu)
 圖4：單元輸出的PWM波形
圖5：系統(tǒng)輸出的相電壓階梯PWM波形
4.5 控制器
控制器核心由高速單片機來實現(xiàn)，精心設(shè)計的算法可以保證電機達到最優(yōu)的運行性能�？刂破鬟�包括一臺內(nèi)置的PLC，用于柜體內(nèi)開關(guān)信號的邏輯處理，以及與現(xiàn)場各種操作信號和狀態(tài)信號的協(xié)調(diào)。增強了系統(tǒng)的靈活性。
控制器結(jié)構(gòu)上采用VME標準箱體結(jié)構(gòu)，各控制單元板采用FPGA、CPLD等大規(guī)模集成電路和表面焊接技術(shù)，系統(tǒng)具有極高的可靠性。
另外，控制器與功率單元之間采用光纖通訊技術(shù)，低壓部分和高壓部分完全可靠隔離，系統(tǒng)具有極高的安全性，同時具有很好的抗電磁干擾性能。
5.改造效果
5.1 改造后的工藝效果
4#爐引、送、二次風機高壓變頻改造后，將原風道中用開度大小來調(diào)整風道風量的檔板開到了100%。這樣大大減小了風的阻力損耗。另外完全改變了風在管道中的振動頻率，由于風機的驅(qū)動電機在變頻狀態(tài)下工作，工作頻率在不斷的變化中，使風道的固有共振頻率很難與工作頻率一致，從而避免了共振現(xiàn)象的產(chǎn)生，解決了風道在工頻狀態(tài)下振動大的問題。這樣風道時常被振開裂的難題被自然解決了，也是我們此次改造的意外收獲。
5.2 改造后對電網(wǎng)的沖擊效果
當電機通過工頻直接啟動時，它將會產(chǎn)生7～8倍的電機額定電流。這個電流值將大大增加電機繞組的電應(yīng)力并產(chǎn)生熱量，從而降低電機的壽命。而采用變頻后，電機實現(xiàn)了軟啟動，可以在零速零電壓啟動（當然可以適當加轉(zhuǎn)矩提升），直到達到工作電流為止。一旦頻率和電壓的關(guān)系建立，變頻器就可以按照V/f或矢量控制方式帶動負載進行工作，對電網(wǎng)幾乎沒有沖擊。
5.3 改造后的維護強度效果
采用變頻調(diào)速后，驅(qū)動電動機基本工作在30Hz到40Hz的頻率范圍內(nèi)，與工頻50Hz相比，降低了風機的轉(zhuǎn)速。另外啟動時的緩慢升速過程也使整套風機機械設(shè)備的零部件、密封和軸承等的使用壽命大大延長。不用檔板調(diào)風，調(diào)風檔板的使用壽命大大延長，使檢修維護工作量減少，更降低了檢修工作強度和費用。
5.4 改造后的節(jié)能效果
我公司4#爐3臺風機進行變頻調(diào)速改造后，在收到上述諸多改造工藝效果的同時，更獲得了重大的節(jié)能效果。詳見下列改造前后生產(chǎn)參數(shù)對照表，此表數(shù)據(jù)來源于改造前后的生產(chǎn)報表： 4#爐變頻改造前后節(jié)能對照表
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主汽流量T/H |
一次風機電流 |
二次風機電流 |
引風機電流 |
差值
電流
總和（A） |
差值
功率
總和（kW） |
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改造前
（A） |
改造后
（A） |
有功差值
（kW） |
改造前（A） |
改造后（A） |
有功差值（kW） |
改造前（A） |
改造后（A） |
有功差值（kW） |
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140 |
123 |
50.1 |
610.5 |
77 |
30.3 |
393.5 |
50 |
18.4 |
269.0 |
151.2 |
1273.0 |
|
145 |
123 |
50.6 |
605.2 |
77 |
30.8 |
388.2 |
50 |
19.1 |
261.6 |
149.5 |
1255.0 |
|
150 |
124 |
53.7 |
581.7 |
78 |
31.4 |
391.1 |
51 |
20.1 |
260.3 |
146.8 |
1233.1 |
|
155 |
124 |
55.1 |
566.9 |
79 |
32.8 |
385.6 |
52 |
21.6 |
253.7 |
145.5 |
1206.1 |
|
160 |
125 |
60.2 |
522.2 |
80 |
35.1 |
370.5 |
52 |
27.4 |
192.3 |
133.3 |
1085.0 |
|
165 |
125 |
60.9 |
514.8 |
82 |
36 |
379.5 |
52 |
28.9 |
176.4 |
133.2 |
1070.7 |
|
170 |
126 |
61.1 |
521.9 |
82 |
37.5 |
363.6 |
52 |
34.1 |
121.4 |
127.3 |
1006.9 |
|
180 |
126 |
61.1 |
521.9 |
82 |
38.3 |
355.2 |
52 |
38.2 |
78.0 |
122.4 |
955.1 |
|
190 |
129 |
62 |
540.2 |
82 |
39 |
347.8 |
52 |
43 |
27.2 |
119 |
915.2 |
|
200 |
131 |
62 |
558.8 |
82 |
39.7 |
340.3 |
52 |
45 |
6.0 |
118.3 |
905.1 |
注：改造前功率因數(shù)為0.85；改造后功率因數(shù)為0.97。
從上表中數(shù)據(jù)可知，220噸鍋爐在從140噸到200噸運行過程中，三臺風機的節(jié)電效果隨鍋爐負荷的增加而下降，隨鍋爐負荷的減小而上升。而我公司鍋爐每年中運行在140噸到150噸大約有8個月，運行在200噸大約有2個月，運行在180噸大約有1個月，檢修時間大約有1個月。改造前4#爐每年三臺風機用總電量約為1863.13387萬度（kW·h），改造后每年三臺風機總用電量約為941.15169萬度（kW·h），故4#爐變頻改造后比改造前每年可節(jié)約電能約921.98219萬度（kW·h），節(jié)電率約為49.5%。也就是說，我們只用改造前50.5%的用電量就能完成改造前的生產(chǎn)任務(wù)。如果每度電銷售價格以0.45元計，那么我公司4#爐三臺風機變頻改造后每年可節(jié)約的9219821.9度(kW·h)廠用電，相當于節(jié)支414.89198萬元。在當年超額收回了投資成本，之后可每年為我廠節(jié)支414.9萬元。
6.結(jié)束語
4#爐三臺風機的高壓變頻節(jié)能改造，是我們總廠2006年的一項重要改造項目。是我們企業(yè)領(lǐng)導經(jīng)濟管理意識的前瞻性體現(xiàn)，是企業(yè)由粗放型管理向資源節(jié)約型管理過渡的具體舉措，是我廠在高壓變頻節(jié)能改造方面邁出的又一具有實質(zhì)性意義的一步。其改造后的工藝效果和節(jié)能效果極大地鼓舞了公司全體職工的工作積極性，有效激發(fā)了職工對節(jié)能工作重要性的認識。其經(jīng)濟效果之顯著，已經(jīng)成為我們企業(yè)增效的新亮點。同時說明我們企業(yè)生產(chǎn)節(jié)能的潛力是巨大的，我們在變頻節(jié)能改造的道路上還有很長的路要走，還有很多的工作要做。
參考文獻：
北京利德華福電氣技術(shù)有限公司 高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)HARSVERT-A系列技術(shù)手冊
作者簡介：
張文鴻，男，1966年10月出生，1990年畢業(yè)于沈陽高等電力�？茖W校。在中國石油錦西煉油化工總廠熱電公司電氣車間工作，電氣工程師。技術(shù)成果有高壓靜電除塵器頂部振打監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用等。負責4#爐高壓變頻器的整套控制和現(xiàn)場安裝設(shè)計，施工安裝及調(diào)試的全部工作。
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