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    徐国华 （1976-）

    男，大学本科，助理工程师，从事热电厂电仪方面的工作。



    摘   要：本文主要介绍了Zinvert高压变频调速系统的工作原理和控制系统的组成，分析了广东溢达纺织有限公司热电厂目前引风机的现状和存在的不足。将高压变频器成功应用在了3台75t/h循环流化床锅炉引风机电机上，给电厂带来了较大的经济效益，更重要的是减少了环境污染，达到了节能减排的目的。

    关键词：高压变频器；锅炉引风机；节能

    Abstract: 3 sets of 10KV high voltage frequency inverters have been successfully applied to exhaust blowers for 75t/h CFB boilers at the Thermo-power Plant of Guagndong Esquel Textile Company. The application not only brings good financial return due to energy saving, but also reduces pollution. In this paper, the principle of Zinvert frequency inverter and the control system are introduced. The current running status and existing problems are also analyzed.

    Key words: High voltage frequency inverter;  exhaust blower; energy saving

    1 概述

    我国有超过5亿千瓦的电机，他们每年要消耗800亿～1000亿千瓦时的能量，占工业能源消耗量的75％，总能源消耗量的60％。其中，70％用来驱动送风机和电泵、总量达2.5亿千瓦的电机，都应该使用变速驱动。但实际上，只有20％使用了变速驱动，巨大的电能浪费不言而喻。然而，我国高压电动机存在“大马拉小车”的现象主要是设计上的原因，另外，在某些场合即使裕度选得不是很大，但由于负荷波动大，电动机不能跟随负荷的波动进行调节，能源被大量浪费，并且造成了严重的环境污染。

    加强节能减排是实现科学发展观、构建社会主义和谐社会的必然选择，是实现经济社会可持续发展、实现人与自然和谐共存的必然要求，更是新时期下实现改革开放以及社会主义现代化建设又好又快发展的必然前提。因此，我们要充分认识节能减排的重要性，切实加强节能减排工作的实施力度，但是实现节能减排目标面临的形势十分严峻，只有全民行动起来，坚持节约发展、清洁发展、安全发展，才能实现经济又好又快发展。近年来国家出台一系列相关政策，鼓励各企事业单位采用低能耗型产品和采取积极手段进行节能技术改造，效果明显，厂用电率明显下降，大大降低了发电成本，同时由于采用变频调节技术，风机水泵等设备转速降低，设备的磨损减少，延长了设备的使用寿命，减少了维修成本。

    2 变频改造的可行性分析

   2.1 热电厂引风机现状

   锅炉引风机、电机参数见表1。

                 表1

                

注：全年运行于挡板开度35%～45％，电机运行电流14～15A。

    由于生产工艺需求，要保证锅炉正常运行，需保证炉膛内气体压力为－200pa～＋50pa。此时引风机进风口挡板开度平均维持在35%～45％左右，挡板入口风压为－2400pa左右，出口风压为－2400－P0帕（P0为挡板前后压差，采用变频调速后，挡板全开，压差为零），风量为69000m3/h。引风机入口风压为－2400－P0帕，出口风压为－2400－P0＋P1帕（P1为引风机提升的气体压力即风机前后压差）。

    目前引风机采用入口挡板调节，以维持炉膛以及管道的气压。虽然能节省一部分能量，但由于挡板前后的压力差P0很大，具体数值需根据风机的特性曲线来推算或在现场经过实际测量得来，有很大一部分能量消耗在挡风板上。同时由于挡板开度很小，风机运行在低效率区，也浪费了很大一部分能量，因此存在较大的节能空间。

    2.2 变频改造前后运状况分析

    变频改造虽然可以达到节能的效果，但首先必须要保证原有的生产工艺要求，即保证炉膛内的负压在－200Pa～＋50 Pa之间。

    对引风机进行改造后，入口挡板全开，电机在低速运行，在这种情况下只要满足以下两点即可保证锅炉的正常运行：

   · 改造后保证原引风机入口挡板处风量仍为69000 m3/h，气压仍为－2400 Pa左右;

   ·  风机出口风压高于综合考虑烟尘密度，烟囱高度，管道阻力的一个静压值。

    如图1所示，K1为风机在工频转速下的特性曲线，K2为风机在变频转速下的特性曲线。L0为挡板开度为35％～45％时的管道阻力曲线，L 1为挡板全开时管道的阻力曲线，A、B分别为改造前后风机的运行点。横坐标表示风量，纵坐标表示风压。
                           

                                       图1

    结合管道中几个重要的点来看改造后的情况。
    

              

                                     图2

    如图2所示，变频改造后通过设定风机的转速，保证流量仍为69000m3/h。从风机入口挡板前位置来看，其压力仍为－2400Pa，因此并不改变锅炉系统原有的运行工况。由于挡板全开，风机入口风压由改造前的－2400－P1升至改造后的－2400Pa，因此风机所需要提升的风压P3也比改造前要小，而且由于流量不变，将挡板和风机当作一个整体来考虑的话，风机的出口风压将保持在改造前的数值。也就是说－2400＋P3等于－2400－P1＋P2，即P2－P3＝P1，即P3=p2-p1，风机所需要提升的风压降低了P1，P1即改造前挡板前后的压差，改造后即省去由挡板前后压差造成的能量损失，同时由于风机在改造前运行在低效区，改造后将运行在高效区，这也节省部分能量。因此变频改造后，既不会影响原有锅炉的燃烧系统，可保证炉膛负压，同时也可以保证烟气完全排入高空。

    如图1所示，从风机的运行曲线图来分析采用变频调速后的节能效果。当所需风量为69000m3/h时，即额定工况运行时，如果采用挡板调节法，挡板开度为45%，管网阻力较大，管网特性曲线较陡，系统的运行工况点为A点。当所需风量小于69000m3/h时，运行工况在A点之前，P2增大，根据公式计算，电机消耗功率明显增大。

    如果采用变频调速控制方式，挡板全开，其管网阻力较小，如图1所示，管网阻力曲线由L0下移到L1。为保证风量不变，风机转速由K1下降到K2，运行工况点由A点移至B点，此时由于挡板全开，查风机的效率曲线，风机的效率提高，综合效率η2大于η1，而且P3小于P2，两者之差为挡板前后压差P1，因此采用调速控制后可大大降低电机消耗功率。

    经以上分析，对引风机进行变频节能改造是完全可行的。

    3 高压变频工作原理与改造注意事项

    通过市场多次调研之后，该厂最终选择了广州智光电机有限公司的Zinvert智能高压变频器，它的主要特点是采用了功率单元串联技术解决电气元件的耐压问题，另外，它采用了先进的多级H桥单元模块结构，通过高速光纤数字通信技术，实现高压主回路与控制系统的隔离，抗电磁干扰，可靠性高，为直接高压输出型变频调速系统。

    3.1 电气工作原理

    Zinvert系列智能高压变频调速系统主要由变压器、功率逆变柜及控制柜组成，实际使用时还可按用户要求配套旁路切换柜。变压器副边绕组相互隔离，并采用移相延边三角形接法，保证系统工作在20%负载以上时电网侧功率因素保持在0.96以上。

    Zinvert系列变频器核心元件是功率单元，功率单元主要由三相桥式整流器、滤波电容器组、IGBT逆变桥（H桥）构成，同时还包括功率器件驱动、保护、信号采集、光纤通讯等功能组成的控制电路，通过控制IGBT的工作状态，输出PWM电压波形。
该厂现在每台锅炉引风机高压变频器由27个ZINVU-020/17B01功率单元经过移相串联组成，每相9个，电压叠加原理类同于“电池组叠加”技术，如图3所示。
                         

                                        图3

    3.2 控制系统组成

     Zinvert系列智能高压变频器的控制系统采用开环恒压频比控制，具有结构简单、工作可靠，主控制部分以双数字信号处理器（DSP）为控制核心，辅以可编程逻辑器件（CPLD/FPGA）、AD采样和模拟输入输出单元、数字量输入输出接口。由液晶（LCD）显示器、LED指示和键盘组成的人机界面。单元的控制部分以可编程逻辑器件为核心，配合专用的IGBT驱动和保护模块和检测回路。主控制部分和单元控制部分的控制信号通过光纤进行信号传输，有效避免电磁干扰，增强系统的可靠性。

    3.3 变频改造中的问题处理与运行注意事项

    改造后，前后出现了一些问题，具体反应在以下几个方面：

    （1）转速同步问题：当锅炉工频运行过程中，同步无扰切换到变频时，变频器突然跳闸，切换失败。检查发现，变频器主控制器程序出错，变频器上高压后，主控制器首先应该检测电机转速，重新刷写程序后转速同步正常，工频与变频满足无扰切换。

    （2）零序干扰问题：由于受相电压的干扰，零序电压最高达到了600V，超过了500V的保护值，所以变频运行时，发生过多次零序保护跳机的情况。笔者仔细查看了二次回路，和厂家图纸比较也没问题，最后将零序电压测量部分的线路单独布线，屏蔽单独接地，得到解决。分析原因可能是A、B、C三相电压二次测量回路和零序电压测量回路共一条屏蔽电缆所致，现在厂家也同意更改图纸消除隐患。

    （3）变压器容量问题：当引风机变频器运行在40Hz以上时，变压器线圈绕组发热量很大，温度接近90℃，虽然根据厂商参数，变压器最高可以运行在125℃，但仍建议按照厂家根据电机容量选择变频器的容量时应再升高一个等级，让变频器运行在80%左右的容量负荷比较可靠。

    （4）功率单元柜的高压电容：变频器在启动和停止过程中对功率单元柜中的高压电容冲击特别的大，容易损坏，建议升速率和降速率严格控制在10Hz/分钟，防冲击电压对功率单元的损坏。

    （5）变频器的工作环境：环境对高压变频器影响特别大，一定要将环境温度控制在30℃左右，因为功率单元和变压器运行过程中发热量大，通过内部的对流风扇进行散热，另外就是做到基本上无灰尘，因为功率单元柜的运行信息与主控制器是通过光纤通信的，当光纤头积灰就会造成通信故障，从而导致跳机。

    （6）设旁路开关：当变频器出现故障时，为了不影响锅炉的运行，设置高压旁路开关是必须的。
只要做到以上几点，就能保证变频器常期稳定运行。

    4 变频改造后效果分析

    4.1 系统功率因素大大提高

    电机变频改造前，额定功率因素为0.8，需要消耗电厂大量的无功，变频改造后，由于Zinvert系统中整流变压器副边绕组采用移相延边三角形接法，功率因素能保持在0.96以上，减少了线路损耗，为电网系统做出了贡献。

    4.2 经济效率和回收期

    变频改造前，锅炉引风机电机实际平均消耗的电功率为P＝31/2IUCOSφ=1.732×14.5×10.5×0.8≈211KW。

    变频改造后为保证炉膛负压，因此必需通过设定频率，风机在一定的转速下流量仍保持为69000m3/h，此时风机入口风压仍为－2400Pa，风机出口风压仍保持为变频改造前的大小，平均一次电流为8A，变频改造后电机平均消耗的电功率为：P＝31/2IUCOSφ=1.732×8×10.5×0.96≈140kW（其中0.96为电机功率因素）。所以，每台变频器年节省电费为（211－140）×0.7×7200≈35.8万元（按全年运行7200h计，溢达电厂负荷大，每月平均下网200万度左右，所以电价按溢达公司平均下网0.7元/kwh计算），三台锅炉引风机高压变频改造后年节省费用为35.8×3 = 107.4万元。

    每台变频器投资68万元，三台锅炉共投资204万元，回收期为204÷107.4=1.9年。

    现在热电厂供电标煤耗为480克/度，一年三台锅炉引风机变频器节电（211-140）×7200×3=1533600度，即节约标煤1533600×0.48×0.001=736.128吨，根据国家环保局的测量数据，1吨标准煤产生2.493吨温室气体，所以三台锅炉变频改造后少排放温室气体质量736.128×2.493≈1835.2吨，达到了节能减排的目的。
  
    5 结论

    广东溢达纺织有限公司热电厂3台锅炉引风机在珠三角范围内率先采用高压变频改造后，系统运行稳定，设备可靠，取得了明显的节电效果，获得很好的经济效益。同时，变频改造后节约了厂用电，还减少了对环境的污染，也为广东溢达纺织有限公司致力打造绿色链纺织品的跨世纪目标做出了贡献，接下来，还将对电厂循环水泵，锅炉送风机和循环水泵逐步进行变频改造。

    参考文献：

    [1] 雷孝恩. 大气污染数值预报基础和模式[M]. 北京: 气象出版社.

    [2] 杜贤国，郭培彬，韩文昭. 高压变频器在冷却水循环泵上的应用[J]. 变频器世界，2005(7).




                                                                    源自：《自动化博览》