1 引言
我國的電動機用電量約占全國發(fā)電量的60％～70％，風機,、水泵設(shè)備年耗電量約占全國電力消耗的1/3,，造成這種狀況的主要原因是：風機、水泵等設(shè)備傳統(tǒng)的調(diào)節(jié)方法是通過調(diào)節(jié)入口或出口的擋板,、閥門開度來調(diào)節(jié)給風量和給水量,，其輸出功率大量地消耗在擋板、閥門的截流過程中,。由于風機,、水泵類大多為平方轉(zhuǎn)矩負載，軸功率與轉(zhuǎn)速成立方關(guān)系,，所以當風機,、水泵轉(zhuǎn)速下降時，消耗的功率也大大下降,，因此節(jié)能潛力非常大,，最有效的節(jié)能措施就是采用變頻調(diào)速器來調(diào)節(jié)流量、風量,，應(yīng)用變頻器節(jié)電率一般為20％～50％,，而且通常在設(shè)計中，用戶水泵電機設(shè)計的容量比實際需要高出很多,，存在“大馬拉小車”的現(xiàn)象,，效率低下，造成電能的大量浪費,。因此推廣交流變頻調(diào)速裝置效益顯著,。
2 改造前引風機運行能耗分析
某熱電廠為2臺410t/h循環(huán)流化床（cfb）鍋爐，總裝機容量為100mw汽輪發(fā)電機組，主要向某大型化工廠提供熱電供應(yīng),，供電標煤耗為360g/kw·h,，高于行業(yè)平均水平。2臺cfb鍋爐各掛有2臺高壓引風機,，型號為ykk630-6w-1250kw,，變頻改造前，額定1250kw的引風機電機正常運行負荷為830kw左右,，其輸出功率通過風門開度進行調(diào)節(jié)，正常狀況下,，風門開度基本維持在40%左右,，相當大的一部分電能消耗在風門擋板上，能源浪費嚴重,，節(jié)能潛力巨大,。
3 節(jié)能改造原理分析
3.1 通用高壓變頻器簡介
在交流異步電機的諸多調(diào)速方法中，變頻調(diào)速的性能最好,，調(diào)速范圍大,，靜態(tài)穩(wěn)定性好，運行效率高,。通用變頻器的工作原理如圖1所示,。
圖1中，整流器的作用是把三相（或單相）的交流電整流成直流電,。逆變器的作用是有規(guī)律地控制逆變器中主開關(guān)器件的通與斷,，可以得到任意頻率的三相交流電輸出。中間直流環(huán)節(jié)和電動機之間總會有無功功率的變換,，這種無功能量要靠中間直流環(huán)節(jié)的儲能元件（電容器或電抗器）來緩沖,。控制電路：常由運算電路,、檢測電路,、控制信號的輸入、輸出電路和驅(qū)動電路等構(gòu)成,，主要任務(wù)是完成對逆變器的開關(guān)控制,、對整流器的電壓控制以及完成各種保護功能等。
3.2 西門子羅賓康完美無諧波變頻器原理
本次設(shè)備改造選用了西門子羅賓康完美無諧波變頻器,，型號為ph-6-6-1250,，變頻器的電路圖如圖2所示。輸入隔離變壓器t1的每一個次級僅供給一個功率單元,，每個功率單元通過光纖接收調(diào)制信息以產(chǎn)生負載所需要的輸出電源頻率,，每個功率單元可分為整流部分、直流環(huán)節(jié)和逆變部分。
單個功率單元原理圖如圖3所示,，igbt工作原理如圖4,。當igbt q1、q4同時閉合時,，電機上的電壓為a點高,，b點低；igbt其重要q2,、q3同時閉合時,，則電機上的電壓為a點低b點高。這樣和連續(xù)不斷地交替開合,，在電機兩端就形成了一交變電壓,，也就是交流電。西門子完美無諧波變頻器通過將多個低壓功率單元（690v）的輸出疊加起來得到近似于正弦波的中壓（6kv）波形,。圖5為3個功率單元疊加后輸出的近似正弦波波形,。
3.3 引風機變頻調(diào)速節(jié)電原理的計算
以2#爐引風機作為例，先分析改造前2＃cfb爐2臺引風機（2a,、2b）的運行工況和基本參數(shù),，如表1所示。
?。?）2a引風機改造前工頻運行功率
p1 =u×i×1.732×cosφ
?。?.3×90×1.732×0.85
＝835kw
其中運行功率因數(shù)cosφ取0.85,。
?。?）2a引風機改造后變頻運行預(yù)計功率
按當?shù)?.72元/kw·h平均外購電價（含稅）和全年330天運行時間計算：
2a引風機每年節(jié)約電費約（835-436）×24×330×0.72＝227.5萬元
將2a引風機改造前后的用電消耗數(shù)據(jù)對比，列表如表2所示,。
4 工程應(yīng)用
4.1 引風機變頻控制方案的確定
基于上節(jié)分析,，該熱電廠對2臺爐的各一臺引風機進行變頻改造。同時,，為滿足化工廠連續(xù)供熱供電的要求,，該引風機高壓變頻器應(yīng)具備在線工、變頻互相切換功能,，即變頻器故障可以自動切到工頻運行,，變頻修復(fù)后，可以人工切回變頻運行,，而不影響鍋爐連續(xù)正常運行,。
引風機變頻改造后的一次系統(tǒng)圖如圖6所示，dl是廠用變電所732#柜斷路器,；j1,、j2,、j3是與變頻器配合使用實現(xiàn)工頻/變頻互相切換的斷路器，變頻控制方案如下：
?。?）j1和j2閉合,，j3斷開為變頻狀態(tài)；j1和j2斷開,，j3閉合為工頻狀態(tài),。
（2）可通過dcs控制變頻器輸出頻率,。當選擇自動時,，按爐膛負壓設(shè)定值自動調(diào)節(jié)輸出；選擇手動時,，輸出值由操作人員手動輸入,，輸入值為0～100％，對應(yīng)于變頻器輸出0～50hz,。
（3）人工變頻轉(zhuǎn)工頻：由dcs發(fā)信號,，使j1和j2跳閘后,，再使j3合閘，完成后,，需要人工在dcs畫面對變頻轉(zhuǎn)工頻復(fù)位,，變頻轉(zhuǎn)工頻完成。
?。?）變頻器故障時轉(zhuǎn)工頻：出現(xiàn)變頻器故障時dcs系統(tǒng)立即發(fā)出報警,，把入口風門回關(guān)到一定開度（40%），同時變頻器故障時發(fā)信號使j1和j2跳閘以及時間繼電器sj得電,，延時使j3合閘,，變頻轉(zhuǎn)工頻完成。此時爐膛負壓會有一定波動,，操作人員可以進行人工干預(yù),，確保鍋爐壓力平穩(wěn)。
?。?）工頻轉(zhuǎn)變頻：由dcs發(fā)信號使j3分閘,，j1合閘。延時2s后,，j2合閘（躲開電機反電動勢的影響）,，工頻轉(zhuǎn)變頻完成。
?。?）引風機變頻控制操作流程方案,，如圖7所示,。
4.2 調(diào)試情況
4.2.1 第一次調(diào)試（電機空載）
（1）變頻切工頻試驗：人工從遠方dcs發(fā)變頻切工頻命令,，j1,、j2斷路器跳閘，j3斷路器合閘,，電機由變頻轉(zhuǎn)入工頻運行,，切換成功，電機運轉(zhuǎn)正常,。
?。?）工頻切變頻試驗（第一次）：dcs發(fā)工頻切變頻命令，j3跳閘,，j1,、j2合閘，j1,、j2合閘后,，變頻器的過電流（ioc）報警動作，再次跳開j1,、j2后合j3切回工頻運行,。工頻切變頻不成功。
?。?）我們考慮可能是電動機的反電勢與j1上側(cè)電源不同期,，造成變頻器ioc動作，于是將j2合閘輔助觸點串入j1,，使j2合閘后j1才能合閘,。
（4）工頻切變頻試驗（第二次）：電機啟動后,，人工跳j3,，合j2，此時未合上j1,，隨即變頻器輸出“ioc”報警,，因變頻故障自動回切工頻，因此可以證明,，“ioc”來自j1合閘及變頻器啟動之前,。
（5）經(jīng)過上一步可以確認,，ioc報警是由于電動機的反向電動勢造成的,，為躲開電機反電勢的影響，我們對控制回路進行改造,，串入時間繼電器sj,，即j3跳閘后,，延時合j1、j2,，初步整定延時時間為4s,。
（6）工頻切變頻試驗（第三次）：由dcs發(fā)工頻切變頻命令,，切換成功,，由于是此時電機為旋轉(zhuǎn)負載，變頻器對運轉(zhuǎn)的電機進行捕捉再起動,，時間較長,，經(jīng)過約50s，電機才達到了正常額定轉(zhuǎn)速1000r/min,，不能滿足爐膛壓力（±2.5kpa）的需要,。
（7）工頻切變頻試驗（第四次）：將sj延時時間調(diào)整為5s,，第四次dcs發(fā)工頻切變頻命令,，切換成功，但變頻器捕捉再起動時間更長,，經(jīng)過約100s,，電機才達到了正常額定轉(zhuǎn)速1000r/min，不能滿足爐膛壓力的需要,。
4.2.2 第二次調(diào)試（電機空載）
經(jīng)過研究變頻器的說明書，變頻器具有應(yīng)對旋轉(zhuǎn)負載的特性,，允許變頻器測定已經(jīng)處于運轉(zhuǎn)狀態(tài)的電機的速度,，變頻器可以向電機提供與旋轉(zhuǎn)電機頻率相同的輸出電壓，使得變頻器供電時對電機的沖擊最小,。旋轉(zhuǎn)負載特性分為2個階段,。在第一階段，旋轉(zhuǎn)負載操作自動進行,，用戶無須作任何調(diào)整,。變頻器監(jiān)測電機磁通并能立即啟動電機。這一階段在電機磁通能在檢測到時前一直持續(xù),。其典型情況,，如果變頻器禁止和重啟動的時間間隔為3
到4個電機時間常數(shù)，則變頻器能瞬間重啟動,。第二階段包含一個掃描特性,，在此期間，頻率不同的固定電流加到電機上,。變頻器監(jiān)測電機磁通,，當電機磁通達到磁通閾值時,，假定變頻器所加頻率等于電機的旋轉(zhuǎn)速度，這個階段需要對參數(shù)進行調(diào)整,，以使“掃描功能”能夠正常,。也就是說，變頻器若在3～4個電機時間常數(shù)內(nèi)再起動,，能夠立即起動,，于是，我們認為是sj延時過長引起變頻器捕捉再起動時間慢,。
修改控制參數(shù),，跳開j3后延時2s再合j1、j2,，變頻器自檢時間約3s,。
工頻切變頻試驗（第五次）：工頻切變頻啟動成功，變頻器立即自起,，迅速升速至600r/min,，變頻輸出由0hz加速至45hz用時20.9s，基本可以滿足爐膛壓力的需要,。
4.2.3 第三次調(diào)試（電機帶負載）
在2#爐一次,、二次風機、2臺引風機,、高壓返料風機全部開啟,、未投煤，鍋爐負荷100t/h的工況下,，對工頻切變頻控制回路進行改造調(diào)試：跳j3后立即合j1,，延時2s合j2，縮短變頻器起動的時間,，已接近鍋爐的實際工況試驗,。調(diào)試情況如下：
（1）變頻切工頻試驗：在dcs發(fā)命令進行手動切換,，命令發(fā)出后j1,、j2跳閘，j3合閘,，變頻切工頻成功,。
（2）工頻切變頻試驗：試驗前工藝風門開度為40％,，電機電流128a,，變頻輸出給定為100％，由dcs發(fā)工頻切變頻命令,，命令出口后,，10s內(nèi)變頻器啟動,，升速到設(shè)定轉(zhuǎn)速，切換過程中,，爐膛負壓在-0.6kpa～0.5kpa之間波動,，爐膛聯(lián)鎖停爐的壓力設(shè)定值為±2.5kpa以內(nèi)，鍋爐運轉(zhuǎn)正常,，切換成功,。
（3）模擬變頻器故障切工頻：試驗前工藝風門開度100％,，爐膛壓力-0.1kpa,，2b＃引風機風門投自動，人為按下變頻器急停按鈕,，j1,、j2跳閘，j3延時12s合閘,，爐膛壓力在0.4kpa～0.88kpa之間波動,，2b＃引風機擋板從0打開至12％，之后又回關(guān)至9％,，切換成功,。
（4）工頻切變頻：切換前參數(shù)為風門開度40％,，電機電流128a,，頻率設(shè)定100％，dcs發(fā)出指令到切換完成恢復(fù)穩(wěn)定用時34s,，爐膛壓力在0～1.3kpa之間波動,，切換成功。
?。?）變頻切工頻：切換前參數(shù)為風門開度100％，爐膛壓力0kpa,，切換指令發(fā)出后,，j1、j2跳閘,，j3延時13.8s合閘,，爐膛壓力在0～1.06kpa之間波動，切換成功,。
?。?）工頻切變頻：切換前引風機風門開度40％，電機電流128a,，變頻器給定100％,，2b＃引風機風門投手動,，爐膛壓力0kpa，切換命令發(fā)出后,，j3跳閘,，j1合閘，延時2s后j2合閘經(jīng)32s變頻器完成啟動到電機轉(zhuǎn)速完全恢復(fù),，切換過程中爐膛壓力最高為0.8kpa,，切換成功。
?。?）上述3次變頻切工頻,，3次工頻切變頻，調(diào)試結(jié)果均取得成功,，可以保證切換過程中引風機連續(xù)運行,，鍋爐壓力波動在允許范圍內(nèi)。但應(yīng)指出以上是在鍋爐未投煤,，負荷100t/h的工況下的試驗數(shù)據(jù),，若在鍋爐滿負荷410t/h運行工況下，工/變頻的在線相互切換需經(jīng)實際驗證,。
5 改造后效能分析及經(jīng)濟性評價
2009年2月,，2a引風機變頻器投用后，經(jīng)過三個月的連續(xù)運行,，情況一直十分穩(wěn)定,，節(jié)電效果十分明顯，分析如下：
?。?）2a#引風機電機功率由原來830kw下降至400kw左右,，2b＃引風機電機負荷保持不變，扣除變頻器室空調(diào)等耗電20kw,，相對于變頻改造前,，該電機運行一天可節(jié)電：（830-400-20）×24=9840kw·h，每年（按運行330天算）可節(jié)約電能：9840×330天= 3247200 kw·h,，按平均外購電價約0.72元/kw·h（含稅）算,，每年可節(jié)約電費233.8萬元，完全達到了預(yù)期的節(jié)電效果,。
?。?）變頻改造后，該廠供電標煤耗由360g/kw.h,，下降了0.8g/kw·h,，一方面提高了技術(shù)經(jīng)濟指標水平，另一方面按年發(fā)電5億kw·h算，煤價按600元/t算,，全年可節(jié)約用煤400t,，節(jié)約燃料成本約24萬元。
?。?）按照單臺變頻器投資約250萬元,，不到一年即可收回全部投資。另一臺cfb鍋爐的1a引風機的變頻改造將在2009年下半年cfb鍋爐檢修時進行,。
6 結(jié)束語
通過以上分析,，可以得出以下結(jié)論：
（1）風機經(jīng)過變頻改造后,，節(jié)電效果十分明顯,，雖然一次投資大些，但一年的投資回收期足可以彌補一次投資大的不足,。該熱電廠1臺引風機改造后,，cfb鍋爐另1臺引風機的風門開度只有40%左右，另外,，一次風機的風門開度為58%,，二次風機的風門開度為43%，能耗依然嚴重,，節(jié)電潛力很大,，建議盡早投資改造為變頻運行。
?。?）本次引風機變頻改造,，滿足了該熱電廠為化工廠連續(xù)供熱供電的要求，實現(xiàn)了在線工/變頻互相切換功能,，完全可以保證電廠鍋爐連續(xù)正常運行,，解決了電廠變頻器無法在線從工頻切回變頻的難題，特別適用于長周期連續(xù)運行的熱電廠,。