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,、水泵等設備傳統的調節(jié)方法是通過調節(jié)入口或出口的擋板、閥門開度來調節(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矩負載,，軸功率與轉速成立方關系，所以當風機、水泵轉速下降時,，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速器來調節(jié)流量,、風量,，應用變頻器節(jié)電率一般為20％～50％，而且通常在設計中,，用戶水泵電機設計的容量比實際需要高出很多,，存在“大馬拉小車”的現象，效率低下,，造成電能的大量浪費,。因此推廣交流變頻調速裝置效益顯著。
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，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速方法中,，變頻調速的性能最好,，調速范圍大，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、輸出電路和驅動電路等構成,，主要任務是完成對逆變器的開關控制,、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制信息以產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,，如表1所示,。
（1）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
?。?35kw
其中運行功率因數cosφ取0.85。
?。?）2a引風機改造后變頻運行預計功率
按當地0.72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據對比,，列表如表2所示,。
4 工程應用
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工頻/變頻互相切換的斷路器,，變頻控制方案如下：
（1）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),。
?。?）可通過dcs控制變頻器輸出頻率。當選擇自動時,，按爐膛負壓設定值自動調節(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％,，對應于變頻器輸出0～50hz。
?。?）人工變頻轉工頻：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畫面對變頻轉工頻復位，變頻轉工頻完成,。
?。?）變頻器故障時轉工頻：出現變頻器故障時dcs系統立即發(fā)出報警，把入口風門回關到一定開度（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,，確保鍋爐壓力平穩(wěn)。
?。?）工頻轉變頻：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 調試情況
4.2.1 第一次調試（電機空載）
?。?）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，電機由變頻轉入工頻運行,，切換成功,，電機運轉正常。
?。?）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,。
（3）我們考慮可能是電動機的反電勢與j1上側電源不同期,，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,。
?。?）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。
?。?）經過上一步可以確認,，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,。
?。?）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負載,，變頻器對運轉的電機進行捕捉再起動，時間較長,，經過約50s,，電機才達到了正常額定轉速1000r/min，不能滿足爐膛壓力（±2.5kpa）的需要,。
?。?）工頻切變頻試驗（第四次）：將sj延時時間調整為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，經過約100s,，電機才達到了正常額定轉速1000r/min,，不能滿足爐膛壓力的需要。
4.2.2 第二次調試（電機空載）
經過研究變頻器的說明書,，變頻器具有應對旋轉負載的特性,，允許變頻器測定已經處于運轉狀態(tài)的電機的速度，變頻器可以向電機提供與旋轉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,。旋轉負載特性分為2個階段,。在第一階段，旋轉負載操作自動進行,，用戶無須作任何調整,。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，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速度,，這個階段需要對參數進行調整,，以使“掃描功能”能夠正常。也就是說,，變頻器若在3～4個電機時間常數內再起動,，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，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。調試情況如下：
?。?）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。
?。?）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內變頻器啟動,，升速到設定轉速,，切換過程中，爐膛負壓在-0.6kpa～0.5kpa之間波動,，爐膛聯鎖停爐的壓力設定值為±2.5kpa以內,，鍋爐運轉正常，切換成功,。
?。?）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％,，之后又回關至9％，切換成功,。
?。?）工頻切變頻：切換前參數為風門開度40％，電機電流128a,，頻率設定100％,，dcs發(fā)出指令到切換完成恢復穩(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32s變頻器完成啟動到電機轉速完全恢復,，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,，調試結果均取得成功,，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,。但應指出以上是在鍋爐未投煤,，負荷100t/h的工況下的試驗數據，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實際驗證。
5 改造后效能分析及經濟性評價
2009年2月,，2a引風機變頻器投用后,，經過三個月的連續(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：
（1）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,，完全達到了預期的節(jié)電效果,。
（2）變頻改造后,，該廠供電標煤耗由360g/kw.h,，下降了0.8g/kw·h，一方面提高了技術經濟指標水平,，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,。
（3）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 結束語
通過以上分析,，可以得出以下結論：
?。?）風機經過變頻改造后，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,。
（2）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,。