變頻器在寧波熱電技術改造中的應用
金 星 ( 寧波熱電股份有限公司 )
0、序言
變頻調速在節能、調速精度、調速范圍等方面具有同其它調速裝置無法比擬的優越性，以及可以方便實現同自動化控制系統（如DCS系統等）的通訊，使其在各領域得到廣泛的應用。本文以我公司最近幾年應用變頻調速進行技術改造的幾個成功事例進行介紹和總結，由此說明變頻器裝置在各行業技術改造中的廣闊應用前景。
1、鍋爐風機電機應用變頻器調速控制
1.1 鍋爐二次風機電機應用變頻器調速控制
我公司鍋爐為75（T/H）循環流化床鍋爐，每臺鍋爐配置引風機、一次風機(送風機)、二次風機各一臺，各電機主要技術參數如下：
我們知道，由于鍋爐在正常運行中的燃料構成、熱負荷、電負荷以及季節等變化因數較大，因此，鍋爐燃燒所需要的空氣量在各個不同的情況下，也相應有較大的變化，然而，鍋爐配置的風機是按鍋爐最大出力情況下的所需最大風量來設計，并必須考慮鍋爐在事故情況下一定的風量裕度，所以，風機電機功率的配置一般都較大，從表中的統計數據可看出，鍋爐風機檔板的平均開度，在正常情況下引風機為48%左右，二次風機僅為45%左右。用檔板調節控制，大量電能浪費克服擋板的阻力上，造成廠用電率高，影響機組的經濟運行。
2000年底，我們首先選擇在1#爐的二次風機上進行改造嘗試，并考慮到二次風機電機功率設計時配置裕量較大，我們有意選擇132KW功率的變頻器來控制160KW功率的電機，變頻器的型號為三菱FR—F540L—132K，電壓等級為380V，變頻器于2001年元月安裝調試完畢并投入運行，通過一段時間的運行測試，二次風機工頻電流由原來的平均135（A）下降到現在的平均70—75（A），節能效果相當顯著，并且變頻器技術性能完全滿足鍋爐運行工藝的要求（主要是風壓、風量、加減風的速率等），根據電度表測定，節能效率在45%左右,基本上一年可以收回投資。并且電機在啟動、運行調節、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2#、3#爐二次風機也進行了變頻器改造，運行至今情況良好。在對鍋爐二次風機電機旁路設計上，我們采用的是雙投閘刀，用手動切換方式，在實際使用中效果也很好，不僅投資節約，而且接線簡單、可靠，安裝也相當方便，二次風機變頻器接線如圖（1）。
1.2 鍋爐引風機電機應用變頻器調速控制
在鍋爐二次風機上變頻器調節裝置改造成功后，使我們看到變頻器技術改造的巨大節能潛能和良好的效益，2002年12月，我們在3#鍋爐引風機上進行高壓變頻器調速系統改造，經過多方面技術考察、比較，我們認為北京利德華福電氣技術有限公司生產的HARSVERT-A06/050變頻器在性能價格比上有較好優勢，并且產品在國內市場應用也比較廣泛，售后服務全面周到，HARSVERT-A06/050變頻調速系統采用多級模塊串聯，交直交、高-高型電路，電源變換器采用30脈沖，二極管三相全橋型
圖2—引風機變頻器接線 式，輸出采用IGBT 逆變橋串連型式，原電動機電源直接作為變頻器輸入電源，再通過變頻器輸出連接到電機，為充分保證系統的可靠性，變頻器同時加裝了工頻旁路裝置，變頻器異常時退出運行，電機可以直接手動切換到工頻運行下運行。旁路由3個高壓隔離開關QS1、QS2和QS3組成（見圖2，其中QF為原高壓開關柜內的斷路器）。在變頻工況運行時，QS1 和QS2閉合，QS3 斷開；工頻工況運行時，QS3閉合，QS1和QS2斷開。
變頻調速由安裝在鍋爐操作臺上的啟動、停機、轉速調整開關進行遠程控制，并可同DCS系統接口，通過DCS實現變頻器的調速控制，變頻調速裝置還提供報警指示、故障指示、待機狀態、運行狀態、旁路狀態、高壓合閘允許、高壓緊急分斷等保護信息以及轉速給定值和風機實際轉速值等必要指示，以便操作人員進行操作控制。
設備從2003年4月24日到貨至4月28日安裝調試結束，總共4天時間，還進行了一系列的動態試驗，如：變頻器50Hz滿載運行試驗、電機—風機系統臨界振動實驗、母線電壓波動試驗、變頻器與高壓開關的聯鎖試驗、連續快速增減符合試驗等，一切正常后，再進行連續的72小時試運行，至5月1日投入正常工作運行，設備運行至今一切正常，沒有發生過任何異常情況。
在變頻器改造以前，根據統計情況，鍋爐引風機的運行工頻電流在25A左右，通過變頻器調節裝置改造后，目前在鍋爐相同運行情況下，鍋爐的工頻電流在9—10A左右，平均降低電流達到15—16A，根據計算，平均節電125—130Kwh/h ，考慮裝置自耗電及將來空調用電16Kwh/h，總體節電效率為109—114 Kwh/h，節電率達到55%—53%，經濟效益相當顯著。因此，鍋爐引風機高壓變頻器節能技術改造項目是相當成功的，并進一步計劃對其它鍋爐引風機也進行變頻器調節裝置改造，以取得更大經濟效益。
3、補水泵電機應用變頻器進行補水調節控制
我公司熱電廠日消耗水量約6000—7000噸，主要用于化水處理、工業用水和生活用水，泵房共有補水泵三臺，其電動機的技術參數分別為：
型號 功率 額定電流 流量
1#泵 Y225S—4 37 KW 70.4 A 400噸
2#泵 Y225S—4 37 KW 70.4 A 400噸
3#泵 Y180M—4 18.5 KW 36.5 A 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，水泵不好控制和調節，使得電機啟停過于頻繁。另一方面，從凈水器的凈水效果來看，最理想的凈化方法應該是保持一定水量進行連續供水，這樣凈水效率高，效果也好。不要經常啟動、停止，造成斷水。凈水器停運期間，凈水器內的塑料斜管暴露在陽光下的時間過長容易老化，影響塑料斜管的使用壽命，如果凈水器停運時間過長，再使用時則需要重新經過反洗，這樣對用水的浪費相當大，再者，補水泵房至凈水器大約有600米距離，并且管道敷設較淺，在冬季發生過管道破裂現象，都是由于停水時間過長，管道內的積水不流動，在低溫下造成結凍引起。為此，我們對1#、2#補水泵電機進行變頻器調節改造，以達到控制水泵供水連續性的目的。變頻器選用三菱FR—F540L—37，電壓等級為380V。
補水泵改用變頻器調節補水，不僅僅在于考慮它對電機的節能效益，更重要的是從生產設備運行安全角度考慮，改造后的運行情況良好，提高了凈水器的凈水效果。并實現連續供水的目的，我們對補水泵變頻器控制的工藝要求，按照以下方案進行設計（接線如圖3）。
3.1 為充分利用變頻器，我們采用一臺變頻器來實現兩臺電機的調速控制；
3.2 兩臺補水泵均可實現變速、定速兩種方式運行，變頻器在同一時間只能作一臺電機的變頻電源，
所以每臺電機啟動、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；
3.2 二臺補水泵工作時，其中一臺由工頻供電作定速運行，另一臺由變頻器供電作變速運行，同一臺
電機的變速、定速運行由交流接觸器相互閉鎖，即在變速運行時，定速合不上，如下圖中，1C1與
1C2及2C1與2C2不允許同時合上；
3.4 為確保工藝控制安全、可靠，變頻器及兩臺電機的控制、保護、測量單元全部集中在就地控制柜
內，控制調節通過屏蔽信號電纜引接到控制室；
4、變頻器調速改造中應注意的一些技術問題
熱電廠充分利用變頻器進行節能技術改造，不僅能提高經濟效益，而且能產生巨大的社會效益，促進企業的技術進步。但在技術上，要根據不同的生產設備，選擇相應特性的變頻器，如在對鍋爐風機進行變頻器改造中，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，還同時在技術上必須要考慮下列問題，以免帶來投資的損失。
4.1 鍋爐的安全運行是全廠動力的根本保證，雖然變頻調速裝置是可靠的，但一旦出現問題，必須確保鍋爐安全供汽，所以，必須實現工頻--變頻運行的切換系統（旁路系統），在生產過程中，采用手工切換如能滿足設備運行工藝要求，建議盡量不要選用自動旁路，對一般的小功率電機，采用雙投閘刀方式作為手動、自動切換手段也是比較理想的方法。
4.2 對于大慣量負荷的電機（如鍋爐引風機），在變頻改造后，要注意風機可能存在扭曲共振現象，運行中，一旦發生共振，將嚴重損壞風機和拖動電機。所以，必須計算或測量風機--電機連接軸系扭振臨界轉速以及采取相應的技術措施（如設置頻率跳躍功能避開共振點、軟連接及機座加震動吸收橡膠等）。
4.3 采用變頻調速控制后，電機轉速下降，如果變頻器長時間運行在1/2工頻以下，則電機發熱有可能成了突出問題，一方面是由于電機自冷卻風扇因轉速低而效率降低，其另一方面是諧波引起的損耗發熱。如果出現這種情況，還必須對電機進行冷卻系統改造或采取另外的強迫風冷等措施。
4.4 變頻器不能由輸出口反向送電，在電氣回路設計中必須注意，如引風機高壓變頻器接線圖中，要求QS2和QS3不能同時閉合，在補水泵變頻器改造接線圖中，要求1C1與1C2及2C1與2C2不允許同時合上，不僅要求在電氣二次回路中實現電氣的連鎖，同時要求在機械上實現機構互鎖，以確保變頻器的運行安全。
4.5 低壓變頻器，由于體積較小，在改造中的安裝地點選擇比較容易些。但對于高壓變頻器系統，體積相對較大，一般由4—5面柜體組成，對改造項目來講，一般都需要重新建造變頻器室，因此，選擇變頻器室位置，既要考慮離電機設備不能太遠，又要考慮周圍環境對變頻器運行可能造成的影響。變頻器的安裝和運行環境要求較高，為了使變頻器能長期穩定和可靠運行，對安裝變頻器室的室內環境溫度要求最好控制在0--40℃之間，如果溫度超過允許值，應考慮配備相應的空調設備。同時，室內不應有較大灰塵、腐蝕或爆炸性氣體、導電粉塵等。
4.6 要保證變頻器柜體和廠房大地的可靠連接，保證人員和設備安全。為防止信號干擾，控制系統最好埋設獨立的接地系統，對接地電阻的要求不大于1Ω。到變頻器的信號線，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，根據設備實際運行情況，可以考慮采用降低一檔功率的做法，如我公司在二次風機中就采用132KW變頻器控制160KW功率的電動機，運行中情況也一直良好。
5、結束語
隨著電力電子技術的發展，變頻器的各項技術性能也得到拓寬和提高，在熱電行業中，風機水泵類負荷較多，充分應用變頻器進行節能改造已經逐漸被大家所接受。對于目前低壓變頻器，投資較低、效益高，一年左右就可以收回投資而被廣泛應用。但相對高壓變頻器，價格還較高，測試投資回收期限，一般需要三年左右時間。但隨著目前國產高壓變頻器的迅速發展，使得變頻器的性能價格比大大提高，為利用變頻器進行節能技術改造提供了更加廣闊的前景。
0、序言
變頻調速在節能、調速精度、調速范圍等方面具有同其它調速裝置無法比擬的優越性，以及可以方便實現同自動化控制系統（如DCS系統等）的通訊，使其在各領域得到廣泛的應用。本文以我公司最近幾年應用變頻調速進行技術改造的幾個成功事例進行介紹和總結，由此說明變頻器裝置在各行業技術改造中的廣闊應用前景。
1、鍋爐風機電機應用變頻器調速控制
1.1 鍋爐二次風機電機應用變頻器調速控制
我公司鍋爐為75（T/H）循環流化床鍋爐，每臺鍋爐配置引風機、一次風機(送風機)、二次風機各一臺，各電機主要技術參數如下：
我們知道，由于鍋爐在正常運行中的燃料構成、熱負荷、電負荷以及季節等變化因數較大，因此，鍋爐燃燒所需要的空氣量在各個不同的情況下，也相應有較大的變化，然而，鍋爐配置的風機是按鍋爐最大出力情況下的所需最大風量來設計，并必須考慮鍋爐在事故情況下一定的風量裕度，所以，風機電機功率的配置一般都較大，從表中的統計數據可看出，鍋爐風機檔板的平均開度，在正常情況下引風機為48%左右，二次風機僅為45%左右。用檔板調節控制，大量電能浪費克服擋板的阻力上，造成廠用電率高，影響機組的經濟運行。
2000年底，我們首先選擇在1#爐的二次風機上進行改造嘗試，并考慮到二次風機電機功率設計時配置裕量較大，我們有意選擇132KW功率的變頻器來控制160KW功率的電機，變頻器的型號為三菱FR—F540L—132K，電壓等級為380V，變頻器于2001年元月安裝調試完畢并投入運行，通過一段時間的運行測試，二次風機工頻電流由原來的平均135（A）下降到現在的平均70—75（A），節能效果相當顯著，并且變頻器技術性能完全滿足鍋爐運行工藝的要求（主要是風壓、風量、加減風的速率等），根據電度表測定，節能效率在45%左右,基本上一年可以收回投資。并且電機在啟動、運行調節、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2#、3#爐二次風機也進行了變頻器改造，運行至今情況良好。在對鍋爐二次風機電機旁路設計上，我們采用的是雙投閘刀，用手動切換方式，在實際使用中效果也很好，不僅投資節約，而且接線簡單、可靠，安裝也相當方便，二次風機變頻器接線如圖（1）。
1.2 鍋爐引風機電機應用變頻器調速控制
在鍋爐二次風機上變頻器調節裝置改造成功后，使我們看到變頻器技術改造的巨大節能潛能和良好的效益，2002年12月，我們在3#鍋爐引風機上進行高壓變頻器調速系統改造，經過多方面技術考察、比較，我們認為北京利德華福電氣技術有限公司生產的HARSVERT-A06/050變頻器在性能價格比上有較好優勢，并且產品在國內市場應用也比較廣泛，售后服務全面周到，HARSVERT-A06/050變頻調速系統采用多級模塊串聯，交直交、高-高型電路，電源變換器采用30脈沖，二極管三相全橋型
圖2—引風機變頻器接線 式，輸出采用IGBT 逆變橋串連型式，原電動機電源直接作為變頻器輸入電源，再通過變頻器輸出連接到電機，為充分保證系統的可靠性，變頻器同時加裝了工頻旁路裝置，變頻器異常時退出運行，電機可以直接手動切換到工頻運行下運行。旁路由3個高壓隔離開關QS1、QS2和QS3組成（見圖2，其中QF為原高壓開關柜內的斷路器）。在變頻工況運行時，QS1 和QS2閉合，QS3 斷開；工頻工況運行時，QS3閉合，QS1和QS2斷開。
變頻調速由安裝在鍋爐操作臺上的啟動、停機、轉速調整開關進行遠程控制，并可同DCS系統接口，通過DCS實現變頻器的調速控制，變頻調速裝置還提供報警指示、故障指示、待機狀態、運行狀態、旁路狀態、高壓合閘允許、高壓緊急分斷等保護信息以及轉速給定值和風機實際轉速值等必要指示，以便操作人員進行操作控制。
設備從2003年4月24日到貨至4月28日安裝調試結束，總共4天時間，還進行了一系列的動態試驗，如：變頻器50Hz滿載運行試驗、電機—風機系統臨界振動實驗、母線電壓波動試驗、變頻器與高壓開關的聯鎖試驗、連續快速增減符合試驗等，一切正常后，再進行連續的72小時試運行，至5月1日投入正常工作運行，設備運行至今一切正常，沒有發生過任何異常情況。
在變頻器改造以前，根據統計情況，鍋爐引風機的運行工頻電流在25A左右，通過變頻器調節裝置改造后，目前在鍋爐相同運行情況下，鍋爐的工頻電流在9—10A左右，平均降低電流達到15—16A，根據計算，平均節電125—130Kwh/h ，考慮裝置自耗電及將來空調用電16Kwh/h，總體節電效率為109—114 Kwh/h，節電率達到55%—53%，經濟效益相當顯著。因此，鍋爐引風機高壓變頻器節能技術改造項目是相當成功的，并進一步計劃對其它鍋爐引風機也進行變頻器調節裝置改造，以取得更大經濟效益。
3、補水泵電機應用變頻器進行補水調節控制
我公司熱電廠日消耗水量約6000—7000噸，主要用于化水處理、工業用水和生活用水，泵房共有補水泵三臺，其電動機的技術參數分別為：
型號 功率 額定電流 流量
1#泵 Y225S—4 37 KW 70.4 A 400噸
2#泵 Y225S—4 37 KW 70.4 A 400噸
3#泵 Y180M—4 18.5 KW 36.5 A 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，水泵不好控制和調節，使得電機啟停過于頻繁。另一方面，從凈水器的凈水效果來看，最理想的凈化方法應該是保持一定水量進行連續供水，這樣凈水效率高，效果也好。不要經常啟動、停止，造成斷水。凈水器停運期間，凈水器內的塑料斜管暴露在陽光下的時間過長容易老化，影響塑料斜管的使用壽命，如果凈水器停運時間過長，再使用時則需要重新經過反洗，這樣對用水的浪費相當大，再者，補水泵房至凈水器大約有600米距離，并且管道敷設較淺，在冬季發生過管道破裂現象，都是由于停水時間過長，管道內的積水不流動，在低溫下造成結凍引起。為此，我們對1#、2#補水泵電機進行變頻器調節改造，以達到控制水泵供水連續性的目的。變頻器選用三菱FR—F540L—37，電壓等級為380V。
補水泵改用變頻器調節補水，不僅僅在于考慮它對電機的節能效益，更重要的是從生產設備運行安全角度考慮，改造后的運行情況良好，提高了凈水器的凈水效果。并實現連續供水的目的，我們對補水泵變頻器控制的工藝要求，按照以下方案進行設計（接線如圖3）。
3.1 為充分利用變頻器，我們采用一臺變頻器來實現兩臺電機的調速控制；
3.2 兩臺補水泵均可實現變速、定速兩種方式運行，變頻器在同一時間只能作一臺電機的變頻電源，
所以每臺電機啟動、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；
3.2 二臺補水泵工作時，其中一臺由工頻供電作定速運行，另一臺由變頻器供電作變速運行，同一臺
電機的變速、定速運行由交流接觸器相互閉鎖，即在變速運行時，定速合不上，如下圖中，1C1與
1C2及2C1與2C2不允許同時合上；
3.4 為確保工藝控制安全、可靠，變頻器及兩臺電機的控制、保護、測量單元全部集中在就地控制柜
內，控制調節通過屏蔽信號電纜引接到控制室；
4、變頻器調速改造中應注意的一些技術問題
熱電廠充分利用變頻器進行節能技術改造，不僅能提高經濟效益，而且能產生巨大的社會效益，促進企業的技術進步。但在技術上，要根據不同的生產設備，選擇相應特性的變頻器，如在對鍋爐風機進行變頻器改造中，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，還同時在技術上必須要考慮下列問題，以免帶來投資的損失。
4.1 鍋爐的安全運行是全廠動力的根本保證，雖然變頻調速裝置是可靠的，但一旦出現問題，必須確保鍋爐安全供汽，所以，必須實現工頻--變頻運行的切換系統（旁路系統），在生產過程中，采用手工切換如能滿足設備運行工藝要求，建議盡量不要選用自動旁路，對一般的小功率電機，采用雙投閘刀方式作為手動、自動切換手段也是比較理想的方法。
4.2 對于大慣量負荷的電機（如鍋爐引風機），在變頻改造后，要注意風機可能存在扭曲共振現象，運行中，一旦發生共振，將嚴重損壞風機和拖動電機。所以，必須計算或測量風機--電機連接軸系扭振臨界轉速以及采取相應的技術措施（如設置頻率跳躍功能避開共振點、軟連接及機座加震動吸收橡膠等）。
4.3 采用變頻調速控制后，電機轉速下降，如果變頻器長時間運行在1/2工頻以下，則電機發熱有可能成了突出問題，一方面是由于電機自冷卻風扇因轉速低而效率降低，其另一方面是諧波引起的損耗發熱。如果出現這種情況，還必須對電機進行冷卻系統改造或采取另外的強迫風冷等措施。
4.4 變頻器不能由輸出口反向送電，在電氣回路設計中必須注意，如引風機高壓變頻器接線圖中，要求QS2和QS3不能同時閉合，在補水泵變頻器改造接線圖中，要求1C1與1C2及2C1與2C2不允許同時合上，不僅要求在電氣二次回路中實現電氣的連鎖，同時要求在機械上實現機構互鎖，以確保變頻器的運行安全。
4.5 低壓變頻器，由于體積較小，在改造中的安裝地點選擇比較容易些。但對于高壓變頻器系統，體積相對較大，一般由4—5面柜體組成，對改造項目來講，一般都需要重新建造變頻器室，因此，選擇變頻器室位置，既要考慮離電機設備不能太遠，又要考慮周圍環境對變頻器運行可能造成的影響。變頻器的安裝和運行環境要求較高，為了使變頻器能長期穩定和可靠運行，對安裝變頻器室的室內環境溫度要求最好控制在0--40℃之間，如果溫度超過允許值，應考慮配備相應的空調設備。同時，室內不應有較大灰塵、腐蝕或爆炸性氣體、導電粉塵等。
4.6 要保證變頻器柜體和廠房大地的可靠連接，保證人員和設備安全。為防止信號干擾，控制系統最好埋設獨立的接地系統，對接地電阻的要求不大于1Ω。到變頻器的信號線，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，根據設備實際運行情況，可以考慮采用降低一檔功率的做法，如我公司在二次風機中就采用132KW變頻器控制160KW功率的電動機，運行中情況也一直良好。
5、結束語
隨著電力電子技術的發展，變頻器的各項技術性能也得到拓寬和提高，在熱電行業中，風機水泵類負荷較多，充分應用變頻器進行節能改造已經逐漸被大家所接受。對于目前低壓變頻器，投資較低、效益高，一年左右就可以收回投資而被廣泛應用。但相對高壓變頻器，價格還較高，測試投資回收期限，一般需要三年左右時間。但隨著目前國產高壓變頻器的迅速發展，使得變頻器的性能價格比大大提高，為利用變頻器進行節能技術改造提供了更加廣闊的前景。
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