高壓變頻技術在鹽化廠鍋爐風機中的應用

湖北藍天鹽化有限公司為云夢縣龍頭企業之一，是一家大型鹽化工生產企業。我公司在2005年度的鍋爐技改工程中，對75t/h循環流化床鍋爐的引風機、一次風機、二次風機的高壓電機，均進行了高壓變頻技術改進，現將改進情況作簡單介紹。
一、基本情況
我廠75t/h循環流化床鍋爐的引風機、一次風機、二次風機的風量調節、風壓調節，原來采用的是傳統做法，即風機以定速方式運行，由擋板調節。其主要弊端主要表現為：
1、調節擋板前后壓差增加，工作安全特性變壞，壓力損失嚴重，造成能耗增加；
2、風機定速運行，擋板調整節流損失大，出口壓力高，系統效率低，造成能源的浪費；
3、風道壓力過高，威脅系統設備密封性能；
4、長期的40－70％開度，加速擋板自身磨損，導致擋板控制特性變差；
5、設備使用壽命短，日常維護量大，維修成本高，造成各種資源的浪費；
6、設備起動沖擊電流大，需增加配電設備容量而增加投資；
7、與DCS不能直接配合，難于實現自動化操作。
為了解決上述問題，我們經過了大量的技術論證，決定用高壓變頻器替代傳統的擋板調節風量、風壓的方法。經過多次考察、反復研究討論，我們采用了三臺北京利德華福電氣技術有限公司生產的高壓變頻器，其型號為：HARSVERT-A06/040（315kW）、HARSVERT-A06/050（355kW）、HARSVERT-A06/030（250kW）。
二、HARSVERT-A高壓變頻調速系統的技術方案
（一）工作原理


圖1高壓變頻調速系統結構圖


圖2功率單元電路結構
變頻裝置采用多電平串聯技術，6kV系統結構見圖1，整套系統由移相變壓器、功率單元和控制器組成。6kV系列有21個功率單元，每7個功率單元串聯構成一相。每個功率單元結構上完全一致，可以互換，其電路結構見圖2，為基本的交-直-交單相逆變電路，整流側為二極管三相全橋，通過對IGBT逆變橋進行正弦PWM控制，可得到如圖3所示的波形。
輸入側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側的電流波形，使其負載下的網側功率因數接近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，類似常規低壓變頻器。


圖3單元輸出的PWM波形


圖4變頻器輸出的相電壓階梯PWM波形
輸出側由每個單元的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，可得到如圖4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力。
當某一個單元出現故障時，可將此單元模塊旁路退出系統而不影響其他單元的運行，變頻器可持續降額運行，如此可減少很多場合下停機造成的損失，避免了由于一個大功率高壓開關器件的故障而導致整機故障、停機的產生，從而保證了變頻器的可靠性。利德華福的產品最多可允許2-3個單元模塊的旁路。
（二）技術方案
我廠此次采用一拖一自動旁路方案，其一次電路如圖5所示。


圖5旁路系統方案
系統由3個高壓真空接觸器和2個高壓隔離開關組成。其中KM3、KM2不能同時閉合。電機變頻運行時，KM1、QS1、QS2、KM2閉合，KM3斷開。要求做到：
1、可以實現變頻自動切換功能。
2、旁路柜柜門上應有手動和自動分、合真空接觸器轉換開關。
變頻器出現嚴重故障時，系統能夠根據需要自動轉入工頻電網中，斷開變頻調速系統，而負載不用停機，滿足現場不能停機要求。
這三臺高壓變頻器經工程技術人員技術改進，最大限度地滿足了安全可靠的工藝調速要求，其產品主要特點如下：
1、對電網波動的適應能力增強。針對生產負荷波動大的工況，變頻器進行了特殊設計，大幅度提高了其抗電網波動能力，做到電壓波動在±15％以內時，變頻器可以維持滿額輸出；電網電壓降落在－15％～35％以內時，變頻器都短時降額運行，不進行欠壓保護，等電網電壓恢復正常后，變頻器自動恢復到原來的工作狀態，大大減少了電壓跌落造成的停機現象。
2、多種及多路控制電源供電。變頻器的控制電源不存在和主電源相位關系的要求，在現場提供的控制電源失電時，變頻器利用自身配備的UPS為控制系統供電，變頻器可以持續運行，做到控制電源丟失時（比如維修人員誤拉低壓電、開關跳閘、熔絲熔斷等），仍然保證輔機設備的運行。另外還配備雙路控制電源切換功能，能夠接受現場的直流操作電源。相對交流電源而言，直流電源由于有蓄電池供電，有更高的可靠性。
3、來電自啟動功能。為避免電網短時失電對生產造成影響，該變頻器具備來電自啟動功能。當電網電壓消失后，變頻器緊急停機，如果在20秒內電源恢復，變頻器會進行自動啟動，恢復停機前的運行狀態。
4、采用新型IGBT功率器件，全數字化微機控制。
5、無須功率因素補償，能在20～100%的負荷變化情況內達到或超過0.95的功率因素。
6、無需濾波器，變頻器就可輸出正弦電流或電壓波形，對電機無特殊要求。
7、具有軟啟動功能。沒有電機啟動沖擊引起的電網電壓下跌，可確保電機安全、長期運行。
8、控制系統采用全數字微機控制，有很強的自診斷功能，能對所發生的故障類型及故障位置提供中文指示，能在就地顯示并遠方報警，便于運行人員和檢修人員能辨別和解決所出現的問題。
9、具有就地監控方式和遠方DCS監控方式。
三、應用效果
從三臺風機采用高壓變頻器后的實際運行情況看，各項技術指標均滿足使用要求，工作性能穩定，節能效果明顯。下面是電機改造前工頻運行與變頻改造后變頻運行的對比。

表一：電機改造前工頻運行情況


表二：變頻改造后變頻運行情況


注：按季度運行時間為 T= 2160小時，按電價：0.4元/度計算。
從上表看出，藍天鹽化廠在鍋爐風機上應用高壓變頻技術后，節能效果十分顯著，一年便收回了投資。概括起來其主要應用效果如下：
1、變頻起動對電網沒有任何沖擊。由于變頻器改造后風機可以實現變頻軟起動，避免了起動電流的沖擊，不僅對電網沒有任何沖擊，而且還可以隨時起動或停止；
2、按需調節風量，避免浪費。進行變頻改造后，風機的送風量不再需要由風門來調節，而是由變頻器通過變頻調節風機的轉速來實現，調節范圍可以從0%—100%；因而可以根據生產需要隨意調節風量，減少了不必要的浪費；
3、變頻節能運行，節約了大量能源。由于變頻改造后不再使風機一直處于滿負荷工作狀態，節能率高達63%以上；
4、降低風機工作強度，延長使用壽命。進行變頻改造后，風機的大部分工作時間都在較低的速度下運行，因而大大降低了風機工作的機械強度和電氣沖擊，將會大大延長風機的使用壽命，降低維修強度；
5、可使電動機與風機直接相連接，減少傳動環節的費用；
6、電機和風機運轉速度下降，潤滑條件改善，傳動裝置的故障下降；
7、系統壓力降低，對管道的壓力和密封等條件緩解，延長使用壽命；
8、系統完善的監控性能和高可靠性提高了工作效率，減少了檢修和維護的工作量。
四、結束語
由利德華福生產的HARSVERT-A高壓變頻調速系統在我廠風機上的使用非常成功。變頻裝置安裝方便，只需在原斷路器與電機之間串聯變頻裝置即可，無需對負載和電機做任何改動；正常運行后，可靠性高，基本上無維護量。在一年多的運行過程中，性能穩定可靠，節能效果顯著，為我廠的正常生產做出了巨大的貢獻。