高壓鍋爐引風機的變頻調速改造小結

姚陽清,梁 燕

(1.長嶺煉化岳陽工程設計有限公司,湖南岳陽 414000; 2.河南中原大化集團公司電氣維修工程公司,河南濮陽 457004)

高壓風機和水泵采用高壓變頻調速技術調節風量和流量,節能效果顯著,一般情況下,2～3 a就可以收回投資成本。我公司率先在130 t/h鍋爐引風機實施了高壓變頻調速技術改造,選用的是哈爾濱九洲電氣公司J ZHICON-1A高壓變頻器?，F將改造及運行情況介紹如下。

1 JZHICON-1A高壓變頻器工作原理及特點

變頻器為串聯多重疊加多電平拓撲結構的高壓變頻器,包括輸入切分變壓器、功率單元柜和控制單元柜。變壓器柜內裝一臺輸入變壓器,干式;功率柜內裝有18個功率單元,分屬三組,即每組6個功率單元串聯輸出50～60 Hz、線電壓6 kV的三相交流電,以驅動交流電動機;控制柜內裝有一臺主控器,整個系統的控制都由它完成。每臺單相逆變器為典型的單相三電平橋式逆變器,它由輸入變壓器的一個副邊繞組供電,經整流、濾波后的直流電供給單相橋式逆變線路,采用專門的PWM控制技術將直流電逆變為0～50 Hz、0～55 V的可調頻調壓的單相交流電。變頻器每組由6臺單相逆變器串聯可得到0～3462 V交流電。三個相組成三相輸出,線電壓為6 kV。在多重疊加時每臺逆變器中 PWM的三角波有均勻的相位移,因而疊加時有用的基波直接疊加,而高次諧波互相抵消,大大減少了輸出電壓中的諧波含量,輸出波形十分接近理想的正弦波。來自主控制器的控制信號和送往主控制器的應答信號都經過光纜傳送,既有高的電隔離能力,又有高的抗電磁干擾性能。圖1為J ZHICON-1A變頻器功率單元接線圖。功率單元是一種單相橋式變換器,由輸入切分變壓器的副邊繞組供電,經整流、濾波由4個 IGBT以PWM方式進行控制,輸出可變頻、變壓的交流電。功率單元采用模塊化結構,同一型號變頻器中的所有功率單元電路拓撲結構相同,同一變頻器內的所有功率單元可以互換,為日后維修帶來了快捷和便利。當某一功率單元發生故障不能按要求輸出交流電時,主控制器發出IGBT封鎖信號,將橋式逆變器封鎖,同時發出旁通信號,將輸出整流橋間的旁通晶閘管導通,構成旁通支路,使輸出電流無阻礙的流過該功率單元,此時,變頻器可以重新調整其他功率單元的輸出電壓,使系統在略低的輸出電壓下繼續工作。由于采用功率單元串聯結構,所以可以采用功率單元旁路選件,當功率單元故障時,控制系統可以將故障單元自動旁路,變頻器仍可降額繼續運行,大大提高了系統的可靠性。

圖1 JZHICON-1A型高壓變頻器功率單元接線圖

2 改造方案

設備參數:電機型號 YKK500-4-4,額定功率1120 kW,額定電壓6 kV,額定電流130.3 A,額定頻率50 Hz,功率因數0.87。

變頻器型號 J ZHICON-1A-6/135,額定功率1350 kW,額定電壓6 kV,額定電流135 A,額定頻率50～60 Hz,功率因數0.96;變頻器效率額定輸出時大于97%,達額定輸出的20%～88%時大于95%;諧波總含量小于4%,功率因數大于0.96,頻率分辨率0.01 Hz。高壓變頻器的主回路接線如圖2。

3 運行情況及節能效果

引風機采用變頻調速后,運行方式為風門擋板全開,通過變頻來調節電動機轉速,達到調整風量的目的。變頻器控制接入DCS系統,可由DCS系統和控制柜來完成正常操作,變頻器正常運行頻率在40 Hz左右。

圖2 引風機變頻調速裝置主電路接線圖

改造前,電動機電流約80 A,平均功耗為980 kW;改造后,電流50 A,平均功耗為610 kW,功耗下降達370 kW,按照年運行330 d計算,年節電量為370×24×330 kW·h=2930400 kW·h;按每kW·h電0.4元計,則年節能效益為2 930 400 ×0.4=117.22萬元,節電率為370/980=37.75%。

系統自2007年3月投入運行以來,運行穩定,節能效果明顯。夏天到來時,發現變壓器溫度達到90℃以上,功率元件柜過熱報警,安裝大功率空調后,報警得以消除。2007年8月份,由于控制柜UPS電源故障,變頻器退出運行狀態,QS2、QS3斷開,將 QS1合上,風機處于工頻運行狀態。

J ZHICON-1A-6/135型高壓變頻器在我公司使用期間,節能效果也是比較明顯的,但根據我們使用的經驗來看,產品的可靠運行和及時的售后服務也是節能的關鍵因素。2007年8月初,變頻器在使用過程中,UPS發生故障,蓄電池放虧電后,鍋爐引風機停機,造成130 t/h鍋爐停爐,給公司的生產造成了一定的損失。而高壓變頻調速系統處于旁路運行狀態。作為一個高壓變頻調速系統來說,它包括變壓器、功率元件、電子元件、控制系統、電源元件、聯接器件、低壓控制元件等各個組成部分,任何一部分出問題都將導致整個系統的癱瘓。

4 高壓變頻調速改造注意事項

從高壓電機變頻器的選型和改造方案看,有以下幾種選擇。

(1)高-高型用高壓變頻器直接驅動電動機實現變頻調速,整體效率高,技術先進,但功率開關器件耐壓低,需要串聯的功率器件個數較多時,逆變器損耗增大,系統可靠性降低。

(2)多電平型多電平功率變換是目前較理想的高壓變頻類型,功率器件的開關頻率大大降低,其優點是可使用常規低壓功率器件實現高壓變頻調速技術,并從根本上解決諧波及EMI問題。

(3)轉子變頻調速技術把低壓變頻器用在轉子回路中,達到調速的目的,投資較省,但需要更換電機。

可靠性方面的考慮。要選用高品質的變頻器,既要節能,還要求工作的可靠性較高。

隨著新器件的問世、器件耐壓水平的提高,高壓變頻器從GTO發展到目前應用 HVIGBT以及IGCT、IECT等器件。變頻調速技術迅速向小型輕量化、大功率化、高效率化、高性能化、高可靠性方向發展,此外還擁有強大的通信能力和與互聯網的融合能力,給了我們較大的選擇空間。變頻調速裝置在我公司,乃至整個電力、石化行業,都將具有更為廣闊的應用前景。

[1]竺偉.艾帕高壓變頻器在水泥行業的應用 [J].電氣時代, 2006,(10).