變頻器節能技術在風機中的應用

丁大為

摘 要：伴隨著我國電子技術和微電子技術的不斷發展，結合現代信息技術和現代控制理論在變頻調速裝置中的應用越來越官方。從目前我國電力資源十分緊張的情況來看，變頻調速技術儼然成為現代電力傳動的發展趨勢，優越的變頻調速性能可保障變頻器在工業生產中的節能作用越來越突出。鑒于此，文章將針對風機改造變頻器控制，有機結合電機調速技術、現代電子技術、微電子技術和計算機操作技術，根據生產工藝即時調整風量變化，自動調整風速，保證電機轉速的經濟運行，以此實現節能的目的。

關鍵詞：變頻器；節能技術；風機；應用

中圖分類號：TM921.51 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2015）30-0057-02

中石油錦西煉油總廠下屬xx熱電企業旗下坐擁三組70蒸噸級鍋爐設備。其中，1#、2#和3#為75蒸噸級鍋爐設備，4#、5#和6#為220蒸噸級鍋爐設備。這六臺鍋爐設備均采用引風、送風和二次風機，其驅動電機則以最大的額定負荷完成設計。然后，在每個生產年度中，所有鍋爐裝置都存在最大額定負荷工作時間短的問題，且絕大部分化工任務的生產過程都以三分之二最大額定負荷進行運作。這樣看來，鍋爐設備在風量方面也并不要求一定達到風機的最大設計量。為實現鍋爐設備的實際風量需求，該企業主要利用風道擋板的手段來適當調整風機風量，但無法解決的問題在于風機轉速的合理控制，這樣造成了工業生產動力方面的浪費，也是工業成本偏高的一個重要原因。

1 風機變頻器改造的目的

為有效壓縮工業生產的投入成本和降低能源浪費，按照我國“十五”規劃的具體要求，多以“低耗、低排和高效”作為企業持續健康發展的經濟管理理念，采取變頻節能技術用于風機改造，從而彌補一定工藝缺陷。中石油錦西石化利用低壓變頻器改造風機在節能方面還是取得了一定效果，且伴隨著我國高壓變頻技術水平的不斷提高，變頻器節能技術在風機中的應用將取得更大的突破。那么，下面本文將根據2006年中石油錦西煉油總廠下屬xx熱電企業4#鍋爐設備的風機改造情況作詳細分析與論述。

2 高壓變頻器在風機中實施改造的工作方案

2.1 變頻器選型

因高壓變頻器在風機改造工作中所實施的方案和變頻器選項具有直接聯系，所以對于多種品牌的變頻器錦西石化進行了相關的調研考察工作，經認真分析與招標，最終選用國產系列利德福HARSVERT-A高壓變頻器。

2.2 主回路改造方案

中石油錦西煉油總廠下屬xx熱電企業4#鍋爐設備的風機工作方式為變頻管控“一拖一”，即1臺變頻器帶動1臺風機。為保證系統運行的安全穩定性，可合理增設工頻旁路回路。其中，真空斷路器為QF，三組高壓隔離刀閘分別為QS1、QS2和QS3。QS1與QS2之間設置高壓變頻器，而QS3作為旁路刀閘。倘若電機執行變頻運行命令，開啟QS3，關閉QS1、QS2（高壓隔離刀閘），再關閉QF（真空斷路裝置），以變頻器通電為前提開啟變頻器和電機。電機得到工頻運行指令，開啟QS1、QS2，同時關閉QS3（旁路刀閘），并開啟QF（真空斷路器）即可完成電機的工頻運行。該種運作形式是基于變頻器已經發生故障或檢修狀態中以工頻運行方式來維持系統的正常運行。

以上改造方案是較為典型的手動旁路，它要求QS2和QS3二者不可同時閉合，且在生產過程中安全互鎖。為保證對故障變頻器的安全防護，變頻器在發生故障以后會立即發出跳閘的指令，對于工作現場的高壓真空斷裂器QF則完成聯鎖跳閘動作，以此確保變頻器可以即時與電源隔離。三組刀閘（QS1、QS2和QS3）和真空斷路器QF在電氣連接方面形成互鎖，僅可在真空斷路器QF被完全隔離后才可操作刀閘，安全性能得到保障。

2.3 控制方式

基于目前該企業化工生產的技術水平來看，風機變頻器均采用遠程DCS閉環自控、遠程DCS開環自控和就地控制（手動）三種方式。

2.4 冷卻手段

變頻器的技術原理在于“交流→直流”、“直流→交流”兩個相互轉化的過程。兩個過程中功率元件的自身溫度都會上升，嚴重者造成設備的燒損。為保證變頻器可以正常且穩定的運行，需將這部分產生的熱量及時揮散。因此，變頻器在運行過程中的冷卻問題將對整個系統運行的穩定性具有決定性意義。經仔細研究，錦西石化采取的冷卻手段主要以自然風降溫為主。變頻器頂端擁有一道總風道，該總風道可以通過變頻器頂端結構的冷卻風機利用吸進的方式將變頻器的內部熱量持續排出。那么，為何在此方案中僅設置1個總風道，而不是增設若干臺轉動裝置，這也實現了結構簡單和故障率小的目的。基于40 ℃高溫環境下完成滿載散熱試驗，從試驗結果來看，變頻器溫度最大可以升至68 ℃。顯然，相比于設計最高溫度140 ℃要低很多，也就是說此方案的效果理想。

3 變頻器的技術原理與工作特性

3.1 系統組成

HARSVERT-A高壓變頻器的組成主要包括移相變壓器、功率元件和控制中心，單臺變頻器由21個功率元件組成，且每7個功率元件可串聯成為“組”。

3.2 功率元件組成

21個功率元件的組成情況幾乎一致，相互之間可以互換，可作為“交流——直流——交流”單相逆變回路，而整流側以二極管三相全橋的形式構成，并通過IGBT逆變橋設備來完成正弦PWM控制工作。

3.3 輸入側組成

輸入側利用移相變壓器實現單元供電，每個移相變壓器副邊繞組又分成三組，產出42脈沖整流波形，這樣的移相疊加形成的整流波形可極大地改進整個個系統網絡的電流波形情況，并能夠確保系統處于滿載條件下其網側的功率因素可以趨近于1。另外，由于變壓器副邊饒組自身擁有良好的獨立性特征，功率元件完全可以與之形成一種相互隔離的關系，與普通的低壓變壓器相類似，方便利用現成技術。

3.4 輸出側組成

輸出側由功率元件U和V兩個輸出端子一并串聯形成一種星型的供電結構，通過功率元件的PWM波形完成重新組合，也就是獲取相電階梯PWM整流波形。該整流波形具有正弦度好、DV/DT小和電機絕緣損率小等優點，無需經過輸出濾波裝置便可以確保輸出電纜的足夠長度，且電機也不需要通過降額的方式來保證正常運作。另外，電機諧波的損耗率在一定程度上得到了控制，這樣一來，便可以有效避免電機機械振動幅度過大的問題，且有助于電機軸承與葉片之間的機械應力消減。

3.5 控制中心

控制中心的核心構件為高速單片機，利用現有的算法即可保障電機工作狀態達到最佳。一般講，控制中心由內置PLC組成，它主要作為柜內開關信號的邏輯關系處理所用，在生產現場中對于各類操作信號的狀態信號的協調組織擁有良好的控制效果。控制中心則由VME標準箱體組合而成，每個控制區域均采取了諸如FPGA、CPLD等規模較大的集成電路和局部表面焊接工藝。除此以外，控制中心與功率元件之間可通過光纖維通信手段完成高、低壓功能區的隔斷，系統安全得到了有效保障，并能增強系統的抗電磁干擾效率。

4 節能改造效果分析

4.1 工藝改造

4#鍋爐的引風、送風和二次風機高壓變頻器經改造以后，原風道內風量調節達到開度100%，由此大大降低風道阻力損耗。同時，4#鍋爐設備經過節能改造以后其風道振動頻率由此改變，由于電機仍處變頻工作狀態，運轉頻率也會因此改變，引起風道固有的共振頻率與工作頻率無法一致，以此避免共振的弊端。這樣一來，便徹底解決了風道振動過大的問題，這也是錦西石化進行風機節能改造試驗的意外收獲。

4.2 維護改造

經變頻調整轉速以后，電機可以持續以30～40 Hz的工作頻率進行運轉，相較于普通風機的工作頻率而言，由50 Hz下降至30～40 Hz，轉速大大降低。另外，風機的啟動過程相對比較緩慢，這樣既可以保障整個系統的零部件和密封狀況，也可以延續軸承的使用壽命。不采用擋板進行風速調節，調風擋板的壽命也可以延長，而相應的檢修量也大大減少，檢修成本也得到了有效控制。

4.3 節能效果

錦西石化4#鍋爐的三組風機經變頻調速改造以后，節能效果非常顯著。通過數據說明：220蒸噸級鍋爐設備在負載140～200 t狀態下，三組風機設備的節能效率可按照鍋爐設備的負載減小而穩定增加。鍋爐設備在每生產年度中以140～150 t工作負載持續八個月，其中200 t負載運行約兩個月，180 t負載運行約一個月，而檢修維護時間則為一個月。節能改造之前4#鍋爐設備（包含三組風機裝置）每個生產年度的總耗電量約1 863.13387×104 kV時，而節能改造后每個生產年度的總耗電量約941.15169×104 kV時，由此可以計算4#鍋爐設備在節能改造前后可以節省耗電約921.98219×104 kV，節約電量比例約為49.5%。換句話說，該企業僅用節能改造之前約50.5%的總耗電量即可完成相應的化工生產任務。倘若我們以0.45元/kV時計算電費，4#鍋爐設備所用三組風機裝置經變頻節能改造以后每個生產年度即可節省921.98219×104 kV時，相當于節省企業成本約412.8920萬元。從實際生產來看，當年能夠超額回收的生產成本相比于前五年的平均水平可以節支約412.9萬余元。

5 結 語

上文，根據2006年錦西煉油總廠下屬xx熱電企4#鍋爐設備所有三組風機裝置經變頻節能改造項目的一次重要總結，是中石油錦西煉油總廠下屬xx熱電企業領導管理意識中具有前瞻性的具體體現，也作為企業管理模式逐步實現精細化過渡的重要舉措。從這些方面看，實現變頻器節能技術在風機中的應用將是中石油錦西煉油總廠下屬xx熱電企業在高壓變頻節能改造方面邁出更具實際意義的一步。該項改造工藝可以極大程度上鼓勵企業職工的工作熱情，激發企業職工對于節能改造深層次認知，既體現生產效率，也體現經濟效益，儼然成為企業未來發展經濟增長和效益增收的新突破點。與此同時，生產企業在節能方面的潛力還是非常大的，變頻節能改造技術的發展之路還很長，需要我們付出更多的努力和辛苦來奠定基礎。

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