變頻器在化工廠鍋爐送風系統的節能應用

楊欣達

(中海石油華鶴煤化有限公司，黑龍江 鶴崗 154100)

某化工企業安裝有3部循環流化床鍋爐，裝配10kV高壓引風機、一次風機。為滿足鍋爐供風需求，風量調節采用擋板設計，從而導致風道內壓流大量損失于擋板之上，能耗高、經濟效益差。為響應國家節能減排的號召,降低企業用電成本，在不影響鍋爐運行的前提下將供風系統改為變頻調節，產生了較明顯的經濟效益。

1 無諧波節能變頻器的原理及可靠性

1.1 無諧波節能變頻器與傳統脈沖變頻器比較

無諧波節能變頻器與傳統脈沖變頻器相比,具有集成度高、體積小、故障率低、易于維護、功率損耗小、節能等優點。無諧波節能變頻器具有可靠的抗畸形波型變能力，能有效降低諧波對其他電力電子設備產生的干擾，同時避免和其他變頻設備發生串擾。凈化輸入的正弦波，改變了傳統應用隔離變壓器濾波的模式，節約了成本投入。傳統12脈沖雙整流變頻器輸入電流反饋在電網上的諧波與新型無諧波節能變頻器的波形比較見圖1。

圖1 諧波失真波形比較

傳統12脈沖雙整流變頻器輸入電流的總失真率為9%，相較之下,無諧波節能變頻器輸入電流失真波形更平滑,僅為1%。可見,無諧波節能變頻器可有效減小整流設備對電網電能質量的影響[1]。

1.2 功率單元部分

無諧波節能變頻器之所以畸形波型變率低，其核心的部分是功率單元,其結構原理見圖2，單元電壓750 V，根據負載額定電壓的大小,變頻器可由15(6.5kV)或24(10.5V)個功率單元組成，以產生多電平的PWM(脈寬調制)輸出波形。

每個功率單元輸入都被配置一個IGBT(絕緣柵雙極型晶閘管)6脈沖二極管整流器,由獨有的副邊繞組,每單元相差7.5°,變壓器提供輸入電源。電流通過功率單元的橋式整流電路變成直流電，在經電容濾波后，提供給輸出側的逆變單元。功率單元的輸出端采用串聯連接方式，根據不同的電壓等級確定串聯功率單元數量。

圖2 典型功率單元整流逆變原理

1.3 無諧波節能變頻器結構及基本原理

無諧波節能變頻器的輸入變壓器用不同的移相角繞制，變壓器采用延邊三角形接法，彼此間相差一定的電角度，可根據負載電壓等級的不同,繞制不同的電角度差。以中海石油華鶴煤化有限公司引風機變頻器為例，引風機額定電壓為10kV，其每相由8個變頻功率單元組成，變頻功率單元額定電壓為750V，每個功率單元彼此相差7.5°電角度，由此組成10kV的負載電壓。抵消了單個變頻功率單元造成的波形失真對電能質量的污染，是以原邊才可以形成近乎完美的正弦波,形成優于30脈沖或42～48脈沖變頻器的電源質量。

1.4 無諧波節能變頻器可靠性

無諧波節能變頻器采用容錯保護模式增加工藝生產的連續性和穩定性，容錯保護模式就是當變頻器發生故障時,不是無選擇性地跳閘和關閉系統，而是向微機保護提供一個警告信號。微機保護通過評估變頻器故障類型做出適當響應調整，避免生產中斷。對于許多化工廠、風機和廢水處理設備以及工藝設備來說，有了預警時間，可以根據變頻器故障情況決定是否中斷生產。

如圖3所示的無諧波節能變頻器穩定性原理，引風機8功率單元無諧波節能變頻器等效電路10.4kV輸出(相間)。假設A7、A8兩個變頻功率單元發生故障，故障后線電壓失衡(負載不能正常運行)。無諧波節能變頻器通過其獨有的中性點漂移功能，在失去兩個變頻功率單元后,通過旁路分離故障變頻功率單元，無諧波節能變頻器可確保在250 ms(<500 ms)中自動旁路故障的功率單元,進而調節電角度恢復輸出平衡(線電壓正常負載正常供電),保證工藝的穩定連續性。

圖3 無諧波節能變頻器穩定性原理

2 無諧波節能變頻器經濟效益分析

2.1 無諧波節能變頻器節能概算

某化工企業有3套鍋爐供風系統,配套改造6臺電機，廠家為佳木斯電機廠，額定功率分別為引風機(1000kW)3臺、一次風機(900kW)3臺。自改造以來，定期對鍋爐供風系統數據進行收集。由于負荷有所變化，其運行方式有所差異，變頻改造前后運行工況見表1。

根據表1數據分析可知，按工藝設備正常運行狀態160MW，年運行365 d不受大修、檢修等時間影響。變頻節能改造后,單臺鍋爐年均節約電量預期值為670萬kW·h，整個變頻節能改造3臺鍋爐，合計年節約電量2 010萬kW·h，如果電價按0.2898元/kW·h(含稅)測算，則年節約效益為：

2010萬kW·h×0.2898 ≈ 582.5萬元

表1 不同工況下風機變頻前后節能統計

2.1 無諧波節能變頻器投資概算

無諧波節能變頻器主要設備投資概算見表2。

表2 主要設備投資概算

2.3 無諧波節能變頻器應用前景

如前所述，鍋爐變頻送風系統收益期T=1036.51÷582.5=1.78(年)，即可收回成本，經濟效益顯著。設備投用后,觀察變頻器設備錄波，無諧波節能變頻器THD(波形總諧波失真小于5%)。此外,安裝無諧波節能變頻系統可以起到軟啟的作用，減小電機啟動電流對系統電壓的沖擊影響。應用無諧波節能變頻器還不會對電機產生附加發熱，對電機絕緣幾乎不會產生影響[2]。同時，即使電動機在低轉速時也不會對系統產生諧波擾動。無諧波節能變頻器還可結合工藝需求調節風量，減少了軸承、葉片的磨損，降低了設備費用和維護工作量，應用前景十分良好。

3 結語

本次鍋爐送風系統的變頻改造從節能經濟效益、畸形波型變率、對電網電機的影響、變頻系統故障率等方面驗證了無諧波節能變頻器節能效益高、安全可靠的特點。若推廣至同類化工廠、發電廠、風機和廢水處理等設備上使用，將給企業帶來巨大的經濟效益。