一.導(dǎo)言
在電力、化工等生產(chǎn)行業(yè)當(dāng)中，異步電機(jī)是十分關(guān)鍵的動力設(shè)備。作為一種高耗能設(shè)備，其輸出功率無法隨負(fù)荷大小而變化，基本只能通過擋板或閥門的開度來調(diào)節(jié)，而電機(jī)消耗的能量變化也沒多少，這造成很大的能量損失。因此，各類高耗能企業(yè)都將如何降低發(fā)電成本，提高企業(yè)競爭力，加強(qiáng)內(nèi)部管理，挖潛節(jié)能，當(dāng)成企業(yè)突破當(dāng)前市場困境的一大突破口。
近年來，為進(jìn)一步落實“倡導(dǎo)綠色生產(chǎn)與消費(fèi)，創(chuàng)建資源節(jié)約與環(huán)境友好型企業(yè)”的口號，許多企業(yè)開始轉(zhuǎn)型低消耗、低排放、高效率的可持續(xù)發(fā)展理念的經(jīng)濟(jì)增長模式。利用大功率重載變頻器（以下簡稱VFD）對高能耗電機(jī)電源進(jìn)行技術(shù)改造，已成為如今許多企業(yè)節(jié)能降耗、提高效率的關(guān)鍵手段之一。既能降低廠用電，降低供電煤耗，帶來直接可觀經(jīng)濟(jì)效益增長，又能提高機(jī)組安全可靠性，減少機(jī)組故障。
當(dāng)前許多企業(yè)開始對引風(fēng)機(jī)進(jìn)行改造，加裝變頻調(diào)速裝置。通過變頻調(diào)速幫助風(fēng)機(jī)處于最佳運(yùn)行狀態(tài)，可以節(jié)能降耗，減少機(jī)械磨損，減少管道壓力損失，實現(xiàn)電機(jī)軟啟動，降低電機(jī)啟動時的沖擊電流，延長電機(jī)的使用壽命和電流對電網(wǎng)、變壓器的沖擊，節(jié)約用電，降低運(yùn)行成本。可以大大提高運(yùn)行效率，達(dá)到節(jié)能的目的。
變頻調(diào)速原理
n=60 f(1-s)/p (1)
其中n為異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速；
F——異步電動機(jī)的頻率；
S——電動機(jī)的轉(zhuǎn)差率；
P——電機(jī)的極對數(shù)。
從公式(1)可以看出，轉(zhuǎn)速n與頻率f成正比，通過改變頻率f可以改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速，當(dāng)頻率f在0 ~ 50 Hz范圍內(nèi)變化時，電機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)范圍很寬。變頻調(diào)速是通過改變電機(jī)電源的頻率來實現(xiàn)調(diào)速。
VFD主要采用AC-DC-AC模式，先通過整流器將工頻交流電源轉(zhuǎn)換為DC電源，再將DC電源轉(zhuǎn)換為頻率和電壓可控的交流電源，為電機(jī)供電。VFD的電路一般由整流器、中間DC環(huán)節(jié)、逆變器和控制四部分組成。整流部分為三相橋式不可控整流器，逆變部分為IGBT三相橋式逆變器，輸出為PWM波形。中間的DC環(huán)節(jié)是濾波、DC儲能和緩沖無功。
二、改造前的設(shè)備狀況
重慶某地的電力企業(yè)#1和# 2發(fā)電機(jī)的裝配能力為125兆瓦。1、2號鍋爐為450 t/h自然循環(huán)汽包鍋爐。兩側(cè)布置兩套引風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)一般采用高效離心風(fēng)機(jī)。目前風(fēng)量調(diào)節(jié)是通過手動調(diào)節(jié)風(fēng)門來實現(xiàn)的。在不考慮節(jié)能的情況下，全部采用直接起動電機(jī)，壓力和風(fēng)量由風(fēng)門調(diào)節(jié)。風(fēng)機(jī)的設(shè)計出口壓力和風(fēng)量遠(yuǎn)高于實際生產(chǎn)過程。當(dāng)機(jī)組負(fù)荷較低時，兩側(cè)風(fēng)機(jī)運(yùn)行，系統(tǒng)整體效率較低。
引風(fēng)機(jī)左、右各1350。電機(jī)功率1000KW，主軸轉(zhuǎn)速730r/min，流量138.89M3/S，3850Pa。
鼓風(fēng)機(jī)左、右各450。電機(jī)功率800千瓦，主軸轉(zhuǎn)速960轉(zhuǎn)/分，流量72.5立方米/秒，壓力6870帕。
三、改造計劃
該企業(yè)的1、2號鍋爐共有8臺鼓風(fēng)機(jī)電機(jī)，均采用工頻運(yùn)行。8臺風(fēng)機(jī)加裝變頻調(diào)速裝置，采用自動旁路方式。引風(fēng)機(jī)閥門調(diào)節(jié)的原有運(yùn)行方式改為變頻調(diào)速引風(fēng)機(jī)流量調(diào)節(jié)的運(yùn)行方式。當(dāng)VFD出現(xiàn)故障或檢修時，可自動切換到工頻運(yùn)行。當(dāng)引風(fēng)機(jī)以變頻方式運(yùn)行時，由手操器在DCS界面上調(diào)節(jié)引風(fēng)機(jī)的頻率，從而達(dá)到調(diào)節(jié)引風(fēng)機(jī)風(fēng)量的目的。同時，保留了原有的流量閥調(diào)節(jié)方式。當(dāng)引風(fēng)機(jī)在變頻模式下運(yùn)行時，閥門處于全開位置，以減少節(jié)流損失。
電氣系統(tǒng)改造是在原6kV斷路器與電機(jī)之間增加變頻調(diào)速系統(tǒng)和旁路開關(guān)柜，通過高壓VFD輸出6kV變頻電源給電機(jī)供電。每套高壓VFD都配有自動隔離旁路系統(tǒng)。
自動隔離旁路開關(guān)柜由進(jìn)線斷路器1QF、出線斷路器2QF、工頻斷路器3QF三個斷路器組成。6kV電源經(jīng)過原斷路器至自動隔離旁路開關(guān)柜的VFD斷路器1QF，再經(jīng)過自動隔離旁路開關(guān)柜的/kloc-0工頻斷路器3QF并聯(lián)在進(jìn)線斷路器1QF、出線斷路器2QF兩端。當(dāng)VFD處于“保護(hù)”狀態(tài)時，進(jìn)線刀閘1QF和出線刀閘2QF將自動斷開，工頻刀閘3QF將自動拉入，實現(xiàn)自動旁路功能。如圖所示。變出線刀閘2QF和工頻刀閘3QF由彼此的輔助節(jié)點(diǎn)聯(lián)鎖，即出線刀閘2QF和工頻刀閘3QF不能同時拉進(jìn)，出線刀閘2QF和工頻刀閘3QF可以同時斷開。系統(tǒng)配置示意圖如下:
系統(tǒng)配置圖
旁路開關(guān)柜上安裝有兩個選擇開關(guān):
(1)遠(yuǎn)程/本地選擇開關(guān)。遠(yuǎn)程時DCS可以控制VFD運(yùn)行，本地時可以本地運(yùn)行。
(2)繞過手動/自動選擇開關(guān)。當(dāng)出現(xiàn)故障時，自動旁路系統(tǒng)動作，會同時向DCS發(fā)送DI信號。如果自動旁路失敗，然后向集散控制系統(tǒng)發(fā)送去離子信號，可以選擇手動旁路操作。
四.變頻改造后風(fēng)機(jī)的運(yùn)行
該企業(yè)前年對機(jī)組進(jìn)行大修，10月1號機(jī)組臨時檢修。利用此次停運(yùn)機(jī)會，將1、2號鍋爐引風(fēng)機(jī)8臺電機(jī)改造為北京和康易盛公司生產(chǎn)的高壓變頻調(diào)速裝置，與DCS監(jiān)控系統(tǒng)連接，將變頻的所有技術(shù)參數(shù)、運(yùn)行狀態(tài)、故障及報警上傳至DCS，由DCS進(jìn)行遠(yuǎn)程控制啟停，同時可實現(xiàn)變頻就地控制功能。
在DCS界面上風(fēng)機(jī)的啟停有兩種方式，一種是一鍵啟停(根據(jù)事先做好的邏輯順序控制啟停)，另一種是操作人員點(diǎn)擊開關(guān)，按照給定的電氣設(shè)備啟動順序進(jìn)行操作。通常操作人員采用一鍵啟動，一鍵停止，簡單快捷，不易開、關(guān)錯開關(guān)，大大方便了操作。
變頻和工頻之間有聯(lián)鎖開關(guān)。運(yùn)行中出現(xiàn)故障時，無需操作員操作。將向DCS發(fā)送“故障”信號，將自動切換到旁路工頻運(yùn)行，并向DCS發(fā)送旁路狀態(tài)信號。同時，DCS邏輯自動快速關(guān)閉風(fēng)門至65%。此時操作人員參與調(diào)節(jié)，控制風(fēng)量和壓力正常，保證爐膛燃燒穩(wěn)定。
如果有隱患，向DCS發(fā)送“報警”信號，此時繼續(xù)運(yùn)行，維修人員可以根據(jù)報警信號的信息到當(dāng)?shù)嘏懦[患。
該企業(yè)在使用VFD后至今一直運(yùn)行正常。機(jī)組滿載80MW時，爐內(nèi)負(fù)壓變化小，燃燒穩(wěn)定，工況可靠。
五.節(jié)能效益分析
當(dāng)我們用擋板或閥門的開度大小來控制風(fēng)機(jī)和泵類負(fù)荷的介質(zhì)流量時，觀察到這些風(fēng)機(jī)和泵類負(fù)荷長期以額定轉(zhuǎn)速工作，不可避免地會對擋板或閥門造成相當(dāng)大的能量損失。利用風(fēng)機(jī)和泵類負(fù)荷進(jìn)行調(diào)速節(jié)能的理論分析依據(jù):采用擋板或閥門開度控制介質(zhì)流量大小時，管道阻力擋板與功率P(陰影部分為輸出功率)的曲線變化(如圖1所示)。從曲線1到曲線2，介質(zhì)流量下降，但功率下降不多。然而，通過改變轉(zhuǎn)速n來調(diào)節(jié)介質(zhì)流量是不同的(如下所示)。
H-Q曲線。使用jpeg文件交換格式存儲的編碼圖像文件擴(kuò)展名
當(dāng)調(diào)整轉(zhuǎn)速時，H-Q曲線從曲線1變?yōu)榍€2。擋板開度為100%時，管道阻力曲線保持不變，節(jié)省了大量動力。(其中n1為調(diào)整前的速度，n2為調(diào)整后的速度)。
5.1數(shù)據(jù)收集
為了準(zhǔn)確了解變頻改造后的節(jié)能效果，我們收集了改造前后90-100 MW負(fù)荷機(jī)組運(yùn)行的相關(guān)數(shù)據(jù)。根據(jù)近半年的運(yùn)行情況，機(jī)組負(fù)荷集中在90-100 MW段，按照改造前負(fù)荷平均運(yùn)行參數(shù)計算節(jié)能效果。轉(zhuǎn)換前后的數(shù)據(jù)收集如下:
轉(zhuǎn)換前后的數(shù)據(jù)收集表
5.2節(jié)能計算
從上表可以看出，在相同的工況下，變頻運(yùn)行時風(fēng)機(jī)的電流比工頻運(yùn)行時小很多，節(jié)能效果非常顯著。
根據(jù)流體力學(xué)理論，在理想條件下，風(fēng)機(jī)和泵類負(fù)載具有風(fēng)機(jī)風(fēng)量與轉(zhuǎn)速成正比的特點(diǎn):Q1/Q2=n1/n2，風(fēng)機(jī)壓力與轉(zhuǎn)速的平方成正比:H1/H2=( n1/n2)2，功率與轉(zhuǎn)速的三次冪成正比:P1/P2=(n1/n2)3。根據(jù)這些特征，我們分別計算
運(yùn)行時間320天(7680小時)，VFD效率97%，功率因數(shù)0.86，運(yùn)行電壓6.1kV，電價0.236元/千瓦時。根據(jù)公式P=公式。jpg，計算節(jié)能效果，如下表所示:
節(jié)能效果表
六.直接經(jīng)濟(jì)效益分析:
1)根據(jù)以上條件，變頻運(yùn)行方式的節(jié)能效果比常規(guī)工頻運(yùn)行方式更顯著，節(jié)能幅度約為50-60%。8臺風(fēng)機(jī)年節(jié)電1790.85萬千瓦時，平均節(jié)電率56%。
2)增加上網(wǎng)電價收入=年節(jié)約量×上網(wǎng)電價(注:我廠上網(wǎng)電價為0.236元/千瓦時)
年新增上網(wǎng)電價收入= 1790.85萬千瓦·小時×0.236元/千瓦時= 422.6萬元
在現(xiàn)場試驗和理論分析的基礎(chǔ)上，確定了風(fēng)機(jī)的最佳運(yùn)行工況，使風(fēng)機(jī)在最大節(jié)能條件下運(yùn)行，為公司帶來了更多的節(jié)能空間和效益。由于風(fēng)機(jī)采用變頻調(diào)速后往往低速工作，大大降低了風(fēng)機(jī)葉輪的磨損，減少了風(fēng)機(jī)振動和軸承磨損。延長了風(fēng)機(jī)的檢修周期，節(jié)約了檢修成本和時間。同時，由于阻尼器在工作時間不使用，避免了調(diào)節(jié)阻尼器時容易出現(xiàn)的喘振現(xiàn)象對設(shè)備造成的損壞。變頻調(diào)速系統(tǒng)可以作為軟啟動器，避免了直接啟動時對電機(jī)的影響。
七.結(jié)束語
由于節(jié)能效果明顯，特別是在低負(fù)荷時，大功率重載變頻裝置實現(xiàn)了電機(jī)的軟啟動，延長了電機(jī)的使用壽命，充分打開了風(fēng)機(jī)擋板，減少了風(fēng)道的振動和磨損。目前許多變頻器品牌都在研發(fā)具備良好的節(jié)能效果的產(chǎn)品，這部分產(chǎn)品將越來越多地應(yīng)用于電力系統(tǒng)，對建設(shè)節(jié)約型社會具有重要意義。
