变频器在宁波热电技术改造中的应用

0 序言
变频调速在节能、调速精度、调速范围等方面具有同其它调速装置无法比拟的优越性，以及可以方便实现同自动化控制系统（如DCS系统等）的通讯，使其在各领域得到广泛的应用。本文以我公司最近几年应用变频调速进行技术改造的几个成功事例进行介绍和总结，由此说明变频器装置在各行业技术改造中的广阔应用前景。
1 锅炉风机电机应用变频器调速控制
1．1 锅炉二次风机电机应用变频器调速控制
我公司锅炉为75（T/H）循环流化床锅炉，每台锅炉配置引风机、一次风机(送风机)、二次风机各一台，各电机主要技术参数如下：


在进行变频器改造以前,各风机在正常情况下的运行数据，以2000年全年运行情况统计如下：


我们知道，由于锅炉在正常运行中的燃料构成、热负荷、电负荷以及季节等变化因数较大，因此，锅炉燃烧所需要的空气量在各个不同的情况下，也相应有较大的变化，然而，锅炉配置的风机是按锅炉最大出力情况下的所需最大风量来设计，并必须考虑锅炉在事故情况下一定的风量裕度，所以，风机电机功率的配置一般都较大，从表中的统计数据可看出，锅炉风机档板的平均开度，在正常情况下引风机为48%左右，二次风机仅为45%左右。用档板调节控制，大量电能浪费克服挡板的阻力上，造成厂用电率高，影响机组的经济运行。
2000年底，我们首先选择在1#炉的二次风机上进行改造尝试，并考虑到二次风机电机功率设计时配置裕量较大，我们有意选择132kW功率的变频器来控制160kW功率的电机，变频器的型号为三菱FR—F540L—132K，电压等级为380V，变频器于2001年元月安装调试完毕并投入运行，通过一段时间的运行测试，二次风机工频电流由原来的平均135（A）下降到现在的平均70—75（A），节能效果相当显著，并且变频器技术性能完全满足锅炉运行工艺的要求（主要是风压、风量、加减风的速率等），根据电度表测定，节能效率在45%左右,基本上一年可以收回投资。并且电机在启动、运行调节、控制操作等方面都得到极大的改善。由于效益显著，在2001年2月，我公司又对2#、3#炉二次风机也进行了变频器改造，运行至今情况良好。在对锅炉二次风机电机旁路设计上，我们采用的是双投闸刀，用手动切换方式，在实际使用中效果也很好，不仅投资节约，而且接线简单、可靠，安装也相当方便，二次风机变频器接线如图（1）。


图1 -- 二次风机变频器接线图

2 锅炉引风机电机应用变频器调速控制
在锅炉二次风机上变频器调节装置改造成功后，使我们看到变频器技术改造的巨大节能潜能和良好的效益，2002年12月，我们在3#锅炉引风机上进行高压变频器调速系统改造，经过多方面技术考察、比较，我们认为北京利德华福技术有限公司生产的HARSVERT-A06/050变频器在性能价格比上有较好优势，并且产品在国内市场应用也比较广泛，售后服务全面周到，HARSVERT-A06/050变频调 速系统采用多级模块串联，交直交、高-高型电路，电源变换器采用30脉冲，二极管三相全桥，输出采用IGBT 逆变桥串连型式，原电动机电源直接作为变频器输入电源，再通过变频器输出连接到电机，为充分保证系统的可靠性，变频器同时加装了工频旁路装置，变频器异常时退出运行，电机可以直接手动切换到工频运行下运行。旁路由3个高压隔离开关QS1、QS2和QS3组成（见图2，其中QF为原高压开关柜内的断路器）。在变频运行时，QS1 和QS2闭合，QS3 断开；工频运行时，QS3闭合，QS1和QS2断开。


图2—引风机变频器接线图
变频调速由安装在锅炉操作台上的启动、停机、转速调整开关进行远程控制，并可同DCS系统接口，通过DCS实现变频器的调速控制，变频调速装置还提供报警指示、故障指示、待机状态、运行状态、旁路状态、高压合闸允许、高压紧急分断等保护信息以及转速给定值和风机实际转速值等必要指示，以便操作人员进行操作控制。
设备从2003年4月24日到货至4月28日安装调试结束，总共4天时间，还进行了一系列的动态试验，如：变频器50Hz满载运行试验、电机—风机系统临界振动实验、母线电压波动试验、变频器与高压开关的联锁试验、连续快速增减负荷试验等，一切正常后，再进行连续的72小时试运行，至5月1日投入正常工作运行，设备运行至今一切正常，没有发生过任何异常情况。
在变频器改造以前，根据统计情况，锅炉引风机的运行工频电流在25A左右，通过变频器调节装置改造后，目前在锅炉相同运行情况下，锅炉引风机在变频后的电流为9—10A左右，平均降低电流达到15—16A。根据计算，平均节电128—136wh/h ，考虑装置自耗电及将来空调用电16kwh/h，总体节电可达到112—120 kwh/h，节电率达到53%—56%，经济效益相当显著。因此，锅炉引风机高压变频器节能技术改造项目是相当成功的，我公司将进一步计划对其它锅炉引风机也进行变频器调节装置改造，以取得更大经济效益。

3 补水泵电机应用变频器进行补水调节控制
我公司热电厂日消耗水量约6000—7000吨，主要用于净化水处理、工业用水和生活用水，泵房共有补水泵三台，其电动机的技术参数分别为：


一方面，3#泵出力太小，不能满足日耗水需要，而1#、2#泵的出力又太大，水泵不好控制和调节，使得电机启停过于频繁。另一方面，从净水器的净水效果来看，最理想的净化方法应该是保持一定水量进行连续供水，这样净水效率高，效果也好。如果水泵经常启动、停止，易造成断水的严重后果。净水器停运期间，净水器内的塑料斜管暴露在阳光下的时间过长容易老化，影响塑料斜管的使用寿命，如果净水器停运时间过长，再使用时则需要重新经过反洗，这样对用水的浪费相当大，再者，补水泵房至净水器大约有600米距离，并且管道敷设较浅，在冬季发生过管道破裂现象，以上这些都是由于停水时间过长，管道内的积水不流动，在低温下造成结冻引起。为此，我们对1#、2#补水泵电机进行变频器调节改造，以期达到控制水泵供水连续性的目的。变频器选用三菱FR—F540L—37，电压等级为380V。
补水泵改用变频器调节补水，不仅仅在于考虑它对电机的节能效益，更重要的是从生产设备运行安全角度考虑，改造后的运行情况良好，提高了净水器的净水效果。并实现连续供水的目的，我们对补水泵变频器控制的工艺要求，按照以下方案进行设计（接线如图3）。
3．1 为充分利用变频器，我们采用一台变频器来实现两台电机的调速控制；
3．2 两台补水泵均可实现变速、定速两种方式运行，变频器在同一时间只能作一台电机的变频电源，所以每台电机启动、停止必须相互闭锁，用逻辑电路控制，保证可靠切换，出口采用双投闸刀切换；
3．3 二台补水泵工作时，其中一台由工频供电作定速运行，另一台由变频器供电作变速运行，同一台电机的变速、定速运行由交流接触器相互闭锁，即在变速运行时，定速合不上，如下图中，1C1与1C2及2C1与2C2不允许同时合上；
3．4 为确保工艺控制安全、可靠，变频器及两台电机的控制、保护、测量单元全部集中在就地控制柜内，控制调节通过屏蔽信号电缆引接到控制室；


图3---补水泵电机变频器接线，虚框内为改造增加部分

4 变频器调速改造中应注意的一些技术问题
热电厂充分利用变频器进行节能技术改造，不仅能提高经济效益，而且能产生巨大的社会效益，促进企业的技术进步。但在技术上，要根据不同的生产设备，选择相应特性的变频器，如在对锅炉风机进行变频器改造中，注意除必须考虑变频器的提速、降速特性是否满足燃烧工艺的要求以外，还同时在技术上必须要考虑下列问题，以免带来投资的损失。
4．1 锅炉的安全运行是全厂动力的根本保证，虽然变频调速装置是可靠的，但一旦出现问题，必须确保锅炉安全供汽，所以，必须实现工频--变频运行的切换系统（旁路系统），在生产过程中，采用手工切换如能满足设备运行工艺要求，建议尽量不要选用自动旁路，对一般的小功率电机，采用双投闸刀方式作为手动、自动切换手段也是比较理想的方法。
4．2 对于大惯量负荷的电机（如锅炉引风机），在变频改造后，要注意风机可能存在扭曲共振现象，运行中，一旦发生共振，将严重损坏风机和拖动电机。所以，必须计算或测量风机--电机连接轴系扭振临界转速以及采取相应的技术措施（如设置频率跳跃功能避开共振点、软连接及机座加震动吸收橡胶等）。
4．3 采用变频调速控制后，如果变频器长时间运行在1/2工频以下，随着电机转速的下降，电机散热能力也下降，同时电机发热量也随之减少。所以电机的本身温度其实是下降的，仍旧能够正常运行而不至温度过高。
4．4 变频器不能由输出口反向送电，在电气回路设计中必须注意，如引风机高压变频器接线图中，要求QS2和QS3不能同时闭合，在补水泵变频器改造接线图中，要求1C1与1C2及2C1与2C2不允许同时合上，不仅要求在电气二次回路中实现电气的连锁，同时要求在机械上实现机构互锁，以确保变频器的运行安全。
4．5 低压变频器，由于体积较小，在改造中的安装地点选择比较容易些。但对于高压变频器系统，体积相对较大，一般由4—5面柜体组成，对改造项目来讲，一般都需要重新建造变频器室。因此，选择变频器室位置，既要考虑离电机设备不能太远，又要考虑周围环境对变频器运行可能造成的影响。变频器的安装和运行环境要求较高，为了使变频器能长期稳定和可靠运行，对安装变频器室的室内环境温度要求最好控制在0--40℃之间，如果温度超过允许值，应考虑配备相应的空调设备。同时，室内不应有较大灰尘、腐蚀或爆炸性气体、导电粉尘等。
4．6 要保证变频器柜体和厂房大地的可靠连接，保证人员和设备安全。为防止信号干扰，控制系统最好埋设独立的接地系统，对接地电阻的要求不大于4Ω。到变频器的信号线，必须采用屏蔽电缆，屏蔽线的一端要求可靠接地。
4．7 在选择变频器时，根据设备实际运行情况，可以考虑采用降低一档功率的做法，如我公司在二次风机中就采用132 kW变频器控制160 kW 功率的电动机，运行中情况也一直良好。

5 结束语
随着电力电子技术的发展，变频器的各项技术性能也得
到拓宽和提高，在热电行业中，风机水泵类负荷较多，充分应用变频器进行节能改造已经逐渐被大家所接受。对于目前低压变频器，投资较低、效益高，一年左右就可以收回投资而被广泛应用。但相对高压变频器，价格还较高，测试投资回收期限，一般需要两年左右时间。但随着目前国产高压变频器的迅速发展，使得变频器的性能价格比大大提高，为利用变频器进行节能技术改造提供了更加广阔的前景。