摘要：本文通過對中國石油錦西煉油化工總廠熱電公司4#爐引、送、二次風機的高壓變頻節能改造的介紹，詳細敘述了改造的目的、技術方案、改造過程和原理特性。具體分析了改造效果，特別是經濟效果。最后闡明節能改造的意義，是企業由粗放型的管理向資源節約型管理轉變的有效途徑，是企業增效的新亮點。
關鍵詞：變頻 改造 節能 增效

1.前言
中國石油錦西煉油化工總廠熱電公司有75噸鍋爐3臺，220噸鍋爐3臺。其中1、2、3#爐是75噸鍋爐，4、5、6#爐是220噸鍋爐。6臺鍋爐全部采用了引風、送風和二次風機，這些風機的驅動電機是按照最大額定負荷設計的，而鍋爐一年中能在最大額定負荷段狀態下運行的時間卻很少，大部分時間運行在三分之二負荷段上。這樣，鍋爐對實際風的需要量卻不是所設計的最大風量，而應該是隨著負荷改變而改變的變化風量。為了滿足鍋爐對變化風量的要求，我們傳統工藝一直采用調整風道檔板開度的辦法，這種辦法能夠改變和調整風量，卻無法調整驅動電機的轉速和按比例節能，造成了工業生產中能源的大量浪費和生產成本的上升。

2.改造目的
為了降低生產成本，降低能耗，適應我國關于能源節約與資源綜合利用“十五”規劃的要求，采用低消耗、低排放、高效率的持續發展理念的經濟增長模式，應用變頻節能技術來改造傳統工藝的技術缺憾。我公司經過對低壓變頻技術的廣泛成熟的應用，獲取了較大的節能效果和維護經驗。隨著高壓變頻器技術產品的成熟與穩定應用，我們把這一節能成果又進一步擴大到了高壓電機上，并于2006年5月份對4#爐三臺風機的驅動電動機進行了高壓變頻器改造。

3、4#爐風機工作額定參數

3.實施的改造方案
3.1 變頻器的選型方案
由于高壓變頻改造所實施的具體方案與變頻器的選型有直接的關系,所以我公司首先進行了變頻器的選型考察，經過仔細認真地比較和公開招標，最后國產產品——北京利德華福HARSVERT-A高壓變頻器以其優良的質量，齊全的技術性能和周到的售后服務一舉中標。
3.2 主回路方案
根據我公司風機負荷的重要性，我們決定采用的變頻控制為一拖一方案，就是一臺變頻器帶一臺風機電機。為了增加運行的可靠性和安全性，又增設了工頻旁路回路。具體的設計方案如圖1所示：

圖1：一次主回路接線圖
QF為用戶的真空斷路器，QS1、QS2、QS3為3臺高壓隔離刀閘。在QS1和QS2之間是高壓變頻器，QS3為旁路刀閘。當電機需變頻運行時，應首先將QS3拉開，然后合QS1和QS2刀閘，最后再合真空斷路器QF使變頻器得電并啟動變頻器以驅動電機。當電機需工頻運行時，應將QS1和QS2刀閘拉開，將QS3旁路刀閘合入，最后合真空斷路器QF以直接驅動電機工頻運行。此運行方式為變頻器故障或檢修等特殊情況下用工頻來保證設備運行的備用工作方式。
上述方案為手動旁路的典型方案，要求QS2和QS3不能同時閉合，并在機械上實現安全互鎖。
為了實現對故障變頻器的保護，變頻器故障狀態下發出跳閘指令，對現場的高壓真空斷路器QF進行連鎖跳閘，以使變頻器斷開電源。同時三把刀閘都與斷路器QF電氣互鎖，只有在斷路器分離時才能操作刀閘，保證了安全操作。
3.3 控制方案
根據我公司的實際情況，我們對變頻器采用三種控制方案，分別是遠程DCS閉環自動控制、遠程DCS開環手動控制和就地手動控制。
3.4 冷卻方案
變頻器的工作過程是將交流電整流成直流電，再將直流逆變成交流的過程。在這一過程中，電子功率器件自身要發出一定的熱量（2%），這些熱量會使設備的溫度不斷上升，并燒損設備本身。為了使變頻器正常穩定工作，就必須將變頻器發出的熱量及時排散掉。因此變頻器冷卻問題對變頻器運行的穩定十分重要。經過認真的研究，我們采用了最簡單、最有效、最穩定的冷卻方案——自然風冷方案。就是在變頻器頂部安裝一個總風道，用這個風道將變頻器自身頂部的冷卻風機從室內吸入的自然空氣所帶的變頻器內部熱量不斷地排放到室外。這種方案只做一個風道，不增加任何轉動設備，因此簡單可靠，故障因素少。經過在40℃室溫條件下做滿載散熱能力試驗，結果變頻器的溫度最高到68℃，與設計的最高溫升140度相比，結果是非常理想的。

4.變頻器的工作原理與特性
4.1 系統結構
HARSVERT-A系列6kV高壓變頻調速系統的結構見圖2，由移相變壓器、功率單元和控制器組成。每臺變頻器有21個功率單元，每7個功率單元串聯構成一相。

圖2：高壓變頻調速系統結構圖
4.2 功率單元結構
每個功率單元結構上完全一致，可以互換，其電路結構見下圖3，為基本的交-直-交單相逆變電路，整流側為二極管三相全橋，通過對IGBT逆變橋進行正弦PWM控制，可得如圖4所示的波形。
4.3 輸入側結構
輸入側由移相變壓器給每個單元供電，移相變壓器的副邊繞組分為三組，構成42脈沖整流方式，這種多級移相疊加的整流方式可以大大改善網絡的電流波形，使其負載下網側功率因數接近1。
另外，由于變壓器副邊繞組的獨立性，使每個功率單元的主回路相對獨立，類似常規低壓變壓器，便于采用現有的成熟技術。
4.4 輸出側結構
參見圖2和圖3。輸出側由每個單元的U、V輸出端子相互串接而成星型接法給電機供電，通過對每個單元的PWM波形進行重組，可以得到如圖5所示的階梯PWM波形。這種波形正弦度好，dv/dt小，可減少對電纜和電機的絕緣損壞，無須輸出濾波器就可以使輸出電纜長度很長，電機不需要降額使用，可直接用于舊設備的改造。同時，電機的諧波損耗大大減少，消除了由此引起的機械振動，減小了軸承和葉片的機械應力。
當某一個單元出現故障時，通過使圖3中的繼電器K閉合，可以將此單元旁路出系統而不影響其它單元的運行，變頻器可持續降額運行，如此可減少很多場合下停機造成的損失。

圖3：功率單元電路結構

圖4：單元輸出的PWM波形

圖5：系統輸出的相電壓階梯PWM波形
4.5 控制器
控制器核心由高速單片機來實現，精心設計的算法可以保證電機達到最優的運行性能。控制器還包括一臺內置的PLC，用于柜體內開關信號的邏輯處理，以及與現場各種操作信號和狀態信號的協調。增強了系統的靈活性。
控制器結構上采用VME標準箱體結構，各控制單元板采用FPGA、CPLD等大規模集成電路和表面焊接技術，系統具有極高的可靠性。
另外，控制器與功率單元之間采用光纖通訊技術，低壓部分和高壓部分完全可靠隔離，系統具有極高的安全性，同時具有很好的抗電磁干擾性能。

5.改造效果
5.1 改造后的工藝效果
4#爐引、送、二次風機高壓變頻改造后，將原風道中用開度大小來調整風道風量的檔板開到了100%。這樣大大減小了風的阻力損耗。另外完全改變了風在管道中的振動頻率，由于風機的驅動電機在變頻狀態下工作，工作頻率在不斷的變化中，使風道的固有共振頻率很難與工作頻率一致，從而避免了共振現象的產生，解決了風道在工頻狀態下振動大的問題。這樣風道時常被振開裂的難題被自然解決了，也是我們此次改造的意外收獲。
5.2 改造后對電網的沖擊效果
當電機通過工頻直接啟動時，它將會產生7-8倍的電機額定電流。這個電流值將大大增加電機繞組的電應力并產生熱量，從而降低電機的壽命。而采用變頻后，電機實現了軟啟動，可以在零速零電壓啟動（當然可以適當加轉矩提升），直到達到工作電流為止。一旦頻率和電壓的關系建立，變頻器就可以按照V/f或矢量控制方式帶動負載進行工作，對電網幾乎沒有沖擊。
5.3 改造后的維護強度效果
采用變頻調速后，驅動電動機基本工作在30Hz到40Hz的頻率范圍內，與工頻50Hz相比，降低了風機的轉速。另外啟動時的緩慢升速過程也使整套風機機械設備的零部件、密封和軸承等的使用壽命大大延長。不用檔板調風，調風檔板的使用壽命大大延長，使檢修維護工作量減少，更降低了檢修工作強度和費用。
5.4 改造后的節能效果
我公司4#爐3臺風機進行變頻調速改造后，在收到上述諸多改造工藝效果的同時，更獲得了重大的節能效果。詳見下列改造前后生產參數對照表，此表數據來源于改造前后的生產報表：
4#爐變頻改造前后節能對照表



注：改造前功率因數為0.85；改造后功率因數為0.97。

從上表中數據可知，220噸鍋爐在從140噸到200噸運行過程中，三臺風機的節電效果隨鍋爐負荷的增加而下降，隨鍋爐負荷的減小而上升。而我公司鍋爐每年中運行在140噸到150噸大約有8個月，運行在200噸大約有2個月，運行在180噸大約有1個月，檢修時間大約有1個月。改造前4#爐每年三臺風機用總電量約為1863.13387萬度（k