一.導言
在電力、化工等生產行業(yè)當中，異步電機是十分關鍵的動力設備。作為一種高耗能設備，其輸出功率無法隨負荷大小而變化，基本只能通過擋板或閥門的開度來調節(jié)，而電機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，加強內部管理，挖潛節(jié)能，當成企業(yè)突破當前市場困境的一大突破口。
近年來，為進一步落實“倡導綠色生產與消費，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)開始轉型低消耗、低排放、高效率的可持續(xù)發(fā)展理念的經(jīng)濟增長模式。利用大功率重載變頻器（以下簡稱VFD）對高能耗電機電源進行技術改造，已成為如今許多企業(yè)節(jié)能降耗、提高效率的關鍵手段之一。既能降低廠用電，降低供電煤耗，帶來直接可觀經(jīng)濟效益增長，又能提高機組安全可靠性，減少機組故障。
當前許多企業(yè)開始對引風機進行改造，加裝變頻調速裝置。通過變頻調速幫助風機處于最佳運行狀態(tài)，可以節(jié)能降耗，減少機械磨損，減少管道壓力損失，實現(xiàn)電機軟啟動，降低電機啟動時的沖擊電流，延長電機的使用壽命和電流對電網(wǎng)、變壓器的沖擊，節(jié)約用電，降低運行成本?？梢源蟠筇岣哌\行效率，達到節(jié)能的目的。
變頻調速原理
n=60 f(1-s)/p (1)
其中n為異步電動機的轉速；
F——異步電動機的頻率；
S——電動機的轉差率；
P——電機的極對數(shù)。
從公式(1)可以看出，轉速n與頻率f成正比，通過改變頻率f可以改變電機的轉速，當頻率f在0 ~ 50 Hz范圍內變化時，電機轉速的調節(jié)范圍很寬。變頻調速是通過改變電機電源的頻率來實現(xiàn)調速。
VFD主要采用AC-DC-AC模式，先通過整流器將工頻交流電源轉換為DC電源，再將DC電源轉換為頻率和電壓可控的交流電源，為電機供電。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、改造前的設備狀況
重慶某地的電力企業(yè)#1和# 2發(fā)電機的裝配能力為125兆瓦。1、2號鍋爐為450 t/h自然循環(huán)汽包鍋爐。兩側布置兩套引風機，風機一般采用高效離心風機。目前風量調節(jié)是通過手動調節(jié)風門來實現(xiàn)的。在不考慮節(jié)能的情況下，全部采用直接起動電機，壓力和風量由風門調節(jié)。風機的設計出口壓力和風量遠高于實際生產過程。當機組負荷較低時，兩側風機運行，系統(tǒng)整體效率較低。
引風機左、右各1350。電機功率1000KW，主軸轉速730r/min，流量138.89M3/S，3850Pa。
鼓風機左、右各450。電機功率800千瓦，主軸轉速960轉/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臺鼓風機電機，均采用工頻運行。8臺風機加裝變頻調速裝置，采用自動旁路方式。引風機閥門調節(jié)的原有運行方式改為變頻調速引風機流量調節(jié)的運行方式。當VFD出現(xiàn)故障或檢修時，可自動切換到工頻運行。當引風機以變頻方式運行時，由手操器在DCS界面上調節(jié)引風機的頻率，從而達到調節(jié)引風機風量的目的。同時，保留了原有的流量閥調節(jié)方式。當引風機在變頻模式下運行時，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斷路器與電機之間增加變頻調速系統(tǒng)和旁路開關柜，通過高壓VFD輸出6kV變頻電源給電機供電。每套高壓VFD都配有自動隔離旁路系統(tǒng)。
自動隔離旁路開關柜由進線斷路器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柜的VFD斷路器1QF，再經(jīng)過自動隔離旁路開關柜的/kloc-0工頻斷路器3QF并聯(lián)在進線斷路器1QF、出線斷路器2QF兩端。當VFD處于“保護”狀態(tài)時，進線刀閘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)點聯(lián)鎖，即出線刀閘2QF和工頻刀閘3QF不能同時拉進，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
旁路開關柜上安裝有兩個選擇開關:
(1)遠程/本地選擇開關。遠程時DCS可以控制VFD運行，本地時可以本地運行。
(2)繞過手動/自動選擇開關。當出現(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.變頻改造后風機的運行
該企業(yè)前年對機組進行大修，10月1號機組臨時檢修。利用此次停運機會，將1、2號鍋爐引風機8臺電機改造為北京和康易盛公司生產的高壓變頻調速裝置，與DCS監(jiān)控系統(tǒng)連接，將變頻的所有技術參數(shù)、運行狀態(tài)、故障及報警上傳至DCS，由DCS進行遠程控制啟停，同時可實現(xiàn)變頻就地控制功能。
在DCS界面上風機的啟停有兩種方式，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擊開關，按照給定的電氣設備啟動順序進行操作。通常操作人員采用一鍵啟動，一鍵停止，簡單快捷，不易開、關錯開關，大大方便了操作。
變頻和工頻之間有聯(lián)鎖開關。運行中出現(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行，并向DCS發(fā)送旁路狀態(tài)信號。同時，DCS邏輯自動快速關閉風門至65%。此時操作人員參與調節(jié)，控制風量和壓力正常，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)運行，維修人員可以根據(jù)報警信號的信息到當?shù)嘏懦[患。
該企業(yè)在使用VFD后至今一直運行正常。機組滿載80MW時，爐內負壓變化小，燃燒穩(wěn)定，工況可靠。
五.節(jié)能效益分析
當我們用擋板或閥門的開度大小來控制風機和泵類負荷的介質流量時，觀察到這些風機和泵類負荷長期以額定轉速工作，不可避免地會對擋板或閥門造成相當大的能量損失。利用風機和泵類負荷進行調速節(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，介質流量下降，但功率下降不多。然而，通過改變轉速n來調節(jié)介質流量是不同的(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展名
當調整轉速時，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為調整前的速度，n2為調整后的速度)。
5.1數(shù)據(jù)收集
為了準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負荷機組運行的相關數(shù)據(jù)。根據(jù)近半年的運行情況，機組負荷集中在90-100 MW段，按照改造前負荷平均運行參數(shù)計算節(jié)能效果。轉換前后的數(shù)據(jù)收集如下:
轉換前后的數(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，變頻運行時風機的電流比工頻運行時小很多，節(jié)能效果非常顯著。
根據(jù)流體力學理論，在理想條件下，風機和泵類負載具有風機風量與轉速成正比的特點:Q1/Q2=n1/n2，風機壓力與轉速的平方成正比:H1/H2=( n1/n2)2，功率與轉速的三次冪成正比:P1/P2=(n1/n2)3。根據(jù)這些特征，我們分別計算
運行時間320天(7680小時)，VFD效率97%，功率因數(shù)0.86，運行電壓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)濟效益分析:
1)根據(jù)以上條件，變頻運行方式的節(jié)能效果比常規(guī)工頻運行方式更顯著，節(jié)能幅度約為50-60%。8臺風機年節(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上，確定了風機的最佳運行工況，使風機在最大節(jié)能條件下運行，為公司帶來了更多的節(jié)能空間和效益。由于風機采用變頻調速后往往低速工作，大大降低了風機葉輪的磨損，減少了風機振動和軸承磨損。延長了風機的檢修周期，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，避免了調節(jié)阻尼器時容易出現(xiàn)的喘振現(xiàn)象對設備造成的損壞。變頻調速系統(tǒng)可以作為軟啟動器，避免了直接啟動時對電機的影響。
七.結束語
由于節(jié)能效果明顯，特別是在低負荷時，大功率重載變頻裝置實現(xiàn)了電機的軟啟動，延長了電機的使用壽命，充分打開了風機擋板，減少了風道的振動和磨損。目前許多變頻器品牌都在研發(fā)具備良好的節(jié)能效果的產品，這部分產品將越來越多地應用于電力系統(tǒng)，對建設節(jié)約型社會具有重要意義。
