高壓變頻技術(shù)在錦西石化4#爐風(fēng)機(jī)節(jié)能改造中的應(yīng)用及經(jīng)濟(jì)效益分析
中國(guó)石油錦西煉油化工總廠熱電公司 張文鴻
摘要： 本文通過(guò)對(duì)中國(guó)石油錦西煉油化工總廠熱電公司4#爐引、送、二次風(fēng)機(jī)的高壓變頻節(jié)能改造的介紹，詳細(xì)敘述了改造的目的、技術(shù)方案、改造過(guò)程和原理特性。具體分析了改造效果，特別是經(jīng)濟(jì)效果。最后闡明節(jié)能改造的意義，是企業(yè)由粗放型的管理向資源節(jié)約型管理轉(zhuǎn)變的有效途徑，是企業(yè)增效的新亮點(diǎn)。
關(guān)鍵詞：變頻 改造 節(jié)能 增效
1.前言
中國(guó)石油錦西煉油化工總廠熱電公司有75噸鍋爐3臺(tái)，220噸鍋爐3臺(tái)。其中1、2、3#爐是75噸鍋爐，4、5、6#爐是220噸鍋爐。6臺(tái)鍋爐全部采用了引風(fēng)、送風(fēng)和二次風(fēng)機(jī)，這些風(fēng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)是按照最大額定負(fù)荷設(shè)計(jì)的，而鍋爐一年中能在最大額定負(fù)荷段狀態(tài)下運(yùn)行的時(shí)間卻很少，大部分時(shí)間運(yùn)行在三分之二負(fù)荷段上。這樣，鍋爐對(duì)實(shí)際風(fēng)的需要量卻不是所設(shè)計(jì)的最大風(fēng)量，而應(yīng)該是隨著負(fù)荷改變而改變的變化風(fēng)量。為了滿足鍋爐對(duì)變化風(fēng)量的要求，我們傳統(tǒng)工藝一直采用調(diào)整風(fēng)道檔板開(kāi)度的辦法，這種辦法能夠改變和調(diào)整風(fēng)量，卻無(wú)法調(diào)整驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和按比例節(jié)能，造成了工業(yè)生產(chǎn)中能源的大量浪費(fèi)和生產(chǎn)成本的上升。
2.改造目的
為了降低生產(chǎn)成本，降低能耗，適應(yīng)我國(guó)關(guān)于能源節(jié)約與資源綜合利用“十五”規(guī)劃的要求，采用低消耗、低排放、高效率的持續(xù)發(fā)展理念的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)模式，應(yīng)用變頻節(jié)能技術(shù)來(lái)改造傳統(tǒng)工藝的技術(shù)缺憾。我公司經(jīng)過(guò)對(duì)低壓變頻技術(shù)的廣泛成熟的應(yīng)用，獲取了較大的節(jié)能效果和維護(hù)經(jīng)驗(yàn)。隨著高壓變頻器技術(shù)產(chǎn)品的成熟與穩(wěn)定應(yīng)用，我們把這一節(jié)能成果又進(jìn)一步擴(kuò)大到了高壓電機(jī)上，并于2006年5月份對(duì)4#爐三臺(tái)風(fēng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行了高壓變頻器改造。
3、4#爐風(fēng)機(jī)工作額定參數(shù)
|
風(fēng)機(jī)名稱 |
電機(jī)型號(hào) |
額定電壓 |
額定電流 |
額定功率 |
功率因數(shù) |
額定轉(zhuǎn)數(shù) |
|
一次風(fēng)機(jī) |
YFKK5004-4 |
6000V |
131A |
1120kW |
0.85 |
1490r/min |
|
二次風(fēng)機(jī) |
YFKK5001-4 |
6000V |
94A |
800kW |
0.85 |
1490r/min |
|
1#引風(fēng)機(jī) |
YFKK4505-6W |
6000V |
61A |
500kW |
0.85 |
990r/min |
3.1 變頻器的選型方案
由于高壓變頻改造所實(shí)施的具體方案與變頻器的選型有直接的關(guān)系,所以我公司首先進(jìn)行了變頻器的選型考察，經(jīng)過(guò)仔細(xì)認(rèn)真地比較和公開(kāi)招標(biāo)，最后國(guó)產(chǎn)產(chǎn)品——北京利德華福HARSVERT-A高壓變頻器以其優(yōu)良的質(zhì)量，齊全的技術(shù)性能和周到的售后服務(wù)一舉中標(biāo)。
3.2 主回路方案
根據(jù)我公司風(fēng)機(jī)負(fù)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(tái)變頻器帶一臺(tái)風(fēng)機(jī)電機(jī)。為了增加運(yùn)行的可靠性和安全性，又增設(shè)了工頻旁路回路。具體的設(shè)計(jì)方案如圖1所示：
 |
 |
| 圖1：一次主回路接線圖 | 圖2：高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 |
上述方案為手動(dòng)旁路的典型方案，要求QS2和QS3不能同時(shí)閉合，并在機(jī)械上實(shí)現(xiàn)安全互鎖。
為了實(shí)現(xiàn)對(duì)故障變頻器的保護(hù)，變頻器故障狀態(tài)下發(fā)出跳閘指令，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的高壓真空斷路器QF進(jìn)行連鎖跳閘，以使變頻器斷開(kāi)電源。同時(shí)三把刀閘都與斷路器QF電氣互鎖，只有在斷路器分離時(shí)才能操作刀閘，保證了安全操作。
3.3 控制方案
根據(jù)我公司的實(shí)際情況，我們對(duì)變頻器采用三種控制方案，分別是遠(yuǎn)程DCS閉環(huán)自動(dòng)控制、遠(yuǎn)程DCS開(kāi)環(huán)手動(dòng)控制和就地手動(dòng)控制。
3.4 冷卻方案
變頻器的工作過(guò)程是將交流電整流成直流電，再將直流逆變成交流的過(guò)程。在這一過(guò)程中，電子功率器件自身要發(fā)出一定的熱量（2%），這些熱量會(huì)使設(shè)備的溫度不斷上升，并燒損設(shè)備本身。為了使變頻器正常穩(wěn)定工作，就必須將變頻器發(fā)出的熱量及時(shí)排散掉。因此變頻器冷卻問(wèn)題對(duì)變頻器運(yùn)行的穩(wěn)定十分重要。經(jīng)過(guò)認(rèn)真的研究，我們采用了最簡(jiǎn)單、最有效、最穩(wěn)定的冷卻方案——自然風(fēng)冷方案。就是在變頻器頂部安裝一個(gè)總風(fēng)道，用這個(gè)風(fēng)道將變頻器自身頂部的冷卻風(fēng)機(jī)從室內(nèi)吸入的自然空氣所帶的變頻器內(nèi)部熱量不斷地排放到室外。這種方案只做一個(gè)風(fēng)道，不增加任何轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備，因此簡(jiǎn)單可靠，故障因素少。經(jīng)過(guò)在40℃室溫條件下做滿載散熱能力試驗(yàn)，結(jié)果變頻器的溫度最高到68℃，與設(shè)計(jì)的最高溫升140度相比，結(jié)果是非常理想的。
4.變頻器的工作原理與特性
4.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
HARSVERT-A系列6kV高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2，由移相變壓器、功率單元和控制器組成。每臺(tái)變頻器有21個(gè)功率單元，每7個(gè)功率單元串聯(lián)構(gòu)成一相。
4.2 功率單元結(jié)構(gòu)
每個(gè)功率單元結(jié)構(gòu)上完全一致，可以互換，其電路結(jié)構(gòu)見(jiàn)下圖3，為基本的交-直-交單相逆變電路，整流側(cè)為二極管三相全橋，通過(guò)對(duì)IGBT逆變橋進(jìn)行正弦PWM控制，可得如圖4所示的波形。
4.3 輸入側(cè)結(jié)構(gòu)
輸入側(cè)由移相變壓器給每個(gè)單元供電，移相變壓器的副邊繞組分為三組，構(gòu)成42脈沖整流方式，這種多級(jí)移相疊加的整流方式可以大大改善網(wǎng)絡(luò)的電流波形，使其負(fù)載下網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)接近1。
另外，由于變壓器副邊繞組的獨(dú)立性，使每個(gè)功率單元的主回路相對(duì)獨(dú)立，類似常規(guī)低壓變壓器，便于采用現(xiàn)有的成熟技術(shù)。
4.4 輸出側(cè)結(jié)構(gòu)
參見(jiàn)圖2和圖3。輸出側(cè)由每個(gè)單元的U、V輸出端子相互串接而成星型接法給電機(jī)供電，通過(guò)對(duì)每個(gè)單元的PWM波形進(jìn)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(duì)電纜和電機(jī)的絕緣損壞，無(wú)須輸出濾波器就可以使輸出電纜長(zhǎng)度很長(zhǎng)，電機(jī)不需要降額使用，可直接用于舊設(shè)備的改造。同時(shí)，電機(jī)的諧波損耗大大減少，消除了由此引起的機(jī)械振動(dòng)，減小了軸承和葉片的機(jī)械應(yīng)力。
當(dāng)某一個(gè)單元出現(xiàn)故障時(shí)，通過(guò)使圖3中的繼電器K閉合，可以將此單元旁路出系統(tǒng)而不影響其它單元的運(yùn)行，變頻器可持續(xù)降額運(yùn)行，如此可減少很多場(chǎng)合下停機(jī)造成的損失。
 |
| 圖3：功率單元電路結(jié)構(gòu) |
 |
| 圖4：?jiǎn)卧敵龅腜WM波形 |
|
| 圖5：系統(tǒng)輸出的相電壓階梯PWM波形 |
控制器核心由高速單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)，精心設(shè)計(jì)的算法可以保證電機(jī)達(dá)到最優(yōu)的運(yùn)行性能。控制器還包括一臺(tái)內(nèi)置的PLC，用于柜體內(nèi)開(kāi)關(guān)信號(hào)的邏輯處理，以及與現(xiàn)場(chǎng)各種操作信號(hào)和狀態(tài)信號(hào)的協(xié)調(diào)。增強(qiáng)了系統(tǒng)的靈活性。
控制器結(jié)構(gòu)上采用VME標(biāo)準(zhǔn)箱體結(jié)構(gòu)，各控制單元板采用FPGA、CPLD等大規(guī)模集成電路和表面焊接技術(shù)，系統(tǒng)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(shù)，低壓部分和高壓部分完全可靠隔離，系統(tǒng)具有極高的安全性，同時(shí)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(fēng)機(jī)高壓變頻改造后，將原風(fēng)道中用開(kāi)度大小來(lái)調(diào)整風(fēng)道風(fēng)量的檔板開(kāi)到了100%。這樣大大減小了風(fēng)的阻力損耗。另外完全改變了風(fēng)在管道中的振動(dòng)頻率，由于風(fēng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)在變頻狀態(tài)下工作，工作頻率在不斷的變化中，使風(fēng)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(xiàn)象的產(chǎn)生，解決了風(fēng)道在工頻狀態(tài)下振動(dòng)大的問(wèn)題。這樣風(fēng)道時(shí)常被振開(kāi)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(duì)電網(wǎng)的沖擊效果
當(dāng)電機(jī)通過(guò)工頻直接啟動(dòng)時(shí)，它將會(huì)產(chǎn)生7-8倍的電機(jī)額定電流。這個(gè)電流值將大大增加電機(jī)繞組的電應(yīng)力并產(chǎn)生熱量，從而降低電機(jī)的壽命。而采用變頻后，電機(jī)實(shí)現(xiàn)了軟啟動(dòng)，可以在零速零電壓?jiǎn)?dòng)（當(dāng)然可以適當(dāng)加轉(zhuǎn)矩提升），直到達(dá)到工作電流為止。一旦頻率和電壓的關(guān)系建立，變頻器就可以按照V/f或矢量控制方式帶動(dòng)負(fù)載進(jìn)行工作，對(duì)電網(wǎng)幾乎沒(méi)有沖擊。
5.3 改造后的維護(hù)強(qiáng)度效果
采用變頻調(diào)速后，驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)基本工作在30Hz到40Hz的頻率范圍內(nèi)，與工頻50Hz相比，降低了風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。另外啟動(dòng)時(shí)的緩慢升速過(guò)程也使整套風(fēng)機(jī)機(jī)械設(shè)備的零部件、密封和軸承等的使用壽命大大延長(zhǎng)。不用檔板調(diào)風(fēng)，調(diào)風(fēng)檔板的使用壽命大大延長(zhǎng)，使檢修維護(hù)工作量減少，更降低了檢修工作強(qiáng)度和費(fèi)用。
5.4 改造后的節(jié)能效果
我公司4#爐3臺(tái)風(fēng)機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)速改造后，在收到上述諸多改造工藝效果的同時(shí)，更獲得了重大的節(jié)能效果。詳見(jiàn)下列改造前后生產(chǎn)參數(shù)對(duì)照表，此表數(shù)據(jù)來(lái)源于改造前后的生產(chǎn)報(bào)表：
| 主汽流量T/H | 一次風(fēng)機(jī)電流 | 二次風(fēng)機(jī)電流 | 引風(fēng)機(jī)電流 | 差值電流總和 （A） |
差值功率總和 （kW） |
||||||
| 改造前 （A） |
改造后 （A） |
有功差值 （kW） |
改造前 （A） |
改造后 （A） |
有功差值 （kW） |
改造前 （A） |
改造后 （A） |
有功差值 （kW） |
|||
| 140 | 123 | 50.1 | 610.5 | 77 | 30.3 | 393.5 | 50 | 18.4 | 269.0 | 151.2 | 1273.0 |
| 145 | 123 | 50.6 | 605.2 | 77 | 30.8 | 388.2 | 50 | 19.1 | 261.6 | 149.5 | 1255.0 |
| 150 | 124 | 53.7 | 581.7 | 78 | 31.4 | 391.1 | 51 | 20.1 | 260.3 | 146.8 | 1233.1 |
| 155 | 124 | 55.1 | 566.9 | 79 | 32.8 | 385.6 | 52 | 21.6 | 253.7 | 145.5 | 1206.1 |
| 160 | 125 | 60.2 | 522.2 | 80 | 35.1 | 370.5 | 52 | 27.4 | 192.3 | 133.3 | 1085.0 |
| 165 | 125 | 60.9 | 514.8 | 82 | 36 | 379.5 | 52 | 28.9 | 176.4 | 133.2 | 1070.7 |
| 170 | 126 | 61.1 | 521.9 | 82 | 37.5 | 363.6 | 52 | 34.1 | 121.4 | 127.3 | 1006.9 |
| 180 | 126 | 61.1 | 521.9 | 82 | 38.3 | 355.2 | 52 | 38.2 | 78.0 | 122.4 | 955.1 |
| 190 | 129 | 62 | 540.2 | 82 | 39 | 347.8 | 52 | 43 | 27.2 | 119 | 915.2 |
| 200 | 131 | 62 | 558.8 | 82 | 39.7 | 340.3 | 52 | 45 | 6.0 | 118.3 | 905.1 |
從上表中數(shù)據(jù)可知，220噸鍋爐在從140噸到200噸運(yùn)行過(guò)程中，三臺(tái)風(fēng)機(jī)的節(jié)電效果隨鍋爐負(fù)荷的增加而下降，隨鍋爐負(fù)荷的減小而上升。而我公司鍋爐每年中運(yùn)行在140噸到150噸大約有8個(gè)月，運(yùn)行在200噸大約有2個(gè)月，運(yùn)行在180噸大約有1個(gè)月，檢修時(shí)間大約有1個(gè)月。改造前4#爐每年三臺(tái)風(fēng)機(jī)用總電量約為1863.13387萬(wàn)度（kW?h），改造后每年三臺(tái)風(fēng)機(jī)總用電量約為941.15169萬(wàn)度（kW?h），故4#爐變頻改造后比改造前每年可節(jié)約電能約921.98219萬(wàn)度（kW?h），節(jié)電率約為49.5%。也就是說(shuō)，我們只用改造前50.5%的用電量就能完成改造前的生產(chǎn)任務(wù)。如果每度電銷售價(jià)格以0.45元計(jì)，那么我公司4#爐三臺(tái)風(fēng)機(jī)變頻改造后每年可節(jié)約的9219821.9度(kW?h)廠用電，相當(dāng)于節(jié)支414.89198萬(wàn)元。在當(dāng)年超額收回了投資成本，之后可每年為我廠節(jié)支414.9萬(wàn)元。
6.結(jié)束語(yǔ)
4#爐三臺(tái)風(fēng)機(jī)的高壓變頻節(jié)能改造，是我們總廠2006年的一項(xiàng)重要改造項(xiàng)目。是我們企業(yè)領(lǐng)導(dǎo)經(jīng)濟(jì)管理意識(shí)的前瞻性體現(xiàn)，是企業(yè)由粗放型管理向資源節(jié)約型管理過(guò)渡的具體舉措，是我廠在高壓變頻節(jié)能改造方面邁出的又一具有實(shí)質(zhì)性意義的一步。其改造后的工藝效果和節(jié)能效果極大地鼓舞了公司全體職工的工作積極性，有效激發(fā)了職工對(duì)節(jié)能工作重要性的認(rèn)識(shí)。其經(jīng)濟(jì)效果之顯著，已經(jīng)成為我們企業(yè)增效的新亮點(diǎn)。同時(shí)說(shuō)明我們企業(yè)生產(chǎn)節(jié)能的潛力是巨大的，我們?cè)谧冾l節(jié)能改造的道路上還有很長(zhǎng)的路要走，還有很多的工作要做。
參考文獻(xiàn)：
北京利德華福電氣技術(shù)有限公司 高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)HARSVERT-A系列技術(shù)手冊(cè)
作者簡(jiǎn)介：
張文鴻，男，1966年10月出生，1990年畢業(yè)于沈陽(yáng)高等電力專科學(xué)校。在中國(guó)石油錦西煉油化工總廠熱電公司電氣車間工作，電氣工程師。技術(shù)成果有高壓靜電除塵器頂部振打監(jiān)控系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用等。負(fù)責(zé)4#爐高壓變頻器的整套控制和現(xiàn)場(chǎng)安裝設(shè)計(jì)，施工安裝及調(diào)試的全部工作。