国民经济重点行业主要辅机设备变频调速节能技术讲座（二十三）
第二章  钢铁行业
第五节  焦化厂煤气风机变频调速节能改造
1 焦化厂煤气风机生产工艺要求
炼焦作业是将焦煤经混合，破碎后加入炼焦炉内经干馏后产生热焦碳及粗焦炉气的过程，如图1所示。焦化厂煤气风机是炼焦生产流程中主要的连续生产设备，其可靠性要求很高，采用“一用一备”工作方式。一般采用液力耦合器调速驱动，改为变频器驱动时不能降低其可靠性要求。
 

2 煤气风机的控制方式
2.1 液耦调速控制方式
一台设备A调速工作，另一台设备B冷态备用。当A设备的电动机、齿轮箱、液耦或风机因故障而退出运行时，另一台设备B的电动机工频启动，液耦带动风机开始升速，直至达到需要的转速运行，反之亦然。这是需要时间的，估计没有一分钟是完不成的。这就会出现很大的扰动，必然会对生产工艺过程甚至于设备造成影响。这就是目前液耦控制方式的现状。
2.2 变频器“一拖二”调速控制方式
对于“一用一备”的工业设备，在进行变频调速节能改造时，一般都采用“一拖二”手动或自动切换控制方式，即用一台变频器，可分别拖动两台设备调速运行，例如发电厂的凝结水泵。当一台设备变频运行时，另一台设备则处于工频备用状态；当运行设备发生故障时，另一台设备需工频启动，对于原先使用液耦拖动的设备，在改造时拆掉液耦后，还要增加一套软启动装置。当故障消除后，变频设备启动后，再停工频设备。也可以通过“一拖二”旁路控制柜实现定期倒泵（风机）运行。
2.3 两套变频器“一拖一”调速控制方式
变频器代替了液耦调速装置，采用“一用一备”的整组备用方式。当变频器A（或A组的其它设备）因故障而退出运行时，另一台设备B的变频器启动，带动电动机和风机开始升速，直至达到需要的转速运行，反之亦然。这也是需要时间的，估计没有一分钟也是完不成的，与液耦调速的时间相当，对生产工艺过程和设备造成的影响也是一样的。应该说变频器已经达到了替代液耦调速的目的，只是没有对生产工艺工程的控制品质有所改进和提高而已！该方式相对于方式（2）来说，增加了一台变频器，省去一台“一拖二”旁路柜。
2.4 变频器自动“二拖二”双机热备调速控制方式
为了对生产工艺工程的控制品质有所改进和提高，可以采用变频器自动“二拖二”双机热备调速控制方式，以保证在设备出现故障时基本实现无扰动平稳过渡，将对生产的影响减到最小的程度。但这是要付出代价的：投资将成倍增加。一般只有在非常重要的生产设备上才有采用，对于以节能为目的的改造项目，降低投资缩短回收期是必须优先考虑的，因为这是与节约的电费直接挂钩的。至于改造产生的其它效益，比如提高了生产效率，提高了产品质量，减少了维护费用等等，应当有相应的经济回报！该方式相对于方式（3）来说，增加了一台“二拖二”旁路柜。
变频器自动“二拖二”双机热备调速控制方式的一次结线图如图2所示：
 
       
（a）  kM1、k M2闭合，变频器1拖动风机1运行；
（b）  kM1、k M4闭合，变频器1拖动风机2运行；
（c）  kM3、k M2闭合，变频器2拖动风机1运行；
（d）  kM3、k M4闭合，变频器2拖动风机2运行。
3 煤气风机变频调速节能改造工程实例
3.1 工程概况
攀枝花焦化厂安装1250kW煤气风机两台，采用“一用一备”运行方式，电动机与风机之间通过液力耦合器连接，通过液力耦合器调节风机的转速来满足炼焦工艺的需要。由于炼焦工艺是一个连续生产过程，对煤气风机的可靠性要求极高，所以设计了一台备用风机，当工作风机故障时备用风机必须立即启动，保证炼焦工艺不受影响。
此炼焦生产工艺中煤气风机由液力耦合器调速驱动，转差损耗大、效率低、调速精度低、转速随负载波动大，难以保证稳定供风。如果采用高压变频器调速改造的话，不但解决了上述问题，而且还能产生很大的节能效果。
电动机参数如下：
电机型号：YB600S2-4
额定功率：1250 kW
额定电压：10 kV
额定电流：88.7 A
额定转速：1488 r/min
功率因数：0.85
电机接法：Y
3.2 改造方案的选定
3.2.1 液力耦合器改造方案
如不考虑改造时间，此项目改造有三种改造方案：第一种，拆除液力耦合器，电机前移对轴直接联接到除尘风机轴上，电机基座重新制作；第二种，不拆除液力耦合器，把液力耦合器的转速比调到最大，高压变频器驱动电机拖动液力耦合器；第三种，拆除液力耦合器，电机与煤气风机之间采用连接轴加膜片式联轴器联接。由于用户方计划改造时间短，因第一种方案改造工期长，成本高，首先被排除；第二种方案由于液力耦合器没有拆除，它所带来的功率损耗和机械维护依然存在，会影响节电率8-10%。所以我们采用第三种方案，拆除液力耦合器，采用连轴器加膜片式联轴器联接，不但工期短，而且改造成本也较低。
3.2.2 高压变频器选型方案
高压变频器采用目前普遍使用的功率单元串联，无电网污染矢量控制高压变频装置。每相由8个功率模块串联而成，通过将多个低压功率模块的输出叠加起来得到高压输出。高压变频装置的原理结构如图3所示。由电网送来的三相10kV三相交流电，经移相变压器移相输出，其副边绕组每相的8个二次线圈电压逐个移相7.5°，供电给8个功率单元，三相共24个功率单元，形成Y型联结结构。通过控制IGBT的通断，可得到PWM电压波形，8个功率单元相叠加进行波形合成，即可输出高压正弦波电压给感应电动机。这种拓扑结构又称为串联H桥多电平逆变器，中高压变频装置的主拓扑如图4所示。

 
                    

4 节能计算
4.1 由于液力耦合器除了调速效率的损耗之外，还有两项固有的损耗：
（1）首先液力耦合器具有约3～5% 的丢转率，这不仅意味着其最高转速达不到电动机的额定转速，同时也意味着传送功率的损耗，而液力耦合器的传动效率等于转速比，所以丢转损耗还意味着占传送功率3～5% 的功率损耗。
（2）除了丢转损耗外，液力耦合器的冷却水系统和油泵系统等辅助设备以及液力耦合器的机械损耗和容积损耗等也要消耗一定的功率，约占传送功率3～5%，这两部分损耗加起来就要占到传送功率的6～10%。
所以当对于原来采用液力耦合器拖动的设备进行变频调速节能改造时，拆除和保留液力耦合器对于节电率的影响如下：
（1）拆除液力耦合器  在一般的调速范围内，可以将变频器的效率损耗与液力耦合器的容积损耗和摩擦损耗相抵消，而丢转损耗则可以纳入调速效率统一计算，那么节能计算就变得十分简单了：
节电率 = （1- n/ne）*100%，或称：“1 – 调速比！”
    例：一台额定功率为1000kW的风机，当用风门控制风量为50%额定风量时，其消耗的电功率为580kW，采用液力耦合器调速控制所消耗的电功率为260kW，节省电功率320kW，节电率为55.2%；当采用变频器代替液力耦合器调速控制时，其节电率 = 1-调速比 = 50%，但是所节省的电功率仅为130kW！
（2）保留液力耦合器  就要比拆除液力耦合器多出上面分析的两项损耗：丢转损耗和液耦的固有损耗，这两部分损耗加起来就要占到传送功率的6～10%，就会直接减少6～10个点的节电率。而远不止3个百分点而已！
  上例中若保留液力耦合器的话，以传送功率260kW的8% 计算液耦的两项损耗为20.8kW，变频调速节省电功率为109.2kW，节电率降低为42%。
4.2 实际节能计算
  根据炼焦工艺要求，液力耦合器的转速在60-80%额定转速之间运行，按平均转速70%额定转速计算，节电率为30%左右；而风机在液力耦合器驱动时，当转速为70%额定转速时，其消耗的电功率约为600 kW左右，变频节省电功率约为180 kW。按全年运行时间为600天（每台风机工作300天），和平均电价0.50元/kWh计算，煤气风机每年节约电费约180 kW×24×600×0.50＝129.6万元。
5 整体效益评估总结
项目经过两个月的改造，现已经投入运行，从每天的电度数据来看，全年节能量完全符合预算。变频调速的经济效益并不仅仅在于节约了多少电能，用上变频器后，电网无需增加无功补偿装置，功率因素可提高到0.97以上。除此之外，变频改造还能带来其它的效益：
（1）性能稳定，故障减少也会产生经济效益。
（2）变频装置软起动质量高，易损件不再易损。
（3）意外惊喜带来的效益：平均转速降低了，噪音也大为下降。
（4）变频装置，完美无谐波输出提高了电网质量，减少了对控制系统的干扰。
串联H桥多电平逆变器，每个功率单元的开关频率可以较低，但中高压变频装置输出侧电压的等效开关频率却较高，大大减小了中高压变频装置输出的高次谐波；移相变压器的作用更实现一次侧与二次侧线电压的相位偏移和电气隔离，减小了一次侧谐波；移相变压器的二次侧绕组采用延边三角形接法，使变压器二次侧各绕组的谐波电流相互抵消，不反映到一次侧，从而显著改善了网侧电流波形，消除中高压变频装置对电网的谐波污染。以10kV为例，每相由8个功率单元串联而成三相接成Y型接法，这种接法可以消除47次以下的高次谐波。
（5）提高功率因数
移相变压器除了进行移相、降压外，还具有隔离作用，它还和二极管整流器一起实现了提高输入侧功率因数的目的。ATMV-F中压变频软起动器是电压型中压变频器，采用的是多单元串联式的脉宽调制式逆变器，称之为完美无谐波式变频器，其谐波低，功率因数很高，比三电平脉宽调制式逆变器的性能好。变频器的输入功率因数在一般情况下均能达到0.95以上，大大提高了系统功率因数。
（6）工艺性能的改进：采用变频调速改造以后，煤气风机的工艺特性得到很大的改进，主要反映如下：
电机的温升和轴承的温升下降明显，电机的温升在采用液力耦合器时的59℃下降至44℃，电机前后轴承温度相应下降。
电机的振动明显降低，电机的振动由采用液力耦合器的2.2mm下降到0.2mm，改善的效果非常明显。
整机的运行噪音明显改善，采用液力耦合器时，无论低速高速，由于电机均处于工频运行，整机的噪音明显，达到90dB左右，但是进行变频改造后，整机的运行频率下降至40 Hz左右，电机的运行噪音明显下降，低于80dB，在低速运行时基本听不到噪音，达到65 dB以下，大大改善现场的噪音污染。
日常维护保养工作量和费用下降，采用液力耦合器估计每年的维护费在5万元左右，采用变频器后，这项费用下降为数千元左右。
采用液力耦合器时调速范围具有相当大的限制，采用变频器后，频率变化范围可以任意设定，大大增强了工艺调节能力，使得出口风压和风量稳定，送风效果进一步提高。而这也有利于提高炼焦生产的产品质量，提高了企业的宏观经济效益。