高压变频技术在锦西石化4#炉风机节能改造中的应用及经济效益分析
中国石油锦西炼油化工总厂热电公司 张文鸿
摘要： 本文通过对中国石油锦西炼油化工总厂热电公司4#炉引、送、二次风机的高压变频节能改造的介绍，详细叙述了改造的目的、技术方案、改造过程和原理特性。具体分析了改造效果，特别是经济效果。最后阐明节能改造的意义，是企业由粗放型的管理向资源节约型管理转变的有效途径，是企业增效的新亮点。
关键词：变频 改造 节能 增效
1.前言
中国石油锦西炼油化工总厂热电公司有75吨锅炉3台，220吨锅炉3台。其中1、2、3#炉是75吨锅炉，4、5、6#炉是220吨锅炉。6台锅炉全部采用了引风、送风和二次风机，这些风机的驱动电机是按照最大额定负荷设计的，而锅炉一年中能在最大额定负荷段状态下运行的时间却很少，大部分时间运行在三分之二负荷段上。这样，锅炉对实际风的需要量却不是所设计的最大风量，而应该是随着负荷改变而改变的变化风量。为了满足锅炉对变化风量的要求，我们传统工艺一直采用调整风道档板开度的办法，这种办法能够改变和调整风量，却无法调整驱动电机的转速和按比例节能，造成了工业生产中能源的大量浪费和生产成本的上升。
2.改造目的
为了降低生产成本，降低能耗，适应我国关于能源节约与资源综合利用“十五”规划的要求，采用低消耗、低排放、高效率的持续发展理念的经济增长模式，应用变频节能技术来改造传统工艺的技术缺憾。我公司经过对低压变频技术的广泛成熟的应用，获取了较大的节能效果和维护经验。随着高压变频器技术产品的成熟与稳定应用，我们把这一节能成果又进一步扩大到了高压电机上，并于2006年5月份对4#炉三台风机的驱动电动机进行了高压变频器改造。
3、4#炉风机工作额定参数
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风机名称 |
电机型号 |
额定电压 |
额定电流 |
额定功率 |
功率因数 |
额定转数 |
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一次风机 |
YFKK5004-4 |
6000V |
131A |
1120kW |
0.85 |
1490r/min |
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二次风机 |
YFKK5001-4 |
6000V |
94A |
800kW |
0.85 |
1490r/min |
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1#引风机 |
YFKK4505-6W |
6000V |
61A |
500kW |
0.85 |
990r/min |
3.1 变频器的选型方案
由于高压变频改造所实施的具体方案与变频器的选型有直接的关系,所以我公司首先进行了变频器的选型考察，经过仔细认真地比较和公开招标，最后国产产品——北京利德华福HARSVERT-A高压变频器以其优良的质量，齐全的技术性能和周到的售后服务一举中标。
3.2 主回路方案
根据我公司风机负荷的重要性，我们决定采用的变频控制为一拖一方案，就是一台变频器带一台风机电机。为了增加运行的可靠性和安全性，又增设了工频旁路回路。具体的设计方案如图1所示：
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| 图1：一次主回路接线图 | 图2：高压变频调速系统结构图 |
上述方案为手动旁路的典型方案，要求QS2和QS3不能同时闭合，并在机械上实现安全互锁。
为了实现对故障变频器的保护，变频器故障状态下发出跳闸指令，对现场的高压真空断路器QF进行连锁跳闸，以使变频器断开电源。同时三把刀闸都与断路器QF电气互锁，只有在断路器分离时才能操作刀闸，保证了安全操作。
3.3 控制方案
根据我公司的实际情况，我们对变频器采用三种控制方案，分别是远程DCS闭环自动控制、远程DCS开环手动控制和就地手动控制。
3.4 冷却方案
变频器的工作过程是将交流电整流成直流电，再将直流逆变成交流的过程。在这一过程中，电子功率器件自身要发出一定的热量（2%），这些热量会使设备的温度不断上升，并烧损设备本身。为了使变频器正常稳定工作，就必须将变频器发出的热量及时排散掉。因此变频器冷却问题对变频器运行的稳定十分重要。经过认真的研究，我们采用了最简单、最有效、最稳定的冷却方案——自然风冷方案。就是在变频器顶部安装一个总风道，用这个风道将变频器自身顶部的冷却风机从室内吸入的自然空气所带的变频器内部热量不断地排放到室外。这种方案只做一个风道，不增加任何转动设备，因此简单可靠，故障因素少。经过在40℃室温条件下做满载散热能力试验，结果变频器的温度最高到68℃，与设计的最高温升140度相比，结果是非常理想的。
4.变频器的工作原理与特性
4.1 系统结构
HARSVERT-A系列6kV高压变频调速系统的结构见图2，由移相变压器、功率单元和控制器组成。每台变频器有21个功率单元，每7个功率单元串联构成一相。
4.2 功率单元结构
每个功率单元结构上完全一致，可以互换，其电路结构见下图3，为基本的交-直-交单相逆变电路，整流侧为二极管三相全桥，通过对IGBT逆变桥进行正弦PWM控制，可得如图4所示的波形。
4.3 输入侧结构
输入侧由移相变压器给每个单元供电，移相变压器的副边绕组分为三组，构成42脉冲整流方式，这种多级移相叠加的整流方式可以大大改善网络的电流波形，使其负载下网侧功率因数接近1。
另外，由于变压器副边绕组的独立性，使每个功率单元的主回路相对独立，类似常规低压变压器，便于采用现有的成熟技术。
4.4 输出侧结构
参见图2和图3。输出侧由每个单元的U、V输出端子相互串接而成星型接法给电机供电，通过对每个单元的PWM波形进行重组，可以得到如图5所示的阶梯PWM波形。这种波形正弦度好，dv/dt小，可减少对电缆和电机的绝缘损坏，无须输出滤波器就可以使输出电缆长度很长，电机不需要降额使用，可直接用于旧设备的改造。同时，电机的谐波损耗大大减少，消除了由此引起的机械振动，减小了轴承和叶片的机械应力。
当某一个单元出现故障时，通过使图3中的继电器K闭合，可以将此单元旁路出系统而不影响其它单元的运行，变频器可持续降额运行，如此可减少很多场合下停机造成的损失。
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| 图3：功率单元电路结构 |
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| 图4：单元输出的PWM波形 |
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| 图5：系统输出的相电压阶梯PWM波形 |
控制器核心由高速单片机来实现，精心设计的算法可以保证电机达到最优的运行性能。控制器还包括一台内置的PLC，用于柜体内开关信号的逻辑处理，以及与现场各种操作信号和状态信号的协调。增强了系统的灵活性。
控制器结构上采用VME标准箱体结构，各控制单元板采用FPGA、CPLD等大规模集成电路和表面焊接技术，系统具有极高的可靠性。
另外，控制器与功率单元之间采用光纤通讯技术，低压部分和高压部分完全可靠隔离，系统具有极高的安全性，同时具有很好的抗电磁干扰性能。
5.改造效果
5.1 改造后的工艺效果
4#炉引、送、二次风机高压变频改造后，将原风道中用开度大小来调整风道风量的档板开到了100%。这样大大减小了风的阻力损耗。另外完全改变了风在管道中的振动频率，由于风机的驱动电机在变频状态下工作，工作频率在不断的变化中，使风道的固有共振频率很难与工作频率一致，从而避免了共振现象的产生，解决了风道在工频状态下振动大的问题。这样风道时常被振开裂的难题被自然解决了，也是我们此次改造的意外收获。
5.2 改造后对电网的冲击效果
当电机通过工频直接启动时，它将会产生7-8倍的电机额定电流。这个电流值将大大增加电机绕组的电应力并产生热量，从而降低电机的寿命。而采用变频后，电机实现了软启动，可以在零速零电压启动（当然可以适当加转矩提升），直到达到工作电流为止。一旦频率和电压的关系建立，变频器就可以按照V/f或矢量控制方式带动负载进行工作，对电网几乎没有冲击。
5.3 改造后的维护强度效果
采用变频调速后，驱动电动机基本工作在30Hz到40Hz的频率范围内，与工频50Hz相比，降低了风机的转速。另外启动时的缓慢升速过程也使整套风机机械设备的零部件、密封和轴承等的使用寿命大大延长。不用档板调风，调风档板的使用寿命大大延长，使检修维护工作量减少，更降低了检修工作强度和费用。
5.4 改造后的节能效果
我公司4#炉3台风机进行变频调速改造后，在收到上述诸多改造工艺效果的同时，更获得了重大的节能效果。详见下列改造前后生产参数对照表，此表数据来源于改造前后的生产报表：
| 主汽流量T/H | 一次风机电流 | 二次风机电流 | 引风机电流 | 差值电流总和 （A） |
差值功率总和 （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 |
从上表中数据可知，220吨锅炉在从140吨到200吨运行过程中，三台风机的节电效果随锅炉负荷的增加而下降，随锅炉负荷的减小而上升。而我公司锅炉每年中运行在140吨到150吨大约有8个月，运行在200吨大约有2个月，运行在180吨大约有1个月，检修时间大约有1个月。改造前4#炉每年三台风机用总电量约为1863.13387万度（kW?h），改造后每年三台风机总用电量约为941.15169万度（kW?h），故4#炉变频改造后比改造前每年可节约电能约921.98219万度（kW?h），节电率约为49.5%。也就是说，我们只用改造前50.5%的用电量就能完成改造前的生产任务。如果每度电销售价格以0.45元计，那么我公司4#炉三台风机变频改造后每年可节约的9219821.9度(kW?h)厂用电，相当于节支414.89198万元。在当年超额收回了投资成本，之后可每年为我厂节支414.9万元。
6.结束语
4#炉三台风机的高压变频节能改造，是我们总厂2006年的一项重要改造项目。是我们企业领导经济管理意识的前瞻性体现，是企业由粗放型管理向资源节约型管理过渡的具体举措，是我厂在高压变频节能改造方面迈出的又一具有实质性意义的一步。其改造后的工艺效果和节能效果极大地鼓舞了公司全体职工的工作积极性，有效激发了职工对节能工作重要性的认识。其经济效果之显著，已经成为我们企业增效的新亮点。同时说明我们企业生产节能的潜力是巨大的，我们在变频节能改造的道路上还有很长的路要走，还有很多的工作要做。
参考文献：
北京利德华福电气技术有限公司 高压变频调速系统HARSVERT-A系列技术手册
作者简介：
张文鸿，男，1966年10月出生，1990年毕业于沈阳高等电力专科学校。在中国石油锦西炼油化工总厂热电公司电气车间工作，电气工程师。技术成果有高压静电除尘器顶部振打监控系统的开发与应用等。负责4#炉高压变频器的整套控制和现场安装设计，施工安装及调试的全部工作。
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