车间降温_高压功率变频器在电厂锅炉引风机上的应用工业自动化ADD

         一、概述 

         　　辽源热电有限责任公司共两台100MW汽轮发电机组，总装机容量200MW，主机、主炉设备，全部从俄罗斯引进，辅机为国产设备，第一台发电机组于2000年12月并网发电，第2台发电机组于2001年10月并网发电。

         　　厂内建有一座220KV变电站，两台发电机所发电量，除厂用外，通过两条220KV线路送进系统。两台机组相继投产后，厂用电率居高不下，占发电量的13%左右。因此，在2000年初，公司领导班子决定，一定要在节能降耗和新厂稳定生产上下大功夫，花大气力，在稳定生产和节能降耗方面做好工作。

         　　高压变频技术随着功率元器件耐压等级的进步和计算机应用技术的日趋成熟，在电厂的应用已相当普遍，节能效果及控制水平已被电力系统所熟悉。但在高电压、大功率的设备上应用，我公司之前没有尝试，省内一些兄弟单位一样没有应用过，基本没有这方面的经验。

         　　在2002年初，我们组织专业职员对国内外高电压、大功率的变频器这一新技术进行了考查、论证。既考察了国产的高压大功率变频器应用情况，也考察、论证了进口的高电压大功率的变频器应用业绩。最后得出结论：国产高电压、大功率变频调速装置，完全能够适应我公司设备，具体如下几点：

         　　1、 产品备件采购方便。
　　2、 售后服务及时、周到。
　　3、 变频器计算机软件全部汉化，人机界面比较友好，易于把握。
　　4、 国产大功率变频器应该说不比进口的性能差，有的方面还优于进口的变频器。如一些进口的变频器上，工控机还是一些16位的单片机控制，且显示器全部是英文代码显示，既不直观又不易把握。
　　5、 造价比进口的低：公司决定在2号炉两台引风机上进行高压变频改造，并作了性能及价格的比较。

             通过招标形式，我公司选用了北京利德华福电气技术有限公司生产的HARSVERT－A06/130型高压变频器两台，于2002年6月28日签订了技术协议。设备于2002年8月到货并开始安装、调试，9月10日正式投进运行，现已累计运行2个多月，各运行参数均正常，与原有DCS系统接口通讯，方便远方控制及就地操纵，方便可靠，而且节能效果十分明显。

         二、改造过程及控制方式的选择 

         　　我公司2号炉及引风、变频器技术数据如下： 
　　1、 锅炉 
　　　　型号：E－420－13.7－560KT 　　　　饱和温度：346℃
　　　　额定蒸发量：420　t/h 　　　　　　 给水温度：228℃
　　　　汽包工作压力：15.7Mpa 　　　　　　排烟温度：138℃
　　　　过热器出口蒸汽温度：560℃
　　　　厂家：俄罗斯西伯利亚动力机械公司

         　　2、 引风机电动机
　　　　电机型号：Y1000－8/1180
　　　　额定电压：6000V
　　　　额定功率：1000KW
　　　　额定电流：119A
　　　　额定转速：743r/min
　　　　尽缘数级：F级
　　　　接线方式：Y接 
　　　　制造厂家：沈阳电机厂

         　　3、 2号炉1、2号引风机变频器设置
　　　　变频器型号：HARVEST－A06/130
　　　　输出电压：0－6000V 
　　　　额定电流：130A
　　　　输出频率：0.5－50HZ连续可调
　　　　制造厂家：北京利德华福电气技术有限公司

         　　火力发电厂锅炉引风机是锅炉助燃的主要部分，将锅炉燃烧产生的高温烟气经静电除尘器、烟囱排除的动力设备。在锅炉燃烧负荷变化时，保证炉堂负压、烟气氧量及相应汽温、汽压，需要及时的调整吸风量。以前2号炉引风机采用调整引风机档板，靠节流损失改变吸风量，浪费了大量的电能。采用高电压大功率变频器来控制引风机的吸风量，只是通过改变电机转速n来实现的。由转速公式可知 ：
　　　　　　　　　　　　　　　　　　

         　　可见，只要改变电机的电流频率f，就可以实现电机的转速调节，高电压大功率变频器通过控制IGBT（尽缘栅双极型电力场效应管）的导通和关断，使输出频率连续可调。而且是随着频率的变化，输出电流、电压变化及功率变化，即达到了负荷大时转速大，输出功率大，负荷小时转速小，输出功率也小，因此变频器的节能是最科学公道的。

         　　为了使引风机在变频器故障时也能够运行，变频器设置了手动工频旁路功能，即当变频器故障时使电机脱离变频器，将引风机转到工频状态继续运行。如下图： 

高压变频调速系统 

         　　我们在选用工频旁路系统时，没有采用自动工频旁路系统，是由于自动工频旁路系统要采用真空接触器，原件较多，因此，故障点要多，轻易引发吸风机故障。

         　　在与原DCS操纵系统接口时，因高压变频器的各控制信号及故障信号的输出是标准的数字信号（开关量）和模拟信号（4-20mA电流源信号），因此与DCS系统可直接连接，接口连接十分方便。

   ,负压除尘风机;      　　高压大功率变频器是成套设备，安装时、调试周期短。我们在2号炉1、2号引风机变频器改造过程中，从设备到货，到安装调试投进运行仅用了二十几天。也可以在设备运行时，先安装变频器，在变频器空载状态下，先调试完毕，再寻找锅炉检验的机会，将电机一次电缆敷设到位，待接引完毕后进行带负荷调试，这样就可进一步的节省时间。

         三、经济效益对比 

         　　我们在2号机组即行风机变频改造前，电热力试验组进行了改前试验，投进运行后再重新试验进行节能对比（具体见试验报告）。

         　　通过上述对比可以看出，变频器改造后引风机的单机节电要比改造前单机的电耗明显降低。每度电按0.2元计，年运行小时数按7000小时计，年可节约电量3403392.3kwh，年节电费68.068万，两台变频器投资为284万元，可看在4年内收回本钱。

         　　以上为我公司在2号炉引风机上采用高电压大功率变频调速装置的一些体会，有不妥之处请批评指正。

          摘  要：本文着重介绍高压变频器在旭阳公司焦炉尾气除尘风机上的应用情况，对节能效果进行了分析，结果表明，焦化厂采用高压变频器对尾气除尘风机进行调速，具有投资省，见效快等特点。

              1引言

              旭阳煤化工集团是全球领先的煤化工产品供应商，集团总部位于北京，核心业务为生产、销售焦炭、焦化产品及深加工煤化工产品。河北旭阳焦化有限公司是旭阳煤化工集团下属子公司，年生产能力200万吨焦化及配套粗苯、焦油、硫铵等。企业2009年全年实现销售收入43亿元，实现利税5.06亿元。焦化厂厂区如图1所示。

              河北省旭阳焦化集团焦炉是焦化厂的主要生产设备，也是焦化厂生产过程中最大的污染源之一。焦化厂在生产过程、推焦过程中排放大量温度高、浓度大的有害气体及易扩散的烟尘，对人体危害极大。尤其在焦炉炉顶大气中苯可溶物严重超标，焦炉工作区粉尘浓度也超标，严重危及职工的身体健康。

          按照我国1996年颁布的《大气污染物综合排放标准》（GB16297一1996），对烟气必须冷却、净化，由引风机将其排至烟囱放散或输送到煤气回收系统中备用。因此，每座焦炉需配有一套除尘系统。一期工程的地面除尘站使用的是一台630kW/10kV的高压电机拖动风机，抽取前级焦炉出焦时产生的焦炉烟气和灰尘，吸收的烟尘和气体进入除尘站的布袋除尘器滤除粉尘和有害物质以后，高温气体经高炉排放到空气中。除尘系统风机型号AI850。由于焦炉周期性间断推焦，为满足节能和环保要求,要求风机在整个炼焦工作周期内变速运行，推焦时高速运行，不推焦时低速运行。原系统采用液力偶合器调速，高速800rpm，低速600rpm。经过一段时间的运行，发现液力偶合器技术存在着局限性，主要表现在：
     （1）调速范围在40%～95%之间，转速不稳定；造成能源浪费。
     （2）液力偶合器本身包含油路，水路等多套系统，故障率高，液力偶合器一旦故障，只能停机维修，无法切换至工频旁路运行，造成焦炉停产，不能满足连续生产的需要。
     （3）液力偶合器在调速越低时效率越低，调速的节能效果大打折扣。
     （4）调节精度低、线性度差，响应慢。
     （5）电机仍然为直接启动，需要启动装置，启动冲击也大，并且不能频繁 启动。
       随着高压变频器应用的越来越普遍，高压变频器的性价比越来越高，相比液力偶合器变频器具有以下优点：
      （1）高压变频器调速范围大，精度高，调速范围为0-100%。
      （2）高压变频器是高科技产品，可靠性高，基本免维护，万一变频器故障，电机还可以直接挂电网工频运行，不会造成生产损失。
      （3）高压变频器在整个调速范围内都具有较高的效率（大于96%）。
      （4）高压变频器对电机及负载机械实现真正的软启动，如果工艺需要，电机可以在短时间内多次重复启动。

          （5）高压变频器不会因为电机速度的高低而增加成本，而低速大容量的电机用液力偶合器调速，成本将大大增加，有些时候甚至无法实现。
　　鉴于此，在2009年节能改造工作中，焦化厂领导决定对地面除尘站除尘风机（一期工程）进行改造，经多方考察，选中山东新风光电子科技发展有限公司生产的风光牌JD-BP38-630F型高压变频器对除尘风机进行调速。
2高压变频器技术改造方案
除尘风机是除尘净化系统的动力中枢，一旦除尘风机不能正常运行，不但影响生产，还有可能威胁到现场生产人员的人身安全；另外，调速系统工作的环境比较恶劣；同时焦炉又周期性间断推焦；所以，和除尘风机配套的高压调速系统方案应周密细致，经过双方技术人员的合作，制定了一期工程除尘风机的技术改造方案。改造方案如下:
      2.1 设备配置
      风光高压变频调速系统由一次回路进线柜（旁路柜）、变压器柜、变频单元柜和操作控制柜组成。旁路柜在变频器维护过程中或变频器出现故障时，将电机投入到工频电网运行，保证生产不受影响。变频运行时，变频器为电机提供全面的保护。高压变频器旁路柜一次回路如图2所示。

DL：用户高压真空断路器
　　                   K1、K2、K3：高压变频器内置高压隔离开关
　　     BPQ：JD-BP38-630F高压变频器
　　   D：630kW/10kV异步电动机。

              图2手动旁路柜中，共有3个高压隔离开关，为了确保不向变频器输出端反送电，K2与K3采用电磁互锁操动机构，实现电磁互锁。当K1、K3闭合，K2断开时，电机变频运行；当K1、K3断开，K2闭合时，电机工频运行，此时变频器从高压中隔离出来，便于检修、维护和调试。

              旁路柜必须与上级高压断路器DL连锁， DL合闸时，绝对不允许操作旁路隔离开关与变频输出隔离开关，以防止出现拉弧现象，确保操作人员和设备的安全。

              现场控制要求可以远程和本机控制。风机高速运行时，如果变频器出现严重故障，变频器自动停机。远程控制时，通过操作台工频/变频旋钮把电机切换到工频电网运行，当推焦周期结束后，检修变频器。变频器检修完毕后，通过把操作台工频/变频旋钮打到变频位置，返回变频调速状态。本机控制时，通过变频器控制柜工频/变频旋钮把电机切换到工频电网运行，当推焦周期结束后，检修变频器。变频器检修完毕后，通过把变频器工频/变频旋钮打到变频位置，返回变频调速状态。

              2.2电机及风机参数

              2.3除尘风机工艺要求 

              除尘风机用于焦炭出焦时除尘使用，该焦炉有3台推焦车，1、2号不能同时推焦，1、2号与3号可能有同时推焦的可能，单炉推焦瞬间风量达到800rpm，两台同时推焦870rpm，并且需要持续80S，不推焦时600rpm就可以。

              采用变频器改造后，为了节省电能，除尘风机设计为高低速两档运行，不出焦时，风机转速约600rpm；出焦时，风机升速至800rpm（或者870rpm）。

              具体操作如下：推焦除尘风机平时不出焦时在低速运行(30Hz )。推焦机开始推焦时，推焦杆离开限位推出后给变频器发出高速信号(40Hz )，风机启动到高速，待推焦杆退回时经一定延迟时间（40S）给变频器发出降速信号，降为低速（30Hz)。

             2.4 监控和操作
　　除尘风机在不推焦时，只需要很低的转速，根本不需要满负荷运转。利用高压变频器根据实际需要对除尘风机进行变速运行，既改善了工艺，又达到节能降耗的目的和效果。
　　对除尘风机高压变频监控具体实现过程如下：变频器操作可以在本机控制，也可以远程操作。变频器包括一台内置的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(如RS485)的协调，并且可以根据用户的需要扩展控制开关量，增强了系统的灵活性。变频器也可由控制室的上位机或操作台进行操作。　　

              现场操作人员可以通过上位机或操作台对变频器进行远程操作并监控变频器运行状态，可以根据工况需要自由设定，完全可以满足工艺要求。

　　上位机：可以通过上位机进行远程监控，一方面便于用户随时了解设备运行情况，另一方面，也利于设备的远程诊断和维护，故障问题可以及时得到解决。
　　操作台：可以通过操作台对变频器进行简单的远程操作，包括：工频/变频切换。

        3风光牌JD-BP38-630F 高压变频器技术参数

              山东新风光是国家高新技术企业，生产的风光牌JD-BP38系列高压变频器是“中国名牌产品”， JD-BP38系列高压变频器以高速DSP为控制核心，采用无速度矢量控制技术、功率单元串联多电平技术，其谐波指标远小于IEE519-1992的谐波国家标准，输入功率因数高，输出波形质量好，不必采用输入谐波滤波器、功率因数补偿装置和输出滤波器；不存在谐波引起的电机附加发热和转矩脉动、噪音、输出dv/dt、共模电压等问题，可以使用普通的异步电机。

              风光牌高压变频器为高--高电压源型模式，由移相变压器，功率单元和控制器组成。JD-BP38-630F高压变频器采用48脉冲整流，功率单元每相采用7个功率单元串接组成，三相共21个单元；输出相电压为15电平，输出线电压 29电平，功率单元旁路单元采用可控硅作为旁路器件。控制器部分以高速微处理器实现控制以及与子微处理器间进行通信。风光高压变频器采用模块化设计，互换性好、维修简单。JD-BP38-630F高压变频器主要技术参数如下表3所示。

              4设备运行情况

              从2009年10月31日正式投入运行以来，一直正常运转，没有出现故障。总的来说，投入变频器后有以下优点：

              (1)运行稳定，安全可靠。原来使用液力偶合器大概60天左右就必须更换轴承，每次需停炉半天左右，带来的巨大的经济损失。JD-BP38系列高压变频器具有免维护的特点，只需定期除尘，不用停机，保证了生产的连续性。现场变频器运行照片如图3所示。

              (2) 电动机实现了真正的软启动、软停止。避免了启动时对设备的电气和机械冲击，使风机启动平稳。
　　(3) 运行工况改善，工人劳动强度降低。

              随着焦炉生产除尘的需要，调节风机的转速,进而调节风机风量，满足焦炉生产工艺的需要，现场工作环境大为改善，工作强度大大降低。

             (4)延长了电机、风机的使用寿命，提高了风机的利用效率。原旧焦炉除尘风机在运行过程中，经常造成风机和电机的损坏，维护工作量大,检修费用高,采用变频技术调速后，减少了机械磨损，保证了风机的正常运行。

             (5)调速范围宽，调速精度高。

              除尘风机的风量经常需要根据工艺的需要变化，在过去液力偶合器调节时，出现执行机构的开度与流量的非线形问题，致使调节失误，采用变频拖动风机可以在0～50Hz范围内任意调速，调速精度高，可保持在0.1～0.01Hz范围内工作，便于实现除尘系统自动化控制。

             (6)变频器具有多项保护功能，十分完善。

             与原来旧系统相比较，变频器具有过流、短路、过压、欠压、缺相、温升保护等多项保护功能，更精确地保护了电机。

   ,地沟送风;         (7)节能效果显著，大大降低了电耗。

             5 节能分析
　  焦炉除尘风机高压变频器投入使用以来，运行情况良好，基本达到预期的改造目的。

              除尘风机只有在推焦车推焦的时候需要高速，带动风机高速运行使风机的吸力达到1.5KPa即可满足工艺要求，达到除尘的效果，满足环保要求。根据现场的实际考察，旭阳焦化公司一期的焦炉生产情况是：推焦车每天生产焦炭110炉，每一次往外推焦时都需要除尘风机高速运行，而且每一次推焦持续的时间是80S。焦炉每炉周期10min，80S要求除尘风机转速800rpm（40Hz）或870 rpm（43.5Hz），其余时间要求风机转速600rpm（30Hz）。

              除尘风机高压变频器改造前后，今年和去年同期相比，以吨焦炭电耗来分析节能数据（单位：度/吨焦炭），如表4所示：

         ,负压风机厂家;

             从上表4统计数据看，2009年1～6月同2010年1～6月相比较，吨焦炭电耗有较大幅度下降，下降达：18.17%，其中主要的节电是由高压变频器完成的。

             以焦炭除尘风机消耗电量来分析节能效果，根据旭阳公司生产统计报表，2009年1～6月同2010年1～

              6月相比，焦化厂2009年上半年焦炭产量为438020吨，2010年上半年焦炭产量为439334吨，产量基本相同，统计除尘风机消耗电量如下表5所示：

       从上表4统计数据看，2009年1～6月同2010年1～6月相比较，吨焦炭电耗有较大幅度下降，下降达：18.17%，其中主要的节电是由高压变频器完成的。 

              以焦炭除尘风机消耗电量来分析节能效果，根据旭阳公司生产统计报表，2009年1～6月同2010年1～6月相比，焦化厂2009年上半年焦炭产量为438020吨，2010年上半年焦炭产量为439334吨，产量基本相同，统计除尘风机消耗电量如下表5所示：

              从表5数据统计看，除尘风机节电率为：（1780720-1193034）/1780720=33%，6个月共节约用电58.7万度，平均每月节约用电9.78万度，年节电量可估算为：9.78×12=117万度。以电价0.45元/度计算，焦化厂一期焦炉除尘风机年节电费：117×0.45=52.65万元。

              6结束语

              从风光牌JD-BP38-630F高压变频器在旭阳焦化公司一期焦炉除尘风机近一年运行情况来看，变频系统满足了焦化厂连续生产的需要，用户非常满意。在今年旭阳焦化公司二期焦炉除尘风机改造中也采用山东新风光电子科技发展有限公司生产的JD-BP38-900F高压变频器。

              作者简介 

    胡灵芝，男，技术支持工程师，供职于山东新风光电子科技发展有限公司。

    地址：山东省汶上经济开发区

    电话：0537-7237196

    邮编：272500

   文章联系人：郭培彬

   电话：0537-7237007