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錦西石化4#爐風(fēng)機節(jié)能改造技術(shù)及經(jīng)濟(jì)效益分析
摘要：本文通過對中國石油錦西煉油化工總廠熱電公司4#爐引、送、二次風(fēng)機的高壓變頻節(jié)能改造的介紹，詳細(xì)敘述了改造的目的、技術(shù)方案、改造過程和原理特性。具體分析了改造效果，特別是經(jīng)濟(jì)效果。zui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。
關(guān)鍵詞：變頻改造節(jié)能增效
1.前言
中國石油錦西煉油化工總廠熱電公司有75噸鍋爐3臺，220噸鍋爐3臺。其中1、2、3#爐是75噸鍋爐，4、5、6#爐是220噸鍋爐。6臺鍋爐全部采用了引風(fēng)、送風(fēng)和二次風(fēng)機，這些風(fēng)機的驅(qū)動電機是按照zui大額定負(fù)荷設(shè)計的，而鍋爐一年中能在zui大額定負(fù)荷段狀態(tài)下運行的時間卻很少，大部分時間運行在三分之二負(fù)荷段上。這樣，鍋爐對實際風(fēng)的需要量卻不是所設(shè)計的zui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)道檔板開度的辦法，這種辦法能夠改變和調(diào)整風(fēng)量，卻無法調(diào)整驅(qū)動電機的轉(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、率的持續(xù)發(fā)展理念的經(jīng)濟(jì)增長模式，應(yīng)用變頻節(jié)能技術(shù)來改造傳統(tǒng)工藝的技術(shù)缺憾。我公司經(jīng)過對低壓變頻技術(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。隨著高壓變頻器技術(shù)產(chǎn)品
儀器儀表產(chǎn)品目錄
《全國擬在建項目匯編》征訂
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)大到了高壓電機上，并于2006年5月份對4#爐三臺風(fēng)機的驅(qū)動電動機進(jìn)行了高壓變頻器改造。
4#爐風(fēng)機工作額定參數(shù)
3.實施的改造方案
3.1變頻器的選型方案
由于高壓變頻改造所實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*行了變頻器的選型考察，經(jīng)過仔細(xì)認(rèn)真地比較和公開招標(biāo)，zui后國產(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，就是一臺變頻器帶一臺風(fēng)機電機。為了增加運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)計方案如圖1所示：
圖1：一次主回路接線圖
QF為用戶的真空斷路器，QS1、QS2、QS3為3臺高壓隔離刀閘。在QS1和QS2之間是高壓變頻器，QS3為旁路刀閘。當(dāng)電機需變頻運行時，應(yīng)首先將QS3拉開，然后合QS1和QS2刀閘，zui后再合真空斷路器QF使變頻器得電并啟動變頻器以驅(qū)動電機。當(dāng)電機需工頻運行時，應(yīng)將QS1和QS2刀閘拉開，將QS3旁路刀閘合入，zui后合真空斷路器QF以直接驅(qū)動電機工頻運行。此運行方式為變頻器故障或檢修等特殊情況下用工頻來保證設(shè)備運行的備用工作方式。
上述方案為手動旁路的典型方案，要求QS2和QS3不能同時閉合，并在機械上實現(xiàn)安全互鎖。
為了實現(xiàn)對故障變頻器的保護(hù)，變頻器故障狀態(tài)下發(fā)出跳閘指令，對現(xiàn)場的高壓真空斷路器QF進(jìn)行連鎖跳閘，以使變頻器斷開電源。同時三把刀閘都與斷路器QF電氣互鎖，只有在斷路器分離時才能操作刀閘，保證了安全操作。
3.3控制方案
根據(jù)我公司的實際情況，我們對變頻器采用三種控制方案，分別是遠(yuǎn)程DCS閉環(huán)自動控制、遠(yuǎn)程DCS開環(huán)手動控制和就地手動控制。
3.4冷卻方案
變頻器的工作過程是將交流電整流成直流電，再將直流逆變成交流的過程。在這一過程中，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)出的熱量及時排散掉。因此變頻器冷卻問題對變頻器運行的穩(wěn)定十分重要。經(jīng)過認(rèn)真的研究，我們采用了zui簡單、zui有效、zui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總風(fēng)道，用這個風(fēng)道將變頻器自身頂部的冷卻風(fēng)機從室內(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。這種方案只做一個風(fēng)道，不增加任何轉(zhuǎn)動設(shè)備，因此簡單可靠，故障因素少。經(jīng)過在40℃室溫條件下做滿載散熱能力試驗，結(jié)果變頻器的溫度zui高到68℃，與設(shè)計的zui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)見圖2，由移相變壓器、功率單元和控制器組成。每臺變頻器有21個功率單元，每7個功率單元串聯(lián)構(gòu)成一相。
圖2：高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
4.2功率單元結(jié)構(gòu)
每個功率單元結(jié)構(gòu)上*一致，可以互換，其電路結(jié)構(gòu)見下圖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，通過對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立性，使每個功率單元的主回路相對獨立，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)
參見圖2和圖3。輸出側(cè)由每個單元的U、V輸出端子相互串接而成星型接法給電機供電，通過對每個單元的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，可減少對電纜和電機的絕緣損壞，無須輸出濾波器就可以使輸出電纜長度很長，電機不需要降額使用，可直接用于舊設(shè)備的改造。同時，電機的諧波損耗大大減少，消除了由此引起的機械振動，減小了軸承和葉片的機械應(yīng)力。
當(dāng)某一個單元出現(xiàn)故障時，通過使圖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行，變頻器可持續(xù)降額運行，如此可減少很多場合下停機造成的損失。
圖3：功率單元電路結(jié)構(gòu)
圖4：單元輸出的PWM波形
圖5：系統(tǒng)輸出的相電壓階梯PWM波形
4.5控制器
控制器核心由高速單片機來實現(xiàn)，精心設(shè)計的算法可以保證電機達(dá)到*的運行性能?？刂破鬟€包括一臺內(nèi)置的PLC，用于柜體內(nèi)開關(guān)信號的邏輯處理，以及與現(xiàn)場各種操作信號和狀態(tài)信號的協(xié)調(diào)。增強了系統(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*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*可靠隔離，系統(tǒng)具有*的安全性，同時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)機高壓變頻改造后，將原風(fēng)道中用開度大小來調(diào)整風(fēng)道風(fēng)量的檔板開到了。這樣大大減小了風(fēng)的阻力損耗。另外*改變了風(fēng)在管道中的振動頻率，由于風(fēng)機的驅(qū)動電機在變頻狀態(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)下振動大的問題。這樣風(fēng)道時常被振開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改造后對電網(wǎng)的沖擊效果
當(dāng)電機通過工頻直接啟動時，它將會產(chǎn)生7-8倍的電機額定電流。這個電流值將大大增加電機繞組的電應(yīng)力并產(chǎn)生熱量，從而降低電機的壽命。而采用變頻后，電機實現(xiàn)了軟啟動，可以在零速零電壓啟動（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負(fù)載進(jìn)行工作，對電網(wǎng)幾乎沒有沖擊。
5.3改造后的維護(hù)強度效果
采用變頻調(diào)速后，驅(qū)動電動機基本工作在30Hz到40Hz的頻率范圍內(nèi)，與工頻50Hz相比，降低了風(fēng)機的轉(zhuǎn)速。另外啟動時的緩慢升速過程也使整套風(fēng)機機械設(shè)備的零部件、密封和軸承等的使用壽命大大延長。不用檔板調(diào)風(fēng)，調(diào)風(fēng)檔板的使用壽命大大延長，使檢修維護(hù)工作量減少，更降低了檢修工作強度和費用。
5.4改造后的節(jié)能效果
我公司4#爐3臺風(fēng)機進(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，更獲得了重大的節(jié)能效果。詳見下列改造前后生產(chǎn)參數(shù)對照表，此表數(shù)據(jù)來源于改造前后的生產(chǎn)報表：
4#爐變頻改造前后節(jié)能對照表
注：改造前功率因數(shù)為0.85；改造后功率因數(shù)為0.97。
從上表中數(shù)據(jù)可知，220噸鍋爐在從140噸到200噸運行過程中，三臺風(fēng)機的節(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行在140噸到150噸大約有8個月，運行在200噸大約有2個月，運行在180噸大約有1個月，檢修時間大約有1個月。改造前4#爐每年三臺風(fēng)機用總電量約為1863.13387萬度（kW&
關(guān)鍵詞：變頻改造節(jié)能增效
1.前言
中國石油錦西煉油化工總廠熱電公司有75噸鍋爐3臺，220噸鍋爐3臺。其中1、2、3#爐是75噸鍋爐，4、5、6#爐是220噸鍋爐。6臺鍋爐全部采用了引風(fēng)、送風(fēng)和二次風(fēng)機，這些風(fēng)機的驅(qū)動電機是按照zui大額定負(fù)荷設(shè)計的，而鍋爐一年中能在zui大額定負(fù)荷段狀態(tài)下運行的時間卻很少，大部分時間運行在三分之二負(fù)荷段上。這樣，鍋爐對實際風(fēng)的需要量卻不是所設(shè)計的zui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)道檔板開度的辦法，這種辦法能夠改變和調(diào)整風(fēng)量，卻無法調(diào)整驅(qū)動電機的轉(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、率的持續(xù)發(fā)展理念的經(jīng)濟(jì)增長模式，應(yīng)用變頻節(jié)能技術(shù)來改造傳統(tǒng)工藝的技術(shù)缺憾。我公司經(jīng)過對低壓變頻技術(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。隨著高壓變頻器技術(shù)產(chǎn)品
儀器儀表產(chǎn)品目錄
《全國擬在建項目匯編》征訂
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)大到了高壓電機上，并于2006年5月份對4#爐三臺風(fēng)機的驅(qū)動電動機進(jìn)行了高壓變頻器改造。
4#爐風(fēng)機工作額定參數(shù)
3.實施的改造方案
3.1變頻器的選型方案
由于高壓變頻改造所實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*行了變頻器的選型考察，經(jīng)過仔細(xì)認(rèn)真地比較和公開招標(biāo)，zui后國產(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，就是一臺變頻器帶一臺風(fēng)機電機。為了增加運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)計方案如圖1所示：
圖1：一次主回路接線圖
QF為用戶的真空斷路器，QS1、QS2、QS3為3臺高壓隔離刀閘。在QS1和QS2之間是高壓變頻器，QS3為旁路刀閘。當(dāng)電機需變頻運行時，應(yīng)首先將QS3拉開，然后合QS1和QS2刀閘，zui后再合真空斷路器QF使變頻器得電并啟動變頻器以驅(qū)動電機。當(dāng)電機需工頻運行時，應(yīng)將QS1和QS2刀閘拉開，將QS3旁路刀閘合入，zui后合真空斷路器QF以直接驅(qū)動電機工頻運行。此運行方式為變頻器故障或檢修等特殊情況下用工頻來保證設(shè)備運行的備用工作方式。
上述方案為手動旁路的典型方案，要求QS2和QS3不能同時閉合，并在機械上實現(xiàn)安全互鎖。
為了實現(xiàn)對故障變頻器的保護(hù)，變頻器故障狀態(tài)下發(fā)出跳閘指令，對現(xiàn)場的高壓真空斷路器QF進(jìn)行連鎖跳閘，以使變頻器斷開電源。同時三把刀閘都與斷路器QF電氣互鎖，只有在斷路器分離時才能操作刀閘，保證了安全操作。
3.3控制方案
根據(jù)我公司的實際情況，我們對變頻器采用三種控制方案，分別是遠(yuǎn)程DCS閉環(huán)自動控制、遠(yuǎn)程DCS開環(huán)手動控制和就地手動控制。
3.4冷卻方案
變頻器的工作過程是將交流電整流成直流電，再將直流逆變成交流的過程。在這一過程中，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)出的熱量及時排散掉。因此變頻器冷卻問題對變頻器運行的穩(wěn)定十分重要。經(jīng)過認(rèn)真的研究，我們采用了zui簡單、zui有效、zui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總風(fēng)道，用這個風(fēng)道將變頻器自身頂部的冷卻風(fēng)機從室內(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。這種方案只做一個風(fēng)道，不增加任何轉(zhuǎn)動設(shè)備，因此簡單可靠，故障因素少。經(jīng)過在40℃室溫條件下做滿載散熱能力試驗，結(jié)果變頻器的溫度zui高到68℃，與設(shè)計的zui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)見圖2，由移相變壓器、功率單元和控制器組成。每臺變頻器有21個功率單元，每7個功率單元串聯(lián)構(gòu)成一相。
圖2：高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
4.2功率單元結(jié)構(gòu)
每個功率單元結(jié)構(gòu)上*一致，可以互換，其電路結(jié)構(gòu)見下圖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，通過對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立性，使每個功率單元的主回路相對獨立，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)
參見圖2和圖3。輸出側(cè)由每個單元的U、V輸出端子相互串接而成星型接法給電機供電，通過對每個單元的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，可減少對電纜和電機的絕緣損壞，無須輸出濾波器就可以使輸出電纜長度很長，電機不需要降額使用，可直接用于舊設(shè)備的改造。同時，電機的諧波損耗大大減少，消除了由此引起的機械振動，減小了軸承和葉片的機械應(yīng)力。
當(dāng)某一個單元出現(xiàn)故障時，通過使圖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行，變頻器可持續(xù)降額運行，如此可減少很多場合下停機造成的損失。
圖3：功率單元電路結(jié)構(gòu)
圖4：單元輸出的PWM波形
圖5：系統(tǒng)輸出的相電壓階梯PWM波形
4.5控制器
控制器核心由高速單片機來實現(xiàn)，精心設(shè)計的算法可以保證電機達(dá)到*的運行性能?？刂破鬟€包括一臺內(nèi)置的PLC，用于柜體內(nèi)開關(guān)信號的邏輯處理，以及與現(xiàn)場各種操作信號和狀態(tài)信號的協(xié)調(diào)。增強了系統(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*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*可靠隔離，系統(tǒng)具有*的安全性，同時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)機高壓變頻改造后，將原風(fēng)道中用開度大小來調(diào)整風(fēng)道風(fēng)量的檔板開到了。這樣大大減小了風(fēng)的阻力損耗。另外*改變了風(fēng)在管道中的振動頻率，由于風(fēng)機的驅(qū)動電機在變頻狀態(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)下振動大的問題。這樣風(fēng)道時常被振開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改造后對電網(wǎng)的沖擊效果
當(dāng)電機通過工頻直接啟動時，它將會產(chǎn)生7-8倍的電機額定電流。這個電流值將大大增加電機繞組的電應(yīng)力并產(chǎn)生熱量，從而降低電機的壽命。而采用變頻后，電機實現(xiàn)了軟啟動，可以在零速零電壓啟動（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負(fù)載進(jìn)行工作，對電網(wǎng)幾乎沒有沖擊。
5.3改造后的維護(hù)強度效果
采用變頻調(diào)速后，驅(qū)動電動機基本工作在30Hz到40Hz的頻率范圍內(nèi)，與工頻50Hz相比，降低了風(fēng)機的轉(zhuǎn)速。另外啟動時的緩慢升速過程也使整套風(fēng)機機械設(shè)備的零部件、密封和軸承等的使用壽命大大延長。不用檔板調(diào)風(fēng)，調(diào)風(fēng)檔板的使用壽命大大延長，使檢修維護(hù)工作量減少，更降低了檢修工作強度和費用。
5.4改造后的節(jié)能效果
我公司4#爐3臺風(fēng)機進(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，更獲得了重大的節(jié)能效果。詳見下列改造前后生產(chǎn)參數(shù)對照表，此表數(shù)據(jù)來源于改造前后的生產(chǎn)報表：
4#爐變頻改造前后節(jié)能對照表
注：改造前功率因數(shù)為0.85；改造后功率因數(shù)為0.97。
從上表中數(shù)據(jù)可知，220噸鍋爐在從140噸到200噸運行過程中，三臺風(fēng)機的節(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行在140噸到150噸大約有8個月，運行在200噸大約有2個月，運行在180噸大約有1個月，檢修時間大約有1個月。改造前4#爐每年三臺風(fēng)機用總電量約為1863.13387萬度（kW&