变频器在化工厂锅炉送风系统的节能应用

2020-11-09杨欣达

化肥设计 2020年5期

杨欣达

(中海石油华鹤煤化有限公司，黑龙江鹤岗 154100)

某化工企业安装有3部循环流化床锅炉，装配10kV高压引风机、一次风机。为满足锅炉供风需求，风量调节采用挡板设计，从而导致风道内压流大量损失于挡板之上，能耗高、经济效益差。为响应国家节能减排的号召,降低企业用电成本，在不影响锅炉运行的前提下将供风系统改为变频调节，产生了较明显的经济效益。

1 无谐波节能变频器的原理及可靠性

1.1 无谐波节能变频器与传统脉冲变频器比较

无谐波节能变频器与传统脉冲变频器相比,具有集成度高、体积小、故障率低、易于维护、功率损耗小、节能等优点。无谐波节能变频器具有可靠的抗畸形波型变能力，能有效降低谐波对其他电力电子设备产生的干扰，同时避免和其他变频设备发生串扰。净化输入的正弦波，改变了传统应用隔离变压器滤波的模式，节约了成本投入。传统12脉冲双整流变频器输入电流反馈在电网上的谐波与新型无谐波节能变频器的波形比较见图1。

图1 谐波失真波形比较

传统12脉冲双整流变频器输入电流的总失真率为9%，相较之下,无谐波节能变频器输入电流失真波形更平滑,仅为1%。可见,无谐波节能变频器可有效减小整流设备对电网电能质量的影响[1]。

1.2 功率单元部分

无谐波节能变频器之所以畸形波型变率低，其核心的部分是功率单元,其结构原理见图2，单元电压750 V，根据负载额定电压的大小,变频器可由15(6.5kV)或24(10.5V)个功率单元组成，以产生多电平的PWM(脉宽调制)输出波形。

每个功率单元输入都被配置一个IGBT(绝缘栅双极型晶闸管)6脉冲二极管整流器,由独有的副边绕组,每单元相差7.5°,变压器提供输入电源。电流通过功率单元的桥式整流电路变成直流电，在经电容滤波后，提供给输出侧的逆变单元。功率单元的输出端采用串联连接方式，根据不同的电压等级确定串联功率单元数量。

图2 典型功率单元整流逆变原理

1.3 无谐波节能变频器结构及基本原理

无谐波节能变频器的输入变压器用不同的移相角绕制，变压器采用延边三角形接法，彼此间相差一定的电角度，可根据负载电压等级的不同,绕制不同的电角度差。以中海石油华鹤煤化有限公司引风机变频器为例，引风机额定电压为10kV，其每相由8个变频功率单元组成，变频功率单元额定电压为750V，每个功率单元彼此相差7.5°电角度，由此组成10kV的负载电压。抵消了单个变频功率单元造成的波形失真对电能质量的污染，是以原边才可以形成近乎完美的正弦波,形成优于30脉冲或42～48脉冲变频器的电源质量。

1.4 无谐波节能变频器可靠性

无谐波节能变频器采用容错保护模式增加工艺生产的连续性和稳定性，容错保护模式就是当变频器发生故障时,不是无选择性地跳闸和关闭系统，而是向微机保护提供一个警告信号。微机保护通过评估变频器故障类型做出适当响应调整，避免生产中断。对于许多化工厂、风机和废水处理设备以及工艺设备来说，有了预警时间，可以根据变频器故障情况决定是否中断生产。

如图3所示的无谐波节能变频器稳定性原理，引风机8功率单元无谐波节能变频器等效电路10.4kV输出(相间)。假设A7、A8两个变频功率单元发生故障，故障后线电压失衡(负载不能正常运行)。无谐波节能变频器通过其独有的中性点漂移功能，在失去两个变频功率单元后,通过旁路分离故障变频功率单元，无谐波节能变频器可确保在250 ms(<500 ms)中自动旁路故障的功率单元,进而调节电角度恢复输出平衡(线电压正常负载正常供电),保证工艺的稳定连续性。

图3 无谐波节能变频器稳定性原理

2 无谐波节能变频器经济效益分析

2.1 无谐波节能变频器节能概算

某化工企业有3套锅炉供风系统,配套改造6台电机，厂家为佳木斯电机厂，额定功率分别为引风机(1000kW)3台、一次风机(900kW)3台。自改造以来，定期对锅炉供风系统数据进行收集。由于负荷有所变化，其运行方式有所差异，变频改造前后运行工况见表1。

根据表1数据分析可知，按工艺设备正常运行状态160MW，年运行365 d不受大修、检修等时间影响。变频节能改造后,单台锅炉年均节约电量预期值为670万kW·h，整个变频节能改造3台锅炉，合计年节约电量2 010万kW·h，如果电价按0.2898元/kW·h(含税)测算，则年节约效益为：

2010万kW·h×0.2898 ≈ 582.5万元

表1 不同工况下风机变频前后节能统计

2.1 无谐波节能变频器投资概算

无谐波节能变频器主要设备投资概算见表2。

表2 主要设备投资概算

2.3 无谐波节能变频器应用前景

如前所述，锅炉变频送风系统收益期T=1036.51÷582.5=1.78(年)，即可收回成本，经济效益显著。设备投用后,观察变频器设备录波，无谐波节能变频器THD(波形总谐波失真小于5%)。此外,安装无谐波节能变频系统可以起到软启的作用，减小电机启动电流对系统电压的冲击影响。应用无谐波节能变频器还不会对电机产生附加发热，对电机绝缘几乎不会产生影响[2]。同时，即使电动机在低转速时也不会对系统产生谐波扰动。无谐波节能变频器还可结合工艺需求调节风量，减少了轴承、叶片的磨损，降低了设备费用和维护工作量，应用前景十分良好。