高压变频器在锅炉风机节能控制中的应用

高压变频器在锅炉风机节能控制中的应用

吴桂林 田斌斌 杨国

湖北三宁化工股份有限公司， 443206，湖北宜昌【前言】湖北三宁化工股份有限公司 60万吨乙二醇项目 1台 750T锅炉中配置的 1台给水泵 4400KW、 2台一次风机 1250KW、 2台二次风机 900KW、 1台引风机 4800KW，电动机总功率为 13500kW，运行总功率为约 12000kW。为了降低厂用电率，对该 10KV高压电动机进行了变频调速改造设计应用，在本系统改造应用主要对引风机变频控制说明。

〖关键词〗变频器 软起动器 PLC控制柜 空水冷换热装置

1引风机变频改造系统主电路

有着“现代工业维生素”之称的高压变频器，现广泛应用于国民国民经济的各行各业和人民的日常生活中。

本文中锅炉每台机组配备1台给水泵、2台一次风机、2台二次风机、1台引风机等各台电机，考虑到实际重要性，变频器均采用一拖一的方式，即变频和工频互切，实现对引风机的工频、变频的起停操作和运行切换。用户站中考虑电网供电能力，在大功率风机工频启动和变频器内配置的7500KVA变压器上电均考虑液阻软起动，引风机变频控制主电路如图1。

图1中，为防止带负荷切换，设计中均采用断路器控制。QF4\QF5为10kV变频器高压侧进出线断路器，QF6为短接变频器断路器，QF1\QF2为液阻降压软起动器进出线断路器，QF3为短接起动器的断路器，图中电源进线带进线PT，为防止变频器出线带电，QF5与QF6两高压开关柜除程序控制外另作电气与机械互锁，设置一面控制上述开关动作的PLC控制柜，控制程序简述如下：

a.变频启动：

控制电源上电→自检完成→高压允许合闸→用户发变频启动命令→QF1、QF2合闸（先储能后合闸，启动3S降压）→QF4、QF5合闸（同前）→QF1合闸后延时2S后QF3合闸（同前）→QF3合闸后延时3S，QF1、QF2分闸→自检有高压→变频器待机→再延时3S后自启动→变频器可调节运行

b.变频停机：

用户停机命令→变频器减速停机→变频器待机→QF4、QF5分闸→QF3分闸

↓ ↑

↓ →延时45S输出→→→→→→→→→→→↑

c.变频急停（自由停机）：

急停或重故障命令→→变频器封锁输出→变频器待机→QF4、QF5分→QF3分

↓ ↑

↓ →延时5S输出↑

d.变切工：

变频运行→变切工指令→急停变频器→变频器待机→QF4、QF5分闸→QF3分闸，按工频启动方式进行。

e.工切变：

工频运行→工切变指令→QF3、QF6分闸，按变频启动方式进行。

f.工频启动：

控制电源上电→用户工频启动命令→QF1、QF2合闸→QF6合闸→液阻柜移动降压运行，到下限位后发命令QF3合闸→QF3合闸后延时3S， QF1、QF2分闸（此条程序由液阻柜控制）→工频运行

g.工频停机：

用户停机或急停命令→QF6、QF3分闸

PLC按以上a-g条件控制编程，同时注意：

1. 参照执行施耐德变频器控制流程参数。

2. 所有变频器流程均只需用户发出一次初始指令，各开关的动作应完全由PLC程序自动执行，直至实现初始指令，同时也应有指令超时保护。

3. PLC程序对变频启动、工频启动、变切工、工切变的指令应设置独立的输出点，以便控制软启动柜的启动时间。

4. 编程要考虑机械动作特性。

如图1 引风机一次控制原理图

说明：本图还适合给水泵控制，如果去掉QF1\QF2\QF3断路器，余下断路器开关则适合一次、二次风机的控制。

2高压变频器空-水冷却方案

在我乙二醇公司配有三套大锅炉，每套电机功率又很大。任一台大功率变频器的运行将影响到每台锅炉的运行工况，进而影响乙二醇公司的生产稳定运行。

但影响变频器可靠运行的因素是多方面的，移相变压器、功率模块、通讯模块、PLC控制系统等等本体元器件任一质量问题，均影响其稳定性运行。

由于变频器的效率大于96%，满负荷时仍有4%的损耗。其中，变压器的损耗约为总损耗的50%，功率逆变电路的损耗约为总损耗的50%。这些损耗全部都要转换为热量。如果不采取措施，让其自然空冷，效果很不好，最终因为温度过高，导致变频器过热保护动作跳闸，变频器将无法稳定运行。为保证变频器的正常工作，急需优化散热与通风方案，目的就是要把大量的热量散发出去，为保证变频器具有良好的运行环境，进行合理的换热方案选型设计与计算，实现设备的高效散热，提高设备的可靠性。随着变频器装机容量的不断增加，对其变频器空-水冷却方案也要不断优化，实现项目节能收益最大化，具有积极意义。

如何为保证变频器中变压器和功率模块散热、通风，常用的几种冷却方式主要包括：

1. 风道开放式冷却；

2. 空调密闭冷却；

3. 空－水冷密闭冷却；

4. 设备本体水冷却；

5. 上述方式组合冷却。

经分析比较采用上述方案3，根据变频器布局，就变频器变压器和功率模块各配备一套独立的空-水冷却系统。这样既调节方便、安全可靠，效果也最好，主要耗材就是运行中冷冻水（或除盐水），考虑全年综合运用，选用空水冷换热设施采取两级模式，正常情况下，变频器热风出口先用循环水（或一次水）先行一级降温，接着进第二级用冷冻水（或除盐水）降温后回到变频器进口。根据运行温度，可随时调节两级用水量大小，这样优化节能效果非常明显。

水-冷却器整体安装于高压变频器室墙外，采用风道与变频器的柜顶排气口直接连接，提高了冷却器的设备运行效率，能够对变频器排出的热气直接降温处理。同时，避免冷却水管线在高压室内布局容易出现破裂后漏水危及高压设备运行安全的严重事故发生。在空—冷系统的设计当中，为了防止空冷器出口侧凝露冷风带水排入室内，对空冷器的出风口、风速等指标进行设计计算；在空冷器的出口侧设置了淋水板；当漏水或有积水时，可以直接排向室外。同时，空冷器的风机故障报警检测点，并通过综合报警信号远传至 DCS。完整的冷却系统解决方案，有效减低了辅助系统的故障率，为变频器的稳定运行奠定了基础，确保运行稳定。变频室冷却方案布局如下图2所示，10KV变频器空水冷、风道参数数据见表1。

图2 变频器室空水冷装置布局图

乙二醇公司上述装置第一级进水接循环水（或一次水），出水口接至循环水回收，溴化锂装置的冷却水接入水冷却器的第二级进口，水冷器的出水接入到溴化锂的回水主管中，冷却水循环利用，大大降低了使用成本。变频器运行前，关闭外墙上的风道阀门，外墙下部的风扇关闭，打开水冷器的进出口阀门进行排气，直至排污阀有清澈的水流出，通过水冷器对变频器进行降温。一级换热用常温水降温，二级换热通常接入变频器水冷器的进水温度为7-10℃,水冷器的出水温度为15-20℃。变频器室为内循环模式，使变频器运行在密闭的空间，改善了变频器的运行环境。冬天溴化锂停用时，二级换热根据实际情况调节，一般采用空气冷却方式，将水冷却器的进出口阀门关闭，打开外墙上的风道的阀门，开启外墙下端的降温风扇，通过空气冷却方式对变频器进行降温，此时采用的是外循环模式，需定期对变频器滤网进行更换，不管用何种运行方式，均可将变频器的温度控制在28℃以下。避免了变频器因过热引起的跳闸，保障了锅炉风机的正常运行，大大节约了电能，为装置安全稳定运行奠定了基础。

3改造中要注意的问题

3.1差动保护问题

系统选用施耐德高压变频器，具有故障监测电路和故障报警功能。保护功能有过电压、过电流、欠电压、缺相、过载、过热、接地和短路保护等。按照GB50062-1992《电力装置的继电保护和自动装置设计规范》规定，功率在2000kW及以上的电动机都需要装设纵联差动保护。

为了完善电动机运行时的保护功能，投入了电动机差动保护功能，在电动机中性点和QF5柜内断路器下（同时接到工频柜QF6下，见图）加装一组电流互感器，将两侧电流信号接入QF5断路器柜上电流差动综保装置，无论是在变频，还是工频运行，均能实现差流保护，变频接跳QF5，工频接跳QF6。

3.2引风机选用1台而不用2台，考虑到2台不能稳定地并联运行

两台性能相同的风机并联时，也会出现一台风机流量大而另一台流量小的情况，使两台风机不能稳定地并联运行。风机不同转速下的特性曲线如图3所示。图3中，n1-n1为转速、Q为风量、P2/P1为风机出口风压。

图3 风机不同转速下的特性曲线

可以看出，转速不同，相应的驼峰点和驼峰流量也不同。把不同转速下的驼峰点连接起来，构成一条喘振抢风极限线。曲线右侧为稳定区，左侧为不稳定区。低频运行时，应避开不稳定区。通过风机冷态流化试验得出，两台风机并列运行时，变频器频率调至35Hz以上，控制风机出口的风量大于极限风量120m/h时，即图4中的O点位置，可以避免风机发生抢风问题，故采用1台引风机加变频便于控制，规避能效损失，但缺点一旦这台出现故障，只有停炉。

3.3电动机及负载轴系扭振、叶片共振

变频调速应用后，电动机和负载的运行频率不再固定为工频50Hz，而是工作在0～50Hz。电动机输入电流是变频器输出的包含高次谐波分量的综合电流，电动机及负载轴系扭振、叶片共振等问题时有发生。可以采取如下措施：

（1）实时监测电动机及负载的振动情况，有异常应及时进行参数分析。

（2）变频运行一个月后应停机进行风机动叶片裂纹检查，如发现裂纹要进行相应改造。

（3）变频器投运前应做共振频率试验，设置频率跳跃区域，避开共振频率。

（4）定期进行谐波、振动、扭振等参数测试，配备在线监测系统进行实时监测。

作者简介：

吴桂林 男 1967年生，本科文化程度，高级电气工程师 湖北三宁化工股份有限公司首席电气智能技术专家，电气技术总负责，被中国机电一体化技术应用协会工程技术发展中心评聘为石化电气专家，省财政厅、市发改委、安监局等专家库成员，从事电气工作三十余年，有独立的电气大师工作室，潜心研究电气领域新动向及新技术应用，在电气控制领域，取得21项实用型专利技术和10项电气控制发明专利，在国内多家著名电气期刊上发表数篇论文。

通讯地址: 湖北·枝江·湖北三宁化工股份有限公司 邮编: 443206。

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